Российская разработка решит проблему пресной воды

Хорошо известно, что пресная вода является ценнейшим ресурсом, жизненно необходимым для деятельности человека. Но этот ресурс ограничен — хотя вода занимает около 70% поверхности Земного шара, количество пресной воды (по разным источникам) составляет 2,5-3% от общего количества. При этом потребление воды, в том числе пресной, непрерывно растет с развитием общества, что уже привело к дефициту в отдельных регионах планеты. А поскольку пресная вода используется как в бытовом секторе экономики, так и в промышленном производстве, энергетике и сельском хозяйстве, дефицит оказывает негативное влияние на развитие этих отраслей.

Для решения проблемы недостатка пресной воды широко применяются установки опреснения, основанные на разных принципах работы, самым эффективным из которых является метод дистилляции. Такие установки широко применяются в промышленности, но существует отдельный сегмент — автономные дистилляционные установки малой производительности (10…125 л/ч пресной воды), применяющиеся для снабжения пресной водой небольших поселений и частных сельских хозяйств прибрежной зоны (по статистике, около 40% населения Земли проживает на расстоянии не более 100 км от берега океана), водного транспорта и удаленных районов с источниками морской воды соленостью 15…45 г/л. Эти цифры говорят о широком потенциале применения установок данного класса.

Одним из основных требований к автономным дистилляционным установкам, помимо прочего, является энергоэффективность. Для ее повышения целесообразно использовать принцип теплового насоса — перенос теплоты от источника низкопотенциальной теплоты к источнику высокопотенциальной теплоты с затратой электроэнергии, позволяющий осуществить рекуперацию и регенерацию теплоты фазовых переходов, что существенно снижает энергопотребление. Этот принцип широко используется для отопления жилых домов, в бытовых холодильниках и других устройствах.

Существующие модели как импортного, так и отечественного производства, работающие по указанному выше принципу, обеспечивают удельные показатели эффективности в расчете на 1 м³ пресной воды в диапазоне 50-160 кВт*ч/м³. Особенно отчетливо проблема повышенного потребления электроэнергии заметна для установок производительностью около 10 л/ч (одно из применений — производство воды инъекционного качества) пресной воды, где удельный показатель составляет 120-160 кВт*ч/м³.

За решение задачи увеличения эффективности автономных дистилляционных установок взялись на кафедре низких температур им. П. Л. Капицы Московского политехнического университета, где уже давно велись работы по исследованию процессов тепловых насосов и их применению в разных отраслях промышленности.

Илья Игоревич Малафеев, автор описанной ниже работы, творчески подошел к решению и первым делом произвел анализ существующих аналогов, в качестве которых были выбраны установки Miba Gleitlager GmbH Schell ECOPRIMA 250 K (удельное энергопотребление 120 кВт*ч/м³) и ДЦС-10 производства ООО «Чистые технологии» (удельное энергопотребление 160 кВт*ч/м³). Обе установки работают по принципу теплового насоса и используют синтетические хладагенты — больше известные как фреоны, — применение которых ограничивается экологическим законодательством.

Учитывая этот факт, в качестве хладагента была выбрана вода, что снимает все ограничения, присущие использованию синтетических хладагентов, а также позволяет повысить эффективность работы установки.

Принцип работы установки (рис. 1) заключается в следующем: в герморезервуар I заливается вода с содержанием солей, которую необходимо опреснить, включением вакуумного насоса предварительной откачки IV из системы удаляется воздух, далее запускается основной насос-компрессор III, откачивающий практически чистые водяные пары без примесей из герморезервуара I и нагнетающий их в трубы конденсатора-испарителя II, где пары воды конденсируются за счет теплообмена с водой в герморезервуаре II (вода при этом испаряется), опресненная вода сливается в резервуар V. Оставшийся в герморезервуаре рассол удаляется из установки.

Серия экспериментов, проведенная на испытательном стенде, показала уменьшение удельного энергопотребления до величины 90 кВт*ч/м³, что на 25% ниже зарубежного аналога.

Рис. 1. Принципиальная схема и внешний вид экспериментального стенда.

I — герморезервуар; II — конденсатор-испаритель; III — двухроторный вакуумный насос-компрессор; IV — вспомогательный вакуумный насос; V — сборник дистиллята; PI — механический вакууметр; LI — индикатор уровня; EI — мультиметры; TE — температурные датчики; TIRC — электронный измеритель температуры; ПК — персональный компьютер; 1–8 — точки замера температуры.

Отдельно стоит отметить максимальное применение компонентов российского производства, что позволяет говорить об импортозамещении в области автономных дистилляционных установок.

Автором была разработана методическая база, позволяющая проектировать автономные теплонаносные дистилляционные установки с высокой эффективностью для разных потребностей, а сотрудниками кафедры получены патенты Российской Федерации на изобретения №2648057 «Вакуумная опреснительная энергоустановка с генерацией электроэнергии» и №2647731 «Мобильный аппарат для дистилляции жидкости», что позволяет вплотную подойти к организации серийного производства.

На этом разработки ученых не закончились: расчетный анализ показал возможность снижения удельного энергопотребления до 24,6 кВт*ч/м³. Однако достижение таких величин потребует проведения серии экспериментов, но уже сейчас можно говорить о большом потенциале проведенной работы.

Работы в области совершенствования конструкции автономных дистилляционных установок, проводимые на кафедре низких температур им. П. Л. Капицы Московского политехнического университета, соответствуют мировым стандартам и во многом опережают их, что позволяет производить конкурентоспособное оборудование, востребованное потребителями.