Опреснение воды

Во многих богатых солнцем районах земного шара люди испытывают недостаток пресной воды. И неудивительно, что издавна солнечную энергию здесь использовали для получения питьевой воды из загрязненных или соленых источников. Для этой цели применяли разнообразные устройства различной степени сложности. На рис. 32 показана одна из простейших систем подобного назначения. Предназначенная для очистки вода набирается в поддон, расположенный в нижней части устройства, где она нагревается за счет поглощения солнечной энергии. Поверхность поддона обычно чернят, так как вода почти беспрепятственно пропускает коротковолновую часть солнечного излучения. (Иногда воду подкрашивают в черный цвет, и она становится поглотителем.) С повышением температуры движение молекул воды становится более интенсивным и часть из них покидает поверхность воды. Подхваченные конвективными воздушными потоками такие молекулы уносятся прочь. Насыщенный водяными парами воздушный поток поднимается вверх, охлаждается; соприкасаясь с поверхностью прозрачного покрытия, пары частично конденсируются, а образовавшиеся капли стекают по ней вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

Для повышения эффективности системы необходимо, чтобы при конденсации на поверхности покрытия образовывалась водная пленка, так как при конденсации воды в виде капель значительная часть падающей на поверхность покрытия солнечной радиации отражается ими; даже при сравнительно больших углах наклона поверхности, когда вода довольно быстро стекает, примерно половина всей поверхности покрытия занята каплями воды. В зависимости от величины поверхностного натяжения воды и материала панели покрытия вода конденсируется на нем в том или ином виде. На тщательно очищенной от следов жира стеклянной поверхности обычно образуется пленка воды, тогда как почти на всех, даже более чистых пластмассовых поверхностях сконденсированная вода выпадает в виде капель. Это свойство пластических материалов читатель, вероятно, мог заметить, наблюдая поведение капель воды на поверхности сумок и плащей.

На некоторых новых пластических материалах возможна пленочная конденсация воды, но такие материалы вследствие высокой стоимости (приближающейся к стоимости стекла) для рассматриваемых целей непригодны.

Рис. 32. Простой солнечный опреснитель

Средняя производительность солнечной опреснительной установки приравнивается к скорости выпадания осадков, последняя составляет 0,5 см в день. Попытаемся обосновать это утверждение, проанализировав работу изображенного на рис. 32 опреснительного устройства. Детальный анализ процессов переноса массы весьма сложен, и мы ограничимся здесь весьма упрощенным их рассмотрением. Предположим, что поглотитель и соприкасающаяся с ним вода находятся при температуре T (рис. 33). Температура покрытия опреснителя, как и в прежних примерах, равна T₁. Ранее, при рассмотрении плоского поглотителя, мы установили, что между поглотителем и покрытием происходит конвективный теплообмен, скорость которого через единицу поверхности определяется из соотношения:

где h - коэффициент теплоотдачи, равный скорости передачи тепла через единицу поверхности в единицу времени при разности температур в один градус. Тогда, как показано на рис. 33, процесс конвекции можно представить в виде двух противоположно направленных воздушных потоков, каждый из которых через единицу поверхности в единицу времени переносит массу воздуха m.

Рис. 33. Конвективные потоки в солнечном опреснителе

Если считать, что по своим свойствам воздух близок к идеальному газу, то внутреннюю энергию единицы массы воздушного потока при любой температуре T можно представить произведением cT, где c - удельная теплоемкость воздуха. Тогда более теплый поток, перемещающийся вверх от поглотителя к покрытию, характеризуется внутренней энергией mcT. Более холодный поток противоположного направления обладает энергией mcT₁. Следовательно, скорость теплообмена запишется в виде

Из уравнения (5.8) и (5.9) находим количество массы воздуха, переносимой через единицу поверхности в единицу времени (скорость массообмена) при условии идеальной конвекции:

Например, при удельной теплоемкости воздуха c = 0,28 ^Вт*ч/_(кг*K) и h = 4 ^Вт/_(м²*K), m = 14,3 ^кг/_(м²*ч).

В дальнейшем мы будем полагать, что при переносе паров воды характер конвекции и скорость массообмена существенно не изменяются. Подобные допущения обычно оправданы при анализе элементарных процессов переноса массы, то есть при малой скорости процессов. Кроме того, мы предполагаем, что потоки воздуха, унося с данной поверхности определенное количество влаги, не нарушают ее равновесного состояния при данной температуре. В условиях контакта газа с жидкостью некоторые молекулы покидают поверхность жидкости, затем снова возвращаются, поэтому устойчивое состояние система сохраняет в том случае, когда скорости испарения и конденсации жидкости равны. Тогда вблизи поверхности жидкости устанавливается некоторая определенная концентрация молекул жидкости, или пара в газе, называемая удельной влажностью w. Эта величина, характеризующая содержание пара в единице массы , газа, строго зависит от температуры. Подобная зависимость для контакта воды с воздухом представлена на рис. 34. Мы полагаем, что в такой системе равновесие устанавливается достаточно быстро и не нарушается при конвекции воздуха вблизи поверхности воды, а также при последующей конденсации воды на поверхности покрытия.

Рис. 34. Температурная зависимость относительной влажности воздуха при атмосферном давлении

Если рассматривать процесс конвекции как одновременное протекание двух встречных потоков, каждый из которых характеризуется скоростью переноса массы m на единицу поверхности панели, то скорость испарения воды равна mw. Тогда скорость процесса конденсации составляет mw₁, а результирующая скорость переноса воды к панели выражается разностью m(w - w₁); последняя определяет производительность процесса опреснения воды M, приведенную к единице поверхности панели.

Чтобы преодолеть силы притяжения, действующие со стороны молекул жидкости, и присоединиться к молекулам пара, молекула жидкости должна получить определенную кинетическую энергию. При данной температуре не все молекулы жидкости имеют достаточную для этого скорость (кинетическую энергию). С повышением температуры средняя энергия молекул возрастает, но всегда существуют молекулы, энергия которых больше или меньше этого среднего значения. При дальнейшем увеличении температуры, все большее число молекул оказывается в состоянии вырваться из жидкости. (Этот процесс очень напоминает термоионную эмиссию с поверхности твердых тел, которую мы подробно рассмотрим в гл. 7).

Величина энергии, которую должна приобрести молекула, чтобы покинуть поверхность воды, составляет в среднем около 660 Вт*ч на кг испарившейся воды; поэтому энергия пара весьма значительна. Когда пар, достигая более прохладной поверхности покрытия, частично конденсируется на ней, он передает энергию молекулам покрытия. Таким образом, возникает дополнительный процесс теплопередачи от поглотителя к покрытию. Действие его настолько велико, что разность температур между поглотителем и покрытием падает до 10 K и ниже, тогда как эта разность для плоского коллектора, работающего в условиях сухого воздуха, составляет около 40 K. Чтобы учесть этот процесс, необходимо несколько видоизменить уравнения теплопередачи (4.18) и (4.20). Тогда уравнение (4.18), определяющее скорость энергообмена между поглотителем и покрытием, принимает вид

где l - энергия, переносимая единицей массы водяного пара (скрытая теплота парообразования и конденсации). Уточнив таким образом уравнение (4.18), мы предполагаем, что присутствие паров воды не препятствует энергообмену через излучение.

Уравнения (4.19), (4.20) и (5.11) решаются совместно методом последовательных приближений с учетом температурной зависимости w, показанной на рис. 34. Для иллюстрации возможностей солнечной опреснительной установки мы воспользуемся теми же характеристиками, которые мы применяли при описании плоского коллектора, считая при этом, что излучательная способность поглотителя и нагретой воды ε = 1. Как видно из рис. 35, зависимость между входной мощностью солнечной радиации и количеством опресненной воды носит линейный характер и может быть достаточно точно аппроксимирована следующим уравнением:

где M выражена в ^кг/_м²*ч, а P - ^Вт/_м².

Для расчета дневной производительности опреснительной установки необходимо знать, как меняется в течение дня величина P. Тогда, используя рис. 35 или уравнение (5.12), мы можем рассчитать производительность установки в любое время суток. Например, в ясные дни в центральных районах Англии (изменение величины Р для этих широт представлено на рис. 13) с 1 м² панели солнечной опреснительной установки можно получить 7,6 кг воды летом, а зимой почти ничего. В тропиках (φ = 23,5°) ежедневная производительность такой установки составляет 8,2 ^кг/_м² и 3,3 ^кг/_м² соответственно, или в среднем 5 ^кг/_м² ежедневно на протяжении года. Если поместить 5 кг воды (занимаемый ею объем 5000 см³) в бак площадью 1 м², или 10 тыс. см², образуется слой глубиной 72 см, что как раз соответствует средней норме выпадения осадков в этом районе.

Рис. 35. Характеристика солнечного опреснителя

Очевидно, что производительность такой солнечной опреснительной установки меняется в течение дня в соответствии с изменением интенсивности солнечной радиации P. При очень мелком поддоне скорость получения питьевой воды в любой момент времени зависит только от величины P. Этот случай мы уже рассмотрели. Но при глубоком поддоне температура воды устанавливается лишь через несколько дней, и в дальнейшем питьевую воду можно получать непрерывно на протяжении суток. Для этого необходимо, чтобы количество воды в таком резервуаре во много раз превышало дневную производительность установки, скажем, составляло бы 100 ^кг/_м² при глубине около 10 см.

Одним из недостатков подобного рода опреснительных установок является сезонное изменение их производительности. Предпринимались различные попытки преодолеть эту трудность. Например, была предложена установка, в которой вода испарялась с листа темного поглотителя, впитывавшего воду подобно фитилю. Положение такого поглотителя можно регулировать; его можно наклонить так, чтобы интенсивность падающего излучения была максимальна и, как следствие этого, обеспечивалась максимальная производительность установки на протяжении года. Другим хорошо известным типом опреснителя является плавающая пластмассовая установка, включаемая в снаряжение летчиков и моряков многих государств. Большинство разработок в этой области в последние несколько десятилетий связано с именем доктора Марии Телкес.