АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ПАРОКОМПРЕССОРА ОБЪЕМНОГО ТИПА

АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ПАРОКОМПРЕССОРА ОБЪЕМНОГО ТИПА

Научная статья

Лысенко Ю.Д.¹, Звягинцев В.А.², Бирюк В.В.^3, *, Лукачев С.В.⁴, Архипов В.О.⁵

^{1, 2, 3, 4, 5} Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия

* Корреспондирующий автор (viktor.urlapkin[at]gmail.com)

Аннотация

Дистилляционные опреснительные установки с механической компрессией пара как правило используют в качестве привода центробежные компрессоры. Однако применение таких компрессоров на установках с большой производительностью приводит к необходимости решить задачу обеспечения высокой производительности при относительно небольшой частоте вращения компрессора и небольших габаритов. В связи с этим в данной статье анализируется возможность замены центробежного парокомпрессора на компрессор объемного типа, что теоретически может позволить снизить частоту вращения (а, следовательно, нагрузку на подшипники) парокомпрессора.

Ключевые слова: Центробежный парокомпрессор, водокольцевой вакуумный насос, вакуумный насос типа ROOTS, дистилляционная опреснительная установка.

ANALYSIS OF OPTIONS ON IMPROVING DEMINERALIZED WATER GENERATORS BASED ON VOLUME STEAM COMPRESSOR

Research article

Lysenko Y.D.¹, Zvagintsev V.A.², Biryuk V.V.^3, *, Lukachev S.V.⁴, Arkhipov V.O.⁵

^{1, 2, 3, 4, 5} Samara University, Samara, Russia

* Corresponding author (viktor.urlapkin[at]gmail.com)

Abstract

Distillation desalination plant with mechanical vapor compression is usually equipped with centrifugal compressor as a drive. However, the use of such compressors on high-performance units leads to the need to solve the problem of ensuring high performance at a relatively low frequency of compressor rotation and small dimensions. Therefore, this article analyzes the possibility of replacing a centrifugal steam compressor with a bulk-type compressor, which can potentially reduce the rotational speed (and, therefore, bearing load) of the steam compressor.

Keywords: Centrifugal steam compressor, water ring vacuum pump, vacuum pump of ROOTS type, distillation desalination plant.

Введение

Наиболее подходящими для решения поставленной задачи перехода на ПК с уменьшенными оборотами электродвигателей являются безмасляные ПК объёмного типа. Такие ПК нашли применение для выпарных установок [1] рабочий процесс которых имеет сходство с рабочим процессом опреснительных установок в части необходимости компрессии пара, однако, существенно отличается от них значениями параметров насыщенного пара. Анализ рабочих параметров ПК объёмного типа показал, что для использования в опреснительных установках, в качестве штатных ПК и в качестве технологических макетов в производстве для настройки автоматики ИК, наиболее подходят ПК объёмного типа, выделенные по степени повышения давления в отдельный класс, получивший название «воздуходувки» в силу наиболее частого применения для откачки и подачи воздуха [2]. Название класса не является препятствием к применению его представителей для других сред, включая водяной пар. С учётом потребности в высокой объёмной производительности ПК, в составе опреснительной установки, были рассмотрены возможности применения воздуходувок:

- водокольцевого,

 - винтового,

- типа ROOTS.

Водокольцевой вакуумный насос

Водокольцевой вакуумный насос или жидкостный кольцевой насос – устройства для получения вакуума за счет прижатия жидкости к стенкам за счет действия центробежных сил и передачи таким образом импульса от ротора, которым чаще всего служит рабочее колесо с лопатками [3]. В качестве привода дистилляционной опреснительной установки водокольцевой насос можно использовать, приняв давление в первой ступени за давление окружающей среды – таким образом – насос будет вакуумировать последнюю ступень, откачивая воздушный пар в первую. Вакуумирование промежуточных ступеней обычно осуществляется блоком вакуумирования на основе эжектора, но также может быть конструктивно исполнено таким образом, чтобы каналы, по которым осуществляется вакуумирование соединялись с водокольцевым насосом.

Принципиальная схема водокольцевого насоса представлена на рисунке 1.

 

Рис. 1 – Схема водокольцевого вакуумного насоса

 

Основными особенностями использования воздуходувок объёмного типа в качестве ПК опреснительных установок, по сравнению с центробежными ПК, являются то что воздуходувки всех перечисленных типов выпускаются серийно большим количеством российских и зарубежных производителей. Обороты электродвигателей этих воздуходувок не превышают вполне приемлемых по критериям долговечности 3000 об/мин, причём производители, комплектуя нагнетатель одной модели электродвигателями с различными оборотами и мощностью, получают воздуходувки, отличающиеся объёмной производительностью и степенью повышения давления [4].

Воздуходувки объёмного типа обладают свойством постоянства объёмной «геометрической» производительности, то есть, производительность по откачанному объёму пара не зависит от давления этого пара на входе воздуходувки. Эта особенность работы не изменяет свойства самоподстройки работы элементов установки по производительности дистиллята, то есть, работа установки не зависит от типа (центробежного, или объёмного) ПК.

Наиболее приемлемые по техническим характеристикам воздуходувки обеспечивают существенно большую степень повышения давления, чем рассмотренные ранее центробежные ПК [5].

Вакуумный насос типа ROOTS

Насос ROOTS – это многоступенчатые двухроторные вакуумные насосы (рис. 2) с двумя лопастями. Между вращающимися роторами поддерживается гарантированный зазор, благодаря чему не требуется применение масел. Насосы ROOTS изготавливаются как одноступенчатые, так и многоступенчатые.

Данные насосы нашли применение во многих областях промышленности. В комбинации с пластинчато-роторным насосом или другим форвакуумным насосом они позволяют достигать разряжения до 2·10^-4 мбар с большой скоростью откачки [6]. Благодаря отсутствию трения в роторах и высокой надёжности, двухроторный насос ROOTS особенно хорошо зарекомендовал себя на производстве. Якорь электродвигателя и ведущий вал насоса герметичны, благодаря чему в конструкции отсутствуют внешние манжеты валов, а, следовательно, и потенциальные течи.

Рис. 2 – Вакуумный насос типа ROOTS: 1 – всасывающий фланец; 2 – двухкулачковый ротор; 3 – выхлоп;

4 – рабочий объём насоса; 5 – клапан перепускной линии

 

Насосы ROOTS показывают мощную производительность, скорость работы и, что очень важно для насосных систем, равномерность откачки носителя.

Учитывая требования высокой энергоэффективности и минимальных габаритов, наиболее подходящим вариантом вакуумного насоса объёмного типа является насос типа ROOTS.

Основными особенностями использования вакуумных насосов объёмного типа в качестве ПК опреснительных установок, по сравнению с центробежными ПК, являются [7]:

- насосы всех перечисленных типов выпускаются серийно большим количеством российских и зарубежных производителей;

- обороты электродвигателей этих насосов не превышают вполне приемлемых по критериям долговечности 3000 об/мин [8], причём производители, комплектуя нагнетатели электродвигателями с различными оборотами и мощностью, получают насосы, отличающиеся объёмной производительностью и степенью вакуумирования, или повышения давления;

- насосы объёмного типа обладают свойством постоянства объёмной «геометрической» производительности, то есть, производительность насоса по откачанному объёму пара не зависит от давления этого пара на входе насоса [9]. Эта особенность работы насосов объёмного типа не изменяет свойства самоподстройки работы элементов установки по производительности дистиллята, то есть, работа установки не зависит от типа ПК;

- наиболее приемлемые по техническим характеристикам насосы (отнесённые к разряду воздуходувок по уровню создаваемого перепада давления) обеспечивают существенно большую степень повышения давления, чем рассмотренные ранее центробежные ПК.

Заключение

Учитывая требования высокой энергоэффективности и минимальных габаритов, наиболее подходящим вариантом вакуумного насоса объёмного типа для использования в качестве ПК опреснительной установки является насос типа ROOTS.

В связи с вышеуказанной повышенной производительностью насосов объёмного типа имеются несколько вариантов их использования в составе опреснительной установки:

- простая замена центробежного ПК на воздуходувку объёмного типа без изменения параметров рабочего процесса требует комплектации воздуходувки электродвигателем пониженной мощности, поскольку в опреснительных установках используется только часть потенциала воздуходувки по степени повышения давления;

- замена центробежного ПК на воздуходувку объёмного типа с изменением параметров рабочего процесса, например, со снижением температуры кипения в последней ступени, что позволяет повысить температурный напор и уменьшить площадь поверхности теплообмена ИК. Однако переход на пониженную температуру кипения последней ступени требует увеличения объёмной производительности воздуходувки, вследствие увеличения удельного объёма пара, и, как было показано в предыдущем пункте отчёта, увеличивает энергозатраты (как показано в предыдущем пункте отчёта);

- использование потенциала воздуходувок объёмного типа, по степени повышения давления, для существенного повышения давления части вторичного пара последней ступени и питания этим рабочим паром пароструйных эжекторов, производящих откачку вторичного пара из последней ступени ИК. Такой подход достаточно эффективно используется в вакуумных установках для повышения степени их вакуумирования при неизменной производительность вакуумных насосов [2].  В рамках проекта по созданию опреснительных установок необходимо оценить возможность  использования подхода для повышения их энергоэффективности за счёт снижения потребной производительности ПК. При этом возможны два варианта питания ПК [10]:

- питание паром от выхода из пароструйного эжектора,

- питание вторичным паром непосредственно из последней ступени ИК.

Финансирование Работа выполнена в организации Головного исполнителя НИОКТР при финансовой поддержке Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках реализации постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 по договору об условиях предоставления и использования субсидии от 01 декабря 2015 г. № 02.G25.31.0150.

Funding The work was carried out in the organization of the Chief Executive Officer of R & D with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the implementation of the Russian Federation Government Resolution No. 218 of April 9, 2010 under an agreement on the conditions for granting and using subsidies of December 01, 2015 No. 02.G25.31.0150.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Поворов А.А. Выпарные аппараты с рекомпрессией водяного пара – энергосберегающая технология и оборудование (ЭСВА) [Текст] / А.А. Поворов, В.Ф. Павлова, Н.В. Корнилова, Н.А. Шиненкова //Мир гальваники, 2015.
2. Всё о воздуходувках [Электронный ресурс]/ URL: http://www.makosh.spb.ru/ produkcija/vsye-o-vozdukhoduvkakh/ Дата обращения: 2017.
3. Сигора Г.А. Обзор методов переработки рассолов, образующихся в результате работы дистилляционных установок / Г.А. Сигора, Л.А. Ничкова, Т.Ю. Хоменко и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2017. – № 12 Том 1. – С. 140–146.
4. Дегремон С. А. Технический справочник по обработке воды. В 2 т. / С. А. Дегремон // перевод с фр. ООО «Новый журнал» при участии ООО «Лингва Франка Тим».– СПб.: Новый журнал. – 2007. – Т. 2. –  С. 1696.
5. Ивлева Г. А. Анализ мирового опыта и научно–технических разработок в области кондиционирования опресненных высокоминерализованных вод для питьевых целей / Г. А. Ивлева, Н. Н. Гусев // Горный информационно–аналитический бюллетень (научно–технический журнал). – 2011. – № 10. – С. 162–170.
6. Слесаренко В. Н. Опреснительные установки / В.Н. Слесаренко // Владивосток: ДВГМА, 2012.– 244 с. ISBN 5–8343–0007–3.
7. Создание семейства импортозамещающих энергосберегающих установок, основанных на применении инновационных технологий для опреснения морской воды и получения дистиллята из сточных вод производительностью до 10 м куб./час: Отчет о патентных исследованиях/ рук. Лукачев С.В.; исполн. Шиманов А.А. [и др.]. - Самара, 2016. – 60 с. - №ГР АААА-А16-116051110084-8.
8. Бухмиров В. В. Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения) / В.В. Бухмиров // Изд-во Ивановского государственного энергетического университета имени В.И. Ленина. – 2007. – С. 39.
9. Воронин Г.И. Эффективные теплообменники / Г.И. Воронин, Е.В. Дубровский. - М.: Машиностроение, 1973. – 96 с.
10. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б. Е. Рябчиков / М.:ДеЛи принт, 2004. –328 с.

Список литературы на английском языке/ References in English

1. Povorov A.A. Vyparnye apparaty s rekompressiey vodyanogo para – energosberegayuschaya tehnologiya i oborudovanie [Recompression evaporators steam - energy saving technology and equipment] (ESVA) [Tecst] / A.A. Povorov, V.F. Pavlova, N.V. Kornilova, N.A. Shinenkova // Mir galvaniki, 2015. [in Russian]
2. Vse o vozduhoduvkah [Elektronnyi resurs]/Rezhim dostupa [All of the blowers [electronic resource] / Access]: http://www.makosh.spb.ru/ produkcija/vsye-o-vozdukhoduvkakh/ Date of the application: 2017. [in Russian]
3. Sigora G.А. Obzor metodov pererabotki rassolov, obrazuyushhikhsya v rezul'tate raboty distillyatsionnykh ustanovok [Review of methods for processing brines formed as a result of operation of distillation plants]/ G.А. Sigora, L.А. Nichkova, T.YU. KHomenko and other. // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2017. – № 12 Tom 1. – S. 140–146. [in Russian]
4. Degremon S. А. Tekhnicheskij spravochnik po obrabotke vody [Technical Handbook for Water Treatment]. V 2 V. / S. А. Degremon // perevod s fr. OOO «Novyj zhurnal» pri uchastii OOO «Lingva Franka Tim» [translation from Fr. LLC "New Journal" with the participation of LLC "Lingua Franca Tim"].– SPb.: Novyj zhurnal [New magazine]. – 2007. – V. 2. – P. 1696. [in Russian]
5. Ivleva G. А. Аnaliz mirovogo opyta i nauchno–tekhnicheskikh razrabotok v oblasti konditsionirovaniya opresnennykh vysokomineralizovannykh vod dlya pit'evykh tselej [Analysis of world experience and scientific and technical developments in the field of conditioning desalinated highly mineralized waters for drinking purposes] / G. А. Ivleva, N. N. Gusev // Gornyj informatsionno–analiticheskij byulleten' (nauchno–tekhnicheskij zhurnal) [Mining Information and Analytical Bulletin (scientific and technical journal)]. – 2011. – № 10. – P. 162–170. [in Russian]
6. Slesarenko V. N. Opresnitel'nye ustanovki [Desalination plants] / V.N. Slesarenko // Vladivostok: DVGMА, 2012.– 244 p. ISBN 5–8343–0007–3. [in Russian]
7. Sozdanie semejstva importozameshhayushhikh ehnergosberegayushhikh ustanovok, osnovannykh na primenenii innovatsionnykh tekhnologij dlya opresneniya morskoj vody i polucheniya distillyata iz stochnykh vod proizvoditel'nost'yu do 10 m kub./chas: Otchet o patentnykh issledovaniyakh [Creation of a family of import-substituting energy-saving plants based on the use of innovative technologies for desalination of sea water and obtaining distillate from wastewater with a capacity of up to 10 m³ / h: Report on patent studies]/ Lukachev S.V.; SHimanov А.А. and other. - Samara, 2016. – 60 p. - №GR АААА-А16-116051110084-8. [in Russian]
8. Bukhmirov V. V. Raschet koehffitsienta konvektivnoj teplootdachi (osnovnye kriterial'nye uravneniya) [Calculation of the coefficient of convective heat transfer (basic criterial equations)] / V.V. Bukhmirov // Izd-vo Ivanovskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta imeni V.I. Lenina [Publishing house of the Ivanovo State Power University named after V.I. Lenin]. – 2007. – P. 39. [in Russian]
9. Voronin G.I. EHffektivnye teploobmenniki [Effective heat exchangers] / G.I. Voronin, E.V. Dubrovskij. - M.: Mashinostroenie [Mechanical engineering], 1973. – 96 p. [in Russian]
10. Ryabchikov B. E. Sovremennye metody podgotovki vody dlya promyshlennogo i bytovogo ispol'zovaniya [Modern methods of preparing water for industrial and domestic use] / B. E. Ryabchikov / M.:DeLi print, 2004. –328 p. [in Russian]