CC BY
73
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: строительство
Экологическая безопасность строительства
DOI.org/10.5281/zenodo.897009 УДК 628.116+620.97
В.В. Миронов, Ю.А. Иванюшин, И.В. Якимова
МИРОНОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ - д.т.н., профессор, e-mail: vvmironov@list.ru
ИВАНЮШИН ЮРИЙ АНДРЕЕВИЧ - к.т.н., доцент кафедры,
e-mail: ivanyushin_yuriy@mail.ru
Кафедра водоснабжения и водоотведения
Тюменский индустриальный университет
ул. Володарского, 38, Тюмень, 625000
ЯКИМОВА ИРИНА ВИКТОРОВНА - к.т.н., e-mail: coalabee@mail.ru
ООО «ЭЛЕКТРОРАМ»
Пржевальского ул., 33/1, Тюмень, 625023
Использование энергии морских волн для получения пресной воды из воздуха
Аннотация: Представлено авторское новое техническое решение для получения пресной воды из влажного атмосферного морского воздуха в приморских регионах планеты, ощущающих недостаток водных ресурсов. Процесс получения пресной воды осуществляется конденсацией влаги из сжатого атмосферного морского воздуха. Привод установки по получению пресной воды из атмосферного воздуха выполнен с использованием возобновляемой энергии морских волн. Проведенные в статье расчеты по разработанной авторами методике и их результаты позволяют говорить о перспективности технологии получения пресной воды из сжатого влажного морского воздуха без дополнительных затрат внешней энергии.
Ключевые слова: энергия волны, конденсация, пресная вода, влагоотдача, водный стресс, пневматическая энергия.
Введение
Хотя 71% площади планеты занимает вода, запасы пригодной для жизнедеятельности человека пресной воды ограничены - лишь доли процента от этой цифры [8, 17]. Так, суммарный объем таких поверхностных источников водоснабжения, как пресные озера, реки и водохранилища составляет 90 тыс. км3. При этом объем основных источников воды, направляемой на бытовые и производственные нужды человечества, - рек всего около 2 тыс. км [8]. Даже учитывая возобнов-ляемость ресурса, связанную с гидрологическим циклом, сегодня этого недостаточно для обеспечения потребностей человечества в воде во всех уголках планеты. Кроме того, такие факторы, как антропогенное загрязнение водных объектов (например, 90-процентный уровень загрязненности рек Китая [8]), неравномерность в распределении водных ресурсов и населения, также способствуют увеличению водного дефицита во многих регионах мира [2, 5]. Но качество питьевой воды является мощным экологическим фактором, определяющим здоровье. В связи с этим вода становится не только необходимым ресурсом, но и ценным товаром. В ОАЭ цена на питьевую воду в полтора раза превышает цену на бензин [6]. Уже сегодня прибыль мировых компаний в области поставки бутилированной воды достигает 1 трлн USD в год, что примерно составляет 40% от при-
© Миронов В.В., Иванюшин Ю.А., Якимова И.В., 2017
О статье: поступила: 03.05.2017; финансирование: микрогрант Фонда «Сколково».
были нефтяных корпораций [7]. Имеются прецеденты напряженных отношений и военных конфликтов между странами, связанных с доступом к водным ресурсам [17].
Проблема обеспечения населения водными ресурсами
За прошедшее столетие водопотребление по отношению к приросту населения выросло троекратно (водопотребление - в 10 раз, население - в 3 раза). По различным сценариям, к 2050 г. население Земли увеличится до 9-11 млрд чел., что на 30-40% выше, чем сегодня. В свою очередь это повлечет увеличение не только бытового водопотребления, но приведет к росту суммарной водоемкости производств и увеличенным объемам воды на орошение сельхозугодий. В целом для мира структура водопотребления следующая: 70% - сельское хозяйство, 10% - промышленность, 20% - бытовые нужды и прочее. По прогнозам World Resources Institute [21], к 2040 г. полноценный водный кризис будут испытывать свыше 30 государств мира (рис. 1).
Рис. 1. Водный стресс в странах, прогноз на 2040 г. [21]
В связи с этой проблемой актуальна задача очистки сточных вод и их повторного использования в промышленности и быту. В России лишь 12% водных объектов можно отнести к категории условно чистых, в то время как 56% являются загрязненными. Неудивительно, что максимальный уровень загрязнения наблюдается в районах, где проживает две трети населения государства.
Уже сегодня, ощущая нехватку пресной воды, люди научились получать ее с использованием различных технологий. Как правило, это технологии, связанные с опреснением морской воды или получением пресной воды из атмосферного воздуха путем конденсации. Опреснять воду можно химическими (химическое осаждение, ионный обмен), физическими (дистилляция, осмотические методы, электродиализ и вымораживание) и биологическими методами, основанными на способности некоторых водорослей поглощать соли из морской воды. Кроме того, разрабатываются альтернативные методы, связанные с использованием ультразвука, акустических и ударных волн и электромагнитных полей [9]. Из всего объема опресняемой воды, подавляющее количество получено с использованием дистилляционных опреснителей - 96%, на долю электродиализных установок приходится 2,9%, обратноосмотических - 1% и 0,1% - на прочие методы [10]. Все они имеют один недостаток: образование в процессе опреснения морской воды высококонцентрированного
водного раствора соли (рассола), который в больших объемах опасен для окружающей среды. Также отметим, что в структуре общих затрат при опреснении морских вод, энергозатраты составляют до 60%.
Проблема водоснабжения дефицитных районов стоит настолько остро, что последние десятилетия горячо обсуждаются проекты по межрегиональной переброске воды, в том числе с использованием магистральных водопроводных линий и танкерных поставок воды, вовлечении стока крупных северных рек Западной Сибири (Оби и Иртыша) в водохозяйственную сферу южных районов [8]. Моделируются проекты по транспортировке полярных айсбергов [16, 17]. С переменным успехом - периодически затухая и появляясь вновь, такие проекты продолжают жить.
Еще одним направлением получения пресной воды является конденсация водяных паров. Единовременно в атмосфере содержится в абсолютных значениях порядка 14 тыс. км3 пара. Ежегодно с поверхностей суши и океанов испаряется 577 тыс. км3 влаги, впоследствии выпадающих в виде осадков [14]. Чем ниже атмосферный воздух находится к поверхности земли, тем большее количество влаги в нем содержится. В засушливых районах, при дефиците или полном отсутствии традиционных источников водоснабжения, технологии выделения влаги из воздуха становятся крайне актуальными. Для большинства регионов планеты качество получаемой таким образом пресной воды достаточно высокое: практически отсутствуют тяжелые металлы и их соли, а также болезнетворные микроорганизмы. Конденсация может осуществляться с естественной и принудительной циркуляцией воздуха.
Все перечисленные технологии требуют затрат энергии [1], которая вырабатывается, как правило, за счет сжигания углеводородов, запасы которых тоже не безграничны. Отдельно отметим, что на мировое водопотребление кроме численности населения влияет и уровень его жизни: чем он выше, тем большее количество воды человек тратит на санитарно-гигиенические мероприятия [15]. В развитых странах норма водопотребления может достигать 400 и более литров на человека в сутки, в то время как в развивающихся странах эти значения на порядок ниже. Поэтому кроме разработки и внедрения новых технологий получения пресной воды, проводятся (особенно в развитых странах) программы водосбережения, а в повседневной жизни появляются энерго- и водосберегающие устройства.
Использование возобновляемой энергии для получения пресной воды, в частности энергии морских волн, совместно с известными технологиями водосбережения позволит снизить себестоимость производства пресной воды и избежать ее потерь.
Волновая гидроэнергетика является одной из самых чистых и безопасных источников возобновляемой энергии [3, 4]. Как правило, энергия волн используется для генерации электричества [13, 19]. По сравнению с другими альтернативными источниками данный ресурс используется мало, хотя КПД таких технологий может достигать 85% [4]. С наступлением XXI века началось активное повсеместное практическое внедрение таких технологий. Во многих регионах мира волновые гидроэлектростанции действительно эффективны. Для Российской Федерации волновая энергетика актуальна для акваторий Баренцева и Черного моря, тихоокеанских побережий. В мире наибольшим энергетическим потенциалом обладают прибрежные полосы Атлантического океана (Северная Африка-Скандинавия), западное побережье Канады и восточное - США, западный берег Чили, ЮАР, Австралийский регион [3]. Таким образом, во многих случаях зоны наивысшей плотности волновой энергетики (кВт/м береговой линии) совпадают с прогнозируемыми регионами водного стресса. Именно в этих регионах использование энергии волн для получения пресной воды будет наиболее эффективным. Кроме того, комплекс таких генерирующих установок служит искусственным сопротивлением по движению волны, что также является достоинством, позволяя гасить «избыточную силу стихии».
Морской воздух, особенно в странах с жарким климатом, имеет относительную влажность, близкую к 100%. Известен эффект повышения температуры точки росы при повышении давления воздуха. С использованием данного эффекта разработан способ получения пресной воды из влажного морского воздуха. Для сжатия влажного морского воздуха с целью повышения температуры точки росы и конденсации влаги мы предлагаем использовать возобновляемую энергию морских волн.
Постановка задачи
Целью работы является создание технологии преобразования пневматической энергии в полезную мощность, необходимую для производства пресной воды путем конденсации.
Учитывая, что современные технологии получения воды путем конденсации требуют затрат энергии, которая, как правило, производится за счет сжигания углеводородного топлива, основной задачей при разработке технологии является максимальное использование возобновляемых источников энергии.
Описание технического решения
На рис. 2 представлена авторская технологическая схема получения пресной воды из влажного морского воздуха.
Рис. 2. Технологическая схема получения пресной воды [12] 1 - генератор сжатого газа - воздушный компрессор; 2 - конденсатор; 3 - трос;
4 - воздушный ресивер; 5 - нагнетательная линия; 6 - всасывающая линия; 7 - штанга;
8 - обратные всасывающий и нагнетательный клапаны; 9 - подвижное соединение (трос);
10 - отводящий трубопровод; 11 - поплавковый клапан; 12 - перфорированный участок для сброса осушенного воздуха; 13 - сбросной клапан; 14 - приемник атмосферного воздуха;
15 - магистральный отводящий трубопровод; 16 - механическая или газовая пружина в составе компрессора; 17 - груз с отрицательной плавучестью.
Способ получения воды из воздуха [12] включает генераторы энергии сжатого воздуха (1), охлаждение потока сжатого воздуха после генераторов в конденсаторах (2) с осаждением и отбором влаги. Забор атмосферного, влажного воздуха производят в непосредственной близости от поверхности моря, где влажность его максимальна. Генераторы сжатого воздуха выполняют в виде поршневых компрессоров, находящихся под уровнем моря и закрепленных при помощи тросов (3) и анкеров (17) с поверхностью дна моря. Подвижная часть компрессоров соединена с ресиверами воздуха (4), имеющими положительную плавучесть. Нагнетательные линии (5) компрессоров со-
единяются с конденсаторами воздушной влаги (2). Конденсаторы выполнены в виде трубопроводной спирали, закрепленной на воздушном ресивере. В качестве основных материалов предлагается использование элементов, выполненных из полимеров (например, из полиэтилена низкого давления или полипропилена).
Технология основана на принципе «колеблющегося тела» [4, 22], которым в данном случае является поплавок - ресивер, использующий энергию морских волн. Генераторы энергии сжатого воздуха приводятся в действие, используя выталкивающую силу воды для возвратно-поступательного движения плавучих ресиверов, соединенных с подвижными органами компрессоров.
Осаждение влаги из воздуха происходит на внутренней поверхности стенок конденсаторов. При этом чем выше избыточное давление в конденсаторах, тем большая часть влаги выделяется из морского воздуха, так как повышается температура точки росы. Кроме того, конденсатор находится под уровнем моря, где температура ниже температуры атмосферного воздуха, что также способствует осаждению влаги из атмосферного морского воздуха на внутренней поверхности подводной части конденсаторов.
Осажденную влагу подают по трубопроводам (10) и (15) потребителям, используя энергию в виде избыточного давления воздуха в конденсаторах. Осушенный воздух сбрасывается в ресивер для создания постоянного избыточного давления, т.е. для поддержания положительной плавучести. Отработанный осушенный воздух сбрасывается в атмосферу. При необходимости полученный конденсат подвергается дополнительной водоподготовке (в том числе минерализации) с целью доведения его до требуемого качества, перед подачей потребителю.
Рассмотрим процесс получения пресной воды из влажного морского воздуха с использованием вышеописанной установки.
Теоретические зависимости
Компрессор так же, как и остальные элементы (ресивер, конденсатор), обладает положительной плавучестью. Ход поршня компрессора (поз. 1 рис. 2) соответствует высоте волны, которая изменяется в широком диапазоне в зависимости от региона мира. Тогда часовая производительность по воздуху при фиксированных размерах поршневого воздушного компрессора составит, нм3/ч:
Qar =3600■
DP С
4 t
v у
•V, (1)
где Dp - внутренний диаметр поршневой камеры компрессора, м; hw - высота волны, м; П - коэффициент, учитывающий наличие мертвого пространства в полости камеры сжатия компрессора; t - период волны, с.
Как видно из формулы (1), на производительность генератора сжатого газа оказывает влияние не только высота волн, но также и их периодичность.
Производительность по конденсату зависит от влагоотдачи атмосферного воздуха:
Qaqua Qair q (2)
где q - влагоотдача атмосферного воздуха, кг/м (рис. 3), согласно [11, 20]:
f \
q = W • Cj - C2 • , (3)
v p + Pat J
где Ci - максимальная возможность переноса водяных паров воздухом (абсолютная влажность, определяемая по известным зависимостям), кг/м3, при наружной температуре Т/; С2 - максимальная возможность переноса водяных паров (абсолютная влажность), кг/м3, при температуре морской воды T2; W - относительная влажность воздуха в месте расположения технологии; p - избыточное давление, развиваемое компрессором, Па; pat - атмосферное давление, Па.
С использованием данных о среднемесячных температурах морской воды и воздуха атмосферы выполнен расчет влагоотдачи для черноморского района (табл. 1). При этом температура
наружного воздуха и его влажность приняты по [18], температура морской воды - как среднее значение за последние пять лет. Как свидетельствует табл. 1, лишь при смещении точки росы при повышении давления получаемый конденсационный эффект становится ощутимым.
Таблица 1
Влагоотдача атмосферного морского воздуха в Черном море (район Ялты) при относительной влажности W = 70% и степени сжатия осушаемого воздуха е = 4
Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Т], оС 4,1 4,2 6 10,6 15,7 19,8 23,6 23,2 19 13,6 9,5 6,1
Т2, оС 9,4 8,8 8,8 10,4 16,4 21,4 24,0 24,8 21,8 18,0 14,0 11,4
д, г/м3 2,22 2,34 2,91 4,43 5,73 7,28 9,47 8,88 6,62 4,22 3,36 1,92
Отметим, что приведенные данные являются среднемесячными, в течение каждых суток будет существовать определенная неравномерность (амплитуда температуры), выраженная в виде отклонения от среднего значения.
Требуется также проверить работоспособность размещаемой в акватории моря установки. Основными силами, действующими на элементы технологической схемы, являются силы тяжести и выталкивающая сила.
Сумма сил тяжести ресивера и конденсатора:
О = (щ + т2 )■ g, (4)
где g - ускорение свободного падения, м/с2; т] и т2 - масса ресивера и конденсатора, которые при фиксированных размерах равны:
т1 =Рреся О ■ Н ■ё; (5)
т2 =РкоН ■я-Ок ■ Ьк ё, (6)
где ррес и ркон - плотность материала стенок ресивера и конденсатора, кг/м ; Б и Бк - наружные диаметры труб, из которых выполнены ресивер и конденсатор, м; Н - полная высота ресивера, м; Ьк - длина трубной конденсирующей обмотки, м.
Учитывая, что сердечником обмотки в данном случае выступает ресивер, длина конденсирующей спиральной трубы определяется как:
Ьк = п{О + Вк )■ пк, (7)
где щ - количество витков конденсатора, определяется из условия расположения всей спирали в рабочей зоне ресивера (ниже уровня моря).
Результирующая выталкивающая сила, действующая на ресивер ¥] и конденсатор ¥2, в случае если установка полностью находится ниже уровня моря:
Рл = Р + Р = Р^ g■(" + "г), (8)
где р - плотность окружающей среды (морской воды), кг/м ; V] и У2 - объемы ресивера и конденсатора, м3:
V = ^ ■ н; "2 =^ ^
(9) (10)
Выталкивающая сила воды ¥а уравновешивается весом О и весом груза с отрицательной плавучестью. Масса груза с отрицательной плавучестью (поз. 17 рисунка 2), требуемого для фиксации ресивера в вертикальной плоскости, определяется по формуле:
, Рл - О
т = к ■ —-,
р g
где к - коэффициент запаса, повышающий массу груза на 20-30%. [100]
(11)
На поршень компрессора при заданном давлении p должна действовать сила Fp , равная результирующей выталкивающей силе к-В2
рР = Р • (12)
Результаты
На рис. 3 представлена влагоотдача морского воздуха при различных степенях его сжатия, температурах всасывания и конденсации.
28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0
■ 30/25
---28/23
--25/20
-----23/18
--- 20/15
2
4
6
Степень сжати&воздуха £
Рис. 3. Теоретическая влагоотдача атмосферного воздуха q при различной степени его сжатия в поршневом компрессоре s в зависимости от отношения температур всасываемого атмосферного воздуха и среды конденсации при относительной влажности W = 98%.
На основе представленных выше зависимостей был выполнен гипотетический расчет получения пресной воды из влажного морского воздуха. Результаты расчета сведены в табл. 2. За исходные данные принят ресивер диаметром D = 0,8 м и высотой Н = 3 м. Спиральный конденсатор DK = 0,10 м, количество витков конденсатора пк = 20 шт. Толщина стенок ресивера и конденсатора ó = 0,01 м. Рабочее избыточное давление поршневого компрессора p = 3 атм. Диаметр поршневой камеры сжатия составляет Dp = 0,25 м, рабочий ход поршня, зависящий от высоты волны, варьировался в пределах 0,1-0,4 м, коэффициент, учитывающий наличие вредного пространства поршневого компрессора п = 0,9. Материал основных элементов - полиэтилен (ррес и ркон равны 941 кг/м3). Период волны принят равным t = 1 c, атмосферная влажность W = 98%, температура наружного воздуха и морской воды равны 30 оС (303 К) и 25 оС (298 К) соответственно. Количество установок, размещенных в акватории моря, п = 400.
Таблица 2
Производительность одной конденсационной установки
Показатель Высота волны hw, м
0,10 0,20 0,30 0,40
Требуемая масса груза с отрицательной плавучестью тр, тн (с учетом 20% запаса) 2,057
Часовая производительность по воздуху: - объемная Qair, нм3/ч - массовая М, кг/ч
15,90 31,81 47,71 63,62
18,60 37,19 55,78 74,38
Влагоотдача д, кг/м3 0,024
Количество получаемой пресной воды для п установок QaQua, м3/сут 3,69 7,37 11,06 14,74
Заключение
Расчеты показали, что если число расположенных в акватории моря установок будет равняться 400, суммарная производительность по воде может достигать свыше 14 м3/сут при высоте волны 0,4 метра. Кроме того, при работе модулей на их производительность в большей степени оказывает влияние перепад температур. Отношение входного и выходного давлений влияет в значительно меньшей степени. Для регионов с низкой влажностью атмосферного воздуха в конструкции требуется предусматривать устройства для принудительного предварительного насыщения воздуха влагой.
B целом для предлагаемого технического решения результаты выполненных расчетов показывают, что даже при незначительном волнении морской поверхности, которое наблюдается большую часть года практически во всех уголках Mирового океана, можно получать достаточное количество пресной воды для поселений, находящихся на береговой линии морей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабин АБ., Чижик К.И., Белоокая НБ. Получение воды из влаги воздуха с применением новых вихревых технологий // Bестн. Иркут. гос. тех. ун-та. 2013. № 12 (83). С. 154-156.
2. Борисова Е.А. Особенности водного кризиса в Центральной Азии // История и современность. 2012. № 1. С. 138-146.
3. Говорушко GM. Экологические последствия использования энергии океана // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 1 (93). С. 51-57.
4. Гущ ЮБ. Bолновая энергетика - перспективный сектор возобновляемых источников энергии // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 2 (41). С. 30-44.
5. Данилов-Данильян BÄ Глобальный водный кризис и роль России в его разрешении // Биосфера. 2009. Т. 1, № 1. С. 106-110.
6. Кирпичникова ИЖ. Опреснение воды с использованием энергий ветра и солнца // Bестн. Южно-Урал. гос. ун-та. Сер.: Энергетика. 2012. № 16(275). С. 22-25.
7. Ларионов BX., Фалько С.Г. Контроллинг в сфере охраны окружающей среды и экологической безопасности // Bестник Академии. 2013. № 4. С. 73-78.
8. Ларионов BP., Шереметьева Е.Н. Современное состояние мировых водных ресурсов и основные направления по увеличению их доступности // Изв. Иркут. гос. эконом. акад. 2015. Т. 25, № 4. С. 590-596.
9. Mосин ОБ. Установки опреснения морской воды // Сантехника, отопление, кондиционирование.
2011. № 12. С. 30-33.
10. Mосин ОБ. Установки опреснения морской воды // Сантехника, отопление, кондиционирование.
2012. № 1. С. 20-24.
11. Никитин А.А., Рябова PB., Поддубный Р.А., Bасиленок АБ. Сравнительный анализ графического и программно-ориентированного метода определения параметров влажного воздуха // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: VII Mеждунар. науч.-тех. конф., Санкт-Петербург, 17-20 ноября 2015. № 1. СПб., 2015. С. 361-363.
12. Пат. 2609375 Российская Федерация, MПK7 Е 03 B 3/28 Способ получения воды из воздуха / B.B. Mиронов, ДБ. Mиронов, Ю.А. Иванюшин, ИБ. Якимова; Тюмень. ООО «ЭЛEKТРОРAM». № 2016115808, заявл. 22.04.2016; опубл. 01.02.2017, Бюл. № 4. 8 с.
13. Репин К.К. Bолновые ГЭС (WHPP) - обзор мирового опыта использования // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 38-48.
14. Солопова BA., Ефремов ИБ., Янбулатов И.И. Особенности получения воды методом конденсации на территории Оренбургской области // Bестн. Оренбург. гос. ун-та. 2015. № 6 (181). С. 172-177.
15. СП 31.13330.2012. Bодоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84*.
16. Спенглер О.А. Слово о воде. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 152 с.; ил.
17. Фролов АБ. Bодные ресурсы: фактор конфликтности или сотрудничества? // Пути к миру и безопасности. 2014. № 1 (46). С. 7-21.
18. ДСТУ-Н Б B.1.1-27:2010. Бущвельна ктматолопя. Кшв: Miнрегiонбуд Украши, 2011.
19. Chaplin J.P., Ferley F.J.M., Prentice M.E., Rainey R.C.T., Rimmer S.J., Roach A T. Development of the ANACONDA all-rubber WEC. Proceedings, 7th European Wave and Tidal Energy Conference. Porto, Portugal, 2007.
20. ISO 7183:2007 Compressed-air dryers. Specifications and testing.
21. Ranking the World's Most Water-Stressed Countries in 2040. URL: http://www.wri.org/-blog/2015/08/ranking-world%E2%80%99s-most-water-stressed-countries-2040 - 28.05.2016.
22. Sorensen H. Chr., Naef S. Report on technical specification of reference technologies (wave and tidal power plant): New Energy Externalities Developments for Sustainability. Sixth Framework Programme, 28.11.2008, 59 p.
ЭТУ СТАТЬЮ НА АНГЛИЙСКОЫ ЯЗЫКЕ СЫ. B ЭТОЫ НОЫЕРЕ ЖУРНАЛА THIS ARTICLE in ENGLISH SEE in this ISSUE of the MAGAZINE
