Вихревая установка конденсации влаги из атмосферного воздуха

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, является 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. ЦиклМайсоценко и перспективы его использования в Украине). Энергетическая 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 невозможность использования 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, включающее два концентрически расположенных вертикальных цилиндра, которые образуют «сухой» и «влажный» воздушный каналы, «влажный» канал снабжен гидрофобной капиллярно-пористой поверхностью, смачиваемой водой, а также содержит ветроэнергетическую установку, при этом «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, 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 путем создания вихревых воздушных потоков внутри установки, существенного увеличения конденсирующих поверхностей благодаря наличию теплообменных пластин завихрителей, дополнительного подохлаждения конденсирующих поверхностей с помощью тепловых насосов, невысокая стоимость вихревых элементов конструкции установки и материалов, из которых они изготавливаются.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая вихревая установка конденсации влаги из атмосферного воздуха, включающая подачу атмосферного воздуха в генераторы энергии сжатого воздуха, подохлаждение потока сжатого и сконцентрированного потока воздуха с осаждением и отбором влаги, согласно изобретению, выполнена 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 своим воздушным штуцером потока подачи воздуха в корпус, внутри трубы, за воздушными штуцерами установлены завихрители воздушного потока, а снаружи вокруг завихрителя на корпусе установлены охлаждающие элементы тепловых насосов, торцевая сторона корпуса выполнена в виде изоградиентного диффузора с вихревым дефлектором вверху и влагосборником внизу, а расстояния L_ВЭ между установленными по длине корпуса установки вихревыми воздушными эжекторами зависят от диаметра D_ВЭ корпуса, где установлены вихревые воздушные эжекторы и равно L_ВЭ ≈ (8÷10)D_ВЭ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема вихревой установки конденсации влаги из атмосферного воздуха

Вихревая установка конденсации влаги из атмосферного воздуха содержит несущий корпус в виде конусной трубы 1, встроенные в нее на входе и установленные равномерно по длине корпуса вихревые воздушные эжекторы 2, выполненные в виде корпуса вихревой ветроустановки (патент РФ №2093702, МПК F03D 3/04, опубл. 20.10.1997, Бюл. №29), каждый из которых соединен со своим воздушным штуцером потока подачи воздуха 3 в корпус 1, сразу после воздушного штуцера установлены завихрители воздушного потока 4, выполненные в виде ускорителя потоков выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором (патент №2059839, МПК F01N 1/08, F02B 27/04, опубл. 10.05.1996, Бюл. №13), а снаружи, в этом месте на корпусе установлены охлаждающие элементы 5 тепловых насосов 6, торцевая сторона корпуса выполнена в виде изоградиентного диффузора 7 (Волов В.Т., Метод расчета вихревого диффузорного устройства, ИФЖ, 1983, №1. С. 35-41) с вихревым дефлектором 8 вверху и влагосборником 9 внизу.

Вихревая установка конденсации влаги из атмосферного воздуха работает следующим образом.

Атмосферный воздух (ветер) поступает в вихревые воздушные эжекторы 2 и на вихревой дефлектор 8, в эжекторах воздух преобразуется в закрученный концентрированный поток, который подается в воздушный штуцер 3 и далее в корпус установки 1, выполненный в виде конусной трубы, сразу после воздушного штуцера установлены завихрители воздушного потока 4, которые выполняют две функции: - во-первых, закручивают воздушный поток, придавая ему дополнительное ускорение, и, - во-вторых, тонкостенные лопасти завихрителя являются своеобразными теплообменными пластинами, проходя через которые поток воздуха не только ускоряется, но и подохлаждается, т.к. конструкцию завихрителя охватывают охлаждающие элементы 5 тепловых насосов 6, на теплообменных пластинах завихрителя 4, охлажденных до «точки росы» конденсируется влага, которая стекает во влагосборник 9, а осушенный воздух с помощью изоградиентного диффузора 7 поступает в вихревой дефлектор 8 и выбрасывается в атмосферу.