Βελτιστοποίηση μονάδος παραγωγής πόσιμου ύδατος με αφαλάτωση θαλασσινού και χρήση αιολικής και ηλιακής ενέργειας

Abstract

In this thesis work, the design, construction, operation and optimization of a small capacity desalination unit for water production using renewable energy sources (sun and/or wind) are attempted. The devices that were designed, constructed and studied were: a) two small centrifugal compressors (12,5cm and 17cm impeller diameters at 14000rpm and 11500 rpm respectively), b) evaporation-condensation falling film devices with vapor compression and c) evaporation-condensation devices with horizontal immerged tubes of polypropylene. The behavior of these devices during operation and their efficiency were examined as well. The desalination method to be applied was then selected, on the basis of the criterion of minimum unit construction cost. The possibility of operation at the expense of wind and/or solar energy was evaluated. The regional wind potential (of Mikra-Thessaloniki) was statistically analyzed, the possibility of the operation of a proper wind turbine (4,5m diameter, 4,5kw nominal power at 13m/s wind speed) was examined and the required solar collector surface area was calculated. Finally, the optimum unit effects number was estimated (4 effects seems to be a reasonable selection). The unit was constructed and its functional characteristics, included those of solar collectors, were studied and evaluated. The performance of the centrifugal compressor was the expected, while the prediction of low efficiency during the operation was completely confirmed (less than 60%). The wind potential of the major area appeared not to differ from the reported in the literature, while the local wind potential was clearly stronger. The operation of the selected solar collectors indicated a rather low efficiency (less than 40%) and this is mainly attributed to their constructive deficiencies. The values of the overall design heat transfer coefficients obtained during operation of the unit, were in agreement with those predicted by the proposed model (in the range of 20 to 30 Βtu/(ft2)(oF)(hr)). The efficiency during the operation (measured as ratio of steam introduced into the first effect to the totally produced condensate) takes on values around 2,2, while its maximum expected value is 3,5 (i.e. 63% of the expected). Further, instability during the operation is inferred. This can be attributed to explosive boiling conditions in the effects, probably due to a hysterisis in releasing the heat transferred to the seawater. The last phenomenon has as a consequence a rather drastic drop of the operating temperature difference between exchanger tubes and shell side. An additional consequence is the reduction of the heat transfer coefficients that finally reduce the unit efficiency.

Η διδακτορική αυτή διατριβή επιχειρεί τη σχεδίαση, κατασκευή, λειτουργία και βελτιστοποίηση μικρής δυναμικότητας μονάδας παραγωγής πόσιμου νερού με αφαλάτωση και χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ήλιο και/ή άνεμο). Μελετώνται, σχεδιάζονται και κατασκευάζονται δύο φυγοκεντρικοί συμπιεστές διαμέτρων πτερωτής 12,5cm και 17cm με ταχύτητες περιστροφής 14000rpm και 11500rpm αντίστοιχα, πειραματικές διατάξεις εξάτμισης-συμπύκνωσης κατερχόμενου υμένα με συμπίεση ατμών και εξάτμισης-συμπύκνωσης σε οριζόντιους βυθισμένους σωλήνες πολυπροπυλενίου και ελέγχεται η συμπεριφορά τους και η απόδοσή τους. Επιλέγεται η μέθοδος αφαλάτωσης με κριτήριο το ελάχιστο μοναδιαίο κόστος κατασκευής και εξετάζεται η δυνατότητα λειτουργίας του συστήματος με αιολική και/ή ηλιακή ενέργεια. Συγχρόνως γίνεται στατιστική ανάλυση του αιολικού δυναμικού της ευρύτερης περιοχής εγκατάστασης της μονάδας (Μίκρα-Θεσσαλονίκης), εκτιμάται η δυνατότητα λειτουργίας και επιλέγεται ανεμογεννήτρια κατάλληλης ονομαστικής ισχύος (διάμετρος ανεμοπτερωτής 4,5m, ονομαστική ισχύς 4,5kw για ταχύτητα ανέμου 13m/s), ενώ υπολογίζεται η απαιτούμενη επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών. Τέλος επιλέγεται ο αριθμός των βαθμίδων με ελαχιστοποίηση (τέσσερις βαθμίδες φαίνεται να είναι ο βέλτιστος αριθμός), κατασκευάζεται η μονάδα και ελέγχεται η λειτουργία της τελευταίας και των ηλιακών συλλεκτών.Η λειτουργική συμπεριφορά του φυγοκεντρικού συμπιεστή υπήρξε αναμενόμενη, ενώ η υπόνοια χαμηλών αποδόσεων κατά την λειτουργία του επιβεβαιώνεται (μικρότερες του 60%). Το αιολικό δυναμικό της ευρύτερης περιοχής φαίνεται να μην είναι διαφορετικό του προβλεπόμενου από την βιβλιογραφία, ενώ το τοπικό αιολικό δυναμικό είναι σαφώς ισχυρότερο. Η λειτουργία των επιλεγμένων ηλιακών συλλεκτών αποδεικνύει ένα σχετικά μικρό συντελεστή απόδοσης (μικρότερη του 40%), λόγω κατασκευαστικών ατελειών. Η λειτουργία της μονάδας παραγωγής αφαλατωμένου νερού επιβεβαιώνει τους σχεδιαστικούς ολικούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας τόσο στη βαθμίδα εξάτμισης, όσο και στις βαθμίδες εξάτμισης και συμπύκνωσης (στη περιοχή των 20 έως 30 Βtu/(ft2)(oF)(hr)). Η απόδοση κατά την λειτουργία (μετρούμενη ως λόγος ποσότητας εισερχόμενου ατμού προς συνολική ποσότητα παραγόμενου συμπυκνώματος) φαίνεται να προσεγγίζει την τιμή των 2,2 με μέγιστη αναμενόμενη την τιμή των 3,5 (περίπου 63% της αναμενόμενης). Συγχρόνως διαπιστώνεται μία αστάθεια λειτουργίας, που μπορεί να αποδοθεί στο φαινόμενο του εκρηκτικού βρασμού στις βαθμίδες λόγω υστέρησης στην ελευθέρωση της μεταφερόμενης θερμότητας, που έχει σαν συνέπεια την δραστική μείωση των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και την πτώση της απόδοσης της μονάδας.