Способ и установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха
METHOD AND DEVICE FOR FRESH WATER EXTRACTION FROM ATMOSPHERIC AIR

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха с использованием возобновляемых источников энергии.
Известно с глубокой древности способ получения воды из воздуха путем его конденсации на холодной поверхности. Город Феодосия еще в средние века снабжался водой, которую собирали в сооружениях, заполненных щебнем, на поверхности которого в засушливые летние месяцы конденсировалась вода, которая через систему гончарных труб диаметром 5-7 см подавалась в питьевые фонтаны города (Евсеев А.А. - О водоснабжении города Феодосии в конце XVIII-начале XX в. http://www.liveinternet.ru/users/kancstc/post365986337/).
Недостатком известного способа является низкая эффективность и громоздкость сооружений.
Известны установки получения воды из атмосферного воздуха, использующие возобновляемые источники энергии, в частности солнечную энергетику (патенты: RU №2261958 С1, опубл. 20.12.2003; RU 2131000 С1, опубл. 27.05.1999; RU 2149957, опубл. 27.05.2000).
Недостатками известных установок является то, что для экстракции пресной воды из окружающей среды необходимы большие энергозатраты для работы охладительного элемента, что приводит к низкой производительности, особенно в зимнее время.
Известны установки получения воды из атмосферного воздуха, использующие ветровую энергетику (Патент RU №2526628, опубл. 27.08.2014; http://eco-energiya.blogspot.ru/2015/06/eolewater.html, http://derevnyaonline.ru/community/46/3532).
Недостатки данных установок: для запуска и работы ветровой турбины минимальная скорость ветра составляет 7 м/с и выше, установки требуют периодического обслуживания и ремонта (минимум раз в месяц), высокая материалоемкость и низкая производительность экстракции влаги из воздуха.
3
Известно, что в кубическом метре воздуха содержится (в зависимости от влажности) от 4 до 25 граммов водяных паров (Шметер С.М. Влажность воздуха // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 285-286. - 704 с.). Этот объем от 12 до 16 тыс. км влаги (или 0,000012% всей воды на Земле) можно сравнить с количеством воды в Великих озерах Северной Америки. Разработанные установки по экстракции пресной воды из атмосферного воздуха могут собрать в среднем около 20-30% от этого количества. Самые лучшие условия для них (высокие влажность и температура) - в странах, расположенных в пределах 30 градусов широты от экватора. Здесь расположены самые бедные и густонаселенные страны мира, где на душу населения приходится менее 5 тысяч куб. м воды.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка Water Seer для конденсации влаги из атмосферного воздуха, содержащая ветровую турбину, загоняющую воздух в специальную камеру (водосборник), закопанную в землю, где из-за пониженной температуры вода конденсируется на стенках камеры и накапливается, из водосборника воду можно получать с помощью шланга или помпы (http://www.energy-fresh.ru/ekosfera/water/?id=13743).
Недостатком данной системы является низкая эффективность ветровой турбины из-за низких сроков службы опорных узлов, за счет высоких динамических нагрузок на них со стороны ротора, усложненной технологии производства закрученных лопастей, что сказывается на увеличении их стоимости, и относительно высокая материалоемкость. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) данной ветровой турбины не более 40%, поэтому производительность установки по получению пресной воды очень низкая. Кроме того, отсутствует вытяжной генератор, что влияет на изменение соотношения температур, необходимых для образования точки росы в водосборнике, тем самым понижая производительность экстракции пресной воды.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного способа экстракции пресной воды из атмосферного воздуха с помощью установки относительно простой по конструкции, использующей вихревой эффект, что влияет на существенное повышение объема воздуха в единицу времени, проходящего через установку, тем самым увеличивая экстракцию пресной воды из атмосферного воздуха, при этом не используя какой-либо внешний энергетический источник (аккумулятора холода).
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять эффективную экстракцию пресной воды путем генерирования набегающего воздушного потока и формирования охлажденного до точки росы закрученного потока для нагнетания единого закрученного потока в водосборник для экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, за счет входных и вытяжных «генераторов вихря» для формирования охлажденного ламинаризированного закрученного потока до точки росы, соединенных воздуховодами с водосборником, и нагнетания охлажденного до точки росы воздуха в водосборник для экстракции пресной воды. Для удобства сбора полученной пресной воды и улучшения эксплуатационных характеристик установки водосборник с конденсатором росы размещают под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.
Повышается надежность и долговечность установки за счет отсутствия вращающихся деталей и узлов, сохраняя работоспособность и эксплуатационные характеристики в течение длительного времени. Эффективность работы установки и интенсивность экстракции зависят только от скорости ветрового потока. Конструирование установок различных размеров позволит использовать их как индивидуально, так и для снабжения водой целых поселений, а также для создания искусственных водоемов в засушливых районах для улучшения земель, подверженных опустыниванию и деградации.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе экстракции пресной воды из атмосферного воздуха для получения пресной воды из влажного воздуха, включающем формирование потока атмосферного воздуха и охлаждение сформированного потока воздуха с помощью вихревого эффекта, генерируют набегающий со скоростью от 2 до 20 м/с воздушный поток, проходящий через воздухозаборник «генераторов вихря», и формируют охлажденный до точки росы ламинаризированный закрученный поток со скоростью, превышающей начальную скорость ветра в 5-7 раз, и тем самым нагнетают единый закрученный поток воздушной среды в водосборник, заполненный конденсатором росы, в котором экстрагируют пресную воду, а затем создают вытяжную тягу вытяжным «генератором вихря» и отводят из водосборника осушенный воздух.
нижн
верх
нижн
верх
вз
верх
вз
верх
Технический результат достигается также тем, что предлагаемая установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, содержащая водосборник с конденсатором росы, содержит входные и вытяжной «генераторы вихря», при этом входные «генераторы вихря» состоят из n+1 модульно расположенных устройств для генерации воздушного потока, набегающего со скоростью от 2 до 20 м/с, а каждый «генератор вихря» выполнен в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных в устройстве полых элементов, размещенных один в другом нижний и верхний в форме усеченных конусообразных гиперболоидов вращения, причем внутренние радиусы каждого полого элемента относятся как r=0,4375⋅r, где r - радиус нижнего элемента, r - радиус верхнего элемента, а наружные радиусы элементов, формирующие воздухозаборник, относятся как R=5⋅r, где R - наружный радиус полого элемента, r - радиус верхнего элемента, в полости каждого полого элемента размещены вертикальные лопасти-перегородки, изогнутые по спирали Архимеда, для формирования охлажденного ламинаризированного закрученного потока до точки росы в спиральных вихреобразующих каналах, имеющих спиральную форму и сужающихся по мере приближения к цилиндрическому каналу и образования единого охлажденного закрученного потока в цилиндрическом канале, при этом входные «генераторы вихря» соединены воздуховодами с водосборником и нагнетают охлажденный до точки росы воздух в водосборник, заполненный конденсатором росы, а вытяжной «генератор вихря» отводит через соединенный с водосборником воздуховод осушенный от влаги воздух в окружающую среду, причем водосборник с конденсатором росы размещают под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.
Входные «генераторы вихря» нагнетают охлажденный до точки росы воздух в водосборник, заполненный конденсатором росы, а вытяжной «генератор вихря» отводит осушенный от влаги воздух в окружающую среду, дополнительно увеличивая скорость прохождения воздуха через установку.
В установке экстракции пресной воды из атмосферного воздуха для удобства сбора полученной пресной воды и улучшения эксплуатационных характеристик установки водосборник с конденсатором росы размещают под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.
Предлагаемое изобретение основано на использовании явления «вихревого эффекта», открытого Ж. Ранком и примененного в промышленности А.П. Меркуловым (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике, М.: Машиностроение, 1969).
«Вихревой эффект» проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и практически может быть реализован в устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного (вихревого) потока среды охлаждаются, а периферийные нагреваются. Преобразование свободного вихря в вынужденный вихрь осуществляется в «генераторе вихря» (в вихревой трубе) за счет вязкости и теплопроводности движущегося по спиральной траектории потока и среды. В настоящее время разработаны и широко используются в технике конструкции термостабилизирующих (холод - тепло) установок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта.
Сущность предлагаемого способа и установки экстракции влаги из атмосферного воздуха поясняется фиг. 1, 2, 3 и 4.
На фиг. 1 представлена общая схема установки экстракции пресной воды из атмосферного воздуха.
На фиг. 2 показана принципиальная схема «генератора вихря», продольный разрез.
На фиг. 3 представлен вид «генератора вихря» по стрелке А фиг. 2.
Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха содержит n+1 модулей входных «генераторов вихря» 1, водосборник 2, конденсатор росы 3, вытяжной генератор 4, направляющие воздуховоды 5, соединяющие входные 1 и вытяжной «генераторы вихря» 4 с водосборником 2, канал 6 для отвода воды к потребителю.
Для генерации и формирования закрученного потока применяется «генератор вихря» 1, содержащий коаксиально связанную между собой систему воздухозаборников 7, устройства генерации закрученного потока 8 и эжектор 9. При этом каждое устройство для генерации закрученного потока 8 состоит из двух полых 10 и 11, коаксиально установленных элементов в виде гиперболоида вращения, с размещенными в их полости вертикальными разделяющими лопастями-перегородками 12 спиралеобразной формы. Внутренняя поверхность усеченного гиперболоида вращения и взаимообращенные поверхности лопастей-перегородок в совокупности образуют каналы 13 для генерации потоков воздушной среды, причем каждая криволинейная лопасть-перегородка 12 пронизывает все полые гиперболоиды вращения, независимо от их количества (количества модулей). Ввиду того, что каналы 13 имеют спиральную форму и сужаются по мере приближения к цилиндрическому каналу 14, происходит закрутка (в каждом канале) отдельных струй набегающего потока сплошной среды и образование единого вихря (закрученного потока) в цилиндрическом канале 14, насыпной холм 15.
Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха работает следующим образом.
Набегающий поток ветра, начиная со скорости 2-3 м/с, через воздухозаборник 7 «генераторов вихря» 1 поступает в спиральные вихреобразующие каналы 13, имеющие спиральную форму и сужающиеся по мере приближения к цилиндрическому каналу 14, образует поток единый, охлажденный закрученный поток в цилиндрическом канале 14 с радиальной скоростью более 10 м/с. Далее, этот закрученный и охлажденный до точки росы поток через направляющие воздуховоды 5 нагнетается в водосборник 2 с конденсатором росы 3, где происходит экстракция пресной воды, затем вытяжной «генератор вихря» 4 отводит осушенный от влаги воздух в окружающую среду, дополнительно увеличивая скорость прохождения воздуха через установку.
Эффективность работы установки и интенсивность экстракции в этом случае зависят только от скорости ветрового потока. При этом для удобства сбора полученной пресной воды и улучшения эксплуатационных характеристик установки водосборник 2 с конденсатором росы 3 размещают под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности. По мере накопления воды в водосборнике 2 вода отводится потребителю через канал 6. Водосборник 2 с конденсатором росы 3 размещают под насыпным холмом 15 выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.
Пример
Сравнительный расчет объемов экстракции пресной воды из атмосферного воздуха предлагаемым способом и прототипом представлены в таблице.
в
Исходные данные: скорость набегающего потока ветра - V; площадь цилиндрического канала - S; температура окружающего воздуха - t; абсолютная влажность воздуха - Са; относительная влажность воздуха - Rн; кпд установок - η=30%.