Пневмоэкстрактор атмосферной влаги (варианты)

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха в регионах с очень низким ветроэнергетическим потенциалом или полным безветрием.

Нехватка воды становится одним из главных факторов, сдерживающих развитие цивилизации во многих регионах Земли. Суточный расход воды на личные нужды жителя современного благоустроенного города составляет 100-350 л. В то же время во многих регионах Земли эта цифра снижается до 20-70 л, в результате почти 1 млрд. человек на земле даже не обеспечен безопасной питьевой водой. Рынок пресной воды постоянно возрастает. Только с 1950 по 1980 г. потребление пресной воды в год на Земле возросло в четыре раза. В настоящее время основным источником пресной воды являются воды рек, озер, артезианских скважин и опресненная морская вода. Количество воды, находящейся в каждый данный момент в атмосфере, равно 14 тыс. м³, в то время как во всех речных руслах всего 1,2 тыс. м³. Ежегодно с поверхности суши и океана испаряется 577 тыс. м³, столько же потом выпадает в виде осадков. Речной годовой сток составляет лишь 7% общего количества выпадающих осадков. Из сравнения общего количества испаряющейся влаги и количества воды в атмосфере легко видеть, что в течение года она обновляется в атмосфере 45 раз. Таким образом, хотя основным источником пресной воды - является атмосферная влага - этот источник пресной воды оказывается пока неиспользуемым.

Использование атмосферной влаги, содержащейся в атмосферном воздухе, минимально воздействует на окружающую среду в отличие от опреснительных установок, использующих морскую воду, так как в последнем случае образуется концентрированный рассол (рапа), который необходимо утилизировать, не отравляя окружающую среду. Данный ресурс пресной воды постоянно возобновляется, характеристики качества атмосферного конденсата, который может быть получен в большинстве районов Земли, очень высокие: в конденсате на два-три порядка меньше токсических металлов по сравнению с требованиями санитарных служб, практически нет микроорганизмов, конденсат хорошо аэрирован. Как показывают экономические исследования, эта вода может быть самой дешевой из всех, которые получают иными способами.

Использование экстракции атмосферной влаги позволит получать огромные количества пресной воды, особенно в тропических районах, практически, не влияя на окружающую среду (Галушкина Т.П., Экономика: сегодня и завтра. М.: "Наука", 1991.); (Robert S. SchemenauerandPilarCereceda // Fog-waterCollectioninAridCoastalLocations. Ambio. 1991. Vol. 20, №7. p. 303-308).

Известно, что степень извлечения атмосферной влаги зависит от многих параметров процесса экстракции (температура окружающей среды, давление, скорость воздушного потока):

- скорость воздушного потока, проходящего через установку, м/с

η - КПД установки - 50%

- объем воздуха, проходящего через установку, м³/с

где, ρ - содержание пара, г/м³, RH% - относительная влажность воздуха,

Q_{эв час}=3600⋅Q_эв, Q_{эв час} - количество получаемой влаги, г/час

- количество получаемой влаги за сутки (Бурцев С.И., Цветков Ю.Н., Влажный воздух. Состав и свойства, СПб.: СПб ГАХПТ, 1998).

Известны с глубокой древности способ и устройство получения воды из воздуха путем ее конденсации на холодной поверхности (Евсеев А.А. - О водоснабжении города Феодосии в конце XVIII-начале XX века) (http://www.liveinternet.ru/users/kancstc/post365986337); (http://interesko.info/naznachenie-zagadochnyx-peshhernyx-kompleksov-v-peshhernyx-gorodax-kryma/).

Город Феодосия еще в средние века снабжался водой, которую собирали в сооружениях, заполненных щебнем, на поверхности которого в засушливые летние месяцы конденсировалась вода и через систему гончарных труб диаметром 5-7 см подавалась в питьевые фонтаны города. В засушливые летние месяцы конденсировалось такое количество воды, которое обеспечивало 80 тысяч жителей.

С незапамятных времен известны системы типа «Водяной конус» в виде плетеных корзин (youtube[On7gbKIa5zc]/youtube). Также хорошо известно древнее простое изобретение рыбаков (Марокко, Перу, Чили…), т.н. «Ловцы тумана», в основе его работы конденсация атмосферной влаги на развешанных вдоль берега моря (океана) рыбацких сетях, собирающих влагу в размещенные под сетями резервуары (https://you-journal.ru); (https://travtlask.ru/blog/posts/8627-lovtsy-tumana-kak-poluchayut-vjdu-iz-vozduha). Идею этого способа люди позаимствовали у природы. Ученые заметили, что хвоя сосен и секвой, растущих в высокогорных засушливых районах, конденсирует на своей поверхности влагу из окружающего воздуха. Капли повисают на хвоинках, а затем стекают на землю, увлажняя сухую почву. По такой же схеме работают и «ловцы туманов». Тонкая сетка собирает влагу, которая стекает в специальные резервуары, закрепленные в основании этой своеобразной конструкции. При необходимости вода поступает по трубам вниз, где расположены населенные пункты. Сегодня «ловцы тумана» размещены во многих засушливых районах планеты. Они снабжают людей водой в высокогорных регионах Анд, на западе Сахары и в Южной Африке. Одна из самых крупных установок находится в Марокко. Здесь на высоте 1200 метров «ловцы туманов» собирают в день около 6000 литров воды. Этого хватает для обеспечения 500 человек, которые проживают в окрестных деревнях. В пустыне Атакама в Чили также много подобных устройств. Это место самое сухое на Земле, но и здесь живут люди - установленные недавно в этих районах «ловцы тумана» существенно улучшили качество жизни этих людей.

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, термопреобразователь, водосборник, насыпной холм и вытяжные воздуховоды.

Недостаткам известной установки является то, что рабочим телом может быть только набегающий воздушный поток, т.е. ветер. Без ветра установка не работает.

Задачей предлагаемого изобретения является получение воды из атмосферного воздуха в регионах с недостатком природных источников пресной воды и с почти полным отсутствием ветра.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность получения пресной воды путем экстракции влаги из атмосферного воздуха в регионах с недостатком природных источников пресной воды и с очень низким ветроэнергетическим потенциалом или полным безветрием за счет создания автономной установки для эффективной экстракции пресной воды, несложной по конструкции, использующей в качестве рабочего тела нагнетаемый сжатый воздух, источником которого могут быть вентиляторы, воздуходувки, тепловые пушки, пневмокомпрессоры и т.п., а также термопреобразователи воздушного потока, в виде противоточной вихревой трубы, самовакуумирующейся вихревой трубы, теплового насоса или тепловой трубки.

Источниками сжатого воздуха могут быть вентиляторы, воздуходувки, тепловые пушки, пневмокомпрессоры и т.п., с давлением воздушного потока более 1,5 бар, а также термопреобразователи воздушного потока, в виде противоточной вихревой трубы (Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект, Москва, ООО «Научтехлитиздат», 2013, том 1, стр. 36-43), самовакуумирующейся вихревой трубы (Меркулов А.П., Вихревой эффект и его применение в технике, Самара, ООО «Полиграфист», 1997, стр. 105-109; Волов В.Т., Предельное энергетическое свойство вихревых устройств, сб. научных трудов МАИ, Тепло- и массообмен в двигателях летательных аппаратов, М.:, 1991; Волов В.Т., Серебряков Р.А., Евдокимов С.Н., Исследование самоваккумирующейся вихревой трубы с вращающимся диффузором, ВИНИТ, №5713, М:, 1984; Волов В.Т., Серебряков Р..А., Евдокимов С.Н., Анализ рабочих характеристик самовакуумирующейся вихревой трубы с вращающимся диффузором, Межвузовский сборник «Аэродинамика летательных аппаратов и их систем» / КАИ - Казань: 1993, №3, с. 20-33.)., теплового насоса (Эккерт Э.Р., Дрейк P.M., теория газо и - массообмена, М. Тосэнергоиздат, 1961); (Лебедев П.Д., Теплообменные сушильные и холодильные машины, М. Энергия, 1972) или тепловой трубки (Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Физические основы тепловых труб, М. Атомиздат, 1978); (Справочник по теплообменникам, т. 2, М. Энергоатомиздат, 1987).

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый пневмоэкстрактор атмосферной влаги, включающий камеру экстракции влаги с радиатором охлаждения воздуха, термопреобразователь воздушного потока, вытяжной воздуховод и воздухозаборник, водосборник с аккумулятором холода, установленный под насыпным холмом, согласно изобретению, содержит источник нагнетаемого сжатого воздуха, состоящий из корпуса с воздухозаборником и выходным воздуховодом и размещенными в нем или вентилятором, или воздуходувкой, или тепловой пушкой, или пневмокомпрессором, установленный под насыпным холмом и соединенный выходным воздуховодом с термопреобразователем потока сжатого воздуха в виде противоточной вихревой трубы, в которой происходит разделение входящего воздушного потока на горячий и холодный, с вытяжными воздуховодом горячего потока и воздуховодом холодного потока, холодный воздух по воздуховоду холодного потока поступает в корпус радиатора охлаждения воздуха, а горячий воздух по воздуховоду горячего потока обдувает конструкцию радиатора охлаждения воздуха, экстрагированная из горячего потока воздуха вода сначала поступает в водосборник с аккумулятором холода, выполненным из композитного материала с низкой теплопроводностью и затем - самотеком через кран к потребителю, а осушенный в радиаторе от влаги воздух отводится через вытяжной воздуховод в окружающую атмосферу.

Технический результат достигается также тем, что предлагаемый пневмоэкстрактор атмосферной влаги, включающий камеру экстракции влаги с радиатором охлаждения воздуха, термопреобразователь воздушного потока, вытяжной воздуховод и воздухозаборник, водосборник с аккумулятором холода, установленный под насыпным холмом, согласно изобретению, содержит источник нагнетаемого сжатого воздуха, состоящий из корпуса с воздухозаборником и выходным воздуховодом и размещенными в нем или вентилятором, или воздуходувкой, или тепловой пушкой, или пневмокомпрессором, установленный под насыпным холмом и соединенный выходным воздуховодом с термопреобразователем, представляющим собой самовакуумирующуюся вихревую трубу, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный, образовавшийся в самовакуумирующейся трубе горячий закрученный поток, обогащенный влагой, поступает в радиатор для охлаждения воздуха через вытяжной воздуховод горячего потока, а охлажденный поток отдает всю тепловую энергию охлаждаемому медному стержню, соединяющему напрямую термопреобразователь с радиатором охлаждения воздуха, экстрагированная из горячего потока воздуха вода поступает в водосборник с аккумулятором холода и затем - самотеком через кран к потребителю, а осушенный от влаги в радиаторе воздух отводится через вытяжной воздуховод в окружающую атмосферу.

Технический результат достигается также тем, что предлагаемый пневмоэкстрактор атмосферной влаги, включающий камеру экстракции влаги с радиатором охлаждения воздуха, термопреобразователь воздушного потока, вытяжной воздуховод и воздухозаборник, водосборник с аккумулятором холода, установленный под насыпным холмом, согласно изобретению, содержит источник нагнетаемого сжатого воздуха, состоящий из корпуса с воздухозаборником и выходным воздуховодом и размещенными в нем или вентилятором, или воздуходувкой, или тепловой пушкой, или пневмокомпрессором, установленный под насыпным холмом и соединенный выходным воздуховодом с термопреобразователем в виде тепловой трубки, испаритель которой соединен с корпусом радиатора охлаждения воздуха, а конденсатор тепловой трубки размещается в грунте под насыпным холмом, при этом весь поток сжатого воздуха из источника сжатого воздуха по выходному воздуховоду поступает в корпус радиатора охлаждения воздуха, а экстрагированная из этого воздуха вода поступает в водосборник с аккумулятором холода и затем - самотеком через кран к потребителю, а осушенный от влаги в радиаторе охлаждения воздух отводится через вытяжной воздуховод в окружающую среду.

Технический результат достигается также тем, что предлагаемый пневмоэкстрактор атмосферной влаги, включающий камеру экстракции влаги с радиатором охлаждения воздуха, термопреобразователь воздушного потока, вытяжной воздуховод и воздухозаборник, водосборник с аккумулятором холода, установленный под насыпным холмом, согласно изобретению, содержит источник нагнетаемого сжатого воздуха, состоящий из корпуса с воздухозаборником и выходным воздуховодом и размещенными в нем или вентилятором, или воздуходувкой, или тепловой пушкой, или пневмокомпрессором, установленный под насыпным холмом и соединенный выходным воздуховодом с термопреобразователем, представляющим собой теплой насос, испаритель теплового насоса соединен с корпусом радиатора охлаждения воздуха, а конденсатор теплового насоса размещается в грунте под насыпным холмом, при этом весь поток сжатого воздуха из источника сжатого воздуха по выходному воздуховоду поступает в корпус радиатора охлаждения воздуха, а экстрагированная из этого воздуха вода поступает в водосборник с аккумулятором холода и затем - самотеком через кран к потребителю, а осушенный от влаги в радиаторе охлаждения воздух отводится через вытяжной воздуховод в окружающую среду.

Варианты сочетания конструктивных элементов источника воздушного потока и термопреобразователя определяются с учетом климатических условий конкретной местности размещения пневмоэкстрактора атмосферной влаги.

Пневмоэкстрактор атмосферной влаги работает следующим образом.

Поток сжатого воздуха от источника сжатого воздуха поступает на, размещенный в камере экстракции влаги термопреобразователь и радиатор для охлаждения воздуха. Холодные элементы термопреобразователя (поток холодного воздуха, охлажденный медный стержень или испарители тепловой трубки или теплового насоса подохлаждают радиатор для охлаждения воздуха и из воздуха, подаваемого в радиатор для охлаждения воздуха, конденсируется влага, поступающая далее в водозаборник.

Сущность предлагаемого пневмоэкстрактора атмосферной влаги, поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена общая схема пневмоэкстрактора атмосферной влаги с термопреобразователем потока сжатого воздуха в виде противоточной вихревой трубы.

На фиг. 2 представлена общая схема пневмоэкстрактора атмосферной влаги с термопреобразователем потока сжатого воздуха в виде самовакуумирующейся вихревой трубы.

На фиг. 3 представлена общая схема пневмоэкстрактора атмосферной влаги с термопреобразователем в виде тепловой трубки.

На фиг. 4 представлена общая схема пневмоэкстрактора атмосферной влаги с термопреобразователем в виде теплового насоса.

Пневмоэкстрактор атмосферной влаги (на фиг. 1) содержит источник сжатого воздуха 1, состоящий из корпуса с воздухозаборником 2 и выходным воздуховодом 3, в корпусе источника сжатого воздуха 1 размещены или вентилятор, или воздуходувка, или тепловая пушка или пневмокомпрессор (на чертеже не показаны), камеру экстракции влаги 4, установленную под насыпным холмом 8, термопреобразователь потока сжатого воздуха 5 в виде противоточной вихревой трубы с вытяжными воздуховодом горячего потока 11 и воздуховодом холодного потока 10, радиатор охлаждения воздуха 6, водосборник 7, вытяжной воздуховод осушенного воздуха 9, аккумулятор холода 12, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью и расположенный в водосборнике 7, кран 13 для подачи воды из водосборника 7 потребителю.

Источник сжатого воздуха 1 установлен под насыпным холмом и соединен выходным воздуховодом 3 с термопреобразователем 5. Термопреобразователь 5, представляющий собой противоточную вихревую трубу, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный, радиатор охлаждения воздуха 6, водосборник 7 размещены в камере экстракции влаги 4. Водосборник 7 установлен под насыпным холмом 8 выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.

На фиг. 2 термопреобразователь 5, размещенный в камере экстракции влаги 4 представляет собой самовакуумирующуюся вихревую трубу (СВТ), где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный. Образовавшийся в самовакуумирующейся трубе горячий закрученный поток, обогащенный влагой, поступает в радиатор для охлаждения воздуха 6 через вытяжной воздуховод горячего потока 11, а охлажденный поток СВТ отдает всю тепловую энергию охлаждаемому медному стержню 14, который соединяет напрямую термопреобразователь 5 с радиатором охлаждения воздуха 6.

На фиг. 3 термопреобразователь 5 представляет собой тепловую трубку. Испаритель тепловой трубки 15 (теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло радиатора для охлаждения воздуха) соединен с корпусом радиатора охлаждения воздуха 6, а конденсатор тепловой трубки 16 (теплообменник, в котором горячий хладагент передает тепло в рабочую среду) размещается в грунте под насыпным холмом 8.

На фиг. 4 термопреобразователь 5 представляет собой теплой насос. Испаритель теплового насоса 17 (теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло радиатора для охлаждения воздуха) соединен с корпусом радиатора охлаждения воздуха 6, а конденсатор теплового насоса 18 (теплообменник, в котором горячий хладагент передает тепло в рабочую среду) размещается в грунте под насыпным холмом 8.

Пневмоэкстрактор в зависимости от типа термопреобразователя атмосферной влаги работает следующим образом.

На фиг. 1 атмосферный воздух по воздухозаборнику 2 поступает в источник сжатого воздуха 1, в котором происходит сжатие воздуха примерно до 2 Па. Поток сжатого воздуха от источника сжатого воздуха 1 через выходной воздуховод 3 поступает на термопреобразователь 5, представляющий собой противоточную вихревую трубу, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный. Образовавшийся в противоточной вихревой трубе горячий закрученный поток, обогащенный влагой, поступает в радиатор для охлаждения воздуха 6 через вытяжной воздуховод горячего потока 11, в противоположную сторону выходит охлажденный поток, поступающий в радиатор для охлаждения воздуха по воздуховоду холодного потока 10. Насыщенный влагой горячий воздух, поступивший в радиатор для охлаждения воздуха 6, конденсируется, после чего экстрагированная вода поступает в водосборник 7, где дополнительно охлаждается аккумулятором холода 12. Далее осушенный от влаги горячий воздух из радиатора для охлаждения воздуха 6 отводится через вытяжной воздуховод осушенного воздуха 9 в окружающую среду. Накопленная экстрагированная пресная вода из атмосферного воздуха в водосборнике 7 самотеком вытекает через кран 13 к потребителю.

В варианте (фиг. 2) атмосферный воздух по воздухозаборнику 2 поступает в источник сжатого воздуха 1, в котором происходит сжатие воздуха примерно до 2 Па. Поток сжатого воздуха от источника сжатого воздуха 1 через выходной воздуховод 3 поступает на термопреобразователь 5, размещенный в камере экстракции влаги 4, представляющий собой самовакуумирующуюся вихревую трубу (СВТ), где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный. Образовавшийся в самовакуумирующейся трубе горячий закрученный поток, обогащенный влагой, поступает в радиатор для охлаждения воздуха 6 через вытяжной воздуховод горячего потока 11, а охлажденный поток СВТ отдает всю тепловую энергию охлаждаемому медному стержню 14. Стержень 14 напрямую соединен с радиатором охлаждения воздуха 6, в который поступает насыщенный влагой горячий воздух для экстракции влаги, после чего экстрагированная вода поступает в водосборник 7, где дополнительно охлаждается аккумулятором холода 12, а осушенный от влаги горячий воздух из радиатора для охлаждения воздуха 6 отводится через вытяжной воздуховод 9 в окружающую среду. Накопленная экстрагированная пресная вода из атмосферного воздуха самотеком вытекает через кран 13 к потребителю.

В варианте (фиг. 3) атмосферный воздух по воздухозаборнику 2 поступает в источник сжатого воздуха 1, в котором происходит сжатие воздуха примерно до 2 Па. Поток сжатого воздуха от источника сжатого воздуха 1 через выходной воздуховод 3 поступает сразу в размещенный в камере экстракции влаги 4 корпус радиатора охлаждения воздуха 6. Термопреобразователь 5, в данном варианте пневмоэкстрактора атмосферной влаги, представляет собой тепловую трубку. Испаритель тепловой трубки 15 (теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло радиатора для охлаждения воздуха) соединен с корпусом радиатора охлаждения воздуха 6, а конденсатор тепловой трубки 16 (теплообменник, в котором горячий хладагент передает тепло в рабочую среду) размещается в грунте под насыпным холмом 8. Экстрагированная в радиаторе охлаждения воздуха вода поступает в водосборник 7 с аккумулятором холода 12 и затем через кран 13 к потребителю, а осушенный от влаги в радиаторе охлаждения 6 воздух отводится через вытяжной воздуховод 9 в окружающую среду. Накопленная экстрагированная вода из атмосферного воздуха в водосборнике 7 самотеком вытекает через кран 13 к потребителю.

В варианте (фиг. 4) атмосферный воздух по воздухозаборнику 2 поступает в источник сжатого воздуха 1, в котором происходит сжатие воздуха примерно до 2 Па. Весь поток сжатого воздуха от источника сжатого воздуха 1 через выходной воздуховод 3 поступает сразу в размещенный в камере экстракции влаги 4 корпус радиатора охлаждения воздуха 6. Термопреобразователь 5, в данном варианте пневмоэкстрактора атмосферной влаги, представляет собой тепловой насос. Испаритель теплового насоса 17 (теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло радиатора для охлаждения воздуха) соединен с корпусом радиатора охлаждения воздуха 6, а конденсатор теплового насоса 18 (теплообменник, в котором горячий хладагент передает тепло в рабочую среду) размещается в грунте под насыпным холмом 8. Экстрагированная в радиаторе охлаждения воздуха 6 вода поступает в водосборник 7 с аккумулятором холода 12 и затем через кран 13 к потребителю, а осушенный от влаги в радиаторе охлаждения 6 воздух отводится через вытяжной воздуховод 9 в окружающую среду. Накопленная экстрагированная вода из атмосферного воздуха самотеком вытекает через кран 13 к потребителю. Этот вариант пневмоэжектора обладает повышенной холодопроизводительностью, так как запитывается электроэнергией.