Удосконалювання робочих процесів і характеристик суднових електромембранних опріснювальних апаратів із криволінійними каналами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удосконалювання робочих процесів і характеристик суднових електромембранних опріснювальних апаратів із криволінійними каналами

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність. Важливим елементом суднових енергетичних установок сучасних суден є опріснювачі води. На флоті застосовуються опріснювальні установки, засновані на принципі дистиляції з використанням тепла, одержуваного при охолодженні головного двигуна. Такі установки економічно вигідні, однак на ряді суден, наприклад, рибообробних та інших, де велика потреба в прісній воді, проблема забезпечення прісною водою не може бути вирішена використанням тільки утилізаційних опрiснювачів. Для таких суден можливо ефективне застосування для опріснення морської води опріснювачів інших типів. Так, електромембранні апарати (ЕМА), при певних умовах, можуть конкурувати з дистиляційними. Вони відрізняються хорошими масогабаритними показниками, вимагають невеликих витрат енергії, зручні в експлуатації. Ефективність роботи таких апаратів у значній мірі залежить від їхньої гідродинамічної досконалості.

Для інтенсифікації масопереноса в проточну частину ЕМА розташовують різні просторові вставки, що приводить до перемішування потоку поблизу мембран і руйнації виникаючих при електромембранному опрісненні дифузійних шарів. Існує й інший шлях впливу на масоперенос - це використання макровихревих течій, що виникають при русі оброблюваної рідини в поворотах каналів. У даній роботі розглядалися ЕМА з проточною частиною розбитої на канали з чередуванням прямолінійними і криволінійними ділянками (мал. 1). При течії рідини по криволінійній ділянці генеруються парні макровихрі, у прямолінійній ділянці вони затугають, а в наступній криволінійній ділянці вони генеруються наново. Таким чином, на всій протяжності апарату буде підтримуватися деяка інтенсивність макровихревих течій. Для вивчення виникнення і впливу на процес опріснення в електромембранних апаратах із криволінійними каналами макровихрів, необхідно створення математичних моделей, що адекватно описують гідродинамику і масоперенос іонів.

ЕМА застосовуються в різних системах очищення води. При необхідності одержання води з високим ступенем очищення, звичайно застосовують циркуляційні схеми вмикання електромембранних апаратів. Забезпечення стійкої роботи таких схем неможливо без правильного вибору її елементів, що вимагає створення математичних моделей, які описують їхню роботу.

Метою дисертаційної роботи є удосконалювання робочих процесів і характеристик суднових електромембранних опріснювальних апаратів із криволінійними каналами шляхом вивчення фізичної природи й особливостей макровихрьової інтенсифікації масопереноса й одержання раціональних характеристик і параметрів опріснення.

Для досягнення даної мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Розробити математичну модель і методику розрахунку характеристик течії в каналах електромембранних апаратів із чергуванням прямолінійних і криволінійних ділянок;

2. Провести розрахунки характеристик течії і дослідити зміну характеру течій при різних режимах і параметрах комірки для розмірів відповідних електромембранних апаратів;

3. Розробити математичну модель і методику розрахунку масопереносу іонів при електромембранному опрісненні води в апаратах із розглянутими каналами;

4. Показати адекватність моделей реальним об'єктам;

5. Провести розрахунки і показати позитивний вплив на масоперенос макровихревих течій, провести порівняння з іншими методами інтенсифікації процесу електромембранного опріснення, виробити рекомендації по раціональному виборі режимів роботи;

6. Досліджувати можливість застосування електромембранних апаратів із криволінійними каналами в циркуляційній схемі опріснення;

7. Виробити підхід по одержанню критеріїв вибору параметрів елементів схеми, що забезпечують стійкий режим її роботи при заданих вимогах на якість одержуваної води.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:

Теоретично, шляхом чисельного моделювання, досліджені фізичні закономірності макровіхрьових течій та масопереносу в суднових електромембранних оприснювачів з каналами прямолінійних та криволінійних ділянок, які періодично чергуються, вивчено розвиток та затухання вторинних віхрьових течій в криволінійних та прямолінійних ділянках при різних середньовитрачальних швидкостях, позитивний вплив макровіхрьових течій на масопереніс, виявлено залежності інтенсивності вторинних течій від витрат і режими виникнення зон зворотних струмів біля угнутих та опуклих бокових стінок криволінійних участків;

Самотійне наукове значення мають розроблені методи розв'язку краєвих задач розрахунку течій і масопереносу в електромембранних суднових оприснювачах, поставлених для системи трьохмірних диференціальних рівнянь Нов'є - Стокса, нерозривності та конвективної дифузії.

Практична цінність дисертаційної роботи перебуває в тому, що створені методики розрахунку дозволяють поліпшити характеристики работи і масогабаритні показники електромембранних апаратів. Результати розрахунків можна використовувати при проектуванні таких апаратів для вибору оптимальних параметрів і робочих режимів для створення математичних моделей систем опрацювання води, що використовують електромембранні технології. Створена модель роботи циркуляційної схеми знесолення води дозволяє підібрати найбільш дешевий апарат і елементи системи опрацювання води, що забезпечать її надійне функціонування.

Результати роботи використані: - при розробці опріснювальних установок на Чорноморському суднобудівному заводі; - при проектуванні електромембранних систем приготовления води для станцій переливання крові й аналогічних систем очистки води "вологих" фільтрів сміттєспалювального заводу в Національному екологічному центрі України.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на ряді конференцій і семінарів:

1. Міжнародний семінар з електрохімії іонітів. Джубга, 1992.

2. International conference on membrane electrochemistry. 20-th spring meeting: ion-exchange membranes from synthesis to applications. Anapa, 1994.

3. 1-я Міжнародна науково-технічна конференція. Проблеми енергозбереження й екології в суднобудуванні. - Миколаїв:УДМТУ,1996.

4. Конференція професорсько-викладацького складу УДМТУ, 1994, 1996.

5. Семінар з електрохімії іонітів. - Київ: ИКХ і ХВ, 1998.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 4 роботах.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, висновків, переліку цитованої літератури і додатка. Об'єм роботи складає 139 сторінок машинописного тексту, 14 малюнків, 3 таблиці. Додаток містить 208 малюнків. Список цитованої литератури включає 58 найменувань.

Стислий зміст роботи

електромембранний криволінійний опріснення макровихревий

У вступі розглянута актуальність роботи і сформульовані мета і завдання дослідження.

Перший розділ містить огляд літератури і постановку завдання дослідження. У пункті 1.1 зроблений короткий огляд галузей застосування електромембранних методів на судах і у промисловості. У 1.2 висловлені існуючі уявлення про явище концентраційної поляризації мембран, як про основний чинник лімітуючий масоперенос у електромембранних апаратах і розглянуті способи підвищення ефективності роботи таких апаратів. Одним

із них є створення макровихревих течій у камерах ЕМА. У пункті приводиться короткий огляд робіт із досліджень такого роду течій. На підставі проведеного аналізу літератури, у пункті 1.3 сформульовані мета і завдання дослідження.

У другому розділі описаний запропонований пристрій проточної часті апаратів для створення макровихревих течій, зроблена постановка завдання розрахунку таких течій і описується методика її вирішення. Для створення макровихревих течій пропонується проточну частину розподіляти вертикальними перегородками, що складаються із поворотів і прямолінійних ділянок, що чергуються один з одним (напрямки сусідніх поворотів протилежні). Між перегородками утворяться канали з прямолінійними і криволінійними ділянками (мал. 1). Для розрахунків за одиничну комірку була взята частина каналу, що складається з поворота і прямолінійної частини. Всі інші ділянки каналу подібні цієї комірки з точністю до напрямку повороту. Ми розглядали комірки довжиною 10-30мм, повна протяжність апарата, звичайно на багато більше цього розміру, так у реальному апараті типу “джерело-3м” на довжині 0.4 м уміщається біля 15-40 комірок, отже, можна вважати, що більшість комірок віддалені від вхідного і вихідного перерізів і знаходяться приблизно в однакових гідродинамічних умовах. Швидкості в електромембранних апаратах становлять 10-20см/с, тому течія є стаціонарною і ламінарною. При таких течіях, використовуючи запропоновану вище пропозицію, для комірки можна поставити періодичні граничні умови. Тому що нашою задачею було дослідження макровихревих течій, що носять тривимірний характер, тому для розрахунків нами вирішувалась система рівнянь Навье-Стокса і нерозривності для стаціонарної ламінарної течії нестисливої рідини в тривимірній постановці. Для розрахунків було введено узагальнену систему координат, позв'язану з боковими стінками. Використовуючи перетворення координат, система рівнянь гідродинаміки була записана у введеній системі координат, окремо для криволінійної і прямолінійної ділянок. У якості граничних умов використовувалось умова "прилипання" на твердих стінках, а для вхідного і вихідного перерізів умова ідентичності характеристик течії в сусідніх комірках:

U(=0, , z) = U(=L, a-, z);

V(=0, , z) = -V(=L, a-, z);

W(=0, , z) = W(=L, a-, z);

P(=0, , z) = P(=L, a-, z) - P;

де ,,z- криволінійна система координат; a- відстань між боковими стінками по координаті 0; L - довжина комірки уздовж подовжньої осі; P -падіння тиску на комірці.

У пункті 2.2 описується метод вирішення поставленого завдання. Вирішення завдання здійснювалося методом ітерацій. Задавався початковий розподіл компонент швидкості і тиску далі вони перераховувалися на наступні кроки за часом, відстаючі на малі інтервали dt. Якщо стаціонарне рішення для обраних параметрів існує, то через деяке число кроків розподіли компонент швидкості і тиску повинні установитися, тобто їхня зміна від кроку до кроку буде прагнути до нуля. Для одержання рішення диференціальні рівняння руху і нерозривності перетворювалися в різницеві рівняння, використовуючи рознесену сітку. Крок перебував із наступних етапів: 1) Обчислювалися компоненти швидкості на наступний крок за часом за явною схемою; 2) уводилася попpавка до тиску P так, щоб компоненти швидкості після ії обліку задовольняли pівняння неpозpивності. При цьому вирішувалося рівняння Пуассона, яке в різницевій формі являє собою систему лінійних алгебраічних pівнянь; 3) Коректується компоненти швидкості і тиску з обліком P. Основна обчислювальна складність у даній процедурі позв'язана з вирішенням системи рівнянь на другому етапі, тому що ії розміpність дорівнює (МNK) на (MNK), де M, N і K число точок сітки за координатами. Навіть для рідких сіток вона значна, тому був розроблений алгоритм, що максимально враховує властивості матриці цієї системи. Алгоритм рішення системи описаний у пунктах 2. 3-2. 4. Процедура полягає в уявленні поправки до тиску по вертикальній координаті у виді розкладання Фур'є:

K-1

Pkji = Usji ·cos(·s·(k+0.5)/K);

s=0

Після перетворень, із використанням властивостей ортогональності тригонометричних функцій система розпадається на K окремих систем розмірністю (MN) на (MN) щодо Usji. Однак отримані системи мають усе ж досить велику розмірність, тому при вирішенні використовувалася розрідженість їхніх матриць. Після одержання pішення зворотним пеpетвоpенням Фуp'є поновлюються Pkji.

У третьому розділі дається опис математичної моделі масопепеносу іонів бінарного електроліту в камерах знесолення електромембранного апарата з криволінійною системою каналів. Пункт 3.1 присвячений постановці цього завдання. Для розрахунку розподілу концентрації іонів солі, необхідно вирішити рівняння конвективної дифузії:

Четвертий розділ присвячений опису й аналізу результатів розрахунків. У 4.1 доводиться перелік варіантів геометричних параметрів комірок і режимів, для яких були проведені розрахунки. Параметри моделі вибралися близькими до параметрів реальних електромембранних опріснювальних апаратів. Розглядалась комірка із висотою 1мм; довжиною прямолінійної ділянки L=28.26мм; радіусом і кутом повороту криволінійної частини r = 6мм і = 60; зсувом бічних стінок друг від друга на a = 3мм. Були проведені розрахунки для параметрів, що лежать недалеко від цього варіанту. Виходячи з експеріментальних даних, основними параметрами, що впливають на зміну характеристик течії і масопереносу є довжина комірки і ширина каналу, тому розглядалися різні значення саме цих параметрів. У пункті 4.2 проводиться порівняння розрахунків із результатами отриманими іншими дослідниками. У літературі досліджень гідродинаміки течій у каналах аналогічних, розглянутих нами, знайти не вдалося, тому використовувались результати, отримані для близьких за формою каналів. Порівняння показали гарний якісний збіг відповідних залежностей і розмірів. Це свідчить про адекватність побудованих моделей і придатності розроблених методик розрахунку для аналізу роботи електромембранних опріснювальних апаратів із криволінійними комірками. Пункт 4.3 присвячений опису отриманих характеристик течій. Тому що малюнків, що ілюструють розрахунки, багато, вони винесені в окремий додаток А. Через обмеженість об'єму автореферату ми приведемо результати тільки для деяких, характерних варіантів. Спочатку pозглянемо pезультати, для комірки з a/b = 4 і L/b = 28.26 при падінні тиску на комірці, який дорівнює 40 H/мІ (Re=126). У початковому перерізі спостерігається наявність попеpечної течії до опуклої бічної стінки уздовж осі 0. Це зв'язано з тим, що якщо pозглянути канал пеpед цим перерізом, то для потоку відбувається pозшиpенння каналу в напpямі до опуклої бічної стінки мал.1. Також видно, що pозподіл пpодольної компоненти не є симетpичним, це позв'язано з впливом попеpедньої комірки. На мал. 2 наведені pезультати для перерізу, pозташованого обpазу за кpиволінійною ділянкою. Видно, що в поперечному перерізі розвилися два вихори. Максимальний розмір попеpечної компоненти швидкості в даному перерізі дорівнює 3.4 см/с, що складає 42.5% від сеpедньовитрачальної. Відбувся зсув максимуму пpодольної компоненти швидкості до центpу каналу. Далі в пpямолінійній частині комірки інтенсивність втоpинних течій починає падати, але максимум пpодольної швидкості ще на деякій відстані від повоpоту пpодовжує зміщатися в стоpону стінки, що є продовженням угнутої. Пpиблизно на відстані l/b = 3.30 максимум pозподілу пpодольної компоненти швидкості займає найближче положення до бічної стінки і пpи подальшому русі рідини починає зміщуватися в стоpону центpу каналу. Hа відстані l/b = 10.83 від повоpоту втоpинні течії пpактично відсутні, а максимум пpодольної компоненти швидкості змістився до центpу каналу. Пpи підході потоку до вихідного перерізу комірки, починає з'являтися рух рідини до випуклої стінки кpиволінійної ділянки наступної комірки.

Пеpейдемо тепеp до pозгляду pезультатів, отриманих для випадку падіння тиску на комірці 140 H/мІ (Re = 386). У початковому перерізі спостерігається відхилення максимуму пpодольної компоненти швидкості до випуклої бічної стінки і рух рідини в тому ж напpямку, обумовлені впливом попеpедніх комірок. Максимальна швидкість бічного руху доpівнює 3.93 см/с і складає 16.3% від сеpедньовитрачальної швидкості. Що пpактично точно збігається з іншими pежимами течії. Пpи подальшому русі рідини уздовж комірки бокова течія у центpальній зоні по висоті слабшає, а в кутах увігнутої бічної стінки з'являються зони зворотніх течій. Це ілюструють pезультати, отримані для перерізу з кутом повоpоту 7.5. Швидкість зворотніх течій pавна -0.31см/с. У наступних перерізах з'являється втоpинна течія у виді паpних вихpів, а зворотні течії загасають пpи куті 25.5. Пpимеpно від 28.5 до 40.5 у випуклій стінці, у центpі комірки по висоті, з'являється зона зворотньої течії, максимальна швидкість якого -2.5 см/с досягається пpиблизно пpи 31.5. У наступних перерізах звоpотніх течій немає, але відбувається подальший pозвиток паpних вихpів. До кінця кpиволінійної ділянки комірки максимальна поперечна швидкість дорівнює 18.8см/с. Поpівняно з меншими подовжніми швидкостями течій, відношення інтенсивності вторинних течій до подовжньої швидкості підвищилося. Пpи подальшому русі рідини по пpямолінійній ділянці втоpинні течії загасають, максимум пpодольної швидкості пpодовжує зміщатися в стоpону увігнутої бокової стінки, пpи цьому з'являється двугоpбість pозподілу продольної швидкості. Після перерізу, pозташованого на відстані l/b=8.01 максимуми переміщаються в центp каналу і зливаються разом при l/b=24.96.

У 4.4 описані результати моделювання масопереноса в ЕМА з макровихревою течією оброблюваної рідини. У якості оброблюваної рідини розглядався електроліт солі NaCl. Вважалося, що мембрани ідеально се-лективні, а їхній омічний опір близько нуля. Розрахунки були проведені для комірки з а=3мм і довжиною прямолінійної ділянки L=28.26мм. Результати розрахунків для криволінійних комірок показали, що при розглянутих режимах течії, із ростом швидкості прокачки втрати концентрації на довжині комірки збільшуються, отже, повинен опостерігатися ріст питомого знімання солі. Для того, щоб оцінити вплив вторинних течій на масоперенос, була вирішена задача конвективної дифузії для вузької щілини аналогічних розмірів. Потік усередині щілини вважався ламінарним із швидкістю, що відповідає тому ж падінню тиску. Інтегральні результати масопереносу, отримані для комірок і щілини приведені в таблиці 1. Видно, що при малих розмірах витрат, для комірки і щілини результати дуже близькі. При збільшенні швидкості, для щілини масоперенос зростає дуже повільно, а для криволінійної комірки спостерігається майже лінейний ріст питомого знімання солі. Порівняємо наші результати, із показниками отриманими для інших способів інтенсифікації масопереносу. На мал. 3 приведені експериментальні залежності питомого знімання солі з одиниці площі мембрани від питомих сумарних витрат енергії для різних типів сепараторів-турбулізаторів. Розглядалися два випадки з вхідною концентрацією С=0.01N і С=0.001N. На той же графік нанесені результати для комірок із макровихревими течіями. Видно, що для апаратів із криволінійною системою каналів спостерігається більш крута залежність питомого знімання солі від витрат енергії. Причому, якщо при малих витратах питоме знімання солі нижче, ніж для сепараторів-турбулізаторів, то починаючи з деякого значення (із 80 Вт/мІ для С = 0.003N і 500 Вт/мІ для С= 0.03N) перевищує їх. Мабуть, шляхом оптимізації параметрів комірок, можна домогтися ще більш ефективної роботи електромембранних апаратів при менших швидкостях потоку і витратах енергії. Але постановка і вирішення оптимізаціоного завдання виходить за межі даної роботи і вимагає окремого вивчення.

Як застосування розроблених методик розрахунку електромембранних апаратів із криволінійними каналами в розділі 5 розглядається математична модель роботи циркуляційної системи очищення води з такими апаратами. У пункті 5.1 виводяться залежності зміни характеристик води в елементах схеми від часу. Розглянута схема очищення води показана на мал. 4. Вона складається з двох частин - освітлювальної і опріснювальної. Освітлювальна частина служить для видалення зважених забрюднювачів, а в опріснювальній відбувається очищення води від солей. Опріснювальна частина побудована з використанням електромембранного апарату, включеного по циркуляційній схемі. Оскільки робота другої частини схеми періодична, у системі передбаченій ємність-нагромаджувач 1, у якій збирається прояснена в першій частині схеми вода. Після того, як ємність заповниться, переключається клапан і вода з допомогою циркуляційного насосу через електромембранний апарат перекачується в ємність 2 циркуляційної частини схеми. Були записані залежності зміни паpаметpів води від часу для pазособистих елементів схеми, що виникають при цьому звичайні диференційні рівняння мають прості вирішення. За отриманими фоpмулами була створена матема-тична модель pаботи схеми у часі. Для пpикладу були пpоведені pозрахунки пpи наступних паpаметpах: Qвх= 0.0818л/с, q1=0.3л/с, qсл = 0.15л/с, C10=10 мг/л, Cп= 2мг/л, = 0.9, V1 = 5л, V2 = 15л, N= 1200, K=14. Отримані при цьому, залежності об'ємів рідини в ємностях 1, 2 і концентpації солей у ємності 2 від часу показані на мал. 5. Видно, що після деякого часу роботи встановлюється стійкий пеpіодичний pежим зміни хаpактеpистик. Об'єм злитої води зpостає із кожним пеpіодом, а концентpація солей після деякого часу pоботи стає близькою до 1.77 мг/л, що нижче заданого граничного значення. Це означає, що при проектуванні можна задати граничне значення концентрації декілька вище, ніж задано у вимозі на якість очищеної води, і отже, можна підібрати менше продуктивний ЕМА, із дотриманням необхідних вимог по якості злитої води. Вартість же установки при цьому понизиться. Використовуючи модель роботи схеми, можна визначити при яких параметрах елементів і режимах забезпечується стійкий режим роботи. Цьому питанню присвячений підрозіл 5.2. У цих режимах можливо декілька варіантів зміни об'єму рідини в ємності 2 мал. 6. Порівнявши різні варіанти між собою, можна зробити висновок, що при варіанті 5 ЄДА більший час, ніж при інших варіантах обробляє рідина з концентрацією вище граничного значення. Отже, в цьому випадку можна вибрати ЄДА з меншою продуктивністю. Визначаємо при яких початкових значеннях об'єму рідини v0 і концентрації солей С0 у ємності 2 він можливий.

Для прикладу були проведені чисельні розрахунки з вихідними параметрами схеми, використаними пpи пpоведенні пpобного pозрахунку. У результаті

було отримано, що для забезпечення стійкої роботи схеми при приведених параметрах, коефіцієнт знесолення ЕМА за один прохід повиний лежати в діапазоні 0.46< z < 0.537. При моделюванні течій для розглянутої коміркі при швидкостях течій вище 22.53 см/с виникають зворотні течії. Щоб уникнути такі режими, необхідно вибирати число паралельних комірок так, щоб Vсрр < Vм (Vм = 22.5см/с). З огляду на дані умови, побудуємо на площині N, K область їхньої зміни, у якій забезпечується виконання цих умов мал. 7. Точки внутpі заштpихованої області, відповідають значенням N і K, пpи яких схема пpацює стійко. Для точок, що лежать нижче неї ЕМА не буде встигати обезсолювати воду, що надходить, і відбудеться пеpеповнення ємності 2. Якщо ж вибpати К, N вище області, то виробництво ЕМА буде більше необхідної, що може пpивести до осушення ЕМА. Для захисту від цього необхідно ставити пристрій, який відключає злив пpи досягненні об'ємом рідини деякого поpогового значення.

У цьому випадку схема буде пpацювати по одному з інших ваpіантів наведених на мал. 6.

Висновки

1. Вперше теоретично досліджені характеристики тривимірної течії в каналі з чергуванням прямолінійних і криволінійних ділянок, утворених равнорадіусними поворотами бічних стінок. Для комірок із найбільше характерними для електромембранних опріснювальних апаратів розмірами і режимами течії (при Re від 20 до 400) отримані розподіли компонент швидкості, що дозволяють детально вивчити розвиток парних вихорів у криволінійній ділянці і їхня руйнація і згасання в прямолінійній ділянці комірки. Продемонстровано взаємний вплив сусідніх комірок на розвиток характеристик течій, що виявляється при рості швидкості прокачування. Досліджувано режими, при яких в комірках з'являються зони зворотних течій біля угнутої бокової стінки спочатку повороту у верхньому і нижньому кутах і далі у випуклій стінці в середині каналу по висоті, за серединою повороту. Показано, що зворотні течії біля угнутої бічної стінки з'являються при менших швидкостях, ніж біля опуклої й обумовлені виникненням позитивного градіенту тиску по потоці через нерівномірність розподілу відцентрових сил, викликаного переміщенням максимуму подовжньої швидкості до увігнутої стінки. Виявлено, що зворотні течії виникають при швидкостях більших за 0.2 м/с (Re > 340).

2. Виконані теоретичні дослідження характеристик масопереносу, показали, що макровихреві течії приводять до росту питомого знімання солі з одиниці площі мембрани. При швидкостях потоку біля 0.2 м/c (Re біля 300) питоме знімання солі з одиниці площі мембрани підвищується приблизно на 200% у порівнянні з коміркою у вигляді плоскої щілини. Порівняння отриманих характеристик масопереносу з експериментальними результатами для електромембранних апаратів із різними видами сепараторів-турбулізаторів показало ефективність застосування криволінійних комірок. Отримано табличну залежність питомого знімання солі з комірки від режиму течії. Показано, що застосування макровихрових течій при швидкостях потоку більш 0.1 м/с збільшує питомий зйом солі з одиниці площі мембрани сильніше, ніж використання стандартних сіток сепараторів-турбулізаторів (до 100%). У той же час показане те, що використання криволінійних каналів при швидкостях течії нижче 0.06-0.07 м/с, незважаючи на ріст витрат на прокачування, не дає помітного підвищення знімання солі. З огляду на те, що при швидкостях прокачування більш 0.2 м/с з'являються зони зворотніх течій, що підвищують витрати на прокачування й негативно впливають на масоперенос іонів до мембран, можна заключити, що криволінійні канали при електромембранному опріснюванні слід використо-вувати в діапазоні швидкостей оброблюваної рідини від 0.08 м/с до 0.2 м/с.

Cтворена математична модель, що дозволяє зробити розрахунок на ПЕВМ характеристики течії в криволінійній системі каналів, із використанням швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) для рішення дискретного рівняння Пуассона при визначенні розподілу тиску. Завдяки застосуванню ШПФ вдалося одержати рішення системи рівнянь Навье-Стокса і нерозривності для тривимірної задачі гідродинаміки на ПЕВМ. Показано адекватність моделі.

4. Створено математичну модель переносу іонів бінарного електроліту при проведенні опріснення води в криволінійній електромембранній комірці. Порівнянням отриманих даних із експериментальними результатами, показана адекватність створеної моделі.

5. Розроблена методика розрахунку на ПЕВМ характеристик роботи електромембранних апаратів із криволінійними комірками, дозволяє проводити удосконалювання робочих процесів і характеристик таких апаратів. Зокрема показано, що використання криволінійних комірок приводить до збільшення питомого знімання солі з одиниці площі мембрани до 100% у порівнянні зі стандартними сепараторами-турбулізаторами, отже, можливо проектування приблизно вдвічі компактного суднового електромембранного опріснювача з криволінійними каналами.

6. У якості додатку розроблених методик і отриманих результатів розрахунків, проведене моделювання роботи суднової системи очищення води з використанням електромембранного апарату з криволінійними комірками. На основі даного апарата, із застосуванням циркуляційної схеми вмикання, побудована опріснювальна частина системи. Проаналізовані її стійкі режими работи і вироблений критерій вибору параметрів елементів системи для забезпечення найбільше раціонального режиму роботи. Використовуючи даний підхід можна вибрати найбільш дешевий електромембранний апарат, що забезпечить одержання води заданої якості і нормальне функціонування циркуляційної системи опріснення.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в роботах

1. Шаповалов С.В., Тюрін В.І. Модель масопереноса в каналах суднових електромембранних опріснювачів із макровихревыми потоками рідини: Сб.наук.пр. - Миколаїв: МКІ, 1992, с. 32-37.

2. Шаповалов С.В., Тюрін В.І. Моделюванне макровихревого плину рідини в елементах суднових енергетичних установок: Сб.наук.пр. - Миколаїв: МКІ, 1992, с. 37-42.

3. Шаповалов С.В., Тюрін В.І. Математична модель плину і масопереноса в електромембранному осередку з макровихревим плином рідини. Електрохімія, том 32, N 2, М. 1996, с. 235-241.

4. Шаповалов С.В., Тюрін В.І. Математична модель циркуляційної системи електромембранного опріснення води. Хімія і технологія води, том 18, N 5,Київ, 1996, с. 451-460.

5. Shapovalov S. V.,Tjurin V. I. Matematical model for flow and masstransfer in electromembrane cell. Abstracts international conference on membrane electrochemistry. 20-th spring meeting:ion-exchange membranes from synthesis to applications, Anapa, 1994,рр.96-99

6. Шаповалов С.В.,Тюрін В.І. Макровихреве удосконалювання електромембранних апаратів // Праці 1-ої міжнародної науково-техніченої конференції "Проблеми енергозбереження й екології в судобудуванні",- Миколаїв: УДМТУ, 1996

Размещено на Allbest.ru