УДК 662.106.33

Кенжетаев Г.Ж.¹, Тлепиева Г.Ш. ², Джаналиева Н.Ш. ³,

Картбай А.С.⁴

Доктор технических наук, профессор, Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова

Республика Казахстан, Актау

Эффект «точки росы» для опреснения морской воды в условиях жаркого климата

Аннотация. В статье приводятся причины ограничивающие использование морской воды для нужд водоснабжения. Вместе с этим предлагается способ опреснения морской воды с применением эффекта "точки росы", конденсации влаги на внутренней поверхности устройства, за счет перепада температур в условиях жаркого климата.

Ключевые слова. Море. Вода. Минералиция. Соленость. Натрий. Хлор. Калий. Магний. Бор. Опреснение. Точка росы. Конденсация влаги.

Введение. Глобальной проблемой человечества в новом тысячелетии становится проблема получения пригодной для питья пресной воды. Дефицит пресной воды остро ощущается на территории более 40 стран, расположенных в засушливых областях земного шара и составляющих около 60% всей поверхности суши. Мировое потребление воды в начале XXI века достигло 120-150·10⁹ м³ в год. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением солёных (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2-10 г/л) океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре. На Земле только 2,5% пресной воды (рисунок 1, приложение I). Пресную воду можно найти в озерах, реках и подземных хранилищах. Пресная вода является ценной составной частью морской воды.

Нехватка пресной воды все больше ощущается в индустриально развитых странах, как США и Япония, где потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает имеющиеся запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды не соответствуют потребностям в ней, которые возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В дальнейшем человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как альтернативный источник воды. По ресурсам поверхностных пресных вод первое место в мире занимает Россия.

Республика Казахстан, и некоторые районы Средней Азии, Туркмении, Кавказа, Донбасса, юго-восточной части РФ, обладая крупнейшими минерально-сырьевыми ресурсами, не имеют источников пресной воды.

Вместе с тем ряд районов нашей страны, в том числе и Мангистауская область располагает большими запасами морской воды и подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемых для нужд водоснабжения из-за высокого содержания растворенных в воде солей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения только при условии их дальнейшего опреснения.

Причины сдерживающие использования морской воды.

Важным параметром морской воды при опреснении является солёность, под которой подразумевается масса (в граммах) сухих солей (преимущественно NaCl) в 1 кг морской воды. Средняя солёность вод мирового океана постоянна и составляет 35 г/кг морской воды. Наряду с NaCl в морской воде содержатся K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Br^-, F^-, H₃BO₃, которые можно получать из морской воды в промышленных масштабах. Среди других веществ, содержащихся в морской воде в концентрациях от 1 млн. д. до 0,01 млн. д., встречаются литий (Li), рубидий (Rb), фосфор (P), йод (J), железо (Fe), цинк (Zn) и молибден (Mo). Кроме этих элементов в морской воде обнаружено около 30 других элементов в более низких концентрациях. Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питьевых и хозяйственных целей [1].

Поэтому её необходимо опреснять, т.е. проводить обработку с целью снижения концентрации растворённых солей до 1 г/л [2]. Опреснение воды может осуществляться химическими (химическое осаждение, ионный обмен), физическими (дистилляция, обратный осмос или гиперфильтрация, электродиализ, вымораживание) и биологическими методами с использованием способности некоторых фотосинтезирующих водорослей избирательно поглощать NaCl из морской воды [3].

За последние годы были также предложены новые альтернативные методы опреснения морской воды за счёт воздействия ультразвуком, акустическими, ударными волнами, электромагнитными полями и др. Многообразие существующих методов получения пресной воды объясняется тем, что ни один из них не может считаться универсальным, приемлемым для данных конкретных условий [4].

Результаты. Закономерности поступления тепла в опреснитель.

Охлаждение «холодного» покрытия и «холодных» ограждений летом возможно как за счет циркуляции холодной воды, так и холодного воздуха. Как было отмечено выше опреснение морской воды осуществляется за счет нагрева Солнцем теплоприемника в виде зачерненной емкости с водой и «черной» сетки на ее поверхности. Известно, что падающее солнечное излучение должно либо поглотиться, либо отразиться, либо пройти сквозь тело. Солнце представляет собой черный источник с температурой 5800 К, плотность потока падающего излучения которого равна 1100 Вт/м².

Теплопоступления в опреснитель от солнечной радиации и тепловые потери в результате разности температур определяются по формуле [5]:

, Вт

где – объем опреснителя, м³; – удельная тепловая характеристика Вт/м³°С; – наружная температура (параметр А). внутренняя расчетная температура; Для холодного периода – средняя температура самого холодного месяца в 13 часов, для теплого периода – средняя температура самого жаркого месяца в 13 часов.

= 4 3,5 2,8 = 39,2 м³; = 0,42 Вт/м³°С;

Для теплого времени года: = 29,4°С; = 26°С.

39,2 0,42 3,4 = 56 Вт

Для холодного времени года: = - 9°С; = 19°С.

39,2 0,42 (- 28) = - 461 Вт

Избыточная теплота солнечного излучения в зависимости от типа стекла почти до 90% поглощается средой помещения, остальная часть отражается. Максимальная тепловая нагрузка достигается при максимальном уровне излучения, которое имеет прямую и рассеянную составляющие. Интенсивность излучения зависит от ширины местности, времени года и времени суток. Поступление теплоты от солнечного излучения через остекление определяется по формуле [11]:

где – тепловые потери от прямой и рассеянной солнечной радиации, Вт/м²; – площади световых проемов, облучаемые и не облучаемые солнечной радиацией, м³; – коэффициент пропускания тепла через прозрачное стекло, . = 0,15.

В опреснителе наружных затеняющих козырьков, для периода облучения остекления солнцем не предусмотрено, и лучи солнца проникают через прозрачные стекла в опреснитель. Поэтому

= () , Вт

где – тепловые потоки от прямой рассеянной радиации, Вт/м². Для широты Мангистауской области в 43° с.ш(Климат Казахстана) до полудня в 11-12 ч. при расположении Солнца на востоке [6]:

= 73 Вт/м²; = 77 Вт/м².

= = 3 1,5 = 4,5 м² – площадь световых проемов ( – число окон; – площадь окна). – коэффициент затемнения остекления переплетами; = 0,72. – коэффициент загрязнения остекления; = 0,9.

Тогда

() 0,720,9 Вт

Для широты Мангистауской области в 43° с.ш (Климат Казахстана) до полудня в 11-12 ч. при расположении Солнца на юге в зените:

= 214 Вт/м²; = 79 Вт/м². = = 3 1,5 = 4,5 м².

Тогда: (214) 0,72 0,9 Вт

Тогда общее поступление теплоты солнечной радиации со всех трех светопрозрачных проемов будет равно:

65,61 + 12 = 193,81 Вт

В нерационально запроектированном гелиоограждении конденсация водяного пара может происходить и на внутренней поверхности светопрозрачных поверхностей, что приводит к значительному ухудшению пропускательной способности ограждения в целом. В проекте поставлена цель достижения конденсации влаги на внутренней поверхности «холодного» покрытия с магистралями треугольного сечения.

С целью недопущения образования конденсата на внутренних поверхностях светопрозрачного ограждения, в ограждении между стеклом и «гелиоприемниками» в виде 2 емкостей с морской водой применяется светопрозрачная полимерная пленка ПК - 4, отличающаяся наибольшим коэффициентом паропроинцаемости μ = 2,19 ∙ 10^-5 мг/(м∙ч∙Па), которая может значительно снизить упругость водяного пара в между стеклом и тепловоспринимающей пластиной [7].

Результаты. Использование эффекта «точки росы» для опреснения воды Конденсация влаги на внутренних поверхностях помещений (стены, оконные откосы, потолок) распространённое явление. Этот эффект - большая проблема в зданиях и домах. Так, возникновение точки росы и, соответственно, конденсата воды на поверхности стен вызывает сырость и отслоение штукатурки. При укладке полимерных и наливных полов и покрытий вызывает появление самых разных дефектов: вздутия и раковины; полное отслоение покрытия от основания. Поэтому определение «точки росы» является чрезвычайно важным фактором при строительстве домов [8].

Наша цель в работе именно этот эффект «точки росы» или конденсации влаги на внутренней поверхности покрытия использовать для опреснения морской воды в закрытом объеме опреснительной установки или устройства.

Точкой росы - это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться в росу. То есть, это температура, при которой выпадает конденсат. Температура точки росы определяется только двумя параметрами: температурой и относительной влажностью воздуха [9]. Чем выше относительная влажность, тем точка росы выше и ближе к фактической температуре воздуха. Чем ниже относительная влажность, тем точка росы ниже фактической температуры.

Точка Росы определяет то соотношение температуры воздуха, влажности воздуха и температуры поверхности, при котором на поверхности начинает конденсироваться вода. Определение точки росы – появление влаги на поверхности – практически невозможно, поэтому для расчета точки росы применяются таблицы.

Пример. Для температуры воздуха +16°С и относительной влажности воздуха 65%. Находим ячейку на пересечении температуры воздуха и влажности воздуха. Получилось +9°С – это и есть Точка росы. Это значит, что если температура поверхности будет равна или ниже значения в ячейке – на поверхности будет конденсироваться влага. Формула для приблизительного расчёта точки росы в градусах Цельсия [9]:

где a – константа; а  = 17.27, b - константа; b = 237.7 °C, ln — натуральный логарифм, T = температура в градусах Цельсия, RH = относительная влажность в долях (0 < RH < 1.0), Tp = точка росы.

Формула обладает погрешностью ±0.4 °C в следующем диапазоне значений: 0°C < T < 60°C 0°С 0,01 < RH < 1.0 0°C < Tр < 50 °C.

Определим температуру внутренней поверхности «мокрого» покрытия над опреснителем морской воды. Очень часто возникает вопрос о выборе того или иного оконного или дверного профиля для изготовления из них конструкций с последующей установкой  в жилые и общественныесо специальными требованиями помещения. Для этого, необходимо расчетным путем определить при каких условиях на ограждении (покрытие или стены здания) со стороны отапливаемого помещения выпадет конденсат.

В строительных нормах и правилах СНиП II-3-79 «Строительная климатология» п. 2.11* есть формула [10]:

= 20 - = 10,799°С

где – температура внутренней поверхности покрытия опреснителя 6 с магистралями треугольного сечения. – коэффициент принимаемый в зависимости от положения ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху. – расчетная температура внутреннего воздуха, °С. - расчетная температура наружного воздуха в холодный период года для Актау. – приведенное сопротивление теплопередаче для алюминиевого профиля с магистралями (каналами) треугольного сечения СИАП «КПТ-74» м²°С/Вт. – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций (покрытия), Вт/ м²°С.

Далее,  ищем  допустимую относительную влажность внутреннего воздуха для помещений промышленных зданий. Находим в том же СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»  п.5.9. Относительная влажность для нашего случая должна = 65%. Теперь осталось найти температуру точки росы для данной относительной влажности при расчетной температуре внутреннего воздуха. Ее можно взять из таблицы 2 приложения I.

Итак: Точка росы Tросы = 12,8°С  - это означает что если в опреснителе при температуре внутреннего воздуха + 20°С  и влажности = 65% то конденсат начнет образовываться на любой поверхности, температура которой = +12,8°С или ниже этой температуры. У нас расчетная температура на профиле-покрытии уже ниже, и составляет +10,799°С. Это означает что, при температуре на улице = -9°С и в помещении +20°С, температура внутренней поверхности профиля не дотягивает до нормируемой +12,8°С, соответственно конденсат будет. И будет обильный.  Что практически и требовалась доказать в наших исследованиях. В результате мы имеем «холодное» покрытие треугольного сечения для обеспечения большей площади образования конденсата.

Вывод. Таким образом, для обеспечения "конденсации" морской воды, внутренних поверхностях, как покрытия, так и ограждающих конструкций, достаточно того чтобы был перепад между температурой внутренней поверхности ограждения ( и температурой наружнолог воздуха ( а это можно обеспечить в любое время года, особенно осенью и зимой. Достаточно того, чтобы температура внутри объема любого помещения была ниже Точки Росы, а это обеспечит конденсацию влаги. Если в опреснителе требуются «мокрые» стены, надо теплоизолировать покрытие и наоборот для «мокрых» покрытий теплоизолируются стены.

Если температура нужной нам поверхности будет не менее чем на 4 градуса выше точки росы, получим «сухое» покрытие или ограждение.

Литература

1. Авакян А.Б. Опреснение воды в природе и народном хозяйстве / А.Б. Авакян, М.В Санин. М.: Наука, 1987.

2. Лытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрофильтрация / Ю.И. Лытнерский В.В. Варенников М.; Химия, 1978.

3. Карелин Р.Н. Обессоливание морской воды обратным осмосом / Р.Н. Карелин М.; Стройиздат. 1988.

4. Колодин Н.Г. Экономика опреснения морской и минерализованной воды / Н.Г. Колодин - Ашхабад. Ылым. 1999.

5. Х. Уонг. Основные формулы по теплообмену для инженеров / Справочник. Х. Уонг. - М.: «Атомиздат». 1979.

6. Кенжетаев Г.Ж., Ахмеджанов Т.К. Радиационный анализ внешней поверхности гелиоустройства \ Г.Ж.Кенжетаев, Т.К. Ахмеджанов. - Вестник МОиН, НАН РК., № 4. с 12-14.

7. «Национальный институт интеллектуальной собственности» Республики Казахстан. Предварительный патент № 15863 "Солнечный коллектор". на заявку № 003/1634.1 от 01.12.2003

8. Справочник по климату СССР. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние \ Выпуск 18, 1967. с.178-181.

9. Петрянина А.А. Проектирование зданий и застройки населенных мест с учетом климата и энергосбережения \ А.А. Петрянина Учебное пособие. – 3-е издание. – М.: Издательство АСВ (Ассоциация строительных ВУЗов). 2002.

10. Гусев Н.М. Основы строительной физики \ Н.М. Гусев - М.: Стройиздат, 1979.