DEVICE FOR OBTAINING WATER FROM ATMOSPHERIC AIR
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Изобретение относится к устройствам для получения пресной воды из влаги окружающего атмосферного воздуха и может быть использовано в полевых, походных или экстремальных условиях, например, в условиях работы экспедиций, поисковых и спасательных групп в удаленных, труднодоступных, безводных и безлюдных местностях, включая засушливые, пустынные, горные районы, а также в быту, в качестве автономного источника пресной воды.
В связи с постоянным увеличением потребления воды, как населением, так и промышленным производством, ее мировые запасы быстро сокращаются. Поэтому необходимо принимать меры по экономии и упорядочению ее потребления, а также по совершенствованию способов и средств ее получения.
При этом важно в первую очередь удовлетворить потребность населения в обеспечении пресной водой в достаточном количестве при отсутствии или недоступности ее природных источников.
Одним из возможных направлений решения этой проблемы является создание устройств, использующих природные источники энергии для получения пресной воды путем конденсации на холодной поверхности или в холодном объеме водяного пара, содержащегося в атмосферном воздухе, с последующим сбором и накоплением воды-конденсата.
Из уровня техники такие устройства известны, например:
- устройство (SU 69751 А1, опубл. 30.11.1947) в виде прорытых в толще земли вертикального и горизонтальных каналов;
- устройство (SU 304960 А1, опубл. 04.06.1971) в виде ямы, стенки которой выстланы влагонепроницаемым материалом, а в центре пространства ямы размещен конусообразный экран из пленки, с жидким гидрофильным покрытием ее поверхности;
- установка (RU 2157874 С2, опубл. 20.10.2000), содержащая расположенную в грунте конденсационную камеру с воздухозабором в виде флюгера, при этом камера теплоизолирована от забора и сброса воздуха;
- колодец (RU 2675473 С1, опубл. 19.12.2018), содержащий заполненную щебнем и зарытую в землю емкость для конденсации, входную трубу для забора воздуха, соединенную с помещенным в емкость перфорированным патрубком, заключенным в полиэтиленовый гофрированный кожух и соединенным с выходной трубой.
Достоинство известных устройств, - в простоте конструкций, позволяющих осуществить их изготовление своими руками с применением доступных и недорогих материалов. Недостатки, - в низкой производительности, как правило, зависящей от влажности воздуха и необходимости наличия ветра.
При этом известные установки стационарны, требуют заглубления в грунт, поэтому они навсегда привязаны к определенной местности.
Поэтому весьма существенно иметь под рукой автономные устройства, надежно обеспечивающие получение пресной воды из воздуха и удовлетворяющие потребность в воде одного человека или группы людей.
Такие устройства также известны, например, емкость для получения воды (RU 2392392 С1, опубл. 20.06.2010). В области горловины емкости размещена крышка, содержащая полый корпус, снабженный эжекторными щелями для забора атмосферного воздуха. Внутри корпуса находятся внутренние и внешние полости-теплообменники, между которыми расположены термоэлементы. Дно крышки выполнено в виде перегородки со щелями, через которые воздух из внешних теплообменников поступает во внутренние и охлаждается до температуры, близкой к температуре «точки росы» с образование конденсата, который накапливаясь, превращается в капли влаги, стекающие через горловину в съемную емкость. В центре крышки смонтирован вертикальный воздуховод с вентилятором, обеспечивающим прохождение потока воздуха через всю систему.
Такое устройство, в связи с особенностями ее конструкции, имеет низкую производительность и неудобно в обращении.
Известна также емкость «РОСА» (RU 2117733 С1, опубл. 20.08.1998). «РОСА» содержит емкость для воды, сочлененную с крышкой, содержащей эжекторные щели, соединенные с внешним холодным теплообменником, контактирующим с блоком термоэлементов, над которыми смонтирован горячий теплообменник. Внешний холодный теплообменник воздуховодом соединен с другим, внутренним холодным теплообменником с минеральным наполнителем, т.е. являющимся практически холодильником.
Атмосферный воздух, перемещаясь по внешнему теплообменнику, охлаждается первично, затем, поступая через воздуховод во внутренний теплообменник, охлаждается до «точки росы». Образующийся конденсат стекает в емкость, а осушенный и охлажденный воздух поступает в горячий теплообменник со щелевидным профилем поверхности, содержащим отверстия, обеспечивающие циркуляцию воздуха, создавая естественную тягу.
Устройство «РОСА» является наиболее близким аналогом заявленного изобретения (прототипом), так как содержит совокупность основополагающих существенных признаков, одинаковых с существенными признаками изобретения: источник воздушного потока, обеспечивающий циркуляцию воздуха, теплообменник, холодильник и емкость для воды.
Недостаток прототипа заключается в том, что система двойного охлаждения атмосферного воздуха и обеспечение его циркуляции внутри корпуса за счет отверстий в щелевидной конфигурации горячего теплообменника усложняет его конструкцию и не гарантирует должную эффективность извлечения воды из воздуха.
Задача изобретения заключается в создании автономного, малогабаритного устройства для получения воды из атмосферного воздуха, модульного типа, например, в виде конструкции, состоящей из нескольких отдельных секций, которая будет надежно обеспечивать работоспособность, функциональность и удобство эксплуатации такого устройства в условиях отсутствия или недоступности источников воды.
Технический результат изобретения - уменьшение габаритов устройства и повышение удобства эксплуатации и технического обслуживания, т.е. повышение эффективности его использования.
Поставленная задача может быть реализована, а ее технический результат может быть достигнут посредством конкретного технического решения заявленного изобретения, заключающегося в том, что:
- устройство для получения воды из атмосферного воздуха содержит корпус, включающий электродвигатель с вентилятором, теплообменник, холодильник и емкость для воды;
- корпус устройства выполнен в виде соосно сочлененных между собой в единое целое посредством резьбовых соединений цилиндрических функциональных секций равного диаметра, - верхней, средней, нижней и секции-емкости для воды;
- электродвигатель с вентилятором и размещенный под ними теплообменник, представляющий собой нагреватель, выполненный в виде радиатора, расположены в верхней секции, на вершине которой смонтирован фильтр грубой очистки атмосферного воздуха;
- холодильник, представляющий собой радиатор охлаждения, заполненный хладагентом и размещенный над ним конический воздуховод теплого воздуха, расположены в средней секции, снабженной в верхней части отверстиями для выхода охлажденного воздуха;
- в нижней секции расположен сферический водосборник, снабженный конической вставкой с отверстиями, установленной в нижней части водосборника по центру последнего и соединенной с фильтром воды, при этом нижняя секция оборудована сливным краном с фильтром и датчиком уровня жидкости с реле и индикатором.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного изобретения в сравнении с его аналогами свидетельствует, что из известного уровня техники на дату подачи заявки не известно и не следует явным образом для «среднего специалиста» в данной области техники устройство того же назначения, что и заявленное изобретение, в котором бы применялась вся совокупность приведенных в независимом пункте формулы и раскрытых в описании существенных признаков.
При этом предложенная совокупность существенных признаков не является очевидной и обеспечивает возникновение у заявленного изобретения новых свойств, позволяющих реализовать поставленную задачу, что означает ее соответствие критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
В целом конструкция заявленного изобретения технологична в изготовлении, поэтому ее производство не представляет технических трудностей, что свидетельствует о соответствии изобретения также и критерию «промышленная применимость».
Заявленное изобретение проиллюстрировано рисунками, на которых изображено:
- на рис. 1 - общий вид заявленного устройства (схематично);
- на рис. 2 - изображение в плане функциональных секций заявленного устройства (схематично).
В основу изобретения положен принцип конденсации воздушных паров атмосферного воздуха при его контакте с охлажденной поверхностью, имеющей температуру «точки росы».
Устройство для получения воды из атмосферы воздуха (рис. 1, 2) содержит корпус, включающий электродвигатель (10) с вентилятором (11), теплообменник (12), холодильник (18) и секцию-емкость для воды (4).
При этом корпус устройства выполнен в виде соосно сочлененных между собой в единое целое посредством резьбовых соединений (5, 6, 7) четырех цилиндрических функциональных секций равного диаметра, - верхней (1), средней (2), нижней (3) и секции-емкости для воды (4).
Секция (1) расположена в верхней части устройства. На ее вершине при помощи резьбового соединения (8) смонтирован фильтр грубой очистки атмосферного воздуха (9). Внутри секции (1) расположен электрический двигатель (10) с присоединенным к нему вентилятором (11). Под электродвигателем (10) с вентилятором (11) расположен нагреватель (12), выполненный в виде сетчатого радиатора. На стенке секции (1) закреплен вход под адаптер (13) 12-220V, а также кнопка включения (14) вентилятора и кнопка включения (15) нагревателя.
Средняя секция (2) резьбовым соединением (5) соединена с верхней секцией (1). Внутри нее расположен холодильник (18), представляющий собой трубчатый радиатор охлаждения, заполненный хладагентом. Над холодильником (18) смонтирован конический воздуховод (16) теплого воздуха. В верхней части секции (2) выполнены отверстия (17) для выхода охлажденного воздуха наружу.
Нижняя секция (3) резьбовым соединением (6) соединена с секцией (2). Внутри нее расположен сферический водосборник (19), в нижней части которого по центру установлена коническая вставка (20) с отверстиями (21). Вставка (20) соединена с фильтром воды (22). На стенках секции (3) противоположно друг другу установлены сливной кран (24) с фильтром (23) и датчик уровня жидкости с реле (на рисунках условно не показано) с индикатором (25).
Секция-емкость (4) представляет собой емкость-накопитель воды.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
Работа вентилятора (11), включаемого путем изменения положения выключателя (14), создает разность давлений воздуха в верхней и нижней части корпуса. Уравновешивая внешнее и внутреннее давление, атмосферный воздух через фильтр грубой очистки (9) (в идеале - электростатический) начинает всасываться в устройство и попадает на имеющий сетчатую форму и приводимый в действие выключателем (15) нагреватель (12). Физические процессы конвекции, теплопроводности и излучения тепла превращают получаемую извне электрическую энергию в тепловую, достигая температуры Tn нагревателя (12).
Теплый воздух, нагретый до температуры Tn через конический воздуховод (18) попадает на стенки заполненного хладагентом радиатора холодильника (18), имеющего температуру Th, меньшую, чем Tn. За счет физических процессов конвекции, теплопроводности и поглощения тепла воздух на стенках радиатора (18) охлаждается, кинетическая энергия молекул воды находящихся в нем уменьшается, что замедляет движение молекул воды и способствует большему взаимодействию между ними.
Межмолекулярные силы сближают молекулы воды, присутствующие в водяном паре, тем самым увеличивая возможность перехода состояния газовой фазы в жидкую.
При достижении температуры холодильника Th, близкой к температуре «точки росы», начинается процесс конденсации водяного пара атмосферного воздуха на стенках радиатора (18). Конденсат, накапливаясь на поверхности стенок, формирует капли воды, которые под действием гравитационных сил тяжести попадают в сферический водосборник (19) и через отверстия (21) конической вставки (20), пройдя фильтр (22), стекают в секцию-емкость (4), наполняя ее объем.
Охлажденный и осушенный воздушный поток распределяется по стенкам водосборника (19), имеющим сферическую форму, и за счет разности давлений, создаваемых вентилятором (11), через отверстия (17), расположенные в верхней части секции (2), выходит из устройства наружу.
В целях предотвращения выхода устройства из строя предусмотрен датчик уровня жидкости с реле, который при заполнении емкости для воды (4) выключает вентилятор (11) и нагреватель (12), о чем информирует встроенный в датчик индикатор (25).
Электропитание устройства осуществляется через адаптер (13) за счет внешних источников питания (сеть ~220V, Powerbank, солнечная батарея, зарядное устройство Фарадея и т.п.).
Использование заявленного изобретения позволит обеспечить потребителю наличие необходимого объема пресной воды в любое время суток, как в полевых, так и бытовых условиях, что весьма важно при отсутствии или недоступности природных источников воды.
Благодаря модульному типу конструкции, обслуживание устройства становится более комфортным. Любые элементы устройства можно извлечь из конкретной секции для технического обслуживания и заменить при необходимости.