Пусть нам из морской воды необходимо получить пресную воду.
Один из способов – нагрев морской воды до состояния кипения, отвод образовавшегося пара и его последующее охлаждение с целью получения дистиллята (воды, очищенной от растворённых в ней минеральных солей, органических веществ и других примесей). В результате первоначальное количество морской воды разделяется на две части – чистая пресная вода и солевой раствор (при испарении все примеси остаются в исходной воде). Теоретически можно степень выпаривания исходного объёма морской воды довести до уровня, при котором морская соль выпадет в осадок, т.е. разделить морскую воду на две составляющие – пресную воду и морскую соль.
Принцип действия традиционной испарительной установки – использование первичного (греющего) пара для преобразования в пар исходной воды. По существу происходит передача скрытой теплоты парообразования от первичного пара (который в процессе передачи теплоты конденсируется) исходной воде (которая превращается во вторичный пар), а затем в конденсаторе - охлаждающей жидкости (конденсация вторичного пара). Давление первичного пара выше давления вторичного пара. Т.к. с уменьшением давления пара величина скрытой теплоты парообразования увеличивается, то даже при отсутствии потерь для производства 1 кг дистиллята потребуется более 1 кг первичного пара.
Можно ли сконструировать такое устройство, которое вырабатывать пара будет больше чем потреблять? Оказывается можно.
Рассмотрим схему испарителя мгновенного вскипания (ИМВ) с N ступенями. Каждая ступень имеет в своём составе испаритель и конденсатор.
Пар – первичный (греющий) пар, Конденсат – конденсат первичного пара, пар – вторичный пар, ГВ – горячая вода (нагретая первичным паром), ХВ – холодная вода (вх, вых – на входе и выходе ИМВ). ПВ - подогреватель воды, И – испаритель, К – конденсатор, Д – дистиллят, СР – солевой раствор. СР после охлаждения может быть направлен в линию ХВ.
В испарителе мгновенного вскипания горячая вода (ГВ) подаётся в испаритель, внутри которого поддерживается давление ниже давления кипения при текущей температуре воды. Вода за счёт уменьшения собственной внутренней энергии испаряется, образуя вторичный пар, температура воды уменьшается до температуры насыщения, соответствующей давлению в испарителе. Пониженное давление в испарителе поддерживается за счёт конденсации вторичного пара в конденсаторе при которой происходит передача скрытой теплоты парообразования вторичного пара холодной воде (ХВ). Величина давления в конденсаторе определяется температурой холодной воды на выходе из конденсатора – чем ниже эта температура тем ниже давление. Неконденсируемые газы (воздух, который попадает в испаритель и конденсатор ввиду негерметичности системы) отводятся с помощью эжекторов (на схеме не показаны).
Сконденсировавшийся вторичный пар (дистиллят) отводится из конденсатора. Неиспарившаяся и уже менее горячая вода поступает в следующую ступень.
Выполним вариативный тепловой расчёт испарителя мгновенного вскипания с различным количеством ступеней – от 1 до 16.
Примем, что температура холодной воды на входе в ИМВ составляет 20 С, параметры первичного пара: давление 0,12 МПа(а), температура 150 С.
Тепловой расчёт в формате Jupyter Notebook см. в [1], ниже приведены результаты расчёта.
Линии, соединяющие точки графиков не имеют какого-либо смысла, а применены для наглядности. Расчётные значения являются дискретными и находятся в точках с координатами (0, 1, 2,... ,16). Точка 0 - перед первой (по движению ГВ) ступенью, 16 - в конце 16-ой ступени.
В рассматриваемом ИМВ выход дистиллята составляет около 12% (при количестве ступеней более 8) от количества подаваемой на вход установки воды. Т.е. если необходимо производить 12 т/ч дистиллята, то в ИМВ следует подавать не менее 100 т/ч исходной воды.
Высокая эффективность ИМВ связана с тем, что тепловая энергия воды, затраченная в испарителе на образование пара возвращается этой же воде, проходящей через конденсатор, при конденсации пара (образовании дистиллята).