К вопросу технико-экономического обоснования выбора инновационной технологии получения питьевой воды

До начала 2000-х годов проблема нехватки водных ресурсов не привлекала особенного внимания экономистов за исключением вопросов, связанных с национальными системами водоснабжения и орошения, гидроэнергетикой, вопросами урбанизации. За пределами национальных границ вопрос о воде сводился к анализу проблем засух и пустынь. Внимание было сфокусировано на поиске эффективных локальных мер по противодействию засухам или решению сложных проблем распределения ограниченных водных ресурсов в ряде стран, особенно в пограничных районах. Нехватка питьевой воды является хронической, острой и широко распространенной в регионах как в Северной Африки, Ближнего Востока, Центральной и Южной Азии. Сегодня можно говорить о сформировавшемся понимании: дефицит пресной воды становится одним из структурных факторов, воздействующих на мировое экономическое развитие. Обеспечение чистой пресной водой оказывается в фокусе политики устойчивого развития, дефицит воды становится ограничителем экономического роста в развивающихся странах 1 .

Параллельно в мире растут расходы на исследование проблемы, вложения в борьбу с засухами и другими природными явлениями, резко влияющими на доступ к водным ресурсам. В городах остро встает вопрос энергообеспечения, в то же время возникает все больше государственных программ по совершенствованию ирригационных систем в сельской местности. Засушливые регионы Азии, Европы и Северной Америки инвестируют все больше в строительство опреснительных станций. В мире идет активная дискуссия по этим проблемам, и на сегодня можно выделить несколько магистральных сюжетов. Во-первых, это водная составляющая в мировом производстве, сельском хозяйстве и энергетике (компоненты А. Хоекстры). Основные экономические разработки по водной проблеме среди российских авторов принадлежат директору Института водных проблем РАН В.И. Данилову-Данильяну 2 .

Материалы и методы

Проблема обеспечения территорий пресной водой может быть решена одним из следующих методов:

• 1.    Транспортировки из других регионов;

• 2.    Опреснение соленой воды (подземные и поверхностные источники водоснабжения);

• 3.    Извлечение воды из атмосферного воздуха

Транспортировка воды через эти регионы обычно является очень дорогостоящим процессом, а опреснение зависит от наличия засоленных водных ресурсов, которые обычно редко встречаются в засушливых регионах. Атмосферный воздух — это огромный и возобновляемый водный резервуар. Это бесконечный источник воды доступен ну не исчезаемой и доступен везде на земле. Добыча воды из атмосферного воздуха имеет несколько преимуществ по сравнению с другими методами. Воздух, как источник воды является возобновляемым и чистым, а количество воды в атмосферном воздухе оценивается в 14000 км3, а количество пресной воды в земле составляет всего около 1200 км3 3. Извлечение воды из атмосферного воздуха может осуществляться различными методами, наиболее распространенным из этих методов является охлаждение влажного воздуха до температуры ниже точки росы и абсорбция водяного пара из влажного воздуха с использованием твердого или жидкого осушителя, с последующим извлечением экстрагированной воды путем нагревания осушитель и конденсация испаренной воды.

В некоторых регионах мира, роса, если доступно, представляется простым решением для получения питьевой воды. Роса, действительно, используется растениями и мелкими животными в засушливой и полузасушливой среде. Также существует метод получения воды с помощью сопла Лаваля, который широко используется для выделения жидкости из природного газа в нефтегазовой отрасли.

При проведении настоящего исследования были применены следующие общенаучные методы исследования: библиографический поиск; патентный поиск; сравнение техникоэкономических факторов; компьютерное моделирование.

Основная часть

Далее будут рассмотрены существующие и перспективные способы получения пресной воды с последующим технико-экономическим обоснованием.

Установка 1. Земной коллектор . Одной из первых работ, посвященных извлечению воды из атмосферного воздуха, было опубликованной в России 4 . Был предложен аппарат, состоящий из системы вертикальных и наклонных каналов в атмосфере для сбора воды из атмосферного воздуха путем охлаждения влажного воздуха до температуры ниже точки росы. коллектор грунтовой воды. предложенный Кобаяши 5 и показано на рис. 1 процесс образования росы, по принципу, состоит из трех основания. Когда солнце светит ярко, поверхность земли становится сухой, создавая сухого основания. Глубина сухого основания изменяется в зависимости от типа почвы, количества осадков, глубины капиллярного основания и т.д. Под сухим основанием лежит влажное основание, который остается влажным через капиллярное действие, поскольку он находится в контакте с подземной водой. При капиллярном действии эта вода всасывается до поверхности земли через крошечные щели в почве. Когда поверхность земли нагревается солнцем, эта вода рассеивается в водяном паре. Чтобы собрать этот пар в виде капель, используется четырехугольный каркас с остеклением на склоне, называемая коллекторов грунтовых вод. Когда поверхность земли нагревается солнечной энергией, водяной пар, который испаряется от поверхности поднимается до остекления конвекцией и с помощью него конденсируется на нижней части остекления. Конденсат течет вдоль по остеклению под действием силы тяжести.

Рис. 1. Принцип работы водосборника [6]

Установка 2. Солнечный коллектор: Холл 6 предложил систему для производства воды из атмосферного воздуха посредством абсорбции с использованием этиленгликоля в качестве жидкого осушителя с последующим восстановлением. Софрата 7 построил нетрадиционную систему для сбора воды из воздуха на основе процесса адсорбции-десорбции с использованием твердого осушителя. В документе также обсуждается Технико-экономические обоснование осуществимость применения систем кондиционирования для сбора воды из влажного воздуха, охлаждая его до температуры ниже точки росы. Алайли 8 использовал типичный S -образный композитный материал для поглощения влаги из атмосферного воздуха с последующей регенерацией с использованием солнечной энергии. Хамед 9 протестировал два метода получения воды из атмосферного воздуха с использованием солнечной энергии:

Первый метод был основан на охлаждении влажного воздуха до температуры ниже точки росы воздуха с использованием охлаждения абсорбента LiBr-H 2 O .

Второй метод основан на абсорбцию влаги из атмосферного воздуха в течение ночи с использованием хлорида кальция CaCl 2 раствора в виде жидкого осушителя с последующим восстановлением поглощенной воды в дневное время. В результате этого исследования второй метод был рекомендован в качестве наиболее подходящее применение солнечной энергии для получения воды из воздуха (рис. 2).

Стеклянная крышка

Дневное время работы

Солнечная энергия

Водные капельки

А бсорбция

Слабый абсорбент

Изоляция

Пресная вода

Слабый абсорбент

Ночное время работы

Сильный абсорбент

Абсорбция

Сильный абсорбент

Изоляция

Рис. 2. Принципиальная схема работы солнечного аппарата для получения воды из воздуха [25]

Необходимость экономической реализации солнечно-осушительных систем для производства воды в засушливых районах имеет большое значение. Кроме того, неудобства и относительно высокая стоимость осушительного оборудования ограничивает использование таких единиц в большой. В пустынных районах смешивание песчаного основания поверхности земли с осушителем в качестве перспективного метода для минимизации стоимости пароизоляционного основания был предложен10. Песчаное основание, пропитанный осушителем, подвергают окружающая атмосфера для поглощения водяного пара ночью. Во время солнечного периода основание покрывается теплицей, где осушитель регенерируется, и водяной пар конденсируется на прозрачной поверхности теплицы или любых других холодных поверхность. Прогнозирование цикла поглощения требует знания процента подход к насыщению. Ввиду конструктивных параметров абсорбирующего основания с отношением осушителя к массе песка является важным фактором, влияющим на скорость абсорбции и, следовательно, скоростью производства воды. Извлечение воды из воздуха с помощью системы солнечного коллектора с песчаным основанием описано Кабелем11.

Система исследована в теоретическом и экспериментальном аспекте для оценки производительности песчаного основания, пропитанного 30%-ной концентрацией CaCl 2 , для получения воды из влажного воздуха. Сообщается, что система может обеспечить до 1,2 л пресной воды на квадратный метр стеклянной крышки в день.

Результаты их лабораторных испытаний показали, что целесообразность производства пресной воды существует при выходе 3-5 тонн воды на 10 тонн сухого сорбента в сутки. Кроме того, селективный композитный адсорбент для солнечных двигателей производство пресной воды из атмосферного воздуха представлено в работе. Он синтезирован запатентованным ультра-большим пористым кристаллическим материалом МКМ-41 в качестве матрицы-хозяина и хлорид кальция как гигроскопичная соль.

Устройство 3. Устройства для осушения воздуха . Аналогичное исследование было проведено аналитически 12 для климатических условий ближнего востока, и сообщалось, что количество пресной воды, полученное зависит от свойств влажного воздуха, скорости воздуха, площади поверхности охлаждающей катушки и устройство теплообмена. Следует отметить, что эта система использует хлорированные фторуглеродные соединения (ХФУ), идентифицированные как факторы, способствующие истощению озона основание (рис. 3).

• 1    - сборник плоской плиты

• 2    - стеклянная крышка

• 3    - отверстия вентиляторов.

• 4    - собранный водный канал

• 5    - пено изоляция

• 6    - алюминиевый лист

• 7    - стальной лист

• 8    - металлический каркас

• 9    - собранная труба воды сконденсированный

• 10    - собранная труба воды у сборников

• 11    - мерная колба

• 12    - конденсатор плоской плиты

• 13    - канал связи

• 14    - поддержка конденсатора

• 15    - отверстия конденсатора

• 16    - поддержка коллекторa

• 17    - поддержка стеклянной крышки

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального поглотительного коллектора для воды [12]

Для типичной жаркой влажной погоды (Саудовская Аравия или другие стран в ближнем востоке), Хабибулла сообщил, что суточный диапазон выработка воды относительной влажности с минимумом в полдень. На основе фактических климатических данных, среднемесячная средняя выработка воды в течение августа и февраля составлял, соответственно, 509 и 401 кг/м² 13 .

Сферы применения таких осушителей адсорбционные осушители воздуха с успехом применяются в различных сферах промышленности, машиностроения и для устранения избыточной влаги в бытовых помещениях. Кроме того, эти устройства наиболее эффективны: В медицине и пищевой промышленности для непрерывной работы на складах и в холодильных камерах в подвалах, музеях, архивах и т.д. при хранении удобрений в условиях контролируемой влажности при морских перевозках сыпучих грузов на предприятиях по производству микроэлектроники для космического и военно-промышленного комплекса для трубопроводов, транспортирующих сжатый воздух в районах с низкими температурными показателями14.

Установка 4. Сопла Лаваля: Сверхзвуковая сепарация в сопле Лаваля для извлечения одного компонента из массы потока является новым методом в сфере сепарации с высоким уровнем эффективности, который недавно стал объектом исследования в нефтегазовой отрасли. В данной статье предлагается методом извлечения воды из атмосферы, который позволяет получать не только значительно больший объём воды, но еще и вырабатывать электроэнергию для региона, в котором установка будет использоваться. Данная установка может быть использована в населённых пунктах, находящихся в засушливых регионах с высоким процентом влажности, а также при чрезвычайных ситуациях для обеспечения воды (рис. 4).

Рис. 4. Типовая схема абсорбционно-десорбционной системы получения воды из воздуха [14]

Как известно, из-за засушливого климата и гористого рельефа Иран не обладает достаточным количеством водных ресурсов. Объектом исследования является набережная персидского залива с достаточно большим количеством населения. Мы будем изучать эффективность производства воды, а именно фракцию конденсации, и постараемся найти техническое решение проблем, связанных с безопасностью. Это новая технология удаления одного или нескольких компонентов внутри циркуляционного потока в силу их специфических характеристик. В основе метода использования сопла Лаваля лежит эффект Дж. Томсона 15 . При движении потока газа вдоль сопла давление постепенно снижается. Достигнув критического сечения сопла, давление значительно уменьшается по сравнению с начальным, а скорость потока достигает число Маха. Из-за расширения происходит достаточное падение температуры, что позволяет достичь точки росы водяного пара в воздушном потоке. После критического сечения в сопле образуются капли, которые находятся в состоянии перенасыщения. Чтобы увеличить размер капель, следует использовать метод, который называется «расширение капли Гингленом» 16 .

Когда воздушный поток попадает на вход, скорость перемещения составляет менее 1 Маха. По этой причине имеет смысл установить турбовентилятор в начале сопла. Потом газ проходит через горлу.диаметер в этой части сечения минимальны, а скорость газа достигает скорости звука M=1 после критической области диаметр начинает постепенно увеличиваться и приводит к расширению газового потока, а скорость постепенно становится больше 1 Маха (М>1)

Рис. 5. а) Турбовентилятор на входе сопла-Лаваля;

б) закрученный вихрь газовых потоков из турбовентилятора

Для эксперимента необходимый диаметр должен составлять не менее 2,5 мкм. При установке турбовентилятора в начале сопла создаётся центробежная сила, позволяющая собирать частицы воды вдоль стенки сопла, увеличивая диаметр капель 17 .

Смесь газ-жидкость поступает в разделительное сопло (на значительном объёме) Который может быть разделен концентрическим делителем и выходит из устройства в виде разделенного потока 18 . Наконец, для того, чтобы уменьшить давление потока, ударная волна происходит, и температура увеличивается в этой области сразу после этого момента постоянно разброс снижается до звукового, но не ниже скорости на входе турбо струйного компрессора.

Заключение

Кроме последнего способа, для которого были проведены компьютерные расчеты в данной статье (рисунок 5), остальные решения не имеют достаточно высокой результативности и поэтому в реальном мире до сих пор не нашли экономического обоснования для массового внедрения. В устройстве на основе сопла Лаваля на основе характеристики для авиадвигателя (n = 750 об/мин) 19 , который рекомендуется для эксперимента, можно соединить электродвигатель с редуктором и получить электрическую мощность 2x5500 кВт и производительностью 85 %. Конечными продуктами данного устройства являются электроэнергия и вода, которые при данном методе будут намного дешевле в южных странах, таких, как Иран, чем ресурсы, полученные другими методами, названными в начале статьи. Эффективность данного устройства состоит в том, что оно может быть использовано в побережной регионе, например. в городе Бенде_́р-Абба_́с (Порт Аббаса), где средняя влажность составляет 66 % 20 . Использование этого устройства намного выгоднее для городов и даже островов, находящихся в персидском заливе, чем строительство водоснабжений или привозка из далеких пунктов до точки потребления.

Следует отметить, что издержки на использование турбореактивного двигателя намного меньше, так как он не используется для летательных аппаратов. Кроме этого, выходной поток воздуха из сопла к двигателю будет содержать намного меньший процент влажности, что улучшит работоспособность и производительность ГТД .

Срок эксплуатации для установок 1-3 имеют средний срок службы 5 лет, а для установки №4 этот срок составляет 10 лет. В перспективе можно использовать газовую турбину с учётом того, что газ намного дешевле, чем керасин, тогда и производительность увеличивается, а расходы на эксплуатацию уменьшаются.

Сводные   технико-экономические   характеристики, полученные в результате проведенного анализа, отображены в таблице 1.

Таблица 1

Технико-экономические характеристики установок получения воды

Установ-ка		Входной поток влажного воздуха (м3/ч)	Мощность, кВт	Производительность, кг/ч	Вес, кг	Себестоимость литра воды, руб
1		----	0.01	1.5 ~ 2.5	<50	3.6~4
2		----	0.01	0.01 ~ 0.02	<50	1.0
3	а	500~600	16	3	16	0.6 ~0.8
	б	6000 ~ 12000	70 ~ 75	40 ~ 55	550 ~ 950
	с	30 000 ~ 36 000	< 500	230 ~ 330	1700 ~ 3000
4		118736.84	11 000	88 920	3600 ~4000	< 0.6

Выводы

Выполненные в данном исследования позволили авторам получить предварительные теоретические и практические результаты, а также сформулировать выводы, основное содержание которых заключается в следующем:

• 1.    Авторы считают важным понимание того, что обеспечение водой во многом определяет социально-экономическое и промышленное развитие страны, вследствие чего государства в разных регионах мира стремятся расширить свое участие в добыче, переработке и хранении воды любыми возможными путями.

• 2.    Выявлено, что в настоящее время в странах Ближнего Востока в регионах нефтегазовой и нефтехимической промышленности сложилась сложная ситуация, при которой эти страны, обеспечиваются водой очень дорогостоящим путем, через опреснение морской воды. Эта технология может приносить вред в долгосрочной перспективе и требуются альтернативные экономически-обоснованные способы ее получения.

• 3.    Наблюдается повышенная заинтересованность многих мировых государств к различным путям получения воды из воздуха особенно страны из лидеров нефтедобычи, нефтепереработки и нефтехимии в Ближневосточном регионе, что доказывает, что наше предложением имеет наибольшие перспективы для инвестиций. Получение электроэнергии и воды с помощью устройства на основании принципа сопла Лаваля представляется более экономически целесообразным в странах, таких, как Иран, чем при использовании других рассмотренных методов и требует дальнейшего изучения возможностей технической реализации.