On the Use of Heat Transformers in the Process Circuits of Thermal Desalination Plants with a Direct Contact Evaporator
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-3-74-82Keywords:
steam compression heat transformer, desalination plant, condenser, evaporator, compressor, brine, fresh water, working fluidAbstract
The use of thermal desalination plants equipped with a direct-contact evaporator is of great relevance because scale in such installations grows more slowly due to lower temperatures of seawater and evaporation process, the latter being bulk in nature. One of the ways to make the operation of such installations more efficient is to incorporate heat transformers (HTs) into the desalination plant thermal process circuits. The article presents original technical solutions for incorporating steam compression HTs into the thermal process circuits of desalination plants, which use the heat of steam-air mixture, brine, or fresh water as low-grade HT heat sources. A process circuit is proposed, in which excess heat in the HT condenser can be used to evaporate brine, thereby reducing the negative impact on the environment due to decreased effluents of the concentrate generated during desalination. The conditions for efficiently applying the developed technical solutions are determined. Thermal calculations of the developed process circuits and thermodynamic calculations of the desalination plant and steam compression HT cycle were performed with justifying the low-boiling working fluid. The influence of salinity, seawater temperature, and drying temperature on the HT performance when used as part of the thermal desalination plant thermal process circuit with a direct-contact evaporator is analyzed. It has been determined from the conducted research results that the choice of a low-grade energy source for HT depends on the seawater salinity and temperature. The process circuit with brine heat recovery is not applicable at sea water salinities lower than 12 g/L, and the process circuit with using fresh water energy will not be able to provide the required performance at sea water temperatures below 11°C. The use of fresh water heat is most efficient of all the options considered; however, with a salinity of 35 g/l, the process circuit with recovering the brine energy in the most acceptable one.
References
1. Алиева О.О. Технология утилизационного опреснения морской воды // Вестник науки и образования. 2022. № 1—1(121). С. 36—41.
2. Благин Е.В. и др. Исследование влияния процесса накипеобразования в теплообменниках предварительного подогрева дистилляционной опреснительной установки на эффективность их работы // Вестник Международной академии холода. 2019. № 2. С. 37—42.
3. Al-Anezi K., Hilal N. Scale Formation in Desalination Plants: Effect of Carbon Dioxide Solubility // Desalination. 2007. V. 204(1—3). Pp. 385—402.
4. Mohallel S.A. e. a. Assessment of Scaling Formation During Solar Desalination Using PHREEQC Modeling in El Gebail and El Qaa Plain Areas: Southwest Sinai // Renewables: WWS. 2016. V. 3(4). Pp. 1—7.
5. Татаринцев В.А. Влияние физико-химических свойств накипи на эффективность работы теплообменников // Промышленная энергетика. 2024. № 4. С. 28—34.
6. Татаринцев В.А. Особенности накипеобразования в трубах теплообменных аппаратов // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Серия: «Энергетика». 2022. Т. 22. № 1. С. 97—105.
7. Благин Е.В., Горшкалев А.А., Корнеев С.С., Урлапкин В.В. Исследование возможности повышения эффективности дистилляционной опреснительной установки // Международный научно-исследовательский журнал. 2018. № 11—1(77). С. 63—69.
8. Bronskaya V.V. e. a. Improving the Efficiency of the Water Treatment System at the Thermal Station // Proc. VIII Intern. Conf. on Advanced Agritechnologies, Environmental Eng. and Sustainable Development. Krasnoyarsk, 2023. V. 390(1). P. 05010.
9. Shahzad M.W., Burhan M., Ybyraiymkul D., Ng K.Ch. Desalination Processes' Efficiency and Future Roadmap // Entropy. 2019. V. 21(1). Pp. 84—98.
10. Ng K.Ch. e. a. A Thermodynamic Platform for Evaluating the Energy Efficiency of Combined Power Generation and Desalination Plants // Clean Water. 2021. V. 4(1). Pp. 25—35.
11. Petersen N.H., Arras M., Wirsum M., Ma L. Integration of Large-scale Heat Pumps to Assist Sustainable Water Desalination and District Cooling // Energy. 2023. V. 289(2). P. 129733.
12. Св-во № 2024661609 РФ о гос. регистрации программы для ЭВМ. «SeaWaterPro» / Банников А.В., Козлова М.В., Лапшова В.М. // Бюл. 2024. № 6.
13. Козлова М.В., Банников А.В., Банникова С.А. Исследование работы термической опреснительной установки с контактным испарителем и компрессией паровоздушной смеси // Вестник Ивановского гос. энергетического ун-та. 2024. № 5. С. 21—30.
14. Воронцов А.А., Баталкина С.А., Булыгин А.М., Нефедова Г.И. Солёностный режим Чёрного моря в последние пять лет // Труды Всерос. науч-исслед. ин-та гидрометеорологической информации — Мирового центра данных. 2023. № 191. С. 111—120.
15. Валле А.А., Губарев А.В., Полонский А.Б. Современное состояние банка океанологических данных Института природно-технических систем // Системы контроля окружающей среды. 2024. № 3(57). С. 88—98.
16. Sokolov P.S., Kozlova M.V., Bannikov A.V. Hygroscopic Method Application and Realization for Demineralization of Sea and Salted Water // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1683(5). P. 052006.
17. Ивлева Г.А., Гусев Н.Н. Анализ мирового опыта и научно-технических разработок в области кондиционирования опресненных высокоминерализованных вод для питьевых целей (применительно к шахтным водам Восточного Донбасса) // Горный информационно-аналитический бюл. 2011. № 10. С. 162—170.
18. Сигора Г.А. и др. Обзор методов переработки рассолов, образующихся в результате работы дистилляционных установок // Успехи современной науки. 2017. Т. 1. № 12. С. 140—146.
19. Пронин В.А., Кованов А.В., Калашникова Е.А., Цветков В.А. Перспектива использования озонобезопасных хладагентов с низким потенциалом глобального потепления в спиральных компрессорах. Ч. 1 // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». 2021. Т. 5. № 4. С. 9—16.
20. Pabon Ju.J.G. e. a. Applications of Refrigerant R1234yf in Heating, Air Conditioning and Refrigeration Systems: a Decade of Researches // Intern. J. Refrigeration. 2020. V. 118. Pp. 104—113.
---
Для цитирования: Козлова М.В. Анализ использования трансформаторов теплоты в тепловых схемах термических опреснительных установок с контактным испарителем // Вестник МЭИ. 2026. № 3. С. 74—82. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-74-82.
#
1. Alieva O.O. Tekhnologiya Utilizatsionnogo Opresneniya Morskoy Vody. Vestnik Nauki i Obrazovaniya. 2022;1—1(121):36—41. (in Russian).
2. Blagin E.V. i dr. Issledovanie Vliyaniya Protsessa Nakipeobrazovaniya v Teploobmennikah Predvaritel'nogo Podogreva Distillyatsionnoy Opresnitel'noy Ustanovki na Effektivnost' Ih Raboty. Vestnik Mezhdunarodnoy Akademii Holoda. 2019;(2):37—42. (in Russian).
3. Al-Anezi K., Hilal N. Scale Formation in Desalination Plants: Effect of Carbon Dioxide Solubility. Desalination. 2007;204(1—3):385—402.
4. Mohallel S.A. e. a. Assessment of Scaling Formation During Solar Desalination Using PHREEQC Modeling in El Gebail and El Qaa Plain Areas: Southwest Sinai. Renewables: WWS. 2016;3(4):1—7.
5. Tatarintsev V.A. Vliyanie Fiziko-himicheskih Svoystv Nakipi na Effektivnost' Raboty Teploobmennikov. Promyshlennaya Energetika. 2024;4:28—34. (in Russian).
6. Tatarintsev V.A. Osobennosti Nakipeobrazovaniya v Trubah Teploobmennyh Apparatov. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo Gos. Un-ta. Seriya: «Energetika». 2022;22(1):97—105. (in Russian).
7. Blagin E.V., Gorshkalev A.A., Korneev S.S., Urlapkin V.V. Issledovanie Vozmozhnosti Povysheniya Effektivnosti Distillyatsionnoy Opresnitel'noy Ustanovki. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2018;11—1(77):63—69. (in Russian).
8. Bronskaya V.V. e. a. Improving the Efficiency of the Water Treatment System at the Thermal Station. Proc. VIII Intern. Conf. on Advanced Agritechnologies, Environmental Eng. and Sustainable Development. Krasnoyarsk, 2023;390(1):05010.
9. Shahzad M.W., Burhan M., Ybyraiymkul D., Ng K.Ch. Desalination Processes' Efficiency and Future Roadmap. Entropy. 2019;21(1):84—98.
10. Ng K.Ch. e. a. A Thermodynamic Platform for Evaluating the Energy Efficiency of Combined Power Generation and Desalination Plants. Clean Water. 2021;4(1):25—35.
11. Petersen N.H., Arras M., Wirsum M., Ma L. Integration of Large-scale Heat Pumps to Assist Sustainable Water Desalination and District Cooling. Energy. 2023;289(2):129733.
12. Sv-vo № 2024661609 RF o Gos. Registratsii Programmy dlya EVM. «SeaWaterPro». Bannikov A.V., Kozlova M.V., Lapshova V.M. Byul. 2024. № 6. (in Russian).
13. Kozlova M.V., Bannikov A.V., Bannikova S.A. Issledovanie Raboty Termicheskoy Opresnitel'noy Ustanovki s Kontaktnym Isparitelem i Kompressiey Parovozdushnoy Smesi. Vestnik Ivanovskogo Gos. Energeticheskogo Un-ta. 2024;5:21—30. (in Russian).
14. Vorontsov A.A., Batalkina S.A., Bulygin A.M., Nefedova G.I. Solenostnyy Rezhim Chernogo Morya v Poslednie Pyat' Let. Trudy Vseros. Nauch-issled. In-ta Gidrometeorologicheskoy Informatsii — Mirovogo Tsentra Dannyh. 2023;191:111—120. (in Russian).
15. Valle A.A., Gubarev A.V., Polonskiy A.B. Sovremennoe Sostoyanie Banka Okeanologicheskih Dannyh Instituta Prirodno-tekhnicheskih Sistem. Sistemy Kontrolya Okruzhayushchey Sredy. 2024;3(57):88—98. (in Russian).
16. Sokolov P.S., Kozlova M.V., Bannikov A.V. Hygroscopic Method Application and Realization for Demineralization of Sea and Salted Water. J. Phys.: Conf. Ser. 2020;1683(5):052006.
17. Ivleva G.A., Gusev N.N. Analiz Mirovogo Opyta i Nauchno-tekhnicheskih Razrabotok v Oblasti Konditsionirovaniya Opresnennyh Vysokomineralizovannyh Vod dlya Pit'evyh Tseley (Primenitel'no k Shahtnym Vodam Vostochnogo Donbassa). Gornyy Informatsionno-analiticheskiy Byul. 2011;10:162—170. (in Russian).
18. Sigora G.A. i dr. Obzor Metodov Pererabotki Rassolov, Obrazuyushchihsya v Rezul'tate Raboty Distillyatsionnyh Ustanovok. Uspekhi Sovremennoy Nauki. 2017;1(12):140—146. (in Russian).
19. Pronin V.A., Kovanov A.V., Kalashnikova E.A., Tsvetkov V.A. Perspektiva Ispol'zovaniya Ozonobezopasnyh Hladagentov s Nizkim Potentsialom Global'nogo Potepleniya v Spiral'nyh Kompressorah. Ch. 1. Omskiy Nauchnyy Vestnik. Seriya «Aviatsionno-raketnoe i Energeticheskoe Mashinostroenie». 2021;5(4):9—16. (in Russian).
20. Pabon Ju.J.G. e. a. Applications of Refrigerant R1234yf in Heating, Air Conditioning and Refrigeration Systems: a Decade of Researches. Intern. J. Refrigeration. 2020;118:104—113
---
For citation: Kozlova M.V. On the Use of Heat Transformers in the Process Circuits of Thermal Desalination Plants with a Direct Contact Evaporator. Bulletin of MPEI. 2026;3:74—82. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-74-82
