Устройство получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии

Полезная модель относится к области экологии и энергетики, в частности к получению пресной воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии.
Известна энергетическая башня, работающая по циклу Майсоценко с косвенно-испарительным охлаждением воздуха. Она состоит из двух вертикальных концентрических цилиндров. Внешняя поверхность внутреннего цилиндра покрыта тонким слоем гидрофобной капиллярно-пористой поверхности смачиваемой водой. Атмосферный воздух поступает во внутренний цилиндр - сухой канал, где движется вниз, охлаждаясь от холодной стенки канала, температура которой снижается за счет испарения воды из капиллярно-пористой поверхности на наружной стороне внутреннего цилиндра. Вышедший из него холодный воздух поступает в кольцевой влажный канал и движется вверх с увеличением его влажности за счет испарения воды на выходе из влажного канала. Вследствие испарения воды в кольцевом влажном канале, масса воздушного потока на выходе из влажного канала больше его массы на входе в сухой канал. Наименьшая температура воздуха, близкая к точке росы, достигается в нижней части градирни на выходе из сухого канала. За счет увлажнения воздуха во влажном канале понижается его давление и возникает подъемная сила, обеспечивающая движение воздуха через сухой и влажный каналы с увеличением его скорости. Кинетическая энергия воздушного потока используется для выработки электроэнергии ветрогенератором, установленным в нижней части сухого канала.
Недостатком описанной установки, принятой в качестве прототипа изобретения, является не использование в ней экстрагирования влаги из атмосферного воздуха и недостаточное генерирование электроэнергии. (http://docplayer.ru/40849185-Cikl-maysocenko-i-perspektivy-ego-ispolzovaniya-v-ukraine.html А. Халатов, И. Карп, Б. Исаков, Цикл Майсоценко и перспективы его использования в Украине).
Известно устройство для получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии. (Патент РФ №2620830, МПК Е03В 3/28, опубл. 30.05.2017). Это устройство получения пресной воды с косвенно-испарительным охлаждением атмосферного воздуха, включающее два концентрически расположенных вертикальных цилиндра, образующих «сухой» и «влажный» воздушный каналы, «влажный» канал снабжен гидрофобной капиллярно-пористой поверхностью смачиваемой водой, ветроэнергетическую установку, во внутреннем вертикальном цилиндре размещен «мокрый» канал, внутренняя стенка внутреннего цилиндра покрыта гидрофобной капиллярно-пористой поверхностью, концентрический «сухой» канал находится между внешним и внутренним вертикальными цилиндрами, в нижней части внешнего цилиндра размещена водяная емкость для сбора сконденсировавшейся влаги, каплеулавливающая сетка и несколько рядов пластин стока влаги в водяную емкость с зазорами для прохода потока воздуха, водяная емкость связана одним трубопроводом с насосом с верхней частью гидрофобной поверхности, а вторым трубопроводом с потребителем пресной воды; над внутренним вертикальным цилиндром устанавливают на подшипниках подвижный корпус трубы Вентури, снабженный ветряным флюгером; на центральной оси трубы Вентури размещена ветроэнергетическая установка с ветроколесом и электрогенератором, корпус трубы Вентури окружают неподвижным кольцевым воздушным соплом, укрепленным на внутреннем вертикальном цилиндре. Указанный патент принят в качестве прототипа изобретения.
Недостатком прототипа является необходимость применения в установке достаточно высоких концентрически установленных цилиндрических труб вследствие невысокого коэффициента теплоотдачи между воздухом движущемся в кольцевом зазоре и наружной поверхностью внутренней трубы.
Целью предполагаемой полезной модели является уменьшение габаритов установки и ее стоимости.
Поставленная цель достигается за счет того, что устройство получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии состоит двух концентрически расположенных вертикальных цилиндра, образующих «сухой» и «влажный» воздушный каналы, «влажный» канал находится во внутреннем вертикальном цилиндре, его внутренняя поверхность покрыта гидрофильной капиллярно-пористой поверхностью, «сухой» канал находится между внешним и внутренним вертикальными цилиндрами, в нижней части внешнего цилиндра находится водяная емкость влаги сконденсированной из атмосферного воздуха, каплеулавливающая сетка, пластины для стока влаги в водяную емкость с зазорами для прохода потока воздуха, водяная емкость связана одним трубопроводом с насосом с верхней частью гидрофобной поверхности, а вторым трубопроводом с потребителем пресной воды; над верхней частью цилиндров установлен на подшипниках подвижный корпус трубы Вентури с воздушным флюгером, на центральной оси трубы Вентури размещена ветроэнергетическая установка с ветроколесом и электрогенератором, причем устройство снабжено подвижным корпусом установленным на подшипникам содержащим трубу Вентури и верхнюю часть внешнего цилиндра с тангенциальным входом атмосферного воздуха, ветроэнергетическая установка размещена в выходной части трубы Вентури.
На Фиг. 1 изображена вертикальная проекция предлагаемого устройства получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии и горизонтальное сечение подвижного корпуса.
На Фиг. 2 изображено сечение А-А по нижней части подвижного корпуса устройства.
Устройство получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии содержит воздушный флюгер - 1, трубу Вентури - 2, ветроэнергетическую установку с ветроколесом и электрогенератором - 3, подвижный корпус - 4, подшипник - 5, коаксиально установленные внешний вертикальный цилиндр - 6 и внутренний вертикальный цилиндр - 7, гидрофобную капиллярно-пористую поверхность - 8, каплеулавливающие сетки - 9, пластины стока влаги с зазорами для прохода потока воздуха - 10, водяная емкость сбора сконденсированной влаги - 11, трубопровод с насосом - 12, трубопровод отвода пресной воды - 13.
Воздушный флюгер 1 установлен над трубой Вентури 2. На центральной оси трубы Вентури установлена ветроэнергетическая установка с ветроколесом и электрогенератором 3. В верхней части подвижного корпуса 4 размещена труба Вентури, а в его нижней части находится дополнительный тангенциальный вход атмосферного воздуха. Подвижный корпус 4 установлен на подшипнике 5 над неподвижными вертикальными цилиндрами 6 и 7. Внутренняя поверхность вертикального цилиндра 7 покрыта гидрофобным капиллярно-пористым слоем 8. В нижней части кольцевого зазора между вертикальными цилиндрами 6 и 7 установлены каплеулавливающие сетки - 9. Пластины 10 обеспечивают сток сконденсированной влаги в водяную емкость 11. Трубопровод отвода пресной воды 13 связывает установку с потребителем. Трубопровод оросительной воды с насосом 12 связывает трубопровод отвода пресной воды 13 с верхней частью гидрофобного капиллярно-пористого слоя 8.
Устройство получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии работает следующим образом.
Воздушный флюгер 1 устанавливает подвижный корпус 4 по направлению потока атмосферного воздуха. Этот воздушный поток через тангенциальный вход, находящийся в нижней части подвижного корпуса 4, входит, закручиваясь в кольцевой зазор («сухой» канал) между внешним 6 и внутренним 7 цилиндрами и движется вниз. Вследствие закрутки воздушного потока происходит его разделение на движущиеся вниз по «сухому» каналу «холодный» и «горячий» потоки. «Холодный» поток тангенциально обтекает внутренний цилиндр 8, а «горячий» поток смещается к внутренней поверхности внешнего цилиндра 6. В результате тангенциального закрученного движения воздушного потока через «сухой» канал существенно увеличивается длина его пути вдоль холодной стенки внутреннего цилиндра 7. Ее охлаждение происходит за счет испарения воды из гидрофобной капиллярно-пористой поверхности 8, покрывающей внутреннюю сторону внутреннего цилиндра 7. При этом в этом потоке воздуха при меньшей, чем в прототипе, высоте цилиндров достигается состояние «точки росы» с конденсацией паровой составляющей воздуха.
Капли образовавшегося конденсата собираются на каплеулавливающих сетках 9 и полученная пресная вода по пластинам стока влаги 10 поступает в водяную емкость 11. Из нее меньшую часть собранной воды подают из полученной пресной воды по трубопроводу 12 с насосом в верхнюю часть гидрофобной поверхности 8 для ее смачивания водой, а большую часть воды из водяной емкости 11 отводят к потребителю по трубопроводу отвода воды 13. Обтекающий пластины стока влаги 10 охлажденный воздух поворачивается и движется вверх по «влажному» каналу, находящемуся во внутреннем вертикальном цилиндре 7. За счет испарения воды из гидрофобной капиллярно-пористой поверхности 8, покрывающей внутреннюю сторону внутреннего вертикального цилиндра 7, относительная влажность воздуха в этом канале приближается к 100%. При этом при движении воздуха по «влажному» каналу повышается масса увлажненного воздуха и снижается его плотность. В результате этого давление влажного воздуха на выходе из «влажного» канала внутреннего цилиндра 7 становится более низким, чем давление атмосферного воздуха. Поток атмосферного воздуха ускоряется при входе в трубу Вентури. Кинетическая энергия этого потока используется в ветроколесе ветроэнергетической установки 3 с выработкой электроэнергии в ее электрогенераторе. При этом в узком сечении трубы Вентури 2 снижается статическое давление воздуха. Разность плотностей и давлений между атмосферным воздухом и воздухом поступающим из ветроколеса и потока воздуха из «влажного» канала обеспечивает повышение скорости воздушного потока в «сухом» и «влажном» каналах, и приводит к дополнительному ускорению скорости атмосферного воздуха в трубе Вентури 2 и увеличению выработки электроэнергии в ветроэнергетической установке 3. При этом также увеличивается расход через «сухой» и «влажный» каналы. В результате этого повышается производительность этого устройства получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии.
Предлагаемое устройство за счет интенсификации теплообмена в его «сухом» канале позволяет уменьшить высоту коаксиальных цилиндров и производительность установки по получению из воздуха пресной воды. Размещение ветроэнергетической установки в выходной части трубы Вентури позволяет увеличить электрическую мощность установки и выработку электроэнергии за счет ее работы на суммарном потоке атмосферного воздуха и увлажненного воздуха вышедшего из внутреннего коаксиального цилиндра.