Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Водопотребление сельского хозяйства Сирии и опреснение воды методом мембранной дистилляции 13
1.1. Краткая характеристика Сирии и ее сельскохозяйственного производства 13
1.2. Использование воды в сельскохозяйственном производстве (применительно к условиям Сирии) 15
1.3. Физическая сущность и типы мембранной дистилляции 20
1.4. Мембраны, используемые в процессе мембранной дистилляции 24
1.5. Массотеплоперенос при мембранной дистилляции 26
1.6. Разделение растворов методом мембранной ди стилля ци и 36
1.7. Аппаратурное оформление процесса мембранной дистилляции 51
1.8. Экономические показатели различных методов разделения растворов... 54
Выводы по главе 1 59
Задачи исследований 61
Глава 2. Экспериментальные исследования по опреснению морской воды методом МД 63
2.1. Описание экспериментальной установки 63
2.2. Методика проведения эксперимента 67
2.3. Анализ экспериментальных данных, полученных на дистиллированной воде 69
2.4. Анализ экспериментальных данных, полученных на морской воде 72
2.5. Определение равновесного давления пара над морской водой 95
Основные результаты и выводы по главе 2 98
Глава 3. Математическое моделирование процесса МД морской воды 101
3.1. Математическая модель процесса МД морской воды 101
3.2. Индентификация параметров математической модели 109
3.3. Проверка адекватности математической модели , 118
Основные результаты и выводы по главе 3 119
Глава 4. Аппаратурно-технологическое оформление МД морской воды при сельскохозяйственном водоснабжении Сирии 121
4.1. Забор морской воды 121
4.2. Использование КМДУ с солнечным коллектором при опреснении морской воды для целей холодного водоснабжения 123
4.3. Использование МДУ с солнечным коллектором при опреснении морской воды для целей горячего водоснабжения 126
4.4. Конструктивное оформление МДМ 127
4.5. Методика расчета МДУ 130
4.6. Пример расчета МДУ 134
4.7. Технико-экономический анализ применения МДУ для опреснения морской воды 140
Основные результаты и выводы по главе 4 144
Основные выводы 145
Литература 147
Приложения.. 157
- Использование воды в сельскохозяйственном производстве (применительно к условиям Сирии)
- Анализ экспериментальных данных, полученных на дистиллированной воде
- Математическая модель процесса МД морской воды
- Использование КМДУ с солнечным коллектором при опреснении морской воды для целей холодного водоснабжения
Введение к работе
Задачи обессоливания воды, концентрирования водных растворов нелетучих веществ, опреснение морской воды актуальны для многих отраслей промышленности, в том числе и для сельскохозяйственного производства. Опреснение морской воды особенно актуально для стран и регионов планеты с жарким, засушливым климатом, к числу которых относится Сирия.
В сельском хозяйстве вода используется как на питьевые, так и на производственные нужды (поение животных, приготовление кормов, мытье технологического оборудования, санитарно-гигиеническая уборка помещений, полив растений, питание водой паровых и водогрейных котлов малой производительности и т.д.). В зависимости от целей водопотребления к воде предъявляются соответствующие требования в отношении содержания в ней минеральных солей.
В сельском хозяйстве Сирии эксплуатируется большой количество паровых и водогрейных котлов малой мощности (паровые и водогрейные котлы, водонагреватели), что требует подготовки питающей их воды и, в частности ее деминерализации. Особенностью котельных установок малой мощности является то, что в них недостаточно эффективно решаются вопросы ее деминерализации. Это объясняется тем, что традиционные методы обессоливания применительно к ним малопригодны и неэкономичны.
В Сирии для целей сельскохозяйственного водоснабжения используются реки и водоемы, артезианские скважины. Определенную роль в системе сельскохозяйственного водоснабжения в прибрежных районах Сирии может играть опресненная морская вода в связи с огромным запасом воды Средиземного моря и достаточно большой протяжённостью береговой линии страны. В настоящее время использование опресненной морской воды для целей водоснабжения Сирии сдерживается дороговизной традиционных методов ее обессоливания (дистилляция).
Для опреснения морской воды большой интерес представляет метод мембранной дистилляции, который обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами (выпаривание, вымораживание, электродиализ и др.). Мембранная дистилляция (МД) является новым перспективным методом разделения растворов нелетучих веществ (более новым, чем другие мембранные методы разделения растворов - электродиализ, обратный осмос, микро-, ультра-, и нанофильтрация). Возможности и условия применения этого метода по отношению к различным растворам изучены недостаточно, пока не созданы серийно выпускаемые промышленные установки, четко не определены типы и марки промышленно выпускаемых мембран, наиболее пригодных для целей мембранной дистилляции.
Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процесса деминерализации воды Средиземного моря методом мембранной дистилляции и разработке аппаратно-технологического оформления этого процесса применительно к сельскохозяйственному водоснабжению. Цель работы
Целью исследований являлась разработка высокоэффективной, энергосберегающей технологии опреснения морской воды применительно к сельскохозяйственному производству Сирии и аппаратурное оформление этого процесса. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи, сформулированные в конце первой главы. Объект исследований
Объектом исследований являются тепломассообменные процессы при МД воды Средиземного моря и ее технология опреснения применительно к холодному и горячему сельскохозяйственному водоснабжению. Методика исследований
Постановленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований с использованием положений теорий тепломассообмена, гидродинамики, физико-химии растворов, теории подобия, а
7 также методов физического моделирования и математической обработки экспериментальных данных. Научная новизна работы:
Изучены физические закономерности процесса МД морской воды с помощью пленочных композитных мембран «Владипор»;
Получены данные, устанавливающие количественную зависимость удельной производительности и селективности разделения в данном процессе от марки мембраны и размера ее пор;
Исследована кинетика процесса МД морской воды на указанных мембранах, показано значительное влияние температурной поляризации, депрессии пара и концентрационной поляризации на скорость процесса;
Разработана математическая модель МД, учитывающая эти эффекты;
Экспериментально выявлено и объяснено физически влияние температурного и гидродинамического режимов процесса МД на селективность разделения при опреснении морской воды;
Получены экспериментальные данные по коэффициенту паропровод ности мембран МФФК2, МФФКЗ, МФФК4 в функции от температуры мембраны и данные по параметру Др1; учитывающему влияние депрессии пара и концентрационной поляризации на кинетику процесса МД;
Разработана методика инженерного расчета мембранно-дистилляционнои установки плоско-рамного типа, учитывающая указанные эффекты.
Практическая значимость:
Показана практическая целесообразность и эффективность применения метода МД для опреснения морской воды с помощью пленочных композитных мембран «Владипор». Даны рекомендации по их выбору;
Разработанные математическая модель и методика инженерного расчета МДУ плоско-рамного типа могут быть применены для расчета процесса МД различных водных растворов нелетучих веществ;
3. Полученные данные по коэффициенту паропроводности являются характеристиками исследованных марок мембран и могут быть
8 использованы при расчете процессов разделения различных растворов. Полученная зависимость параметра Арі=/(ТГ) Рег) может быть использована при разделении морской воды методом МД при различных температурных и гидродинамических режимах ведения процесса;
4. Даны рекомендации по аппаратурно-технологическому оформлению процесса МД и схемное решение энергосберегающих МДУ непрерывного действия для целей холодного и горячего водоснабжения, применимых в сельскохозяйственном производстве, и учитывающих природно-климатические условия Сирии.
Автор защищает:
Результаты сравнительных экспериментальных исследований по опреснению морской воды с помощью композитных мембран «Владипор» марок МФФК2, МФФКЗ, МФФК4 и выводы на их основе;
Выявленные закономерности по влиянию размера пор мембран, температурного и гидродинамического режимов на удельную производительность и селективность разделения морской воды методом МД;
Математическую модель процесса - МД, учитывающую эффекты температурной поляризации, депрессии пара и концентрационной поляризации;
Экспериментальные данные по коэффициенту паропроводности мембран МФФК2, МФФКЗ, МФФК4 и параметру Арь а также полученные по ним зависимости;
Инженерную методику расчета непрерывно действующей МДУ плоскорамного типа, учитывающую вышеуказанные эффекты;
Аппаратурно-технологическое оформление процесса опреснения морской воды методом мембранной дистилляции с использованием солнечного коллектора для целей холодного и горячего сельскохозяйственного водоснабжения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научно-
9 технических конференциях преподавателей и сотрудников МГАУ (г. Москва, Россия, 2001-2003 гг.), Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале 21 века» (г. Тамбов, Россия, 24-28 сентября 2001 года), Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)», (г. Москва, Россия, 28-31 мая 2002 года), Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования», (г. Москва, Россия, 21 -23 января 2003 года); Международной научно-практической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», (г. Москва, Россия, 14-15 мая 2003 года), Третьей Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», (г. Киев, Украина, 29 сентября - 4 октября 2003 года).
Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 5 опубликованных печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и 13 Приложений, изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 33 таблицы. Список литературы включает 111 наименований.
Использование воды в сельскохозяйственном производстве (применительно к условиям Сирии)
Горячая и холодная вода находит широкое применение во многих технологических процессах сельскохозяйственного производства, начиная от питьевых, пищевых и санитарно-гигиенических нужд работников сельского хозяйства до технологических потребностей животноводства и растениеводства.
Технологические процессы, связанные с применением воды в сельскохозяйственном производстве Сирии, занимают важное место в эксплуатации машинотракторного парка, для заправки их систем охлаждения, а также для мойки машин и тракторов, промывки деталей двигателей и трансмиссии в ремонтных мастерских. В животноводстве вода необходима для поения животных, приготовления кормов, мытья технологического оборудования, санитарно-гигиенической уборки помещений. На фермах вода нужна также для санитарной обработки кожи животных (обмывание вымени коров и др.). В овцеводстве, которое характерно для Сирии, 1...2 раза в год животных купают в особых ваннах или опрыскивают растворами дезинфицирующих жидкостей для профилактики заболеваний и уничтожения эктопаразитов. В растениеводстве вода расходуется на полив растений, приготовление технологических растворов, бытовые нужды.
Расходы воды на животных, содержащихся в личном хозяйстве и на животноводческих фермах различны из-за различия применяемых средств механизации поения, уборки помещений и других технологических процессов. Водопотребление сельскохозяйственных перерабатывающих предприятий зависит от характера технологических процессов и уровня их механизации. Водопотребление при эксплуатации машино-тракторного парка зависит от мощности двигателей и от грузоподъемности автомашин. Водопотребление в жилых домах зависит от типа зданий (наличие или отсутствие внутреннего водопровода, канализации, ванн, местных водонагревателей,
Одной из составных частей водопотребления в сельском хозяйстве Сирии является горячее водоснабжение. Отсутствие, как правило, централизованного отопления и горячего водоснабжения в сельском хозяйстве Сирии приводит к необходимости применения большого количества маломощных паровых и водогрейных котлов, водонагревателей различного типа. Их эксплуатация требует специальной водоподготовки, важнейшей составной частью которой является понижение содержания солей в питательной воде до допустимого уровня.
В табл. 1.1 в качестве примера показана потребность в горячей воде в животноводческих помещениях различного типа. В табл. 1.2 приведены удельные расходы воды на переработку сельскохозяйственной продукции, а в табл. 1.3 - удельное суточное водопотребление в жилых домах.
На предприятиях производственного сектора для бытовых нужд расходуется воды до 25 литров в смену на человека. На мойку автомашин и тракторов расходуется 300...600 л. воды, а расходы воды механическими мастерскими на единицу ремонтируемой техники составляют 1 м3 воды в сутки.
Качество воды характеризуется совокупностью примесей химического, механического и бактериологического характера. Каждый вид водопотребления из числа вышеуказанных предъявляет к качеству воды свои экстремальные требования. В частности, качество питьевой воды регламентируют ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» и Сан Пин 2.14.559-96 и может оцениваться по следующим группам свойств: органолептические, химические, бактериологические.
Органолептические свойства включают в себя: мутность, цвет, вкус и запах. Согласно ГОСТу мутность питьевой воды должна быть не более 1,5 мг/дм3 взвесей, а цветность - не выше 20 ед.Шт. Естественные запахи воды делят на болотный, гнилостный, древесный, рыбный и т.д. Стандарт разрешает использовать воду с запахом не более двух баллов по пятибалльной шкале. Вкус воды классифицируют как соленый, горький, сладкий и кислый. Стандарт регламентирует вкус воды в пределах 2 баллов [98].
Химические (токсикологические) свойства воды зависят от химических веществ, растворенных в ней. Последние могут быть определены путем химического анализа проб воды. Морская вода характеризуется большим содержанием минеральных солей.
Общее содержание солей в воде характеризуется сухим остатком после выпаривания пробы профильтрованной воды. В питьевой воде он не должен превышать 1000 мг/дм . В воде производственного и противопожарного назначения возможно использование вод с большим сухим остатком. Для поения животных возможно использование воды с повышенной минерализацией. Так, для взрослых животных сухой остаток может достигать [98]: крупный рогатый скот - 2400 мг/ дм , свиньи - 1200 мг/ дм , лошади - 1000 мг/ дм3, овцы - 5000 мг/ дм3 [98]. Жесткость воды характеризует возможность использования ее в энергетических установках (паровые и водогрейные котлы, водонагреватели), а также в бытовых целях. Жесткость обусловливается растворенными в воде солями кальция и магния. Согласно [98] общая жесткость питьевой воды не должна превышать 7 мг-экв/дм3, а максимальная жесткость воды, используемой в энергетических установках - не более 2 мг-экв/дм . Для животных можно употреблять воду общей жесткостью до 18 (коровы), 15 (лошади), 45 (овцы) мг-экв/дм3.
Кислотность, нейтральность или щелочность воды характеризуется водородным показателем (рН). Он должен находиться в пределах 6...9. Бактериологические свойства воды определяются общим числом бактерий и числом бактерий группы кишечных палочек, содержащихся в 1 мл воды. Общее число бактерий должно быть [98] не более 100, а число группы кишечных палочек (коли-индекс)- не более 3. воду, содержащую большее количество бактерий, следует обеззараживать. ГОСТ регламентирует также содержание в воде хлоридов, сульфатов и остаточных полифосфатов, которые влияют на органолептические показатели воды.
Анализ экспериментальных данных, полученных на дистиллированной воде
Толщина диффузионного пограничного слоя 6 зависит от скорости движения горячего потока вдоль поверхности мембраны. Согласно уравнению (1.25) для каждой мембраны, имеющей свои значения толщины 6 и гидрофильной пористости Ш], существует гидродинамический режим течения горячего потока, обеспечивающий максимальное значение коэффициента
В [56] рассмотрена селективность разделения растворов методом мембранной дистилляции с использованием многослойной мембраны, содержащей помимо гидрофобного слоя также тонкопористый селективный и крупнопористый гидрофильный слои.
Роль указанных слоев состоит в защите основного гидрофобного слоя от воздействия поверхностно-активных веществ (ПАВ), часто присутствующих в растворе, и приводящих, вследствие их адсорбции на поверхности мембраны, к постепенной утрате мембраной гидрофобных свойств.
Анализ литературных источников показывает, что большинство исследований в области мембранной дистилляции было проведено с целью деминерализации и концентрирования солесодержащих растворов, в частности с целью опреснения высокоминерализованных вод.
В [27] на лабораторной установке, содержащей МД - модуль с газовым зазором, были проведены исследования по опреснению и концентрированию морской воды и имитирующих её растворов. Исследовались растворы NaCl и Na2S04 различных концентраций, их смесь с концентрацией 0.5N NaCl и 0.05N Na2S04, модельный раствор морской воды, содержащий NaCl, Na2S04, MgCI2 и СаС12, а также морская вода, отобранная в районе Владивостока. Исследования проводились на промышленных микрофильтрационных мембранах «Владипор» марки МФФ2. В итоге проведенных исследований авторы пришли к выводу, что МД с газовым зазором с достаточной эффективностью может быть использована для разделения и глубокого концентрирования различных солевых растворов. Согласно этим данным селективность разделения практически не зависит от температуры процесса и скорости разделяемых потоков и слабо зависит от концентрации. В частности, было установлено, что с увеличением концентрации солей от 0.5N до 5.0N падение величины потока пермеата через мембрану составляло в среднем 15...20%. С увеличением температуры разделяемого раствора от 40 до 60 С наблюдалось очень слабое увеличение селективности, а падение её значения с ростом концентрации соли в исходном растворе составляло в среднем 0.5...1%. Коэффициент удержания имел тем не менее довольно высокое значение - 0.996...0.998, что практически не достигается другими мембранными методами разделения (например, обратным осмосом). С увеличением скорости горячего потока селективность также слабо возрастала.
В цитируемой работе проводились также исследования по концентрированию модельного раствора и реальной морской воды — при температуре 60 С. В ходе этого эксперимента модельный раствор и реальная морская вода были сконцентрированы относительно исходного объёма в 10 раз, при этом производительность уменьшилась всего на 15...20%. Комментируя полученные результаты, следует отметить, что вывод авторов о том, что «селективность разделения практически не зависит от температуры и скорости протока исследуемых растворов в изученном диапазоне и очень мало зависят концентрации» нуждается в проверке. Как было рассмотрено выше, в работах [43, 55] теоретически показано, что существуют оптимальные характеристики процесса, при которых селективность максимальна. Для каждой конкретной мембрана (ртах определяется значением комплекса ц,5аЛ)=ип /р т.е. зависит от соотношения скорости потока пермеата и коэффициента массоотдачи р\ Эти параметры, в свою очередь, зависят от гидродинамического режима течения горячего раствора относительно поверхности мембраны, от температуры раствора и его концентрации (последняя определяет значения теплофизических характеристик раствора —вязкости, теплопроводности, плотности, коэффициента диффузии). Всё это указывает на то, что и скорость потока раствора и его температура и концентрация должны оказывать влияние на селективность разделения растворов методом МД.
В [57] изучали обессоливание искусственной морской воды методом мембранной дистилляции с использованием поливинил иденфторидных мембран. Общее содержание солей в пермеате в результате обессоливания составляло менее 5 мг/л.
Обессоливание растворов электролитов и океанской воды (вода Уссурийского залива) методами МД проводились в [38] - с помощью российских мембран «Владипор» марок МФФ2 и МФФ4, а также мембраны УФФ-500. Исследовалось влияние температуры, концентрации, гидродинамических факторов на удельную производительность МД и селективность разделения. В качестве модельных растворов служили растворы NaCl, КС1, Na2B407, СаСЬ в пределах концентраций от 3% масс до 20% масс. В результате проведенных исследований на модельных растворах было установлено, что турбулизация горячего и холодного потоков резко (в 15...20 раз) увеличивает производительность по пермеату по сравнению со случаем без перемешивания. Наблюдавшийся в этих опытах рост удельной производительности мембран с увеличением числа Re объясняется тем, что увеличиваются коэффициенты теплоотдачи, в результате чего температура на поверхностях мембраны ti и t2 приближается к её значениям в ядрах потоков tr и tx (снижается эффект температурной поляризации). Близкое к предельным значения плотности потока пермеата наступали при числах Re«5000 и составляли величину от 10 кг/(м2,ч) при Atn=20 С до 40 кг/(м2-ч), при Atn=40 С, где Дtn=tr- tx (tx в опытах составляла 20 С).
Математическая модель процесса МД морской воды
Можно предположить следующий механизм влияния гидродинамики горячего потока на селективность разделения. При Re[- 300 имел место ламинарный режим течения раствора вдоль поверхности мембраны, который характеризовался отсутствием турбулентных пульсаций, как в ядре потока, так и у поверхности мембраны. Область Rer=300...550 соответствовала переходному режиму течения потока, при котором турбулентные пульсации охватывали всю область пограничного слоя [93,94], их наличие непосредственно у горячей поверхности мембраны приводило к усилению проскока жидкой фазы через поры мембраны, что и вызывало ухудшение селективности разделения.
При Rer 550 у поверхности мембраны формировался ламинарный подслой, турбулентные пульсации не достигали поверхности мембраны и в результате величина потока жидкой фазы через мембрану снижалась до своей первоначальной величины, наблюдаемой при малых числах Rep, а коэффициент удержания возрастал до значения, имевшего место при Rer 300.
В соответствии с изложенным следует считать Re[= ReKp і =300 первым критическим значением числа Rer, a Rep= ReKp.2=500 вторым критическим значением числа Rep, имевшими место в данных опытах. Эти критические значения чисел Rer определяют границы переходной области течения горячего потока, характеризующейся отсутствием ламинарного слоя или подслоя. Обобщая результаты эксперимента, можно утверждать, что наибольшая селективность разделения достигается при Rer ReKpl и при Re[ ReKp.2. Конкретные значения чисел ReKp,i и ReKp.2 определяются степенью турбулентности потока Кст, и теми факторами, которые на него влияют [93]: удобообтекаемостью передней кромки мембраны, интенсивностью теплообмена, изменением давления вдоль поверхности мембраны, ее шероховатостью, волнистостью, вибрацией мембраны, пульсацией потока жидкости. Для определения значений ReKp,i и Rei—ReKp2 необходимо руководствоваться рекомендациями, приводимыми в литературе [93,94].
При анализе селективности разделения растворов в [55,56] было принято допущение о том, что перенос жидкой фазы через мембрану происходит по тонким гидрофильным порам, что исключает возможность влияния турбулентных пульсаций на селективность разделения. Полученные в данной работе данные свидетельствуют о том, что гидрофильные поры имеются также в числе крупных пор исследованных марок мембран, т.к. именно через них происходит влияние турбулентных пульсаций в горячем потоке на селективность разделения раствора, которое наблюдалось в данных опытах.
Результаты сравнительных испытаний мембран МФФК2, МФФКЗ, МФФК4 по опреснению морской воды методом МД с точки зрения удельной производительности и селективности разделения сведены в табл. 2.13.
Увеличение удельной производительности последовательно при переходе от мембраны МФФК2 к МФФКЗ и далее — к мембране МФФК4, наблюдаемое в табл. 2.13, можно объяснить как увеличением диаметра их пор, так и уменьшением толщины мембраны. Последний фактор очевиден, поскольку согласно соотношению (1.10) коэффициент паропроводности обратно пропорционален толщине мембраны 5. Поскольку у исследованных мембран их толщина была минимальной у мембраны МФФК2 и максимальной у мембраны МФФК4, то это, естественно, приводило к росту удельной производительности при переходе: МФФК2— МФФКЗ— МФФК4. Для выяснения влияния диаметра пор на удельную производительность мембраны удельные производительности мембран были нормированы по отношению к их толщине по соотношению (Л Si)/ {J2 дг). Эти нормированные величины представлены в табл. 2.13. Они показывают, что увеличение диаметра пор приводит к росту удельной производительности мембраны: при росте диаметра поры на 0,1 мкм удельная производительность мембраны при прочих равных условиях увеличивается на - 7 %.
Селективность разделения, как видно из табл. 2.13, при переходе МФФК2—»МФФКЗ— МФФК4 несколько снижается (хотя в целом сохраняет высокое значение). Поскольку толщина мембраны на селективность разделения не влияет, то, следовательно, наблюдаемое снижение селективности можно объяснить увеличением размера пор мембраны. Таким образом, проведенные исследования показали, что с увеличением размера пор мембраны происходит увеличение удельной производительности и некоторое снижение селективности разделения. 2.5.
Использование КМДУ с солнечным коллектором при опреснении морской воды для целей холодного водоснабжения
В сельскохозяйственном производстве требуется не только холодная вода, но и горячая. Последняя используется для мытья посуды, молочных фляг и молокопроводов на молочных фермах, санитарной обработки помещений, в быту, в душевых, прачечных, при промывке деталей в ремонтных мастерских и т.д.
МДУ, предназначенная для получения дистиллята, используемого в системе горячего водоснабжения, не требует охлаждения после МДМ дистиллята. В этом случае МДМ целесообразно оформлять не как контактный, а как модуль с жидкостным (газовым) зазором, что дает возможность применять в качестве холодного потока исходную (перед ее подогревом в солнечном коллекторе) морскую воду. Это упрощает технологическую схему, т.к. из нее исключается холодильник дистиллята и дополнительный насос, и уменьшает тепловую нагрузку на солнечный коллектор (за счет рекуперации теплоты, отдаваемой горячим потоком в МДМ), что уменьшает его габариты и стоимость.
Ниже (рис. 4.5) представлена принципиальная схема МДУ с солнечным коллектором, предназначенная для обессоливания морской воды с целью использования ее в системе горячего водоснабжения. В системе водозабора в данном случае отсутствует водонапорная башня, поэтому указанная система содержит только одну станцию водоподъема. Особенностью представленной схемы является то, что морская вода используется в МДМ сначала в качестве холодного теплоносителя для конденсации пермеата, а затем после подогрева ее в солнечном коллекторе она вторично поступает в МДМ, где из нее испаряется вода. Для обеспечения бесперебойной системы горячего водоснабжения после МДМ установлена емкость Е для накопления получаемого в МДМ дистиллята. Представленная схема отличается простотой, в ней отсутствует необходимость в использовании специальной охлаждающей воды. Ее роль выполняет непосредственно исходная морская вода. Сопоставление этой схемы, содержащей МДМ с жидкостными или газовым зазором, со схемой, приведенной на рис. 4.4, в состав которой входит КМДМ показывает, что она проще в технологическом отношении, т.к. в ней отсутствуют теплообменник и циркуляционный насос. Однако, в конструктивном отношении МДМ с жидкостным или газовым зазором сложнее, чем КМДМ. Исследованные российские пленочные композитные мембраны марок МФФК2, МФФКЗ, МФФК4 выпускаются в виде гибкой ленты шириной аі 0,3м. Исходя из этого, МДМ с их использованием может быть выполнен в виде плоскорамной конструкции по принципу разборного пластинчатого теплообменника. В зависимости от типа МДМ (КМДМ или модуль с газовым или жидкостным зазором) конструктивное исполнение МДМ будет различным. Рис. 4.6. Контактный МДМ: 1- нажимные плиты; 2- рифленная металлическая пластина; 3- прокладка; 4- мембрана; 5- пакет пластин и мембран. На рис. 4.6 показано принципиальное устройство КМДМ. В этой конструкции мембраны расположены хмежду рифленными металлическими пластинами и по контуру уплотнены резиновыми прокладками. В пластинах и мембранах имеются соосные отверстия для сквозного прохода через них горячего и холодного потоков (горячим потоком является опресняемая морская вода, а холодным потоком охлажденный дистиллят). Рассматриваемая конструкция предназначена для работы в составе МДУ, показанной на рис. 4.4. Прокладки уложены таким образом, что горячий поток поступает в щелевой зазор между пластиной и мембраной с одной ее стороны, а холодный поток - в щелевой зазор между этой мембраной и другой пластиной с другой стороны этой же мембраны. Рифы мембраны выполняют двоякую функцию: они фиксируют положение мембраны посредине между пластинами, обеспечивая щелевой зазор с каждой ее стороны и, кроме того, турбулизируют потоки. Последнее увеличивает коэффициенты тепло- и массоотдачи и тем самым снижает эффекты температурной и концентрационной поляризации. Поскольку подача горячего и холодного потоков принудительная, то их движение в щелевых зазорах между мембранами и пластинами может происходить как сверху вниз, так и снизу вверх. Это дает возможность организовать различные схемы движения потоков в МДМ: прямоточную, противоточную, многоходовые схемы. Количество устанавливаемых в МДМ мембран определяется производительностью МДУ, заданными температурами потоков на входе и выходе МДМ, схемой и скоростями их движения, маркой мембраны. МДМ с газовым (жидкостным) зазором, предназначенным для работы в составе МДУ, изображенной на рис. 4.5. в отличие от предыдущего, содержит камеры для сбора пермеата. Это дает возможность, как было отмечено выше, использовать в качестве холодного потока исходную морскую воду, что упрощает технологическую схему МДУ и позволяет отказаться от теплообменника (холодильника) и дополнительного насоса в ее составе. Как и в КМДМ, мембраны в данном модуле зажаты между рифленными пластинами. Однако, на одну мембрану в данном модуле приходится не две, а три пластины. Со стороны горячей поверхности мембраны расположена одна пластина, зазор между ней и мембраной образует камеру горячего потока. Холодная сторона мембраны примыкает к рифам промежуточной пластины, образуя с ней камеру сбора пермеата. С дугой стороны этой пластины эквидистантно ей находится третья пластина. Щелевой зазор между этими пластинами образует камеру холодного потока. Пакет пластин и мембран состоит из набора указанных выше элементов, уплогненных резиновыми прокладками, уложенных таким образом, что это обеспечивает необходимое движение потоков. Пластины и мембраны имеют сквозные соосные отверстия для движения потоков.
Модуль в пространстве расположен вертикально. Подача горячего и холодного потоков осуществляется принудительно, поэтому, как и в предыдущей конструкции, возможно их движение по модулю как сверху вниз,
