Результат интеллектуальной деятельности: Автономный экстрактор атмосферной влаги

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха с использованием возобновляемых источников энергии.

Проблема дефицита пресной воды становится все актуальней для многих регионов мира. Ее обострение связывают с ростом населения, климатическими изменениями и рядом других причин. Так в XX веке население земного шара выросло в три раза. За этот же период потребление пресной воды увеличилось в семь раз, в том числе на коммунально-питьевые нужды - в 13 раз.

При таком росте потребления стало резко не хватать водных ресурсов в целом ряде регионов мира. По данным Всемирной организации здравоохранения более двух миллиардов человек в мире страдают сегодня от нехватки питьевой воды. В ближайшие 20 лет, учитывая современные тенденции роста населения и мирового хозяйства, следует ожидать увеличения потребности в пресной воде не менее чем на 100 км³ в год. Однако, для многих мест на земном шаре эта проблема не является новой, так как она обусловлена климатическими особенностями, а именно небольшим количеством осадков. К засушливым областям относятся те территории, где выпадает менее 400 мм осадков в год. При таких значениях невозможно ведение сельского хозяйства без дополнительных источников воды. Наиболее засушливые области, где выпадает менее 100 мм осадков в год, составляют 34% земной поверхности (без учета Антарктиды). На аридные области (100-200 мм осадков в год) приходится 15% поверхности суши. Столько же занимают семиаридные области (200-400 мм осадков в год). Территории аридных земель в основном приходятся на развивающиеся страны, в которых нормы потребления воды отличаются от индустриальных стран. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в развивающихся странах лишь 25% сельского населения имеют приемлемый доступ к источнику водоснабжения. Территории 36 государств мира включают засушливые области, а территории 11 стран представляют собой на 100% засушливые области (Египет, Саудовская Аравия, Йемен, Джибути и др.). В России к районам, испытывающим дефицит пресной воды, относится Крым и Калмыкия, из стран ближнего зарубежья - Казахстан, Туркмения, Узбекистан. В настоящее время водный голод ощущается даже в тех местах, где раньше его не было. На 70% всех обрабатываемых земель царит засуха. При этом в нетронутых степях содержание влаги в почве в 1,5-3 раза больше, чем в пашне. Причина водного голодания не в недостатке пресной воды, а в нарушении цепи, связывающей воду с почвой. И все более ощутимее на изменение режима вод суши влияет деятельность человека, в результате которой заметно увеличивается расход вод на испарение в процессе развития орошения и увеличения площади водохранилищ. Сокращение атмосферных осадков и речного стока при увеличении испаряемости внутренних областей суши также привело к снижению их общей увлажненности. Так же, с деятельностью человека связано изменение обмена подземных вод, их пополнение за счет создания искусственных водоемов и сокращения в результате интенсивного выкачивания. Ежегодно извлекается до 20 тыс.км³ подземных вод. В настоящее время, под воздействием антропогенной деятельности, более 20% территории континентов преобразована коренным образом (перевыпас скота, вырубка лесов и т.п.), что привело к изменению водного режима. Такие экологические нарушения не могли не сказаться на глобальном процессе потребления воды.

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/). Известно, что одним из главных достоинств Великого шелкового пути были колодцы, установленные на расстоянии в 12-15 км друг от друга, где вода добывалась непосредственно из атмосферного воздуха. В конструкции колодца древние инженеры использовали вихревой эффект. Сам колодец был наполовину своей высоты вкопан в грунт. В центре углубления для скопившейся воды возвышалась аккуратно выложенная высоким конусом груда камней (конденсатор) (Хамзя Умяров - Великий шелковый путь: Вихри в колодцах // Техника молодежи, №8, 2008 г. С. 20-23). Недостатком известных способов 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://derevnvaonline.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.

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. A.M. Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 285-286. - 704 с.). Этот объем от 12 до 16 тыс. км³ 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.

Известны установки получения воды из атмосферного воздуха, использующие ветровую энергетику (патент РФ №2526628, МПК ЕО3В 3/28, опубл. 27.08.2014; http://eco-energiva.blogspot.ru/2015/06/eolewater.html, http://derevnyaonline.ru/communitv/46/3532). Недостатками данных установок является то, что для запуска и работы ветровой турбины минимальная скорость ветра составляет 7 м/с и выше, требуют периодического обслуживания и ремонта (минимум раз в месяц), высокая материалоемкость и низкая производительность экстракции влаги из воздуха.

Известна вихревая ветроустановка с вертикальной осью вращения, содержащая вытяжную башню с кольцевым воздухозаборником у основания, направляющий аппарат, ветроколесо, установленное на выходе направляющего аппарата, вытяжное устройство и генераторы вихря, создающее закрученный поток воздушного потока (патент РФ №2073111, МПК F03D 3/00, опубл. 10.02.1998). Недостатком данной установки является то, что при большой скорости закрученного потока в вытяжных цилиндрических каналах ветроколесо создает воздушную подушку, тормозящую поток, и тем самым уменьшая эффективность установки, а также 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 очень низкая.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха (патент РФ №2649890, МПК Е03В 3/28, опубл. 05.04.2018, Бюл. 10). Установка содержит вихревую ветротурбину, загоняющую воздух в камеру экстракции влаги, радиатор для охлаждения воздуха, водосборник и насыпной холм и вытяжные воздуховоды. Недостатками известной конструкции:

- является низкая эффективность вихревой ветротурбины которая содержит входные и вытяжной генераторы вихря, при этом входные генераторы вихря состоят из n+1 идентичных модульно расположенных устройств для генерации воздушного потока, набегающего со скоростью от 2 до 20 м/с, причем каждый генератор вихря выполнен в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных в устройстве полых модулей, размещенных один в другом нижний и верхний в форме усеченных конусообразных гиперболоидов вращения, причем внутренние радиусы каждого полого элемента относятся как r_нижн=0,4375⋅r_верх, где r_нижн - радиус нижнего элемента, r_верх - радиус верхнего элемента, а наружные радиусы элементов, формирующие воздухозаборник, относятся как R_BЗ=5⋅r_bepx, где R_B3 - наружный радиус полого элемента, r_верх - радиус верхнего элемента, в полости каждого полого элемента размещены вертикальные лопасти-перегородки, изогнутые по спирали Архимеда, для формирования ламинаризированного закрученного потока в спиральных вихреобразующих каналах, имеющих спиральную форму и сужающихся по мере приближения к общему цилиндрическому каналу для образования единого закрученного потока в этом общем цилиндрическом канале. Как раз тот факт, что все модули конструкции генератора вихря имеют одинаковые размеры и свои закрученные потоки сбрасывают в общий цилиндрический канал и приводит к неоднозначности в работе генератора вихря при изменении скорости воздушного потока - на малых скоростях ветра ветровая турбина работать будет, при увеличении скорости воздушного потока в цилиндрическом канале растущий пограничный слой- канал перекроет;

- маломощная система вытяжки отработанного воздуха, что влияет на изменение соотношения температур, необходимых для образования точки росы в камере экстракции влаги;

- слабая термоизоляция камеры экстракции влаги, особенно при размещении установки в пустынных и безлесных территориях (степи, пустыни…).

Задачей предлагаемого изобретения является создание автономной установки для эффективной экстракции пресной воды из атмосферного воздуха (набегающего с любой скоростью воздушного потока) с помощью вихревой ветротурбины, несложной по конструкции и использующей Вихревой эффект, который существенно влияет на увеличение объема воздуха в единицу времени, проходящего через установку, а также температурного разделителя воздушного потока (вихревой термопреобразователь), для применения установки в районах с недостатком природных источников пресной питьевой воды. В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять эффективную экстракцию пресной воды путем генерирования и формирования набегающего воздуха в закрученный поток генератором вихря с последующим нагнетанием его в вихревой термопреобразователь (вихревой холодильник), где происходит разделение потока, образующий на периферии горячий закрученный поток, обогащенный влагой, и охлажденный поток, который поступает в радиаторы для охлаждения, а насыщенный горячий воздух конденсируется на охлажденных радиаторах и поступает в водосборник, где дополнительным аккумулятором холода является блок, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью.

Повышается надежность и долговечность установки за счет отсутствия вращающихся деталей и узлов, сохраняются 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 автономный экстрактор атмосферной влаги, состоящий из вертикально-осевой ветровой турбины в виде вихревого эжектора, водосборника с конденсируемой влагой, согласно изобретению содержит вихревой холодильник, конденсационную камеру, радиатор-теплообменник для охлаждения воздуха, при этом вертикально-осевая ветровая турбина выполнена в виде вихревого эжектора, установленного с возможностью формирования закрученного ламинаризированного воздушного потока и нагнетания его через воздуховод в вихревой холодильник, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный потоки, при этом вихревой холодильник имеет один воздуховод для подвода горячего потока в радиатор-теплообменник конденсационной камеры, а другой воздуховод подает на радиатор-теплообменник конденсационной камеры охлажденный воздух, причем конденсационная камера снабжена вытяжным воздуховодом для отвода осушенного воздуха в окружающую среду, при этом сконденсированная влага поступает в водосборник, где установлен аккумулятор холода, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью, а конденсационная камера с размещенными в ней вихревым терморегулятором, радиатором-теплообменником и водосборником установлена под насыпным холмом выше линии грунта. В предлагаемой установке экстракции пресной воды из атмосферного воздуха для получения пресной воды из атмосферного воздуха, содержащей вихревой эжектор и водосборник с конденсируемой влагой, в вихревом входном эжекторе модули генератора вихря располагаются один над другим, причем внутренние радиусы каждого модуля, начиная с верхнего, уменьшаются на 10% и установлены так, чтобы набегающий со скоростью от 2 до 20 м/с воздушный поток, проходящий через воздухозаборник вихревого эжектора, формировался в закрученные ламинаризированные потоки и нагнетался через воздуховод в вихревой холодильник, где происходит разделение потока, образуя на горячий воздушный поток, обогащенный влагой, и охлажденный воздушный поток, который поступает в радиатор-теплообменник, а насыщенный горячий воздух поступает в радиатор-теплообменник конденсационной камеры, где конденсируется на охлажденных радиаторах, и сконденсированная влага поступает в водосборник, где дополнительным аккумулятором холода является блок, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью, при этом осушенный от влаги воздух и холодный воздух из камеры экстракции отводятся через вытяжные воздуховоды в вытяжной вихревой эжектор, а затем в окружающую среду, причем водосборник с конденсатором влаги установлен под насыпным холмом выше линии грунта. Вытяжной эжектор конструктивно - аналогичен входному эжектору атмосферного воздуха, его задача - интенсивно отсасывать из камеры экстракции осушенный воздух. Работа вихревого холодильника основана на эффекте температурного разделения газов (воздуха) и является результатом сложного газодинамического процесса, протекающего в пространственном турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа в соответствии с «вихревым эффектом», открытым Ж. Ранком и примененным в промышленности А.П. Меркуловым (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969).

Сущность предлагаемой установки экстракции пресной воды из атмосферного воздуха поясняется чертежом, на котором представлена общая схема установки.

Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха содержит вихревой эжектор атмосферного воздуха 1, вихревую систему охлаждения 4, камеру для экстракции влаги из атмосферного воздуха (конденсационную камеру) 3, воздуховод для подачи закрученного потока воздуха 2, соединяющий вихревой эжектор 1 с вихревой системой охлаждения 4, воздуховод 6, выводящий горячий обогащенный влагой поток из вихревой системы охлаждения 4, воздуховод 5, выводящий охлажденный воздушный поток из вихревой системы охлаждения 4, радиатор-теплообменник для охлаждения воздуха 7, вытяжной трубопровод 9, вытяжной эжектор 10, отводящий воздух из камеры для экстракции влаги из атмосферного воздуха 3, водосборник 11, трубопровод для отвода экстрагированной воды из атмосферного воздуха к потребителю 13, насыпной холм 8, аккумулятор холода, выполненный из композиционного материала 12. Водосборник 11 размещен под насыпным холмом 8 выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности. Вихревая ветротурбина (вихревой эжектор) 1 установлена с возможностью формирования закрученного ламинаризированного потока и нагнетания через воздуховод 2 в вихревую камеру для экстракции влаги из атмосферного воздуха 3.

Автономный экстрактор атмосферной влаги работает следующим образом. Набегающий поток ветра, начиная со скорости 2-3 м/с, проходит через вихревую ветротурбину (вихревой эжектор) 1, где преобразуется в закрученный поток, который через воздуховод 2 нагнетается в вихревую систему охлаждения 4, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный. Образовавшийся в вихревом холодильнике 4 горячий закрученный поток, обогащенный влагой, поступает в радиатор-теплообменник 7 через вытяжной воздуховод 6, а в противоположную сторону выходит охлажденный поток, поступающий по трубам воздуховода 5 также в радиатор-теплообменник 7 - для охлаждения. Насыщенный влагой горячий воздух, поступивший в конденсационную камеру 3, конденсируется на охлажденном радиаторе-теплообменнике 7, после чего экстрагированная вода поступает в водосборник 11, где дополнительно охлаждается аккумулятором холода 12, выполненным из композитного материала с низкой теплопроводностью.

Далее осушенный от влаги воздух из камеры для экстракции влаги из атмосферного воздуха 3 и холодный воздух из радиатора-теплообменника 7 отводятся через вытяжной воздуховод 9 и с помощью вытяжного эжектора 10 в окружающую среду. Камера экстракции 3 с размещенной в ней вихревой системой охлаждения 4, радиатором-теплообменником 7 и водосборником 11 установлены под насыпным холмом 8 выше линии грунта. Накопленная экстрагированная пресная вода из атмосферного воздуха самотеком вытекает по трубопроводу 13 к потребителю.