Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Подстєвая Т. Л. Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена дослідженню енергоефективності геліотермічних систем опріснення води в кліматичних умовах України. У вступі дисертації обґрунтовано актуальність обраної теми, визначено об’єкт і предмет дослідження, сформульовано мету, завдання та наукову новизну роботи. Подано основні наукові положення й висновки, сформульовані в дисертації. Наведено відомості щодо практичної цінності отриманих результатів, особистого внеску здобувача, апробації результатів дослідження, публікацій за темою дисертації, а також обсягу та структури роботи. У першому розділі дисертації проаналізовано актуальну проблему забезпечення прісною водою автономних споживачів у південних регіонах України, які страждають від дефіциту якісних водних ресурсів. Як перспективне рішення запропоновано використання геліотермічних опріснювальних установок, що працюють за принципом зволоження–осушення повітря. Наведено класифікацію установок з циклом зволоження–осушення повітря (humidification-dehumidification, HDH), виконано огляд існуючих конструкцій HDH-систем опріснення та методів підвищення їх ефективності. Показано, що маломасштабні децентралізовані опріснювальні установки є перспективними для віддалених і прибережних територій. Аналіз літературних джерел виявив відсутність досліджень HDH-систем в кліматичних умовах України, а також недостатню приділену увагу до дослідження систем з підігрівом повітря та їх порівняння з установками з нагрівом води. Відмічено відсутність обґрунтування вибору способу нагріву повітря або води в HDH-системах опріснення. Крім того, встановлено брак комплексних економічних і екологічних оцінок HDH-систем опріснення, що ускладнює оцінку роботи систем опріснення в умовах реальної експлуатації. Дослідження, представлене в цій дисертації, спрямоване на підвищення енергоефективності та продуктивності геліотремічних систем опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України. У другому розділі розроблено термодинамічні моделі HDH-систем опріснення води з підігрівом води та підігрівом повітря на основі балансових рівнянь зволожувача та осушувача. Обидві досліджувані HDH-системи опріснення з відкритим циклом повітря та відкритим циклом води. Сонячні нагрівники води та повітря встановлено перед входом до зволожувача. Для схеми з нагрівом води встановлено оптимальне значення швидкості повітря рівне 3 м/с та коефіцієнта масової витрати (mass flow rate ratio, MR) рівне 1, для схеми з нагрівом повітря встановлено швидкість повітря 3 м/с та значення MR рівне 2. Ці параметри забезпечують найвищу продуктивність системи опріснення за найменшого енергоспоживання та виключають можливість перенесення крапель солоної води до конденсату. Визначено, що максимальна ефективність роботи системи опріснення з нагрівом води досягається при діаметрі зволожувача 20 мм та висоті 2,5 м, з нагрівом повітря - діаметр рівний 50 мм та висота зволожувача рівна 1 м. Наведено порівняння ефективності відкритих HDHсистем опріснення води з підігріванням повітря та води на вході до зволожувача. Установлено, що за однакових умов нагрівання води забезпечуються вищі енергетичні параметри ніж нагрівання повітря, тому для проведення експериментальних досліджень була виготовлена HDH-система опріснення з проточним водяним нагрівником. У третьому розділі наведена конструкція та схема експериментальної опріснювальної установки з циклом зволоження-осушення повітря та нагрівом води на вході в зволожувач. Основними елементами установки є зволожувач, осушувач, нагрівник води, насос, вентилятор та система регулювання та вимірювання параметрів. Установка має відкритий повітряний контур та закритий водяний контур. Для імітації сонячного водяного колектора в експериментальній установці перед зволожувачем встановлено проточний водяний нагрівник. Для безперервного контролю температури і вологості повітря використано вимірювальне обладнання компанії «Regmik», що забезпечило можливість детального аналізу процесів тепло- та масообміну під час процесів зволоження-осушення повітря в реальному часі. Наведено розрахунок теплового балансу системи та похибок розрахункових величин. Визначено максимальну сумарну похибку визначених величин, яка склала ±11,3%. Максимальна нев’язка теплового балансу зволожувача та осушувача для всіх проведених досліджень складала 8 %. У четвертому розділі наведено дослідження режимних параметрів та енергетичних характеристик HDH-системи опріснення води. Досліджено вплив витрати повітря на енергетичні характеристики. Встановлено, що для досягнення системою максимальної продуктивності оптимальне значення поверхневої швидкості повітря має бути рівним 0,34. Досліджено вплив витрати охолоджуваної води (Gcw) на енергетичні показники системи. Встановлено, що зі зростанням значення витрати охолоджуваної води, зростають продуктивність, коефіцієнт відновлення та коефіцієнт енергетичної ефективності, а значення питомого споживання енергії навпаки зменшується. Визначено межове значення Gcw = 20 кг/год при якому система досягає максимальних значень енергетичних показників, а подальше збільшення витрати охолоджуваної води є неефективним. Дослідження впливу підведеної теплоти в нагрівнику (Qheat) показало зростання енергетичних показників зі зростанням Qheat та одночасне зменшення питомого споживання енергії. Встановлено межове значення підведеної теплоти в нагрівнику Qheat = 600 Вт, оскільки при досяганні цього значення коефіцієнт енергетичної ефективності починає зменшуватись в зв’язку з досяганням системи режиму насичення. Досліджено вплив температури охолоджуваної води (tcw1) в осушувачі на енергетичні характеристики системи опріснення води. Виявлено, що при зростанні температури охолоджуваної води енергетичні показники зменшуються, а питоме споживання енергії зростає, тому для ефективної роботи опріснювальної установки необхідно, щоб температура охолоджуваної води була якомога меншою. Визначено, що ексергетичний ККД набуває максимального значення ( η ≈ 0,28) при tcw1 = 10 - 15оС, що визначає оптимальний режим роботи установки. У п’ятому розділі було вдосконалено математичну модель геліотермічної HDHсистеми опріснення води з другого розділу з врахуванням рівнянь тепло- та масопередачі в осушувачі та зволожувачі і враховує реальні кліматичні дані «типового метеорологічного року». Проведено верифікацію моделі на основі отриманих експериментальних даних, яка показала добру узгодженість між моделлю та експериментом. Встановлено, що відхилення розрахункових значень від експериментальних для зволожувача не перевищує ±4%, тоді як для осушувача максимальна похибка становить ±7%. Проаналізовано існуючі кліматичні бази даних. Обґрунтовано вибір кліматичних даних OneBuilding для визначення надходжень сонячної радіації та параметрів зовнішнього повітря. Було обрано вакуумний трубчастий колектор Viessmann Vitosol 300-TM. Показано, що добові зміни енергетичних показників зумовлені зміною інтенсивності сонячного випромінювання протягом доби. Максимальні значення продуктивності, коефіцієнта енергетичної ефективності та ексергетичного ККД спостерігаються в період пікової інсоляції – вдень у проміжку 12:00–14:00, в той самий час питоме споживання енергії є мінімальним. Отримано емпіричні залежності продуктивності та питомого енергоспоживання від інтенсивності сонячної радіації, які можуть бути використані для оцінки роботи системи опріснення при різних надходженнях сонячної радіації. Визначено порогове значення інсоляції 300 Вт/м², вище якого установка працює в енергоефективному режимі. Аналіз зміни продуктивності та споживання енергії для трьох досліджуваних місяців (березень, липень, жовтень) показав добові коливання параметрів, які залежать від кліматичних умов для кожного дня. Найбільші значення енергетичних показників відповідають липню, найменші – жовтню, що пояснюється рівнем сонячної радіації для кожного місяця та тривалістю світлового дня. Річна динаміка показників ефективності продемонструвала чітку сезонну залежність роботи опріснювальної установки. Максимальна енергоефективність спостерігається влітку, мінімальна — весною та осінню. Виявлено нелінійний характер зміни коефіцієнта енергетичної ефективності протягом року: попри те, що в липні продуктивність установки є максимальною, ефективність використання теплоти знижується через погіршення умов конденсації вологи в осушувачі за високих температур довкілля. Встановлені сумарна річна продуктивність установки рівна 736 кг прісної води з 1 м² площі сонячного колектора та річне питоме споживання електричної енергії рівне 31,43 кВт⸱год. У шостому розділі проведено техніко-економічний та екологічний аналіз геліотермічної HDH-установки опріснення води. Визначено загальна кількість викидів вуглекислого газу, яке склало 1,99 т. Проведене порівняння з роботами з літератури засвідчило, що отримані результати узгоджуються з іншими дослідженнями та підтверджують доцільність використання сонячної енергії для зменшення вуглецевих викидів опріснювальних систем. Виконано економічний аналіз системи опріснення для різних площ сонячного колектора. Визначено, доцільність зменшення капіталовкладень системи, оскільки найбільший вплив на собівартість системи опріснення мають приведені капітальні витрати першого року експлуатації (87,9%). Проведено порівняння економічного аналізу з роботами з літератури. Встановлено конкурентоспроможність досліджуваної системи опріснення в порівнянні з іншими дослідженнями. Встановлена мінімальна собівартість води рівна 0,99 грн/л досягається за найбільшої досліджуваної площі колектора, що зумовлено оптимальним співвідношенням капітальних витрат і продуктивності.
Опис
Ключові слова
відновлення, експериментальна установка, енергетична ефективність, зволоження-осушення повітря, конвекція, охолоджувальна вода, повітряно-водяний потік, поновлювані джерела енергії, ребристо-трубчастий теплообмінник, солона вода, сонячний колектор, тепломасообмін, термічне опріснення, термодинамічний аналіз, техніко-економічний екологічний аналіз, air–water flow, circulating water, convection, energy efficiency, experimental setup, fin-tube heat exchanger, heat and mass transfer, humidificationdehumidification, recovery, renewable energy sources, salinity water, solar collector, techno-economic environmental analysis, thermal distillation, thermodynamic analysis
Бібліографічний опис
Подстєвая, Т. Л. Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України : дис. ... д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Подстєвая Тетяна Леонідівна. - Київ, 2026. - 151 с.