Разработка энергосберегающей технологии на основе комбинации судовой опреснительной установки и аппарата обратного электродиализа

• Автор: Княжев, Валерий Викторович
• Шифр специальности: 05.08.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ЭНЕРГИИ ГРАДИЕНТОВ СОЛЕНОСТИ. Современное состояние вопроса и постановка задачи исследований

1.1 .Принципы преобразования энергии градиентов солености

1 ^.Классификация методов преобразования

энергии градиентов солености

1.2.1 Осмотический принцип преобразования

энергии градиентов солености

1.2.2 Электрохимические принципы преобразования ЭГС

1.2.3 Парокомпрессионный принцип преобразования ЭГС

1.2.4 Механохимическое преобразование
энергии градиентов солености
1.2.5 "Криоскопический" принцип преобразования
энергии градиентов солености
1.2.6 Использование потенциала двойного электрического слоя
1.3 Выводы и постановка задачи исследований
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1 Электродиализный аппарат и система измерений
2.1.1 Принцип действия экспериментальной установки
2.1.2 Состав стенда и управление экспериментом
2.1.3 Контрольно-измерительные приборы
2.2 Планирование экспериментов
2.3 Погрешность измерений
2.3.1 Оценка случайных погрешностей прямых измерений
2.3.2 Оценка грубых погрешностей прямых измерений
2.3.3 Оценка случайных погрешностей косвенных измерений
2.3.4 Метрологические характеристики измерительных устройств
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ
ОБРАТНОГО ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА
3.1 Вольтамперные характеристики батареи
3.2 Гидродинамика в элементах РЭД установки
3.3 Электрические мощность и внутреннее сопротивление батареи
ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ОСНОВ И ПРИНЦИПОВ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ГРАДИЕНТОВ СОЛЕНОСТИ
4.1 Термодинамические основы процесса смешения растворов
разной концентрации
4.2 Энергетические потенциалы источников энергии, обусловленной градиентами солености
4.3 Теоретический анализ и оптимизация параметров
обратного электродиализа
4.4 Сравнение способов преобразования энергии
ГЛАВА 5 ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОНОМИЧНОСТИ УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
5.1 Коэффициент полезного действия
экспериментальных и промышленных установок
5.2 Себестоимость производимой электроэнергии
5.3 Перспективы практического применения
принципов обратного электродиализа
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В нарастающем темпе развития традиционной энергетики все больше проявляются связанные с ней негативные эффекты: тепловое, химическое, радиоактивное загрязнение окружающей среды в сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов топлива, особенно нефти, газа, высококачественного угля. Поэтому совершенствование судовых энергетических установок немыслимо без решения комплекса задач, отвечающих требованиям высокой экономичности, экологической чистоты и комфортности для экипажа и пассажиров судна.
К таким задачам относится снижение эксплуатационной мощности судовой электростанции, работающей на органическом топливе, за счет использования альтернативных источников энергии для привода различного рода вспомогательных механизмов. В результате могут быть снижены расход топлива СЭУ и выбросы токсичных газов.
Особенно актуально подобное решение в системах глубокой утилизации теплоты ДВС теплоходов и тепловых схемах судовых паротурбинных агрегатов, в которых применяются опреснительные установки (ОУ) с испарителями поверхностного типа с целью получения питьевой, мытьевой или питательной (для котельных агрегатов или систем охлаждения дизельных двигателей) воды.
Прямое преобразование энергии химических потенциалов, обусловленной разностью концентраций морской и пресной воды, которые циркулируют в контурах ОУ, в электрическую энергию происходит в результате их параллельного течения через Аналитические ячейки электродиализного блока (батареи). Формируют повторяющийся элемент батареи пара селективных ионообменных мембран, одна из которых пропускает из отсека с морской водой только положительные ионы (анионитовая), а другая только отрицательные (катионитовая), в соседние ячейки, где движется вода с более низкой концентрации соли (пресная). Направленное движение ионов вызывает электриче-
[(<'xRTIF)n(aJan)f
W - AN—---------—n—. (28)
v + r + h / Л С
a K P P P
Уравнение 28 показывает интересную взаимосвязь между выходной мощностью и концентрацией соли в речной воде в случае оптимальной величины внешней нагрузки. Уменьшение концентрации соли в речной воде увеличивает разность потенциалов на каждой мембране, но увеличивает также сопротивление секций с речной водой. Значит должна существовать оптимальная величина концентрации для пакета мембран. Согласно [49] оптимальная величина Ср = 0,0259 моль/л при С„ = 0,57 моль/л. Расчетные характеристики этой батареи для пакета из 30 анионообменных и 31 катионообменной мембраны (103QZL и 61CZL от Ionic, Inc), имеющей следующие параметры: Ra=RK=ll Ом см2, а=0,64, йр=0,1см, Лр=0,0961 л Ом'1моль'!см'1 (20°С), а,/ап= (см/ср)0,917, N =30, S = 232 см2, см=0,57 М приведены на графике на рис. 18.
Мощность будет расти в начале работы батареи, так как речная вода, имеющая обычно соленость от 0,005 до 0,015 моль/л, становится более соленой по мере движения по каналам батареи. Для доведения солености речной воды до оптимальной величины имеет смысл добавлять немного морской воды в речную.
Оптимизация по другим параметрам включает целый ряд сложностей. К примеру, из уравнения 28 следует, что достигнуть увеличения мощности, приходящейся на единицу площади мембраны, можно уменьшая сопротивление мембран и толщину отсеков с пресной водой. Однако, уменьшение толщины отсеков увеличило бы затраты энергии на прокачивание воды через пакет при заданной скорости (хотя потребуется прокачивать меньшее количество воды) и потребовало бы увеличения скорости для уменьшения концентрационной поляризации, возникающей из-за более высоких плотностей тока. При более полном анализе процесса следует принять во внимание поляризацию, потоки воды через мембраны, дробное использование потенциала