Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Использование энергии градиентов солености. Современное состояние вопроса и постановка задачи исследований 7
1.1 .Принципы преобразования энергии градиентов солености 7
1.2.Классификация методов преобразования энергии градиентов солености 13
1.2.1 Осмотический принцип преобразования энергии градиентов солености 14
1.2.2 Электрохимические принципы преобразования ЭГС 29
1.2.3 Парокомпрессионный принцип преобразования ЭГС 37
1.2.4 Механохимическое преобразование энергии градиентов солености 41
1.2.5 "Криоскопический" принцип преобразования энергии градиентов солености 43
1.2.6 Использование потенциала двойного электрического слоя 43
1.3 Выводы и постановка задачи исследований 45
ГЛАВА 2 Экспериментальная установка. планирование экспериментов и погрешность измерений 46
2.1 Электродиализный аппарат и система измерений 46
2.1.1 Принцип действия экспериментальной установки 48
2.1.2 Состав стенда и управление экспериментом 54
2.1.3 Контрольно-измерительные приборы
2.2 Планирование экспериментов 61
2.3 Погрешность измерений
2.3.1 Оценка случайных погрешностей прямых измерений 65
2.3.2 Оценка грубых погрешностей прямых измерений 69
2.3.3 Оценка случайных погрешностей косвенных измерений 69
2.3.4 Метрологические характеристики измерительных устройств 70
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования энергетической установки на основе обратного электродиализа 71
3.1 Вольтамперные характеристики батареи 72
3.2 Гидродинамика в элементах РЭД установки 76
3.3 Электрические мощность и внутреннее сопротивление батареи 85
ГЛАВА 4 Анализ термодинамических основ и отинципов преобразования энергии градиентов солености 92
4.1 Термодинамические основы процесса смешения растворов разной концентрации .92
4.2 Энергетические потенциалы источников энергии, обусловленной градиентами солености 97
4.3 Теоретический анализ и оптимизация параметров обратного электродиализа 101
4.4 Сравнение способов преобразования энергии 105
ГЛАВА 5 Показатели экономичности установок обратного электродиализа и перспективы их практического использования 115
5.1 Коэффициент полезного действия
экспериментальных и промышленных установок 115
5.2 Себестоимость производимой электроэнергии 122
5.3 Перспективы практического применения принципов обратного электродиализа 128
Заключение 141
Литература
- Электрохимические принципы преобразования ЭГС
- Состав стенда и управление экспериментом
- Гидродинамика в элементах РЭД установки
- Теоретический анализ и оптимизация параметров обратного электродиализа
Введение к работе
Актуальность проблемы. Применяемые на морском флоте термические опреснительные установки (ОУ) потребляют не только тепловую энергию на испарение морской воды, но и электрическую на вспомогательные механизмы. Удельный расход электроэнергии для привода обслуживающих механизмов составляет в зависимости от качества дистиллята и тепловой схемы испарительной установки 1,4...24 кВт-час на тонну полученного продукта. Эффективность ОУ существенно возрастает за счет утилизации теплоты, обусловленной потерями энергии в элементах энергетической установки. При всем том, электрическая нагрузка обслуживающих опреснитель механизмов обеспечивается, как правило, от источника тока, работающего на органическом топливе, например от судовой дизельной электростанции. Однако и эти энергозатраты можно снизить, полностью исключить или даже получить дополнительную мощность с помощью сравнительно недавно исследованного эффекта получения электрического тока посредством обратного электродиализа морской воды. Значительные потоки воды с различной концентрацией солей в системах судовых опреснительных установок (ОУ) дают возможность применить методы прямого преобразования энергии градиентов солености (ЭГС) в электричество на основе обратного электродиализа. Это позволит понизить расход топлива и выбросы токсичных газов у судовых электростанций (СЭС). ЭГС является новым источником энергии, обладающим высоким энергетическим потенциалом, плотностью энергии и эколо-гичностью. Однако термодинамические и гидродинамические особенности реальных процессов преобразования ЭГС недостаточно изучены.
Цель и задачи работы - теоретические и экспериментальные исследования возможности применения процесса прямого преобразования ЭГС для создания энергосберегающих устройств на базе судовой опреснительной установки.
Задачи настоящего исследования:
выполнить анализ термодинамических основ и принципов преобразования, дать оценку энергетического потенциала источников ЭГС в судовой опреснительной установке;
провести теоретический анализ и оптимизацию параметров преобразования ЭГС в устройствах обратного электродиализа, входящих в состав судовой опреснительной установки;
- экспериментально исследовать параметры и режимы работы элек
тродиализной установки, теоретически обосновать полученные результаты,
сравнить с опытами других авторов и разработать принципы проектирования
эффективных преобразователей энергии градиентов солености;
- оценить перспективы использования обратного электродиализа для
судовых опреснительных установок с выработкой электроэнергии.
Научная новизна работы:
Выполнен комплекс работ, содержащий совокупность результатов и технических решений, подкрепленный экспериментальными исследованиями на электродиализном аппарате в натурных условиях, который позволяет решить крупную научно-техническую задачу применения альтернативных источников энергии на судах морского флота.
Создан испытательный стенд для проведения научных исследований преобразования ЭГС природных ресурсов воды на основе ионообменных мембран. Проведены эксперименты.
Впервые получены вольтамперные характеристики реверсированной электродиализной (РЭД) установки для различных гидродинамических режимов. Установлено значительное снижение плотности электрического тока в батарее при увеличении расстояния между мембранами.
Экспериментально доказано существенное увеличение эффективности РЭД аппаратов с ростом числа Рейнольдса течения морской и пресной воды. Выполнено теоретическое обоснование обнаруженного эффекта.
Разработана методика аналитического определения гидродинамического сопротивления электродиализной батареи, позволяющая оценить потери энергии в зависимости от конструктивного исполнения прокладок-турбулизаторов.
Предложены принципиальные схемы судовых опреснительных установок с выработкой электроэнергии, обеспечивающей потребности вспомогательного оборудования, что позволяет сэкономить топливо СЭС.
8. Получены эмпирические формулы для определения выходных характеристик электрогенераторного аппарата опреснительной установки, учитывающие конструктивные особенности и гидродинамические режимы.
Практическая значимость работы.
- Комбинированные опреснительные установки повысят эффективность
систем утилизации теплоты судовых ДВС за счет прямого преобразования в
электричество химического потенциала охлаждающей морской воды и рас
сола, которые выбрасываются за борт. Потребителями полученной дополни
тельной электроэнергии могут быть электроприводы насосов и вентиляторов,
системы аварийного и переносного освещения, связи и сигнализации, ото
пления, камбузного оборудования и др.
- Применение предлагаемых методов получения электроэнергии в опрес
нительных установках позволит повысить экономичность судовой энергети
ческой установки и снизить выбросы токсичных газов.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций: Достоверность результатов подтверждается экспериментальной проверкой теоретических разработок и научно-технических решений. Проведенная оценка погрешностей измерений и принятая методика экспериментальных исследований, тщательная тарировка измерительных средств дают основание утверждать о достоверности проведенных опытов. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы базируется на адекватности теоретических и экспериментальных исследований, на исполь-
зовании классических методов механики сплошных сред, математической статистики, анализа размерностей и планирования эксперимента. Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Научно-технические решения по определению технологических пара
метров судовой ОУ с выработкой электроэнергии, в том числе:
физико-математическая модель гидродинамики реверс электродиализного аппарата, как составной части судовой опреснительной установки;
результаты лабораторных исследований при разработке и выборе оптимальных параметров устройства для выработки электроэнергии на основе обратного электродиализа;
теоретические принципы проектирования устройств прямого преобразования ЭГС в электричество в опреснительных установках.
Результаты экспериментальных исследований влияния режимных параметров и солености растворов на эффективность преобразования энергии.
Результаты теоретических исследований повышения эффективности РЭД аппаратов, входящих в состав судовой опреснительной установки.
Личный вклад автора заключается:
в постановке задач и разработке методологии решения проблемы;
в организации, планировании и проведении экспериментальных исследований на стенде в натурных условиях;
в обработке, анализе и обобщении данных экспериментальных и натурных исследований, формулировке закономерностей массообмена в пограничном слое на мембранах РЭД аппаратов ОУ;
в разработке принципиальных схем получения электроэнергии в судовых опреснительных установках.
Публикации и апробация работы:
Диссертационная работа обобщает научные исследования автора за период с 1982 по 2010 г. Основные результаты диссертации были представ-
лены на 26 международных и российских конференциях и отражены в авторском свидетельстве на изобретение и в 39 публикациях.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 105 наименований. Работа содержит 151 страницу машинописного текста, 73 рисунка, 3 таблицы.
Электрохимические принципы преобразования ЭГС
Влияние на окружающую среду электростанций на градиенте солености в устьях рек, вероятно, будет минимальным [16]. Количество теплоты, выделяющейся в процессе смешения незначительно. Сбрасываемые со станции смешанные растворы имеют ту же природу и состав, как и при естественном смешении. Правда, устья многих рек являются одним из наиболее продуктивных участков моря. Изменение распределения соленостей и потоков может оказать влияние на биологическую продуктивность в устьях рек и прилегающих участках моря.
Влияние на окружающую среду станций на ЭГС зависит от типа источника и его расположения. Так, при использовании соленых лагун в засушливых зонах, смешанный раствор сбрасывается в лагуну, а избыток - в море. Влияние будет минимально, так как в море сбрасывается раствор, взятый ранее оттуда же, правда, с повышенной концентрацией [17]. Сами же лагуны и другие сильно соленые водоемы практически безжизненны.
Вариант с использованием рассолов из солевых отложений отчасти отличаются от предыдущего случая, так как используется посторонний, не возобновляемый источник соли. Сбрасываемые рассолы будут повышать локально соленость моря. В районах моря, где есть постоянные течения, влияние будет незначительным. Однако другие побочные продукты, такие как остатки нефти, необходимо удалять, но лучше такие рассолы закачивать обратно под землю [18].
Для преобразования ЭГС в другие формы энергии, прежде всего такие, как механическая и электрическая, предложено использовать способы, основанные на следующих принципах: - осмотический, когда используется разность осмотических давлений между растворами разных концентраций, разделенных полупроницаемой мембраной; - электрохимические а) концентрационные электрохимические элементы, в которых ЭДС возникает на обратимых электродах, погруженных в растворы разных концентраций, разделенные пористой перегородкой б) принцип обратного электродиализа, при котором ЭДС возникает при направленном движении ионов с зарядом разных знаков через чередующиеся анионо - и катионообменные мембраны, разделяющие растворы разных концентраций; - механохимический основан на изменении деформации определенного класса полимеров, погружаемых попеременно в растворы с разными соленостями или химическими потенциалами; - использование разности давлений насыщенного пара над растворами разной концентрации; - "криоскопический", использующий разность температур замерзания пресной и соленой воды, а также разности удельных объемов воды и льда. - использование потенциала двойного электрического слоя.
Как уже отмечалось, осмотическим называют давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить поступление в него растворителя через полупроницаемую мембрану. Выражение для осмотического давления п между двумя растворами имеет следующий вид [19-21]:
Основные принципы работы осмотической установки для преобразования ЭГС можно продемонс фировать на примере установки, предложенной в работе Нормана [22]. Она показана схематически на рис. 6.
В установке соленая вода отделена от пресной полупроницаемой мембраной. Разность гидростатических давлений между соленой водой в камере давления и пресной водой равна Р. Если Р меньше к на бесконечно малую величину, то бесконечно малый объем воды пройдет в камеру давления через мембрану. Этот объем может совершить работу dA т PdV = ndV. (2) камера давления обычное водяное колесо и генератор позволяют преобразовать эту работу в электрическую энергию с КПД около 100%. В реальной установке преобра зовать всю ЭГС невозможно, т. к. поток воды через мембрану зависит от раз ности гидростатического и осмотического давлений, оптимальное значение которого находится следующим образом. Выражение для величины скорости потока через мембрану (м/с) имеет следующий вид [3, 23-25] J A(n-P), (3) где А константа потока воды через мембрану, м/(с-Па). Тогда мощность установки, Вт W = ASP(n-P), (4) где S - площадь мембраны, м2. Продифференцировав уравнение 11 по Р и приравняв производную W нулю, получим, что мощность будет максимальной при Р = 7г/2, при этом эффективность процесса уменьшится в 2 раза. Эффективность осмотической установки будут также ограничивать два других фактора. Во-первых, в камере пресной воды будут накапливаться соли, т. к. некоторое количество солей будет проходить через мембрану в обратном направлении, а также из-за их присутствия в речной воде, что будет уменьшать осмотическое давление. Для удаления этих солей, а также других примесей, приносимых речной водой, потребуется часть потока воды сбрасывать в море (на рис. 6 обозначено - промывные воды). Во-вторых, что более важно, пресная вода проникая через мембрану в камеру давления, будет разбавлять морскую воду. Для того, чтобы осмотическое давление было постоянным, концентрация соли в камере давления должна каким-то образом поддерживаться на постоянном уровне, например, как это показана на рис. 6, где в камеру давления подается морская вода с постоянной скоростью. Насос совершает работу против гидростатического давления, теоретически, затраченная на это энергия должна возвращаться при прохождении этой воды через водяное колесо. Но так как в реальности этот процесс имеет КПД меньше 100%, скорость прокачки морской воды ограничена. А это означает, что соленость морской воды в камере давления будет меньше начальной, что понижает эффективность преобразования ЭГС. Принимая во внимание эти факторы, реальный КПД всей системы преобразования будет около 25% [24].
Предложен ряд осмотических способов для преобразования ЭГС и разработаны энергетические установки на основе этих способов [26 - 40]. Они отличаются по способам подачи растворов и создания разности гидравлических давлений растворов.
Например, возможен прямой подход, представленный на рис. 7. В устье реки строятся две дамбы, образующие котлован, такой, что перепад уровней воды в море и котловане немного меньше 240 м. Пресная вода, поступая в котлован, вращает турбины, а потом отсасывается в море под действием осмотического давления через мембраны, установленные во второй плотине. Подобный проект, как и схема, приведенная на рис. 6 Рис. 7 Метод извлечения ЭГС по [27] требует строительства огромных сооружений, но можно обойтись и без строительства плотин для создания перепада уровней пресной воды, а воспользоваться перепадом между водозабором в реке и турбогенераторным агрегатом, установленным в море на дне на глубине около 110 м (рис. 8) [37]. Автор этого проекта М. Реали назвал такую установку подводной гидро-электро-осмотической установкой. Пресная вода после турбины отводится в море через блоки мембран. Остаток речной воды с солями и примесями удаляется промывным насосом. При такой схеме установки потребуются затраты энергии только на привод промывного насоса. Мощность установки, Вт: столба на полупроницаемой мембране, Па, Q0 - расход пресной воды через мембрану, м3/с. Как показано выше, эффективность будет максимальной при Р ж12 \2атм, что соответствует глубине установки примерно 110 м. КПД преобразования энергии около 50% (без учета расхода промывной воды). Развитием этого способа преобразования ЭГС является проект подводной установки [38] (рис.9).
Состав стенда и управление экспериментом
Когда давление достигает 0,9 МПа, включается гидротурбина, освобождая поток пресной воды с расходом AV. Оставшийся объем разбавленного раствора возвращается в верхнюю часть бака с расходом V.
Этот раствор и исходная соленая вода обычно в баке не смешиваются, потому что разбавленный раствор имеет меньшую плотность. Граница раздела между двумя растворами медленно опускается. Когда остаток исходной соленой воды удаляется с дна бака, подключается второй бак. Циркуляция соленой воды продолжается через мембранный блок, и разбавленный раствор возвращается в верхнюю часть второго бака. Давление может падать на короткое время и поток через гидротурбины прекращается до тех пор, пока давление не возрастет до 0,9 МПа, после чего гидротурбогенератор работает в обычном режиме. В то время как задействован второй бак, сбрасывается давление в первом баке при открытии вентилей в верхней его части. Затем бак освобождается от разбавленного раствора и заполняется соленой водой.
Для этой системы электрическая выходная мощность от гидротурбогенератора - 0,8РЛ,ДК, потери мощности в насосе соленой воды - 0,007P(F70,8, потери мощности в насосе пресной воды - 0,01 \Pv (Vnp + ЛК)/0,8.
Мощность, необходимая для смены соленой воды в баке достаточно мала. Если предположить, что средняя высота наполнения (половина высоты бака) равна 2 м, то среднее давление должно быть 0,02 МПа и мощность, необходимая для наполнения бака должна быть примерно 0,025 PMV
Прямое преобразование ЭГС в электроэнергию возможно на основе электрохимических принципов, к которым можно отнести концентрационные электрохимические элементы и способы обратного электродиализа. Схема электрохимического элемента приведена на рис. 16 [45].
Одна сторона концентрационного элемента наполнена пресной, а вторая - морской водой. В обоих отсеках находятся обратимые хлорные электроды. Пористая пробка разделяет две стороны электрохимического элемента. ЭДС (разность потенциала в разомкнутом элементе) можно определить из следующего уравнения: где tNa - число переноса Na+ , С„ и См - концентрации ионов в частях элемента, наполненных пресной и морской водой, соответственно, /„и ум - коэффициенты активности. Концентрация морской воды равна 0,5 М, в то время как в воде реки Миссисипи концентрация соли равна 4,2-10"4 М. F = 96500 Кл -постоянная Фарадея. Подставляя эти значения, вместе со стандартными физико-химическими величинами получим ЭДС равным примерно 0,01 В.
Такой элемент имеет высокое внутреннее сопротивление. Для его понижения требуется добавка морской воды в пресную перед введением ее в элемент. Максимальной мощность элемента Wmm, будет, когда внутреннее сопротивление Rm равно внешнему сопротивлению нагрузки R„ поэтому где Яя - сопротивление ячейки, К - константа ячейки, С„ - концентрация NaCl в отсеке с пресной водой, Л0 - эквивалентная электропроводность при бесконечном разбавлении, Ъ - константа наклона Онзагера. Так как Rm - в основном определяется сопротивлением отсека с пресной водой, при комбинировании уравнений 19, 20 получаем: где К - некая константа. Продифференцировав (22) и решив полученные уравнения, получаем С„ = 0,039 М. Это концентрация соли, которая должна быть в отсеке с пресной водой для получения максимальной мощности. В этом случае ЭДС будет 0,035 В. Увеличить напряжение при использовании этого метода можно, соединив элементы в батарею.
Концентрационные элементы часто используются в лабораторных экспериментах для определения чисел переноса и других величин. Но до сих пор их не использовали в качестве источников энергии (даже в малых масштабах). Хотя вероятно, что концентрационные элементы с NaCl, предложенного типа будут вполне пригодны для их использования в качестве источников энергии, так как эти элементы хорошо освоены в лабораториях и производство хлорных электродов налажено в промышленности.
Максимальную энергию, которую можно получить от такого элемента, можно оценить из выражения: Amax=nF ? (23) где п - число реагирующих грамм - эквивалентов. Для концентрационного элемента с NaCl п = 1 эквивалент на моль СГ. Вычислив энергию, освободившуюся при переносе ионов, содержащиеся в одном литре морской воды, воду, получаем, что А =95 Дж. Эта величина того же порядка, как и для других способов (максимальная полезная работа равна в этом случае примерно 140 Дж). Достоинство концентрационных элементов заключается в непосредственном получении электроэнергии в отличие от трехступенчатого процесса в осмотических установках. Принципиальное отличие состоит в том, что в осмотических установках через мембрану переносятся молекулы воды, а в электрохимических - через перегородку переносятся ионы. Использовать обратный электродиализ для производства электроэнергии предложили в 50-х годах XX века Г. Манекке и Р. Патл [46, 47]. Г. Ма-некке провел эксперименты с пакетом из 3-х ионообменных мембран и запатентовал батарею на их основе. Р. Паттл создал батарею на основе 47 катио-но- и 47 аниопообменных мембран, каждая площадью 8 см", с промежутками между мембранами 1 мм. Максимальная ЭДС батареи достигала 3,1 В, внутреннее сопротивление 250 Ом при 10 С, максимальная мощность 0,015 Вт (при 39 С) [46].
Основные идеи этого метода проанализированы в работе [48] в соответствии со схемой диалитической батареи рис. 17.
Отсеки, через которые проходят растворы различных концентраций разделены чередующимися анионо - и катионообменными мембранами. Металлические электроды в двух крайних отсеках соединены через внешнюю нагрузку. Диффузионные потоки катионов через катионообменные мембраны и анионов через анионообменные мембраны порождают электрический ток между электродами. Такая установка действует в обратном направлении, по отношению к обычной установке по опреснению воды электродиализом. Используются те же пакеты мембран, но при опреснении получается разность концентраций при подводе электрической энергии. Здесь же получают электроэнергию при выравнивании концентрации растворов.
Принцип действия установки рассматривается на упрощенной модели, полагая, что: 1) питающие растворы - это растворы только NaCl, 2) потоком воды через мембраны можно пренебречь, 3) концентрационная поляризация около поверхности мембран незначительна, 4) концентрация растворов вдоль каналов меняется незначительно.
Гидродинамика в элементах РЭД установки
Доказательством подобных рассуждений служит рис.3.6, на котором путем обработки результатов опытов [76] построены графики изменения напряжения при увеличении числа Re. Характер кривых свидетельствует, по-видимому, о переходе режима течения от ламинарного к турбулентному в области чисел Рейнольдса 0,2...0,5. Особенно это иллюстрируется экстремумом на верхней кривой, который, вероятно, является следствием кризиса сопротивления [79].
На рисунке 3.7 проведена приблизительная экстраполяция графиков на более высокие скорости течения, которая показывает, что действительно увеличение числа Рейнольдса повышает напряжение элемента РЭД установки, приближая его к теоретическому значению ЭДС, вычисленному по формуле (24):
Из приведенного в [80] обзора специфических форм движения мелкодисперсных частиц в сдвиговом поле пульсационных скоростей турбулентного потока жидкости следует заключить, что для устойчивых во времени дисперсных систем наибольший интерес представляет турбулентная миграция частиц. Это явление носит в значительной степени периферийный характер и пока только с его помощью можно правдоподобно объяснить физический процесс перехода тонкодисперсных частиц из турбулентного ядра через вязкий подслой и выпадения их на поверхность, ограничивающую течение. Опыты показывают, что в потоках с высокой интенсивностью турбулентности осаждение частиц на стенках каналов значительно выше, чем при ламинарном течении. Отсюда видно, что скорость турбулентной миграции существенно превышает скорость броуновской диффузии. Таким образом, взвешенные в воде частицы осаждаются на мембранах и снижают эффективность проникновения ионов [81]. Как отмечается в [82], скорость турбулентного массопереноса можно определить через миграционную составляющую и концентрацию на границе стока, поэтому очень важно иметь правильное представление о распределении ионов в пристенной области.
- Известно, что на процесс формирования профиля концентрации примесей существенное влияние оказывают размер частиц, степень поглощаемости стенок, осредненная скорость потока, исходная концентрация, степень турбулентности, скорость осаждения и ряд других факторов, однако для развивающихся течений в камерах установки обратного электродиализа профиль концентрации примеси экспериментально никем не получен.
Естественно, что увеличение скорости движения жидкости по каналам небольшого эквивалентного диаметра приводит к росту гидравлического сопротивления. Произвести оценку мощности, потребляемой перекачивающими насосами можно смоделировав канал определенным образом. К сожалению, экспериментальные данные по таким каналам не опубликованы, поэтому в первом приближении представим сепараторную прокладку канала токообразующей ячейки в виде зернистого слоя.
Обозначим через N„ полезную мощность, необходимую для обеспечения расчетных параметров генерируемого электрического тока. Мощность электронасоса NH можно представить как сумму N„ и мощности, расходуемой на преодоление гидравлического сопротивления водяного тракта.
В общем случае уравнение сохранения мощности для потока с неравномерным распределением скоростей и давлений по сечению, применительно к РЭД установке, имеет следующий вид: — площади сечения на входе и выходе из установки, соответственно; z — геометрическая высота центра тяжести соответствующего сечения, м; р - статическое давление, Па; / - удельная теплота потока без учета трения, Дж/кг; w - скорость потока, м/с; ЛЫ0бщ — общая мощность, теряемая на участке между сечениями F/ и F2.
Поскольку, в данном случае, решение этого уравнения представляет достаточно сложную задачу, в которой необходимо учитывать значительное количество факторов, ограничимся только определением мощности, потребляемой на преодоление гидравлического сопротивления пакета мембран AN = G-Ah, где G
Удельные потери энергии при движении морской воды с различными скоростями в каналах экспериментального стенда (коэффициент заполнения сечения = 0,7)
Сепараторы-турбулизаторы могут быть образованы сетками сложной геометрической конфигурации, пучками волокон и другими элементами, которые могут произвольно располагаться между мембранами, поэтому для приблизительных расчетов сепаратор-турбулизатор пакета представим в виде зернистой набивки. Пористость (доля свободного объема слоя) є— 0,7. Коэффициент сопротивления слоя зернистых тел правильной формы и одинакового диаметра d3 с относительной толщиной l(/d3 вычисляется по формуле [78]:
Так, как толщина перемычек турбулизаторов соизмерима с шириной канала, приближенно примем отношение l(/d3 равным отношению ширины межмембранного канала к его длине.
В зависимости от конструктивного исполнения сепараторов-турбулизаторов коэффициент заполнения может изменяться. При этом существенно изменяются и потери энергии (рис. 3.9). Так, например, мощность, необходимая для
Влияние конструктивных особенностей сепараторов-турбулизаторов на потери энергии при их обтекании морской водой прокачки морской воды по одному каналу стенда при последовательной схеме, составила примерно 100 Вт для є= 0,7, а в случае є= 0,5 она увеличилась бы почти в 5 раз. Особенно заметно влияние коэффициента заполнения в области значений е 0,5, причем для высоких скоростей движения жидкости наблюдается более интенсивное возрастание потерь энергии.
Это связано с резким увеличением коэффициента потерь энергии при малых числах Рейнольдса (рис. 3.10; 3.11). Однако уменьшение абсолютной величины потерь энергии при малых скоростях в сочетании с увеличением эффективности массопереноса за счет более развитой системы турбулизации воды в пристеночной области может быть более выгодным. Отсюда также следует, что необходимо рассмотреть варианты конструкций турбулизаторов в виде проволочной канители или зернистых засыпок и провести соответствующие экспериментальные исследования энергетических характеристик РЭД установки.
Теоретический анализ и оптимизация параметров обратного электродиализа
Как уже отмечалось в первой главе, для преобразования энергии градиентов солености, которую еще называют «синей энергией», предложено несколько методов, основанных на мембранных эффектах. Основными являются: метод обратного осмоса - Pressure retard osmosis (PRO), метод обратного электродиализа - Reverse elektrodialysis (RED) и метод утилизации испарительного дифференциала — vapor-pressure difference utilization [94]. Несмотря на то, что эти принципы создания энергетических установок известны уже почти пол века, до настоящего времени они пока не являются конкурентоспособными по сравнению с тепловыми машинами, использующими ископаемое топливо или ядерную энергию, как с точки зрения экономичности, так и технологичности.
Основным недостатком мембранных технологий долгое время являлась высокая себестоимость производства мембран. Однако в последние годы значительный прогресс в области создания опреснительных установок и агрегатов по обработке сточных вод обусловил существенное снижение цен на мембраны. В этой связи представляет определенный интерес сравнение двух главных методов преобразования ЭГС (RED и PRO) и определение областей их эффективного использования для практических целей.
Наиболее изученным методом считается получение электроэнергии на основе осмоса с противодавлением. Тем не менее, опубликованные данные весьма ограничены и противоречивы. Кроме того, величина полученной энергии не указана в явном виде, поэтому она извлекалась из доступных данных, например по градиентам солености, гидростатическому давлению и др. Результаты обработки представлены на рис. 4.7 как функции осмотического давления, обусловленного разностью концентраций солей, и гидростатического перепада давлений по обе стороны мембраны. Площади кружков соответствуют величине удельной энергии, значения которой обозначены надписями.
К настоящему времени при смешении морской и пресной воды с помощью легкодоступных мембран диапазон плотности полученной энергии со 105 ляет 0,11...1,22 Вт/м (осмотическое давление Ал- 20...25 бар). Более высокие значения производимой энергии (до 1,54 Вт/м ) отмечаются при использовании целлюлозно-ацетатных мембран, способных обеспечить Ал = 39 бар. Следует заметить, что для установок обратного осмоса именно такие мембраны имеют наилучшие характеристики: высокую проницаемость для воды и низкую для соли, невысокое гидравлическое сопротивление.
Удельная мощность (Вт/м ) установок обратного осмоса по данным различных авторов. Материалы мембран: [31], [34] - полиамид; [35] - ворсистая кожа; [95] -ацетат целлю Целлюлозно-ацетатные мембраны допускают работу на более высоких градиентах концентраций (Ал свыше 75 бар) и могут обеспечить плотность мощности порядка 2...5 Вт/м2. Полые ароматические полиамидные мембраны обеспечивают наибольшую плотность [34], однако последние эксперименты со спиральными целлюлозно-ацетатными мембранами [31] были проведены при низких гидростатических давлениях (ДР 24 бар). По этой причине невозможно определить, является ли наиболее значимым параметром материал мембраны или ее конструктивное оформление.
Для установок обратного электродиализа экспериментальные данные, приведенные в [94] более скудны. Однако, с учетом наших научных исследований [90] и данных работы [76] графики (рис. 4.8) становятся более представительными. 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Электрохимический потенциал Дер, (В) Рисунок 4.8 Удельная мощность батарей обратного электродиализа (плотность мощности на единицу суммарной площади всех мембран батареи, Вт/м2 Обработка экспериментальных данных [90] показала, что максимальная мощность батареи 160 мВт получена при напряжении нагрузки, приведенной к одной ячейке AV- 0,066 В, внешнем сопротивлении RH = 12 Ом и электрохимической разности потенциалов (ЭДС по формуле 4.23) Лср = 0,238 В удельная мощность ячейки составила 0,02 Вт/м2.
В работе [76] AV = 0,023 В - напряжение одной ячейки, при плотности тока 20 А/м2, ЭДС А(р= 0,182 В. Экспериментальная удельная мощность ячейки (без учета затрат энергии на привод насосов) - 0,46 Вт/м . Авторы также оценили расчетным путем удельную мощность в 0,6 Вт/м , которую можно полу 107 чить на их стенде при использовании низкорезисторных мембран (Rm = 1 Ом/см2 вместо установленных R„, = 3.. .5 Ом/см").
Как видно из диаграммы (рис.4.8) плотность мощности по данным одной только публикации [96] изменяется от 0,58 до 1,24 Вт/м2. В работе отмечается, что на этот параметр существенное влияние оказывает формируемая конструктивными особенностями межмембранных проставок гидродинамика потока, причем даже в большей степени, чем характеристики мембран. Так, например, удельная мощность 0,41 Вт/м2 получена с помощью гетерогенного типа модифицированных полиэтиленовых мембран и сформированных химическим образом разделителей-турбулизаторов (толщина прокладки 0,65 мм). Более высокие плотности получаемой энергии получены на тех же самых мембранах и разделителях за счет увеличения градиентов концентраций рассола и пресной воды. Также авторы ссылаются на публикации, в которых указывается, что плотность мощности не линейно зависит от электрохимического потенциала, что является результатом снижения избирательной проницаемости мембран с ростом концентрации соли.
Следует отметить, что существенное влияние на плотность получаемой энергии оказывает расстояние между мембранами. Как видно из рис. 4.8, уменьшение этой величины за счет толщины прокладки до 5= 0,19 мм [76], по сравнению с результатами наших исследований [90] (8 = 2 мм), позволило повысить удельную мощность более чем в 20 раз, несмотря на меньший градиент концентрации. Причиной этого является значительное снижение внутреннего сопротивления ячеек с пресной водой. Но в данном случае определить фактическое влияние толщины прокладки довольно затруднительно, т. к. в опытах [76] были использованы мембраны низкого сопротивления (3... 5 Ом/см" против 11 Ом/см2 в [90]) и пресная вода с большей концентрацией соли (примерно в 4 раза). Оба фактора также способствуют снижению внутреннего сопротивления.
Серийно выпускаемые мембраны в настоящее время дают возможность увеличить удельную мощность до 1, 2 Вт/м2 (рис. 4.8) при использовании рассолов с очень большой концентрацией соли.
