Результат интеллектуальной деятельности: Вихревой экстрактор атмосферной влаги

Изобретение относится к области получения пресной воды из атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух является гигантским резервуаром влаги, и даже в засушливых районах содержит, как правило, более 6-10 г воды на 1 м³. Получение воды из воздуха путем его конденсации на холодной поверхности известно с глубокой древности. Еще в античные времена в Крыму для обеспечения водой города Феодосия использовались насыпи из щебня в виде пирамиды, которые сооружались на невысоком горном плато. За счет разницы дневной и ночной температуры окружающего воздуха на поверхности щебня образовывался конденсат и стекал в специальную емкость. Оттуда естественным путем по желобу он поступал к водоразборным сооружениям. За методом добычи воды из атмосферного воздуха с использованием природных энергетических факторов - большое будущее.

Известен способ получения воды из воздуха, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащий водяные пары, охлаждают его до температуры ниже точки росы, конденсируют водяные пары в воду, а обезвоженный воздух выбрасывают в атмосферу (патент США N 5203989, Е03В 3/28, 1987). При прокачке потока атмосферного воздуха, содержащего пары воды, происходит их конденсация на охлаждающем элементе холодильной машины и одновременное охлаждение потока воздуха, который выбрасывается в атмосферу. Для прокачки потока атмосферного воздуха необходим генератор энергии сжатого воздуха, требующий затрат внешней энергии.

Недостатками известного способа, предполагающего также использование внешней подводимой энергии для работы холодильной машины, являются низкая экономичность использования холодопроизводительности машины, так как только незначительная часть потребляемой ею энергии используется для конденсации паров воды. При этом большая часть холодопроизводительности расходуется на охлаждение обезвоженного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Известна энергетическая башня, работающая по циклу Майсоценко с косвенно-испарительным охлаждением воздуха (http://sssrregion.ru/pics/Khalatov, Ukraina.pdf, А. Халатов, И. Карп, Б. Исаков. Цикл Майсоценко и перспективы его использования в Украине). Эергетическая башня 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 известной установки является громоздкость конструкции и неиспользование в ней экстрагирования влаги из атмосферного воздуха.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для получения воды из атмосферного воздуха и выработки электроэнергии (патент РФ №2620830, МПК Е03В 3/28, опубл. 30.05.2017). Устройство, включает два концентрически расположенных вертикальных цилиндра, которые образуют «сухой» и «влажный» воздушный каналы, «влажный» канал снабжен гидрофобной капиллярно-пористой поверхностью, смачиваемой водой, ветроэнергетическую установку, «влажный» канал размещен во внутреннем вертикальном цилиндре, причем гидрофобная капиллярно-пористая поверхность прикреплена к внутренней стенке внутреннего цилиндра, а концентрический «сухой» канал размещен между внешним и внутренним вертикальными цилиндрами, в нижней части внешнего цилиндра установлена водяная емкость для сбора сконденсированной влаги, каплеулавливающая сетка и несколько рядов пластин стока влаги в водяную емкость с зазорами между пластинами для прохода потока воздуха, при этом водяная емкость связана оросительным трубопроводом с насосом с верхней частью гидрофобной поверхности, а с потребителем она связана трубопроводом отвода пресной воды, над внутренним вертикальным цилиндром установлен с помощью подшипников подвижный корпус трубы Вентури, снабженный ветряным флюгером, а на центральной оси трубы Вентури размещена ветроэнергетическая установка с ветроколесом и электрогенератором, причем корпус трубы Вентури окружен неподвижным кольцевым воздушным соплом, закрепленным на внутреннем вертикальном цилиндре.

Недостатком известного устройства является невозможность организации процесса экстрагирования влаги из атмосферы без электроэнергии, наличие насоса для перекачки воды и системы смачивания водой гидрофобно-капилярной-пористой поверхности. Все это делает устройство сложным, громоздким и увеличивает себестоимость полученной воды.

Задачей предлагаемого изобретения является создание несложной и экономически эффективной установки с повышенной производительностью получения пресной воды из атмосферного воздуха.

В результате использования предлагаемого изобретения снижаются затраты на получение пресной воды из атмосферного воздуха за счет исключения подвода электроэнергии и использования технологий вихревой энергетики для создания вихревых воздушных потоков внутри установки, увеличения конденсирующих поверхностей, а также существенного увеличения конденсирующих поверхностей, благодаря наличию развихрителей - теплообменникам и медному стержню, выполняющему функции холодонакопителя, дополнительного подохлаждения конденсирующих поверхностей с помощью тепловых насосов, а также невысокая стоимость вихревых элементов конструкции установки и материалов, из которых они изготавливаются.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый вихревой экстрактор атмосферной влаги, включающий подачу атмосферного воздуха в генераторы энергии сжатого воздуха, подохлаждение потока сжатого и сконцентрированного потока воздуха с осаждением и отбором влаги, согласно изобретению, состоит из несущего корпуса в виде конусной трубы, со встроенными в нее на входе и установленными равномерно по длине корпуса вихревыми воздушными эжекторами, каждый из которых соединен со своей самовакуумирующейся вихревой трубой, размещенной в корпусе экстрактора, перед каждой самовакуумирующейся вихревой трубой, кроме первой, установлен развихритель закрученного потока, по оси корпуса и по всей его длине встроен медный стержень, выполняющий функции холодонакопителя, на поверхности которого по всей длине сформованы полусферические углубления, существенно интенсифицирующие теплообменные процессы, на торцах медного стержня установлены охлаждающие элементы тепловых трубок, торцевая сторона корпуса экстрактора выполнена в виде изоградиентного диффузора с вихревым дефлектором вверху и влагосборником внизу, расстояния Lвэ между установленными по длине корпуса экстрактора вихревыми воздушными эжекторами зависят от диаметра Dвэ места корпуса, в котором установлены эти вихревые воздушные эжектора, и равно Lвэ≈(8÷10)Dвэ, агеометрические параметры полусферических углублений h, Dл и Z на поверхности медного стержня определяются из соотношений:

h=0,2⋅r,

где h - глубина полусферического углубления;

r - радиус полусферического углубления,

Dл=2h/tgaα/4,

где Dл - диаметр полусферического углубления;

h - глубина полусферического углубления;

α - основополагающий угол полусферического углубления, при этом 45°<α<180°,

Z~10⋅h,

гдe Z - paccтoяниe между полусферическими углублениями;

h - глубина полусферического углубления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема вихревого экстрактора атмосферной влаги.

Вихревой экстрактор атмосферной влаги состоит из несущего корпуса в виде конусной трубы 1, со встроенными в нее на входе и установленными равномерно по длине корпуса вихревыми воздушными эжекторами 2, (патент РФ №2093702, МПК F03D 3/04, опубл. 20.10.1997, Бюл. №29), каждый из которых соединен со своей самовакуумирующейся вихревой трубой 3 (Меркулов Ф.П., Вихревой эффект и его применение в технике, г. Самара, 1997, с. 26-62, 105-109), размещенной в корпусе экстрактора, перед каждой самовакуумирующей вихревой трубой 3, кроме первой, установлен развихрительзакрученного потока 5, по оси корпуса 1 и по всей его длине встроен медный стержень, выполняющий функции холодонакопителя 4, на поверхности которого по всей длине сформованы полусферические углубления (авторское свидетельство СССР №247е98, 1987), существенно интенсифицирующие теплообменные процессы, на торцах медного стержня 4 установлены охлаждающие элементы 6 тепловых трубок 7, торцевая сторона корпуса 1 экстрактора выполнена в виде изоградиентного диффузора 8 (Волов В.Т., Метод расчета вихревого диффузорного устройства, ИФЖ, 1983, №1. С. 35-41) с вихревым дефлектором вверху 9 и влагосборником 10 внизу.

Вихревой экстрактор атмосферной влаги работает следующим образом.

Атмосферный воздух (ветер) поступает в вихревые воздушные эжекторы 2 и на вихревой дефлектор 9, в вихревых эжекторах 2 поток воздуха преобразуется в концентрированный закрученный поток, который подается в самовакуумирующиеся вихревые трубы 3 и создает внутри корпуса 1 в приосевой области зоны пониженного давления, что приводит к возникновению очень высоких эффектов охлаждения, этот холод воспринимает и накапливает медный стержень (холодонакопитель) 4, чему активно способствуют полусферические углубления (лунки) сформованные на поверхности медного стержня - существенно интенсифицируя теплообменные процессы, закрученный поток, отдав свою энергию на холодонакопителе 4, поступает на развихритель 5, выполняющего одновременно роль теплообменника-конденсатора, и выпрямленный, продолжает движение по корпусу экстрактора к следующей самовакуумирующейся вихревой трубе, на торцах медного стержня установлены охлаждающие элементы 6 тепловых трубок 7, которые своей энергией дополнительно подохлаждают медный стержень 4, сконденсированная влага с развихрителей и со стержня стекает во влагонакопитель 10, а осушенный воздух с помощью изоградиентного диффузора 8 поступает в вихревой дефлектор 9 и выбрасывается в атмосферу.