Πρότυπη συσκευή αφαλάτωσης με επανασυμπίεση θερμού-υγρού αέρα

Abstract

Η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας σαν σκοπό έχει την υπολογιστική μελέτη της πρότυπης συσκευής αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με επανασυμπίεση θερμού-υγρού αέρα. Η λειτουργία της πρότυπης συσκευής αφαλάτωσης στηρίζεται στην ενσωμάτωση των βασικών αρχών της μηχανικής συμπίεσης ατμών (MVC-mechanical vapour compression), της εξάτμισης εκτόνωσης (flash evaporation) και της κλασματικής απόσταξης (rectification) σε μια πρωτότυπη συνεργία. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, αρχικά, γίνεται μια ανασκόπηση των διαφόρων μεθόδων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούνται σήμερα. Δίνεται έμφαση κυρίως στις θερμικές μεθόδους αφαλάτωσης, αλλά παρουσιάζεται και η μέθοδος της αντίστροφης όσμωσης. Ταυτόχρονα δίνονται και κάποια στοιχεία για το κόστος λειτουργίας των διαφόρων μεθόδων όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της πρότυπης συσκευής αφαλάτωσης μαζί με ένα σκαρίφημα της συσκευής. Με μια θερμοδυναμική ανάλυση που γίνεται, υπολογίζεται η κατανάλωση ενέργειας στο στάδιο της συμπίεσης (συμπιεστής) και γίνεται σύγκριση με τις άλλες μεθόδους αφαλάτωσης. Από τη θερμοδυναμική ανάλυση προκύπτει ότι όταν η συσκευή λειτουργεί σε ατμοσφαιρική πίεση ή σε πιέσεις λίγο μεγαλύτερες, αλλά κοντά στην τάση ατμών του νερού στη θερμοκρασία λειτουργίας, η κατανάλωση ενέργειας στο συμπιεστή της συσκευής είναι μικρότερη σε σύγκριση με την κατανάλωση ενέργειας των άλλων μεθόδων. Έπειτα γίνεται προσομοίωση με κώδικα Η/Υ σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN των φαινομένων μεταφοράς που συμβαίνουν στο στάδιο της εξάτμισης για μία φυσαλίδα. Με την βοήθεια του προγράμματος διερευνάται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων, σημαντικών για το σχεδίασμά της συσκευής και προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα: Η φυσαλίδα δεν ψύχεται καθόλου από την αρχική της θερμοκρασία, κάτι που σημαίνει ότι η μετάδοση θερμότητας στη φυσαλίδα γίνεται πολύ γρήγορα από την είσοδό της στο νερό. ʼρα η κυρίαρχη αντίσταση στον κορεσμό του αέρα είναι η μεταφορά μάζας (διάχυση του υδρατμού στον αέρα της φυσαλίδας). Τα μικρά μεγέθη φυσαλίδας κορένονται σε υδρατμό πιο γρήγορα από ότι τα μεγάλα. Θεωρητικά, αρκούν 1 με 2 εκατοστά στήλης νερού για να κορεσθούν οι φυσαλίδες σε υδρατμό. Όσο πιο μικρό γίνεται το μέγεθος της φυσαλίδας, τόσο πιο μικρό διάστημα ολοκλήρωσης απαιτείται για να αποφεύγονται οι αριθμητικές αστάθειες στα αποτελέσματα. Στο τελευταίο τμήμα της διπλωματικής περιγράφονται τα διάφορα τμήματα και η διαδικασία συναρμολόγησης συσκευής πρόδρομης κλίμακας (pilot-scale) που κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Φυσικών και Χημικών Διεργασιών για να ελεγχθεί πειραματικά η ιδέα της αφαλάτωσης με συμπίεση υγρού αέρα.