Prototype this по-русски - выпуск 75. Оптимизация Бурна
Мы будем не про Борна, в смысле Мэтта Дэймона - хрен с ним. Он и так несчастный, потому что его постоянно путают с Харламовым. Мы будем про Бурн, точнее бурн, точнее... Ну короче, про процесс нагрева. Жидкости.
Вот жидкость, и вот мы ее греем, понимаете?
Размышляя о потребности человечества в пресной воде, я пришел к той мысли, что опреснительные установки должны быть плавающими. В воде. Типа баржи. Судите сами. Если мы опресняем морскую воду, нам надо длинную трубу в море для забора воды, вторую - для отвода рапы, и желательно чтобы они оканчивались там, где из-за приливного течения и волн отсутствует естественная взвесь, потому как чистить фильтры пишется через букву Ё. Кроме того, существует эффект обрастания гидросооружений, и если обрастание труб снаружи нас не волнует - то вот чистить трубу внутри уже неприятно. Клаустрофобия, понимаете ли...
А вдруг западло какое приключится...
Естественным образом мы приходим к идее плавающей опреснительной станции, которая располагается в море недалеко от берега, где и глубины, и течения, и труба у нас всего одна - та, по которой пресная вода идет. И как несложно понять, труба эта по диаметру меньше, нежели трубы для воды-сырца и рапы, ибо - уже готовый продукт. Дистиллят, понимаешь ли...
При этом заборная система получается компактной, ее просто чистить, и вопросы с солевым осадком решаются путем сброса за борт. Ибо что естественно, то не безобразно.
Понятно, что процесс опреснения, точнее обессаливания жидкости, включает в себя некоторое количество стадий. Фильтрация, грубое электростатическое обессаливание, а дальше либо мембраны осмотические, либо старая добрая дистилляция кипячением. Мембраны - это технологично, но дорого, и хорошо работает только в промышленных объемах, где можно обеспечить гарантированную степень очистки воды-сырца. А вот кипячение, в смысле - испарение - это есть старый проверенный метод опреснения. Естественно, дистиллированную воду пить нельзя, и в сельском хозяйстве нежелательно, но для технических нужд пойдет, и даже хорошо пойдет, а после добавления минеральных добавок - и в питье, и в сельское хозяйство можно. Кроме того, вопрос фильтрации для испарения стоит гораздо менее остро.
Однако при кипячении (испарении) воды у нас есть маленькая проблема. Теплота, необходимая для фазового перехода воды из жидкого в гаообразное состояние - он как бы велика. И затем, когда мы будем конденсировать пар, чтобы получить воду - нам надо эту теплоту как-то куда-то девать. И очень хотелось бы, чтобы эта теплота расходовалась оптимальным образом, понимаете? Хочется изобрести перпетуум мобиле, аж сил нет...
А давайте изобретать!
:)
Итак. Мы используем тот факт, что при уменьшении давления температура кипения воды падает. Это значит, что откачав над бочкой воды, нагретой всего до 30 градусов Цельсия, воздух до давления в 1/10 атмосферного (ну ладно, 1/11), мы получим кипение. При этом количество теплоты, необходимое для фазового перехода, будет отбираться из общего количества теплоты в массе воды. Как давление не уменьшай - а все равно полного испарения вакуумированием не достичь, ибо - законы термодинамики.
Получившийся при 30 градусах пар после возвращения к нормальному давлению будет коннденсироваться. И при этом отобранная у массы опресняемой воды теплота будет выделяться в виде температуры. Логично? Логично...
Поместив конденсатор пара в толщу опресняемой воды, мы получим теплообмен, и выделяющаяся при конденсации теплота будет производить нагрев воды в опресняемом объеме, возобновляя количество тепла в системе.
Вы поняли?
Вакуумированная полость с кипящей при низком давлении водой, внутрь которой помещен змеевик конденсатора пара. Пар в змеевике при обычном давлении конденсируется. Однако при этом выделяется тепло, которое через стенки теплообменника (змеевика) возвращается в объем опресняемой воды.
Образующийся в змеевике дистиллят просто сливается, его температура плюс-минус те же 30 градусов, и его можно пустить - через теплообменник на встречных потоках - для преварительного подогрева поступающей на опреснение воды.
Особенность данной технологии заключается в том, что мы используем минимальное количество тепла в системе. Если обычный паровой котел может взорваться - то наша система даже не пшикнет. Просто где-то что-то хрустнет, и дежурный побежит с матом перекрывать клапаны. Такая система может быть компактной - раз нам не требуется вырабатывать и рассеивать большое количество тепла. Она может быть установлена на баржу, которая стоит в море на бочке. Нам требуется парочка вакуумных насосов - один для откачки пара в теплообменник, и второй - для откачки рапы. Возможно, нам потребууется не слишком сильный подогрев вакуумируемого объема, и то количество тепла, что надо - мы получим охлаждением двигателей вакуумных насосов.
Наша система не боится "перегрева", ибо саморегулируется. Если количество тепла в воде слишком велико - выделяется много пара, давление возрастает и кипение прекращается. Вакуумный насос, откачав пар (и снова запустив кипение благодаря понижению давления) выгонит теплоту в теплообменник, и та часть, которая не успеет сконденсироваться там - просто сконденсируется дальше по пути следования.
Благодаря минимальному количеству тепла в системе наша система взрывобезопасна, ибо для взрыва требуется много энергии, а у нас ее мало. Зато та энергия, которая есть - она у нас проходит по многу кругов, раз за разом вызывая испарение новых порций воды, и возвращаясь в цикл при конденсации, ибо охлаждающим элементом служит сам объем опресняемой воды в вакуумируемом объеме...
Перпетуум, блин, мобиле.
Теперь для тех, кто плохо учил физику.
Конечно, никакого нарушения принципов термодинамики тут нет. Мы используем явление фазового перехода в качестве аккумулятора тепловой энергии. При этом перемещение пара - носителя этой тепловой энергии - производится вакуумным насосом. С затратой энергии. Здесь важно на самом деле, чтобы перемещаемый объем (в джоулях) был хотя бы сравним с затратами на работу насоса. И опять же, именно производительность насоса является определяющей для объема воды, который можно получить в системе. Для достаточно больших объемов количество тепловой энергии, переносимой из объема испарителя в объем конденсатора вакуумным насосом, может быть больше, чем затраты на работу насоса, и это нам даст прекрасный КПД. А если учесть, что и сам насос охлаждается (например, тепловыми трубками) на ту же испаряемую воду - коэффициент повторного использования тепла находится в прямой зависимости от эффективности конденсатора (змеевика), размещенного в испаряемом объеме.
И уж что-что, а змеевики у нас делать умеют...
