Устройство для солнечного испарительного охлаждения воздуха
SOLAR EVAPORATIVE AIR COOLING DEVICE

Область техники
Предполагаемое изобретение относится к охлаждению воздуха в жилых, общественных, производственных помещениях, транспорте, а также на открытых площадках под навесами.
Уровень техники
В известных солнечных кондиционерах используется абсорбционный принцип, заключающийся в охлаждении хладагента воды при абсорбции им низкокипящего вещества, например, аммиака (см., например, патент RU 2738195 С1, опубликованный 09.12.2020).
Недостаток таких кондиционеров состоит в том, что аммиак постепенно разрушает поверхность контакта с ним, и эти кондиционеры не являются долговечными.
Наиболее близким аналогом к устройству для солнечного испарительного охлаждения воздуха является техническое решение, представленное в источнике информации CN 104605589 А, опубликованном 13.05.2015. В известном солнечном испарительном охладителе для кондиционирования воздуха применяется испаряющий водопоглощающий материал, который увеличивает площадь испарения, и в результате понижается температура под испаряющей поверхностью зонта или другого навеса. Данный охладитель содержит резервуар с водой, вентилятор для продува воздуха в помещение, хладагент, испаряющийся под воздействием солнечного излучения, помещенный на водопоглощающий материал, который приведен в непосредственный контакт с охлаждаемым пространством, причем нижняя часть водопоглощающего материала находится в резервуаре с водой.
Недостатком указанного в данном документе технического решения является то, что устройство плохо работает в тени. Более того, в источнике информации CN 104605589 А не раскрыта возможность использования указанного устройства для солнечного испарительного охлаждения воздуха в жилых, производственных помещениях, транспорте. Кроме того, размещение нижней части водопоглощающего материала в резервуаре с водой является простым способом смачивания материала, при этом не позволяет обеспечить равномерное распределение воды на всей поверхности материала, а также не позволяет осуществлять постоянный контроль процесса испарения.
Задача и технический результат
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение более эффективного охлаждения воздуха для объектов, находящихся в тени, понижения температуры охлаждаемого пространства как в жилых, общественных, производственных помещениях, транспорте, так и на открытых площадках под навесами, размещенными в тени, обеспечение равномерного распределения воды по поверхности смачиваемого материала, осуществление более полного контроля за процессом испарения при сохранении простоты и экологичности устройства.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, что устройство для солнечного испарительного охлаждения воздуха, включающее вентилятор для продува воздуха, гигроскопичный капиллярно-пористый материал, который приведен в непосредственный контакт с охлаждаемым пространством и/или помещен на поверхность-подложку, контактирующую с поверхностью охлаждаемого пространства, на гигроскопичный капиллярно-пористый материал помещен хладагент, испаряющийся под воздействием солнечного излучения, причем устройство дополнительно содержит водораспределительную трубу с форсунками для разбрызгивания хладагента воды, трубы для присоединения к источнику воды (водопроводной, родниковой, колодезной и др.) через соответствующие клапаны и контрольное оборудование для периодической подачи воды в водораспределительную трубу и разбрызгивания хладагента. При этом устройство дополнительно снабжено солнечными отражателями-гелиостатами, направляющими солнечное излучение на теневую и неосвещенную сторону объекта, которые расположены на расстоянии не менее 0,5 метра от водораспределительной трубы.
Также устройство дополнительно снабжено механизмом слежения за солнцем.
В качестве гигроскопичного капиллярно-пористого материала могут быть использованы любые тканевые материалы с высокой степенью гигроскопичности, например, трикотажное полиэтиленовое полотно, трикотажные, махровые и фланелевые ткани из хлопка, бамбука, шелка, вискозы, льна, риса и других растений.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приводится температура различных поверхностей без испарения и при испарительном охлаждении.
На фиг.2 представлена зависимость массовой скорости испарения дистиллированной воды от температуры.
На фиг.3 показано устройство для солнечного испарительного охлаждения воздуха согласно заявленному изобретению.
На фиг.4 показана схема размещения гелиостатов.
Осуществление изобретения
В основу предполагаемого изобретения положено явление испарительного охлаждения окружающего воздуха при испарении воды, которая имеет большую удельную теплоту испарения. Благодаря тому, что удельная теплота испарения воды, равная 2453 кДж/кг, на порядок больше по сравнению с другими веществами, в процессе испарения тратится большое количество теплоты.
На основании проведенных экспериментов (фиг.1) можно сделать вывод, что при температуре в тени, равной 40°С, температура на открытой местности на солнце равна около 60°С.
3
2
3
2
В работе Бульба Е.Е. "Коэффициент аккомодации жидкости при температурах ниже температуры кипения". Томский политехнический университет, 634050, Томск, E-mail: bulba@tpu.ru, https://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C02/013.pdf показано, что при 40С массовая скорость испарения равна около 0,2⋅10 кг/м с, при 50°С - около 0,3⋅1.0 кг/м с, то есть в 1,5 раза больше, чем при 40°С.
3
2
При этом при температуре 60°С массовая скорость испарения равна около 0,5 10 кг/м с, то есть в 2,5 раза больше, чем при температуре 40°С.
На фиг.2 представлена функциональная зависимость массовой скорости испарения дистиллированной воды от температуры окружающей среды (Бульба Е.Е. "Коэффициент аккомодации жидкости при температурах ниже температуры кипения". Томский политехнический университет, 634050, Томск, E-mail: bulba@tpu.ru, https://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C02/013.pdf).
Из работы можно сделать вывод, что объекты из гигроскопичного материала, находящиеся в тени и имеющие меньшую температуру, хуже понижают температуру заданного пространства, чем гигроскопичные объекты, подверженные солнечному излучению. Если температура объекта при испарении на солнце в нашем эксперименте понизилась с 57°С до 22°С, то есть разница составила 35°С, то при уменьшении испарения в 2,5 раза при испарении гигроскопичного материала при 40°С, судя по графику на фиг.2, разница будет равна примерно 14°С. Значит, объект, находящийся в тени, при испарении понижает свою температуру лишь до 26°С. В работе "Исследование скорости испарения воды с примесями", https://school-herald.ru/ показано, что для озерной воды скорость испарения при одной и той же температуре примерно в 1,5 раза больше, чем у дистиллированной воды. Это означает, что в абсолютных значениях разница скоростей испарения воды при различных температурах окружающей среды будет еще больше, чем для дистиллированной воды.
Следовательно, можно сделать вывод, что температура, при которой находится материал, сильно влияет на результаты испарения.
Данный эффект и применяется в заявленном изобретении.
Схема заявленного устройства приведена на фиг.3.
Здесь 1 - гигроскопичный капиллярно-пористый материал;
2 - форсунки для разбрызгивания воды;
3 - трубопровод для подачи хладагента - воды;
4 - оборудование для контроля подачи воды;
5 - вентиль;
6 - гелиостаты;
7 - механизм слежения за солнцем;
8 - охлаждаемое пространство;
9- вентилятор;
10 – солнце;
11 - крыша с гигроскопичным материалом 1;
12 - неосвещаемая стена дома с гигроскопичным материалом;
13 - освещаемая стена дома.
Устройство для солнечного испарительного охлаждения воздуха содержит гигроскопичный капиллярно-пористый материал 1, приведенный в непосредственный контакт с охлаждаемым пространством или помещенный на гладкую поверхность-подложку, контактирующую с поверхностью охлаждаемого пространства. То есть в случае охлаждения воздуха на открытых площадках под навесами или зонтами, поверхность зонтов или навесов изготавливается из гигроскопичного капиллярно-пористого материала. При поглощении влаги волокна гигроскопичной ткани увеличиваются в объеме, размеры их изменяются. Когда гигроскопичная ткань попадает в атмосферу с низкой влажностью (сухой воздух), высыхание происходит не сразу. Какой-то период времени вода, благодаря взаимодействию с волокнами, остается связанной, не испаряется. Гигроскопичные ткани в условиях сухого воздуха не теряют воду мгновенно. Процесс высыхания идет медленно. Это свойство гигроскопичных материалов играет важную роль в устройстве испарительного охладителя. При необходимости охладить пространство внутри дома или транспорта, такой материал помещается на крышу или стену дома или на крышу транспорта. Тепло от объекта (здание, транспорт) поглощается влажным гигроскопичным материалом, который действует как теплоотвод, а тепловая энергия передается от влажного материала окружающей атмосфере за счет конвекции и испарительного охлаждения, когда потоки ветра проходят через этот материал.
С целью осуществления циркуляции воздуха по поверхности гигроскопичного материала вблизи материала устанавливается вентилятор 9. Вентилятор 9 также может быть использован для продува воздуха в помещение.
Для орошения поверхности водопоглощающего материала хладагентом воды (водой) в устройстве используется распределительная труба с размещенными на ней форсунками; расположение форсунок на единой трубе направлено на упрощение устройства и более равномерное распределение воды по поверхности смачиваемого материала. Водораспределительную трубу соединяют с источником воды (водопроводной, родниковой, колодезной и др.) при помощи трубопроводов и шлангов через соответствующие клапаны и контрольное оборудование для периодической подачи воды в распределительную трубу и на форсунки для выплеска водяных брызг на гигроскопичный материал. Вода в данном случае подается через равные промежутки времени и одинаковыми порциями, причем управление осуществляется таймером и датчиками, которые реагируют на температуру, влажность, интенсивность солнечного света и время суток.
Также устройство может быть снабжено вентилем для воды для обеспечения контроля количества воды для более эффективного управления процессом испарения.
Рассмотрим случай, когда объект (транспорт, навес, жилое или производственное помещение) находится под воздействием солнечного излучения.
Вода от источника воды через трубопроводы или шланги подается в водораспределительный трубопровод с форсунками. В случае отсутствия электричества может использоваться вентиль, который позволяет прекратить подачу воды либо же увеличить ее количество. В случае применения электронного блока управления вода подается через равные промежутки времени и одинаковыми порциями, управление осуществляется таймером и датчиками, которые реагируют на температуру, влажность, интенсивность солнечного света и время суток. При этом периодичность подачи воды осуществляют автоматически посредством контрольного оборудования для периодической подачи воды и клапанов. Далее через форсунки происходит разбрызгивание воды на поверхность гигроскопичного капиллярно-пористого материала, затем под воздействием солнечного излучения вода, попавшая на материал, испаряется, водяной пар уносит с собой часть тепловой энергии, температура воздуха понижается. Вентилятор 9 служит для циркуляции воздуха в охлаждаемом пространстве или для продува охлажденного воздуха в помещение.
Теперь рассмотрим вариант, при котором объект или его часть находятся на теневой и неосвещенной стороне.
В таком случае вблизи объекта на расстоянии не менее 0,5 м от трубопровода размещаются отражатели-гелиостаты, выполненные с возможностью направить солнечное излучение в необходимое место, а именно на теневую и неосвещенную сторону объекта. Расстояние не менее 0,5 метра обусловлено минимальной длиной тени от объекта при суточном движении Солнца по небосводу. Использование отражателей-гелиостатов обеспечивает испарение, а также охлаждение окружающего воздуха не только с освещенной стороны объекта, но и с теневой. В устройстве также может быть использован механизм слежения за Солнцем для повышения точности направления солнечного излучения на поверхность, на которой происходит испарение. В остальном конструкция устройства аналогична варианту, описанному выше, когда объект находится под воздействием солнечного излучения.
Таким образом, применение отражателей-гелиостатов нацелено на направление солнечного излучения на теневую и неосвещенную сторону объекта и осуществление более интенсивного испарения в тени, обеспечивающего более эффективное понижение температуры охлаждаемого пространства и охлаждение воздуха.
Размещение гигроскопичного капиллярно-пористого материала в непосредственном контакте с охлаждаемым пространством и/или на поверхности-подложке, контактирующей с поверхностью охлаждаемого пространства, позволяет использовать устройство как в жилых, общественных, производственных помещениях, транспорте, так и на открытых площадках под навесами.
Использование водораспределительной трубы с форсунками для разбрызгивания хладагента воды, трубы для присоединения к источнику воды через соответствующие клапаны и контрольное оборудование для периодической подачи воды в водораспределительную трубу и разбрызгивания хладагента позволяет, с одной стороны, обеспечить более равномерное распределение воды по поверхности смачиваемого материала, а, с другой стороны, осуществить более полный контроль за процессом испарения путем возможности отключения подачи воды или увеличения ее количества за счет клапанов и контрольного оборудования.
Использование отражателей-гелиостатов, форсунок, труб, позволяет изготовить простое, экологичное устройство без большого количества блоков и сложных механизмов.
При этом, как было упомянуто ранее, подобное устройство может найти свое применение в помещениях, на открытых площадках, а также салонах и кабинах транспортных средств, находящихся в тени.
Снабжение устройства механизмом слежения за солнцем повышает точность направления солнечного излучения на поверхность, на которой происходит испарение, а, следовательно, увеличивает эффективность испарения.
Более подробная реализация изобретения может быть проиллюстрирована дополнительно двумя примерами.
Пример 1. Схема размещения гелиостатов приведена на фиг.4. Фиг. 4 включает следующие обозначения:
10 - солнце
11 - крыша с гигроскопичным материалом 1
12 - неосвещаемая стена дома с гигроскопичным материалом
6 - гелиостаты
13 - освещаемая стена дома
На неосвещаемую сторону крыши 11 и стены 12 не падает солнечное излучение. Чтобы увеличить испарение с неосвещаемой части крыши и стены, устанавливаются гелиостаты 6, которые направляют солнечное излучение на крышу и стену, не освещенные солнечным излучением. Температура у стены становится равной 22°С. Без применения гелиостата температура была равна 29°С.
Пример 2. Пятилитровая банка была завернута в махровое полотенце и помещена в тень дерева при температуре 38°С. Через отверстие в крышке внутрь банки поместили стеклянный жидкостный термометр. Другим термометром измеряли температуру окружающего воздуха. Затем полили махровое полотенце на банке холодной водой с температурой 19°С. Через пять минут температура в банке стала равной 26°С. Затем вынесли банку на открытую площадку, освещенную солнечным излучением. Опять полили ее поверхность водой. Через пять минут температура опустилась до 22°С. Это произошло благодаря тому, что под воздействием солнечного излучения увеличилось испарение, и капли воды при испарении унесли с собой часть тепловой энергии. В результате увеличилось охлаждение внутри банки.
Испарение с поверхности закрытого сосуда подойдет для хранения и охлаждения фруктов, овощей, молочных продуктов и соков без их заморозки. То есть такая емкость представляет собой компактный минихолодильник без морозильника.
Резюмируя, можно сказать, что использование предполагаемого изобретения позволяет увеличить интенсивность охлаждения воздуха внутри помещения или на открытых площадках, находящихся в тени, и позволит расширить диапазон применения принципа испарительного охлаждения. Поэтому при решении проблем охлаждения воздуха конкурентоспособность и перспективность предлагаемого устройства не вызывает сомнений благодаря его экологичности и большой экономичности.
Таким образом, признаки, характеризующие то, что гигроскопичный капиллярно-пористый материал приведен в непосредственный контакт с охлаждаемым пространством и/или помещен на поверхность-подложку, контактирующую с поверхностью охлаждаемого пространства, устройство дополнительно содержит водораспределительную трубу с форсунками для разбрызгивания хладагента воды, трубы для присоединения к источнику водопроводной воды через соответствующие клапаны и контрольное оборудование для периодической подачи воды в водораспределительную трубу и разбрызгивания хладагента, устройство дополнительно снабжено солнечными отражателями-гелиостатами, направляющими солнечное излучение на теневую и неосвещенную сторону объекта, которые расположены на расстоянии не менее 0,5 метра от водораспределительной трубы, являются существенными с точки зрения технического результата, а именно с точки зрения обеспечения более эффективного охлаждения воздуха для объектов, находящихся в тени, понижения температуры охлаждаемого пространства как в жилых, общественных, производственных помещениях, транспорте, так и на открытых площадках под навесами, размещенными в тени, обеспечения более равномерного распределения воды по поверхности смачиваемого материала, осуществления более полного контроля за процессом испарения при сохранении простоты и экологичности устройства.
Таким образом, обеспечивается достижение требуемого технического результата, а именно обеспечение более эффективного охлаждения воздуха для объектов, находящихся в тени, понижения температуры охлаждаемого пространства как в жилых, общественных, производственных помещениях, транспорте, так и на открытых площадках под навесами, размещенными в тени, обеспечение более равномерного распределения воды по поверхности смачиваемого материала, осуществление более полного контроля за процессом испарения при сохранении простоты и экологичности устройства.
Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, решение поставленных изобретательских задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленное изобретение удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.