Моделирование термогидродинамических характеристик двухфазного потока в опреснительной установке тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

КУСЮМОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

01,02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 ДЕК 2013

Казань 2013

005543743

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ», на кафедре теплотехники и энергетического машиностроения.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Тонконог Владимир Григорьевич

Сабирзянов Айдар Назимович,

доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический униерситет», профессор кафедры теоретических основ теплотехники

Молочников Валерий Михайлович,

доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КНИТУ-КАИ», профессор кафедры реактивных двигателей и энергоустановок

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет»

Защита состоится «Я» декабря 2013 года в на заседании

диссертационного совета Д 212.079.02 при ФГОУ ВПО «КНИТУ-КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, 1-е учебное здание КАИ, кафедра ТиЭМ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ».

Ведущая организация:

Автореферат разослан «¿4 » ноября 2013 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.079.02 кандидат технических наук, доцент

А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время отмечается нехватка пресной воды в отдельных регионах, количество которых угрожающе растёт. Кроме того, в условиях начинающегося дефицита энергоресурсов становятся приоритетными требования к энергозатратам массово внедряемой технологии очистки воды.

Дистилляция с точки зрения соотношения между величиной объёма очищаемой воды и качеством её очистки является наиболее универсальным методом, а также отличается несколько меньшими эксплуатационными затратами. Дистилляционные опреснительные установки являются основным типом опреснителей для труднодоступных регионов с жарким климатом, что определяет их незаменимость в определённых условиях. Однако затраты энергии на подогрев воды до температуры кипения являются достаточно значительными. Кроме того, при температуре 70°С и выше начинается крайне нежелательный процесс усиленного солеотложения на конструктивных элементах установки. Проведение процесса под вакуумом позволит снизить температуру кипения, что сделает возможным использование низкопотенциальных источников тепла либо солнечной энергии, а также позволит избежать усиленного солеотложения.

Применение методов вычислительной гидродинамики (CFD - Computational Fluid Dynamics) на основе подхода RANS (.Reynolds Averaged Navier-Stokes) и URANS (Unsteady RANS) позволяет существенно снизить затраты на проведение экспериментальных исследований режимов течения в опреснительных установках. При этом возможно проведение детальных параметрических исследований с полным анализом структуры и характеристик течения и возможностью сравнительно быстро изменять геометрию исследуемых объектов. Современный уровень развития методов CFD позволяет решать с достаточной точностью многие практические задачи. Для достижения требуемой точности при расчёте методами CFD требуется корректно построить сетку и выбрать адекватную модель турбулентности.

Цель работы: разработка метода низкотемпературного дистилляционного опреснения воды.

Задачи исследования:

• определение математических моделей для численного моделирования процессов в основных элементах дистилляционной опреснительной установки (парогенераторе и сепараторе);

• проведение параметрических исследований элементов конструкции опреснительной установки;

• выбор наиболее предпочтительных геометрических параметров установки и физических параметров парожидкостной среды.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Предложен метод частичного опреснения воды (предварительной водоподготовки) путём низкотемпературной дистилляции, производящейся в потоке жидкости при течении через сопло Лаваля, а также конструкция опреснительной установки, реализующей данную технологию.

2. Предложены математические модели для расчёта параметров течения в основных элементах опреснительной установки (парогенераторе и сепараторе), включая модели турбулентности и двухфазности.

3. Предложена аналитическая формула для определения объёмной доли паровой фазы в потоке, прошедшем через парогенератор, в зависимости от геометрических параметров парогенератора.

4. Уточнена формула для определения критического расхода в парогенераторе (учитываются гидравлические потери и влияние некоторых геометрических параметров парогенератора).

5. Получена формула для скорости звука в двухфазной трёхкомпонентной смеси.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип низкотемпературного вакуумного опреснения воды методом дистилляции.

2. Уточнённая формула для определения критического расхода в парогенераторе.

3. Выражение для скорости звука в двухфазной трёхкомпонентной смеси.

4. Рекомендации по построению расчётных сеток для моделирования течения в парогенераторе и сепараторе и выбору настроек пакета прикладных программ Fluent.

5. Рекомендации по выбору математических моделей процессов в парогенераторе и сепараторе (модели турбулентности, модели двухфазности).

6. Результаты экспериментального и численного моделирования процессов в опреснительной установке и её элементах (парогенераторе и сепараторе).

Практическая значимость. В результате проведения экспериментального и численного моделирования продемонстрирована возможность использования принципа низкотемпературной дистилляции для предварительной водоподготовки (частичного опреснения) воды. Полученные результаты могут служить рекомендациями для разработки оригинальной технологии низкотемпературного опреснения воды методом дистилляции.

Достоверность результатов обеспечивается:

• обоснованным применением физических моделей;

• использованием и обоснованным применением математических моделей (осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье - Стокса, модели многофазности Mixture и Eulerian) и граничных условий;

• строгим выполнением условий сходимости, устойчивости и сеточной независимости решения;

• использованием современных методов CFD с применением промышленного коммерческого пакета Fluent;

• проведением тестовых расчётов и сравнением их результатов с экспериментальными данными и данными других авторов;

• согласованностью результатов основных расчётов с экспериментальными данными и воспроизводимостью модельных расчётов.

Личный вклад автора в диссертационную работу определяется следующим образом:

• экспериментальные исследования (совместно с А.Г. Коненковым) и анализ их результатов;

• построение расчётных сеток, выбор и обоснование применения математических моделей, а также численное моделирование течения в парогенераторе и сепараторе;

• вывод аналитических соотношений для определения параметров течения в парогенераторе;

• анализ результатов моделирования и выводы, выносимые на защиту.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих научно-технических конференциях:

• Пятая Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наемного транспорта и энергетики», Казань 2009 г.

• Третья Всероссийская конференция молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России», Москва, 22-25 сентября 2010 г.

• Пятая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-5), Москва, 25-29 октября 2010 г.

• XIX международная молодёжная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2011 г.

• XX международная молодёжная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2012 г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в восьми публикациях. Автор выступает в качестве соавтора трёх статей, вышедших в реферируемых ВАК журналах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 98 наименований. Работа изложена на 139 страницах, иллюстрирована 66 рисунками и содержит 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, описываются выносимые на защиту научные результаты, определяется их научная новизна и практическая значимость.

ПЕРВАЯ ГЛАВА

В первой главе представлен результат аналитического обзора:

• описывается проблема нехватки пресной воды и технологии очистки и опреснения;

• обосновывается применение технологии низкотемпературной дистилляции для решения описанной проблемы;

• описываются математические модели двухфазных течений в основных элементах низкотемпературной дистилляционной установки - парогенераторе и сепараторе;

• приводится обзор известных из литературы экспериментальных и численных исследований двухфазных течений;

• выполняется предварительная валидация пакета Fluent, выбранного для численного моделирования.

Пресная вода - второй фундаментальный ресурс, на ограниченность которого наталкивается стремительный рост населения. Согласно прогнозу, запасы пресной воды будут исчерпаны к 2230 году, если не удастся решить проблему восполнения её дефицита, увеличивающегося соответственно росту населения и промышленного производства.

Существующие методы опреснения воды подразделяют на две основные группы: с изменением агрегатного состояния воды (дистилляция, замораживание) и без изменения (электродиализ, ионный обмен, обратный осмос, экстракция). Обе группы методов обладают такими общими недостатками, как высокая составляющая затрат на электроэнергию в себестоимости производимой воды, высокая стоимость оборудования и строительства и длительные сроки окупаемости установок.

Наиболее универсальным методом является дистилляция. Дистилляционные опреснительные установки не требуют постоянной работы установки или использования дорогостоящих реагентов. При проведении процесса под вакуумом становится возможным использования тепла низкопотенциальных источников и солнечной энергии, что сильно удешевляет технологию. Данный метод представляет интерес вследствие сравнительно низких энергозатрат. Схема простейшего дистиллятора приведена на рис. 1.

*

->________г

Рис. 1. Схема процесса дистилляции

Дистилляция (от лат. (ЦвШкйо -отекание каплями) - перегонка, разделение кипящих жидких смесей на отличающиеся по составу фракции путём частичного испарения жидкости в ёмкости 1 и конденсации образующихся паров при помощи теплообменника 2 в резервуаре 3. Сущность метода опреснения воды дистилляцией состоит в разделении раствора солёной воды на две фазы: водяной пар и рассол.

Процесс дистилляции известен с древних времён и в настоящее время находит применение в химической, гидролизной, нефтеперерабатывающей и во многих отраслях пищевой промышленности.

Наиболее распространенным типом современной опреснительной установки дистилляторного типа является установка с широким зеркалом испарения. Испарение осуществляется с поверхности покоящейся воды. Следовательно, не требуется расходовать электроэнергию на постоянную прокачку воды. Однако при такой организации испарения основная часть объёма воды не соприкасается с воздухом и поэтому не участвует в процессе испарения. Дистилляторы, в которых осуществляется вскипание движущегося потока, позволяют осуществлять испарение во всём объёме воды.

Применение упоминаемой выше технологии опреснения в потоке под вакуумом позволяет, во-первых, тратить меньше тепла на нагрев до температуры кипения, которая, как известно, падает при понижении давления. Во-вторых, можно использовать установки типа сопел Лаваля, в которых не требуются дополнительные затраты на понижение давления и собственно осуществление парообразования. Для разделения образующейся в парогенераторе пароводяной смеси может быть использован

центробежный сепаратор (рис. 2). Сепаратором называется устройство для разделения смеси на составляющие компоненты без изменения химического состава разделяемых веществ. Сепарация

Очищенный газ

коническая часть

>'| пыль в бункер

Рис. 2. Простейший циклонный пылеуловитель

возможна, если компоненты смеси различаются по каким-либо физическим свойствам. При этом под определённым воздействием на изначальную смесь, в которой разделяемые компоненты равномерно распределены друг в друге, её компоненты перемещаются в специально отведённые области сепаратора.

В центробежном сепараторе, как следует из его названия, двухфазный поток направляется и закручивается таким образом, чтобы центробежная сила отбрасывала более тяжёлые частицы на стенки сепаратора.

Экспериментальные исследования режимов течения даже в низкотемпературных опреснителях, не требующих подвода большого количества тепла, требуют значительных финансовых затрат. Дороговизна исследований связана с тем, что варьирование геометрических параметров устройств сильно влияет на режим течения внутри. По этой причине в настоящее время для моделирования гидромеханических процессов широко применяются методы вычислительной гидромеханики.

Для моделирования течения вязкой жидкости пакет Fluent использует систему уравнений Навье - Стокса, для замыкания которой могут быть использованы различные модели турбулентности. Для инженерных расчётов, как правило, используются модели турбулентности, основанные на методе осреднения уравнений Навье-Стокса по Рейнольдсу (RANS - Reynolds averaged Navier-Stokes [equations]). Этот метод основан на идее Рейнольдса об усреднении уравнений Навье-Стокса по ансамблю тождественных течений или посредством другой аналогичной процедуры. Вследствие нелинейности уравнений Навье-Стокса полученная в результате осреднения система уравнений оказывается незамкнутой: в неё входит неизвестный тензор так называемых рейнольдсовых напряжений. Для замыкания системы уравнений используются полуэмпирические гипотезы турбулентности.

При использовании подхода RANS турбулентность может моделироваться как при помощи модели Рейнольдсовых напряжений (RSM), так и на основе гипотезы Буссинеска. Семейство моделей RSM основывается на составлении транспортных уравнений для каждого напряжения. Помимо того, составляется дополнительное уравнение определения масштаба. Во многих случаях вместо данного подхода можно использовать более простой, основанный на гипотезе Буссинеска. При использовании гипотезы Буссинеска неизвестный тензор рейнольдсовых напряжений расписывается как функция всего двух переменных. Существует несколько моделей турбулентности, основанных на данном подходе. К наиболее распространённым относятся однопараметрическая модель Спаларта-Аллмареса и семейство двухпараметрических моделей к-£ и к-со.

Объёмное вскипание жидкости моделируется при помощи модели многофазности Mixture со встроенной подмоделью кавитации. В задачах расчёта кавитационных течений в сопле Лаваля, как правило, используется модель турбулентности к-s.

ВТОРАЯ ГЛАВА

Во второй главе приводятся результаты физического моделирования работы опреснительной установки. В данной главе описывается устройство опреснительной установки, сконструированной для физического моделирования процесса очистки воды, а также приводятся результаты экспериментального исследования, целью которого являлось получение данных по производительности установки на разных режимах течения.

Опреснительная установка (рис. 3) состоит из бака для солёной воды 1, нагревателя 2, парогенератора 3, центробежного сепаратора 4 и насоса подкачки воды 5, соединённых между собой трубопроводами.

Подлежащая опреснению солёная вода, находящаяся в баке 1, подогревается электродным нагревателем 2 до нужной температуры. Температура воды контролируется при помощи спиртового термометра на уровне 70°С, поскольку дальнейший подогрев приводит к усиленному солеотложению на конструктивных элементах установки. Из бака подогретая вода посредством насоса 5 поступает в парогенератор 3, представляющий собой сопло Лаваля, состоящий из короткой сужающейся и длинной расширяющейся части. Ширина парогенератора на всём протяжении остаётся неизменной. При прохождении воды через сужающуюся часть сопла парогенератора скорость потока возрастает, а давление понижается. При определённых условиях давление падает ниже значения упругости насыщенных паров, вследствие чего начинается процесс парообразования. Образовавшаяся пароводяная смесь с преобладанием (по массе) водяной фракции при помощи насоса 5 направляется в сепаратор центробежного типа 4. Пароводяная смесь подаётся в сепаратор тангенциально и закручивается внутри устройства по спирали. При движении смеси по внутренней поверхности устройства вода оседает на стенках и стекает вниз, а на верхний вывод подается очищенный пар. Полученный пар конденсируется и отправляется потребителю в качестве чистой воды.

Для измерения параметров потока используются термопара, турбинный датчик расхода (ТДР) и вакуумметры.

В ходе эксперимента, проведённого с помощью данной установки, определялись расход воды, вошедшей в установку и остающейся в сепараторе,

Рис. 3. Схема опреснительной установки

при задаваемых значениях температуры и давления на входе в парогенератор и выходе из сепаратора.

В ходе эксперимента было выяснено, что наибольший процент смеси, ушедшей в выход для пара, отмечается при более низких значениях выходного давления. При приблизительно одинаковых значениях давления на выходе получаются приблизительно одинаковые значения расхода смеси на выходе, вне зависимости от значения температуры смеси.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА

Третья глава посвящена численному моделированию процессов в парогенераторе. Моделирование проводится с целью проведения параметрических исследований и для выбора наиболее предпочтительных режимов работы и геометрических параметров. В ходе моделирования исследуется влияние входных и выходных параметров течения, а также геометрических параметров на производительность парогенератора. Кроме того, рассматриваются вопросы определения критического значения расхода и скорости звука в трёхкомпонентной среде.

Парогенератор, рассматриваемый в данной главе (рис. 4), обладает круглым поперечным сечением. Такой подход позволяет проводить моделирование в двухмерной (осесимметричной) постановке. Расчётная сетка для расчёта течения в парогенераторе построена в программе Gambit и состоит из 123 тысяч четырёхугольных элементов. Сгущение элементов расчётной сетки проводилось по направлению к стенкам парогенератора и в наиболее узкой части парогенератора.

Рис 4. Схема парогенератора, рассматриваемого в данной главе

Численное моделирование течения потока через парогенератор было осуществлено при помощи системы уравнений Навье - Стокса, осреднённой по Рейнольдсу. Для моделирования многофазности и турбулентности были использованы соответственно модели Mixture и k-Е. Значение радиуса парового пузырька, используемое при расчётах кавитационного течения в модели Mixture, было выбрано равным Ю"3 м.

Задача решалась в стационарной постановке. В качестве граничных условий использовались значения давления на входе и выходе парогенератора. Численное решение осуществлялось при помощи разностных схем второго порядка. Выбранные настройки решателя обеспечили хорошую сходимость итерационного процесса. Безразмерный параметр у+, используемый для проверки моделирования пограничного слоя на точность, находится в допустимых пределах (не превышает

Для проверки сеточной независимости решения расчёты проводились с использованием двух расчётных сеток, состоящих из 184 и 123 тысяч элементов. Результаты расчётов отличаются друг от друга незначительно (численные значения расхода смеси и скорости в критическом сечении различаются менее чем на 1 %), что позволяет говорить о достигнутой сеточной независимости решения.

С целью определения зависимости производительности парогенератора от температуры жидкости были выбраны два расчётных режима, различающиеся только температурой среды на входе и выходе. На первом расчётном режиме рассматривались температура потока 30°С и давление 2000 Па на выходе из парогенератора. На втором расчётном режиме рассматривались температура потока 60°С и давление 2000 Па на выходе из парогенератора. Давление на входе в обоих случаях составляло 3*105 Па. Результаты расчётов приведены на рис. 5-6.

ANSYS FLUENT 1 20 (ad, pt

Sialic Pressure (mixture) Feb 12,2012

ANSYS FLUENT 13.0 'эй. pbns. nurture, ske)

б

Рис. 5. График изменения полного давления в потоке по длине парогенератора: а) при 30°С; б)

при 60°С

Как видно из рис. 5, давление при прохождении потоком критического сечения резко падает до значения, равного упругости насыщенных паров при данной температуре (2367 Па при 30°С и 19919 Па при 60°С). После прохождения потоком критического сечения происходит процесс парообразования, причём образующийся пар не конденсируется при движении смеси в расширяющейся части парогенератора.

Из рис. 6 следует, что объёмная доля жидкой фазы в потоке падает по мере продвижения потока к выходу. Однако, в отличие от давления, падение происходит не сразу, а постепенно. Кроме того, объёмная доля паровой фазы при обеих температурах оказывается приблизительно одинаковой.

АЫЭУЗ FLUENT13.0Caxl.pb

АМЭУЭ РШЕМТ 1 э

б

Рис. 6. График изменения плотности смеси по длине парогенератора: а) при 30°С; б) при 60°С

Зная значения объёмной доли и плотности каждой фазы, можно определить массовую долю фазы на выходе из парогенератора:

с*

Массовая доля пара в покидающем парогенератор потоке приблизительно равняется 0.2 % при температуре 30°С и 1 % при температуре 60°С. Это объясняется тем, что плотность паровой фазы растёт при увеличении её температуры.

Приближённые оценки значения массовой доли каждой фазы в зависимости от температуры среды (точнее, плотности паровой фазы) можно получить, используя инженерный подход, основанный на применении уравнения Бернулли и уравнения расхода. Для объёмной доли жидкой фазы получена формула, позволяющая получать приближённые значения:

Формула (1) связывает объёмную долю и отношение площадей критического и выходного сечений парогенератора. Формула справедлива при достаточно умеренных значениях отношения между площадями критического (для рассматриваемого участка - входного) и выходного 51 сечений.

Расчёт объёмной доли паровой фазы при различных значениях перепада давления между входом и выходом (рис. 7) показывает, что кавитационный процесс в парогенераторе начинается даже при небольших перепадах. Паровая пробка в критическом сечении парогенератора образуется уже при перепаде давления, составляющем 20 % от давления на входе.

Рис. 7. График изменения объёмной концентрации паровой фазы по длине парогенератора при различных значениях давления на выходе: а) 80000 Па; 6) 30000 Па. Давление на входе равняется 100000 Па (начало)

При понижении давления на выходе до значения упругости насыщенных паров паровая пробка распространяется на всю диффузорную часть парогенератора, не конденсируясь при продвижении к выходу. Такой режим течения называется критическим. Дальнейшее понижение выходного давления при достижении критического режима течения не приводит к более сильному падению давления в закритической части и потому нецелесообразно с точки зрения повышения производительности.

Известна полуэмпирическая формула для нахождения расхода потока при критическом режиме течения:

Данная формула может быть применена для расчёта скорости потока в левой половине сопла Лаваля - от входа до критического сечения (конфузорная часть). Однако результаты, полученные при помощи данной формулы и при помощи Fluent, значительно (на величину приблизительно 14 %) расходятся друг с другом. Различие может быть обусловлено тем, что в приведённой выше формуле не учитываются параметры конструкции парогенератора и гидравлические потери.

С учётом различия диаметров входного и выходного сечения, а также гидравлических потерь, свойственных плавному сужению русла, получено уточнение формулы для нахождения критического расхода:

Результаты, полученные при помощи формулы (2), хорошо согласуются с результатами численного моделирования в пакете Fluent. Расхождение данных по сравнению с результатами численного эксперимента составляет всего 3 %.

Увеличение перепада давления в парогенераторе может быть также вызвано увеличением давления на входе. На рис. 8 представлены графики распределения статического давления по оси симметрии парогенератора при постепенном уменьшении входного давления. Давление на выходе парогенератора равняется 10000 Па, а давление на входе последовательно изменяется от 300000 до 100000 Па.

Рис. 8 показывает, что изменение давления на входе слабо влияет на распределение давления и изменение фазового состава потока внутри сепаратора после критического сечения. Однако, как следует из рис. 9, уменьшение перепада давления приводит к уменьшению скорости течения в парогенераторе (22 м/с при 3*105 Па, 17 м/с при 2*105 Па, 12 м/с при 105 Па,) и, как следствие, к падению производительности установки.

6* = ф Ьрж(Ро-Р1)

где компонент Ф определён эмпирическим путём:

ф = 0.93 ± 0.04

(2)

ЛСЗУЗ ривя 13.0 (ох), до», МЛиге. 1к»)

Рис. 8. Графики распределения статического давления в парогенераторе вдоль оси симметрии при различных значениях давления на входе: а) 300000 Па; б) 200000 Па; в) 100000 Па

и®!

Рис. 9. Графики изменения скорости потока в парогенераторе вдоль оси симметрии при различных значениях давления на входе: а) 300000 Па; б) 200000 Па; в) 100000 Па

С целью анализа влияния геометрических параметров парогенератора на его производительность были проведены расчёты, в которых входное и выходное сечения парогенератора как увеличивались, так и уменьшались. Установлено, что увеличение выходного сечения, несмотря на увеличение объёмной доли пара в покидающей парогенератор смеси, приводит к падению расхода потока за счёт роста гидравлического сопротивления парогенератора. Наиболее приемлемым с точки зрения соотношения между производительностью и выходом паровой фазы

является парогенератор с выбранными изначально геометрическими параметрами: диаметр входной части 44 мм и диаметр выходной части 132 мм. Однако при таком диаметре выходной части придётся сильно увеличивать входной диаметр сепаратора. Исходя из этих соображений, для дальнейших расчётов использовался парогенератор с выходным диаметром 30.87 мм, совпадающий с изготовленным для эксперимента.

Вода в приведённых выше расчётах рассматривалась как однофазная несжимаемая среда. В реальных условиях в воде всегда содержится определённое количество растворённого атмосферного воздуха (и других газов), что определяет, в частности, конечное значение скорости звука в воде. В данной главе также рассмотрено влияние сжимаемости воды на характеристики работы парогенератора. Аналитическим путём была получена формула для скорости звука в трёхкомпонентной смеси:

„2 = __Р_

91 + 92 Рж(1-41-4-2)+(3)

Известная формула для скорости звука в двухкомпонентной смеси является частным случаем формулы (3).

Проведено сравнительное моделирование течения двухфазной среды в парогенераторе с учётом и без учёта растворённого в воде атмосферного воздуха. Для учёта воздушного компонента указывалось значение объёмной концентрации воздуха на входе в парогенератор. Растворённый в воде воздух рассматривался как идеальный газ (с изменяющейся плотностью). Изменение плотности воздуха в пакете Fluent моделировалось с использованием технологии UDF.

Картины распределения числа Маха вдоль оси симметрии с учётом и без учёта воздушного компонента несколько различаются. Однако картины распределения паровой фазы различаются незначительно. Исходя из сравнения расчётов двух- и трёхкомпонентного течения, можно сделать вывод, что учёт воздушного компонента не приводит к сколь-нибудь существенным изменениям параметров работы парогенератора. Поэтому при заданных параметрах моделирования можно ограничиваться рассмотрением двухфазной пароводяной смеси.

Одним из параметров в модели Mixture, используемой в пакете Fluent, является радиус парового пузырька. Во всех проведённых расчётах величина радиуса парового пузырька принималась постоянной и равной 10"5 м. Для проверки корректности выбора данного параметра был проведён расчёт с использованием программного

пакета, написанного на кафедре ТОТ КНИТУ-КАИ.

Я-\0\м 0,150,10,050-

■jwyvrzaL,.

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 I, м

Рис. 10. График изменения диаметра парового пузырька по длине канала

Как можно видеть на рис. 10, почти на всём протяжении диффузорного участка (за исключением области, в которой начинается кавитация) радиус пузырьков остаётся почти неизменным и приблизительно равным 10"5 м, что совпадает со значением, использованным во всех расчётах, проведённых в пакете Fluent.

ЧЕТВЁРТАЯ ГЛАВА

Четвёртая глава посвящена численному моделированию течения в сепараторах сливного (рис. 11а) и проточного (рис. 116) типа. Моделирование течения в сливном сепараторе производится с целью валидации пакета Fluent путём сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными. Моделирование течения в проточном сепараторе выполняется с целью проведения параметрических исследований и для выбора наиболее предпочтительных режимов работы. В ходе моделирования исследуется влияние входных и выходных параметров течения на производительность сепаратора.

150 №

из

а б

Рис. 11. Схемы сепараторов: а) сливного; б) проточного

Для сливного сепаратора (схема приведена на рис. 11а) при помощи программы 1СЕМ СБ Б была построена трёхмерная гексаэдрическая сетка,

состоящая из 18494 элементов. Задача может быть решена только в нестационарной постановке, поскольку объём жидкости, заполняющей сепаратор, зависит от времени и постоянно увеличивается с течением времени. Время интегрирования выбирается таким образом, чтобы обеспечить отбор из исходной ёмкости с водой требуемой массы, равной сумме массы конденсата в сепараторе и массы ушедшего пара, при известном расходе потока через сепаратор. Для моделирования многофазности и турбулентности были использованы соответственно модели Еи1епап и к-е. Диаметр капли принимается равным 1 мм.

Режим течения, выбранный для валидации Fluent, характеризуется скоростью на входе приблизительно 1.4 м/с и температурой 74°С. На выходе задаётся граничное условие типа «outflow». При этом задаётся только отношение массового расхода жидкости, покидающей каждый рассматриваемый выход, к общему массовому расходу. В данном случае для единственного выхода сепаратора задаётся значение 0.0857. Это означает, что 8.57 % (по массе) попадающей в сепаратор двухфазной жидкости будет покидать сепаратор через выход. Значение 0.0857, взятое из результатов эксперимента, описанного в главе 2, представляет собой массовую долю жидкости, оставшейся внутри сепаратора.

В ходе сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными анализировались такие параметры, как масса оставшегося в сепараторе конденсата и расход смеси на входе. Результаты расчёта демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными. Кроме того, в ходе расчёта выяснено, что массовая доля пара в смеси после сепарации увеличивается в 14 раз. Это позволяет говорить о выполнении сепаратором своего непосредственного предназначения.

Результаты расчёта некоторых параметров течения приведены на рис. 1213. Поскольку решение нестационарной задачи зависит от времени, то приводятся результаты расчёта для разных моментов времени.

Рис. 12. Распределение давления внутри сепаратора в осевом сечении при постепенном заполнении сепаратора конденсатом

Рис. 13. Распределение объёмной концентрации жидкой фазы внутри сепаратора в осевом

сечении

Давление в сепараторе (рис. 12) изменяется слабо, при продвижении жидкости вниз сначала незначительно понижаясь, а в придонной области несколько повышаясь (на 300 Па в первом случае и на 1000 Па в четвёртом случае).

Объёмная концентрация жидкой фазы (рис. 13), как и следовало ожидать, резко повышается в придонной области. С течением времени всё большая область сепаратора оказывается заполненной жидкой водой.

Для проточного сепаратора (схема приведена на рис. 116) при помощи программы Gambit была построена трёхмерная тетраэдрическая сетка, состоящая из 17661 элемента. Задача решалась в стационарной постановке. Для моделирования многофазности и турбулентности, как и в случае для сливного сепаратора, были использованы соответственно модели Eulerian и к-г. Диаметр капли принимается равным 1 мм.

В качестве граничных условий на входе и выходе задаются значения давления. Давление на входе равняется 19000 Па, что соответствует давлению на выходе парогенератора, предлагаемому в гл. 3. Давление на выходе для пара несколько повышено по сравнению с давлением на входе и составляет 21000 Па. Давление на выходе для конденсата составляет 4000 Па.

Для исследования решения на сеточную независимость были созданы две сетки с разным числом элементов. Первая расчётная сетка состоит из 17661 ячеек,

вторая - из 43724. По результатам расчёта получены данные о распределении объёмной концентрации воды на стенках сепаратора, приведённые на рис. 14.

а 6

Рис. 14. Распределение объёмной концентрации воды в о севом сечении сепаратора для двух расчётных сеток: а) состоящей из 43724 элементов; б) состоящей из 17661 элемента.

Приведённые на рис. 14 картины распределения объёмной концентрации жидкой фазы в обоих случаях практически идентичны. Также было приведено сравнение значений массового расхода смеси на входе в сепаратор. Результат для обеих сеток практически одинаков и составляет 0.659 кг/с. Это позволяет говорить об умеренной сеточной независимости решения.

Из картин распределения жидкой фазы на стенках сепаратора (рис. 14) видно, что минимальная объёмная концентрация воды наблюдается на верхнем выходе, предназначенном для отсепарированного потока. Объёмная доля воды в потоке, покидающем сепаратор через выход для пара, при описанных выше граничных условиях не превышает 2*10"6, что соответствует значению массовой доли 0.015. Таким образом, можно говорить о достаточной эффективности проточного сепаратора.

При заданном значении скорости потока на входе в проточный сепаратор можно получить несколько расчётных режимов, меняя давление на выходах сепаратора. В ходе расчётов было установлено, что наилучший результат с точки зрения эффективности очистки получен при одинаковых массовых расходах (соотношение 50/50) жидкой и паровой фаз на выходе для воды и выходе для паровой фазы.

Выводы

1. Предложен новый принцип частичного опреснения воды (или частичной водоподготовки) методом вакуумной дистилляции с использованием тепла низкопотенциальных источников при истечении через сопло Лаваля.

2. На основе информации о предыдущих численных исследованиях выбраны математические модели турбулентности и двухфазности, использованные для численного моделирования процессов в основных элементах дистилляционной опреснительной установки (парогенераторе и сепараторе); проведена валидация используемых моделей. Для моделирования турбулентности использовалась модель к-е, для моделирования двухфазности - модели Mixture (для парогенератора) и Eulerian (для сепаратора).

3. Проведена оценка размера парового пузырька для настройки модели Mixture пакета Fluent при моделировании течения в парогенераторе. Показано, что допущение о постоянном радиусе парового пузырька, используемое в модели Mixture, позволяет адекватно моделировать параметры течения.

4. В результате параметрических исследований элементов конструкции опреснительной установки определены наиболее предпочтительные геометрические параметры установки и физические параметры парожидкостной среды.

5. Предложена аналитическая формула для определения объёмной доли паровой фазы в потоке, прошедшем через парогенератор. Предложенная формула учитывает геометрические параметры парогенератора (соотношение площадей критического и выходного сечений).

6. Уточнена формула для определения критического расхода в парогенераторе, учитывающая гидравлические потери и некоторые геометрические параметры парогенератора.

7. Получена формула для скорости звука в двухфазной трёхкомпонентной смеси. Показано, что учёт третьего (воздушного) компонента в пароводяной смеси не приводит к существенному изменению рассчитанных величин массового расхода на выходе парогенератора, но позволяет более адекватно моделировать картину распределения скорости звука в парогенераторе.

Основные публикации

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных

результатов диссертации:

1. Кусюмов С.А. Кавитационный парогенератор для опреснительной установки. / Тонконог В.Г., Коненков А.Г., Кусюмов С.А. // Труды Академэнерго, 2011. -№2.-С. 33-39.

2. Кусюмов С.А. Численное моделирование течения вскипающей жидкости в каналах переменного сечения. / Тукмаков А.Л., Тонконог В.Г., Коченков А.Г., Кусюмов С.А. // Авиационная техника, 2011. - № 4. - С. 54-59.

3. Кусюмов С.А. Моделирование низконапорного течения воды через сопло Лаваля с учётом парообразования на основе односкоростной двухтемпературной модели двухфазного течения. / Тукмаков А.Л., Тонконог В.Г., Коченков А.Г., Кусюмов С.А. // Авиационная техника, 2012. - № 1 —С 40-47.

Материалы конференций:

4. Кусюмов С.А. Моделирование термогидродинамических процессов в опреснительной установке. // Пятая Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наемного транспорта и энергетики», 2009 г.

5. Кусюмов С.А. Моделирование термогидродинамических процессов в вакуумном парогенераторе. // Третья Всероссийская конференция молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России», 22-25 сентября 2010 г.

6. Кусюмов С.А. Расчёт сепаратора для пароводяной смеси. А Пятая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-5), 25-29 октября 2010 г.

7. Кусюмов С.А. Кавитационный режим обтекания профиля ЫАСА0015. // XIX международная молодёжная научная конференция «Туполевские чтения», 2011 г.

8. Кусюмов С.А. Анализ содержания объёмной концентрации паровой фазы при критическом режиме течения // XX международная молодёжная научная конференция «Туполевские чтения», 2012 г.

\Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1.25. Усл. печ. л. 1.16. Тираж 100 экз. Заказ Б 132.

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К.Маркса, 10.

м

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет

имени А.Н. Туполева - КАИ»

На правах рукописи

04201454312 КУСЮМОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание

учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доц. каф. ТиЭМ Тонконог Владимир Григорьевич

Казань 2013

Оглавление

Введение

1. Обзор информации 4

1.1. Ресурсы пресной воды

1.2. Существующие методы опреснения воды 6

1.3. Сравнительный анализ методов опреснения воды 10

1.4. Дистилляция 16

1.5. Сепаратор 20

1.6. Уравнения течения несжимаемой вязкой жидкости 23

1.7. Модели турбулентности 25

1.8. RANS-модели турбулентности 27

1.9. Модели турбулентности к-г 29

1.10.Уравнения стандартной к-е модели турбулентности 31

1.11. Уравнение энергии 33

1.12. Стандартная функция стенки 34

1.13. Модели многофазности 35

1.14. Моделирование кавитации 37

1.15. Сетки и итерационные алгоритмы совместного решения уравнений переноса 39 импульса и неразрывности

1.16. Обзор предыдущих экспериментальных и численных исследований 43

1.17. Апробация модели Mixture для различных задач кавитационного течения 48

1.18. Вывод 53

2. Физическое моделирование работы опреснительной установки 54

2.1. Схема и принцип работы лабораторной установки 55

2.2. Экспериментальные исследования 57

2.3. Выводы 60

3. Численное моделирование течения в парогенераторе 61

3.1. Описание расчётной сетки и настроек пакета Fluent 62

3.2. Проверка решения на допустимость значенийу+ и сеточную независимость 64 3.3.Зависимость производительности парогенератора от температуры жидкости 70

3.4. Влияние величины разрежения на выходе из парогенератора на рабочий процесс 85

3.5. Вывод формулы для нахождения скорости в критическом сечении сопла Лаваля 94

3.6. Влияние величины перепада давления на производительность парогенератора 98

3.7. Влияние геометрических параметров парогенератора на производительность 102

3.8. Влияние сжимаемости воды на характеристики работы парогенератора. 105 Скорость звука в трёхкомпонентной смеси

3.9. Определение радиуса парового пузырька 116

3.10. Выводы 118

4. Численное моделирование течения в сепараторе 119

4.1. Расчёт сепаратора сливного типа 120

4.2.Постановка задачи для моделирования проточного сепаратора 133

4.3. Исследование решения на сеточную независимость 136

4.4. Результаты расчёта параметров течения в сепараторе 138

4.5. Выбор рабочего режима 150

4.6. Выводы 152 Заключение 153 Список литературы 154

Введение

В настоящее время отмечается нехватка пресной воды в отдельных регионах, количество которых угрожающе растёт. Следовательно, технологии очистки воды становятся все более востребованными. Помимо этого, в условиях начинающегося дефицита энергоресурсов становится приоритетным требование о низких энергозатратах любой массово внедряемой технологии. Постоянный рост цен на материальные и энергетические ресурсы требует неизменного повышения производительности установок и уменьшения затрат на организацию и обслуживание.

Существующие методы способны обеспечивать либо высокую степень очистки небольших объёмов, либо невысокую степень очистки больших объёмов. Процесс очистки воды от солей в опреснительной установке может происходить либо без изменения агрегатного состояния воды (электродиализ, ионный обмен, обратный осмос, экстракция), либо с изменением (дистилляция, замораживание). Оба подхода требуют значительных затрат электроэнергии. Строительство, оборудование и обслуживание установок обоих типов отличается высокой стоимостью. Кроме того, многие методы требуют либо постоянной работы установки, либо использования дополнительных материалов.

Дистилляция с точки зрения соотношения между величиной объёма очищаемой воды и качеством её очистки является наиболее универсальным методом, а также отличается несколько меньшими эксплуатационными затратами. Дистилляционные опреснительные установки являются основным типом опреснителей для труднодоступных регионов с жарким климатом, что определяет их незаменимость в определённых условиях. Однако затраты энергии на подогрев воды до температуры кипения являются достаточно значительными. Проведение процесса под вакуумом позволит снизить температуру кипения, что сделает возможным использование низкопотенциальных источников тепла либо солнечной энергии.

В связи с этим, разработка низкозатратной технологии испарения и опреснения является актуальной задачей.

В гидромеханике используется два основных метода разработки и исследования: физическое (эксперимент) и численное моделирование.

Экспериментальные исследования режимов течения в опреснительных установках требуют существенных финансовых затрат и зачастую сопряжены со значительными трудностями технического характера. Установка должна быть подключена к инженерным коммуникациям (для обеспечения подвода и отвода рабочего тела - воды). Установка также должна быть рассчитана на значительные перепады давления (от избыточных манометрических давлений в несколько атмосфер до достаточно глубокого вакуума) и температуры.

Применение методов вычислительной гидродинамики (CFD -Computational Fluid Dynamics) позволяет существенно снизить затраты на

1

проведение экспериментальных исследований. При этом возможно проведение детальных параметрических исследований с полным анализом структуры и характеристик течения и возможностью сравнительно быстро изменять геометрию исследуемых объектов. Поэтому сочетание численного моделирования этих потоков и использования экспериментальных данных является актуальным направлением исследований.

Современный уровень развития методов CFD позволяет решать с достаточной точностью многие практические задачи. Для достижения требуемой точности при расчёте методами CFD требуется корректно построить сетку и выбрать адекватные математические модели. В ряде публикаций [1.17.1] представлены результаты численного исследования течений в инженерных конструкциях (парогенераторах и сепараторах), которые могут рассматриваться как составные части опреснительной установки. Однако в этих работах не ставилась задача разработки непосредственно технологии получения пресной воды.

В данной работе проведено исследование возможности создания опреснительной установки для частичного опреснения воды (предварительной водоподготовки) на основе низкозатратной технологии дистилляционного опреснения. Исследования проводились для основных элементов установки - низкотемпературного парогенератора и сепаратора центробежного типа. В качестве основного инструмента для моделирования потоков в элементах опреснительной установки использован пакет прикладных программ Fluent. Программный продукт ANSYS Fluent в настоящее время является одним из наиболее развитых коммерческих пакетов, который применяется при решении задач как внешней, так и внутренней аэрогидромеханики. Пакет Fluent позволяет моделировать двухфазные течения на базе встроенных моделей двухфазной жидкости Mixture (модель с фазовым переходом) и Eulerian. Кроме того, Fluent позволяет использовать различные полуэмпирические модели турбулентности, включая к-е и RSM модели.

Глава 1 содержит обзор информации по существующим методам опреснения. В ходе обзора рассматриваются преимущества вакуумного метода дистилляционного опреснения, выбранного для изучения. Здесь же приведены обзоры используемых математических моделей и ранее проведённых численных исследований по моделированию течений в элементах установки.

Глава 2 содержит описание лабораторной установки, прототип которой был построен для проведения экспериментального исследования течения. Приводятся экспериментальные данные по расходу компонентов пароводяной смеси в зависимости от рабочей температуры и перепада давления на входе и выходе парогенератора.

В главе 3 представлены результаты численного моделирования работы парогенератора для двухкомпонентной двухфазной среды (пар-вода).В этой же главе моделируется работа парогенератора для трёхкомпонентной среды

(воздух-пар-вода) и определяется формула для скорости звука в трёхкомпонентной смеси.

Глава 4 содержит результаты численного моделирования работы сепаратора. При этом рассматриваются два вида сепаратора, отличающиеся геометрией донной части. На защиту выносятся:

- принцип низкотемпературного опреснения воды методом вакуумной дистилляции;

- уточнённая формула для определения критического расхода в парогенераторе;

- выражение для скорости звука в двухфазной трёхкомпонентной смеси;

- рекомендации по построению расчётных сеток для моделирования течения в парогенераторе и сепараторе и выбору настроек пакета прикладных программ Fluent;

- рекомендации по выбору математических моделей процессов в парогенераторе и сепараторе (модели турбулентности, модели двухфазности);

- результаты экспериментального и численного моделирования процессов в опреснительной установке и её элементах.

Достоверность результатов исследований обеспечивается:

- применением апробированных математических моделей двухфазных потоков и полуэмпирических моделей турбулентности;

использованием в расчётах хорошо зарекомендовавшего себя промышленного коммерческого пакета ANSYS Fluent;

- сочетанием экспериментального и численного метода исследований.

1. ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ

1.1. Ресурсы пресной воды

Пресная вода - второй фундаментальный ресурс, на ограниченность которого наталкивается стремительный рост населения. Как известно, в настоящее время перед некоторыми регионами и странами стоит проблема острой нехватки пресной воды. В обозримом будущем нехватка пресной воды угрожает стать еще одной глобальной проблемой человечества.

Количество пресной воды планеты, включая реки, озера, ледники, айсберги, равно 35,8 млн. км3, или 2,5 % воды земного шара [1.1.1]. Сюда не входит пресная вода подземных источников, водные ресурсы которых

о

составляют 60 млн. км , но большая их часть минерализована [1.1.2]. До 97 % объема пресной воды планеты сосредоточено в ледниках, расположенных в малонаселенных регионах с суровым климатом, и практически не используется человеком. И только менее 3 % пресной воды, что составляет 876 тыс. км3, или около 0,06 % водных ресурсов Земли, находится в реках, озерах и почве [1.1.2].

Ежегодно на поверхность суши земного шара выпадает 110 тыс. км3 осадков, что примерно в 10 раз больше объема озера Верхнее в США. Этого огромного количества было бы достаточно, чтобы с легкостью удовлетворить потребности всех людей на планете, - если бы вода появлялась там и тогда, где и когда она нужна людям. Однако большую ее часть невозможно использовать. 61,1 % от общего количества осадков составляет т.н. «зеленая вода», которая поглощается почвой и растениями, а затем испаряется обратно в воздух [1.1.3]. Эта вода практически недоступна для использования — за исключением той ее части, которая естественным путем попадает непосредственно на поля и фермы (что составляет 5,1% от общего количества осадков).

Годовой же сток всех рек мира равен 37,3 тыс. км3, а ежегодный расход пресной воды в последней четверти XX века равнялся 8 тыс. км3 (или 20 % мирового стока рек). Общее потребление пресной воды (на бытовые и производственные нужды) в расчете на одного жителя планеты с населением 6 млрд. человек составило 1333 м3 в год [1.1.4].

70 % мировых ресурсов подземных и речных вод используется на орошение, 20 % - на нужды промышленности и 10 % - на бытовые нужды [1.1.5].

Согласно прогнозу, запасы пресной воды будут исчерпаны к 2230 году, если не удастся решить проблему восполнения ее дефицита, увеличивающегося соответственно росту населения и промышленного производства. Положение усугубляется неравномерным распределением на Земле пресной воды, а сооружение водопроводов большой протяженности от

ее источников к местам потребления, как правило, нерационально экономически [1.1.6].

Наблюдающаяся уже сейчас нехватка пресной воды может быть вызвана как «экономическим» ее недостатком (когда недостаточная техническая грамотность, плохое правительственное управление или недостаток средств ограничивают доступ к воде даже при наличии достаточных ее источников), так и «физическим» (когда потребность в воде превышает ее наличие).

Экономический недостаток свойственен главным образом странам Африки и некоторым частям Индийского субконтинента и Юго-Восточной Азии.

Физический недостаток свойственен странам Аравийского полуострова, а также Средней Азии и Мексике. Кроме того, физический недостаток испытывают локальные поселения в труднодоступных регионах (главным образом, расположенные на побережьях морей и соленых озер).

1.2. Существующие методы опреснения воды

Существующие методы опреснения воды подразделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния воды [1.2.1].

Методы опреснения воды без изменения ее агрегатного состояния:

1. Электродиализ.

2. Ионный обмен.

3. Обратный осмос.

4. Экстракция.

Методы опреснения воды с изменением ее агрегатного состояния:

1. Дистилляция.

2. Замораживание.

Известны общие недостатки вышеперечисленных способов опреснения

воды:

1. Высокая составляющая затрат на электроэнергию в себестоимости производимой воды (до 60 %).

2. Высокая стоимость оборудования и строительства.

3. Длительные сроки окупаемости установок.

Однако при рассмотрении вопросов водоснабжения отдаленных поселений приходится примиряться с высоким расходом электроэнергии на опреснение, т.к. доставка воды иными способами - посредством трубопроводов и тем более моторизованным транспортом - не представляется технически осуществимой.

Электродиализ заключается в удалении солей из раствора при пропускании через воду электрического тока. Электролизная ванна, используемая для опреснения воды, ограничивается двумя диафрагмами (полупроницаемыми мембранами с наполнителем из анионитовых или катионитовых смол). Два отграниченных диафрагмами пространства называются крайними камерами; в них помещаются катод и анод [1.2.2]. Катионы и анионы растворенных в воде солей под действием электрического тока устремляются к катоду и аноду, проходят через мембраны, покидая основную емкость, и задерживаются в камерах, встретившись с заряженными одноименно с соответствующим электродом диафрагмами. Недостатки метода:

1. Высокие затраты электроэнергии.

2. Невысокое качество опреснения (процесс тем экономичнее, чем меньше разница между соленостью опресняемой и опресненной воды).

Ионный обмен основан на том, что в соленой воде катионы и анионы солей находятся в подвижном состоянии, и их легче заменить на другие ионы, чем удалять из раствора. Есть вещества, называемые сорбентами или ионитами (они же ионообменные смолы), которые удаляют из раствора либо катионы (в этом случае их называют катеонитами), либо анионы (тогда их называют анионитами) [1.2.3].

Недостатки метода:

1. Повышенная токсичность сточных вод (в сточные воды, помимо солей, попадают использовавшиеся для регенерации ионообменных смол реагенты, имеющие кислую реакцию).

2. Заметный рост эксплуатационных расходов пропорционально солесодержанию воды.

Обратный осмос основан на процессе диффузии, который непрерывно происходит в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь клетки, окруженной полупроницаемой мембраной, через поры мембраны из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с меньшей концентрацией.

Обратноосмотический процесс в системах очистки воды также основан на прохождении молекул воды через полупроницаемую синтетическую мембрану, при котором абсолютное большинство загрязнений удаляется. При этом загрязнения, находящиеся в концентрированном растворе солей (концентрате), во избежание засорения мембраны сбрасывают в дренаж. Такая высокая степень очистки связана с очень маленьким диаметром пор мембраны, которые в 200 раз меньше размеров вирусов и в 4000 раз меньше размера бактерий [1.2.4]. Давление, при приложении которого к рассолу проникновение в него опресняемой воды прекратится, называется осмотическим давлением. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атмосфер. Недостатки метода:

1. Необходимость тщательной предподготовки воды.

2. Желательность непрерывно�