УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ Российский патент 1998 года по МПК E03B3/28 B01D5/00 

Изобретение относится к устройствам для получения пресной воды из водяных паров, содержащихся в окружающем атмосферном воздухе, без затрат энергии от внешних источников и без какого-либо загрязнения окружающей среды и может быть использовано для получения пресной воды преимущественно в прибрежной с морями местности.

Известен конденсатор, содержащий охлаждаемую перегородку, разделяющую зону конденсации водяного пара и охлаждающей воды, при помощи этой воды перегородку охлаждают до более низкой температуры, чем температура насыщения водяного пара при данном давлении и при этом получают пресную воду (Политехнический словарь /под ред. А.Ю.Ишлинского. М.: Советская энциклопедия, 1980, с.235).

Недостатком такого конденсатора является необходимость затрат энергии от внешнего источника для охлаждения перегородки, на поверхности которой осуществляется конденсация водяного пара и получение воды, и обеспечения движения вдоль обратной поверхности этой перегородки охлаждающей воды, что в конечном итоге приводит к экологическому загрязнению окружающей среды источником этой энергии.

Наиболее близким к заявленному по совокупности признаков является устройство для получения пресной воды, содержащее теплообменную поверхность, на которой конденсируется влага из наружного атмосферного воздуха и выпавший конденсат собирается в сосуде для сбора конденсата. Устройство содержит генератор энергии ветра для приведения в действие циркуляционной установки, отводящей тепло. Теплообменная поверхность и генератор энергии ветра расположены на плавучей опорной конструкции, например, на плоту, корабле и т.п. Циркуляционная установка, отводящая тепло, имеет теплообменник, расположенный на определенном расстоянии ниже поверхности воды для использования холода глубинных слоев воды (заявка ФРГ N3319975 A1, 1984, кл. E 03 B 3/28).

Недостатком этого устройства является наличие генератора энергии ветра, что приводит к сложности конструкции и снижает надежность действия, затрудняет обслуживание. Применение замкнутой системы циркуляции охлаждающей воды и расположение теплообменника в пределах глубины погружения плавучей опорной конструкции не позволяет обеспечить охлаждение циркулирующей воды до низких температур, что снижает эффективность действия устройства в целом и не позволяет обеспечить высокую его производительность.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в отсутствии необходимости расходования энергии от внешнего источника при кондиционировании водяного пара, повышении надежности работы в автономном, непрерывном и автоматическом режиме практически без износа с минимальной численностью обслуживающего (наблюдающего) персонала. Вместе с тем, при работе устройства полностью исключается какое-либо загрязнение окружающей среды.

Указанный технический результат достигается путем применения устройства для получения пресной воды, использующего холод глубинных слоев воды и содержащего теплообменную поверхность, на которой конденсируется влага из наружного атмосферного воздуха, а выпавший конденсат собирается в сосуде для сбора конденсата. Согласно изобретению устройство содержит изолированно размещенную в поверхностном слое теплой воды и сообщающуюся с окружающим воздухом емкость, заполненную проточной холодной водой, поступающей по связанному с емкостью трубопроводу, который опущен в глубинные холодные слои воды природного водоема и является по отношению к окружающей воде сообщающимся сосудом, верхняя часть которого размещена выше уровня поверхностного слоя воды водоема и свободно сообщается с окружающим воздухом, в нижней части емкости выполнено донное отверстие, через которое осуществляется свободный отток более плотной холодной воды из емкости в пределы окружающего поверхностного слоя более теплой и менее плотной воды и при этом создается непрерывный поток холодной воды по трубопроводу и емкости из глубинных слоев водоема в поверхностный слой и в этом потоке в пределах емкости установлена теплообменная поверхность в виде перегородки, разделяющей зону конденсации и зону охлаждения, одна поверхность перегородки, обращенная вниз в зону охлаждения, омывается холодной проточной водой, а обращенная вверх в зону конденсации другая поверхность сообщается с окружающим воздухом с возможностью конденсации содержащегося в нем водяного пара и связана с сосудом для сбора конденсата воды, полученного из окружающего атмосферного воздуха.

Обращенная вверх в сторону зоны конденсации поверхность перегородки имеет несмачиваемое водой покрытие.

Перегородка выполнена в виде нижней стенки свободно открытого с обоих сторон воздуховода и обращенная вниз в зону охлаждения поверхность перегородки омывается протекающей через емкость холодной водой, при этом входное отверстие воздуховода обращено в сторону от трубопровода и размещено выше выходного отверстия воздуховода, обращенного в сторону трубопровода, что обеспечивает движение воздуха по воздуховоду от входного к выходному отверстию за счет охлаждения воздуха и увеличения его плотности при движении вдоль охлажденной поверхности перегородки.

Перегородка размещена в емкости с наклоном в сторону сосуда для сбора конденсата воды, который установлен у края перегородки, обращенного в сторону трубопровода.

В потоке воды по трубопроводу и емкости дополнительно установлен осевой лопастный насос, обеспечивающий повышение надежности и увеличение скорости движения воды в этом потоке.

В пределах воздуховода дополнительно установлен осевой вентилятор, обеспечивающий повышение надежности создания потока воздуха и увеличение массы воздуха, проходящего над перегородкой в единицу времени.

На приведенной схеме показано в общем виде устройство для получения пресной воды. Емкость с проточной охлаждающей водой и воздуховод с перегородкой в виде его нижней стенки изображены в разрезе фронтальной секущей плоскостью. Стрелками разной длины и толщины показано движение охлаждающей воды, воздуха и конденсата воды.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, приводятся на примере морской (океанической) воды. Известно, что среднегодовая температура поверхностных вод океана и его морей равна 17,5^oC, а у экватора - до 28^oC. При этом сезонные колебания температуры наблюдаются до глубины 100 - 150 м и в более нижних слоях она постоянна и составляет примерно 1,5^oC. Следовательно, средний перепад температуры вод Мирового океана между поверхностными и глубинными слоями составляет 16^oC и максимальный - до 26,5^oC (см. указанный выше "Политический словарь", с. 920 - 921). Эта разность температур определяет большую плотность воды при низкой температуре и ее меньшую плотность при более высокой температуре.

Известны также сообщающиеся сосуды, в которых используется свойство жидкости перемещаться в этих сосудах в вертикальных направлениях, в том числе вверх, и устанавливаться в этих сосудах в равновесном положении относительно действующих на жидкость гидростатических сил без дополнительных затрат энергии Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1987, с.1245).

Разная плотность воды при разной температуре в сочетании с использованием указанного выше свойства сообщающихся сосудов позволяют создать непрерывный поток жидкости в вертикальном направлении снизу верх. Неисчерпаемый источник тепловой энергии морской воды в связи с постоянной разностью температур ее поверхностного и глубинных слоев обеспечивает осуществление указанного способа движения воды практически в режиме вечного двигателя, т.е. непрерывно, без каких-либо затрат топливноэнергетических ресурсов и материальных средств и без экологического загрязнения окружающей среды.

Устройство для получения пресной воды (см.схему) содержит свободно проточный трубопровод 1, опущенный в глубинные слои морской воды с низкой температурой T₁, верхняя часть трубопровода открыта, размещена выше уровня воды и свободно сообщается с окружающим атмосферным воздухом. Указанное выполнение трубопровода характеризует его как сообщающийся сосуд по отношению к окружающей воде, уровень воды в котором зависит от относительной ее плотности по отношению к плотности окружающей воды и устанавливается на соответствующей высоте под действием гидростатических сил без затрат энергии со стороны. На уровне поверхностно теплового слоя окружающей воды с температурой T₂ в боковой стенке проточной для воды части трубопровода выполнено отверстие 2, сообщающееся с емкостью 3, которую изолировано размещают в поверхностном слое теплой воды. Верхняя часть емкости имеет свободное сообщение с атмосферой и размещена выше уровня воды. Внутренний объем емкости изолирован от окружающей воды и сообщается с ее поверхностным слоем только посредством свободно проточного донного отверстия 4 в нижней части емкости. Отверстие может быть совмещено с направленным вниз коротким патрубком 5, размещенным в поверхностном теплом слое воды. В пределах емкости 3 и над ней установлен воздуховод 6, имеющий с противоположных сторон входное 7 и выходное 8 отверстия для свободного прохода воздуха. Выходное отверстие обращено в сторону трубопровода 1. Входное отверстие 7 обращено в сторону от трубопровода 1 и совмещено с открытым патрубком 9, вход в который размещен выше выходного отверстия 8 и свободно сообщается с окружающим атмосферным воздухом. Нижняя стенка воздуховода 6 представляет собой теплообменную поверхность, которая выполнена в виде теплопроводной перегородки 10, определяющей внутренний объем воздуховода 6, являющийся зоной конденсации, от емкости 3, являющейся зоной охлаждения, которая обеспечивает охлаждение перегородки ниже температуры насыщения конденсируемого водяного пара. Верхняя поверхность перегородки 10 обращена внутрь воздуховода, а нижняя поверхность в пределах емкости омывается холодной проточной водой, поступающей из трубопровода. Перегородка имеет наклон в сторону сосуда 11 для сбора конденсата воды, который установлен в конце перегородки, обращенном в сторону трубопровода. Обращенная вверх в зону конденсации поверхность перегородки имеет несмачиваемое водой покрытие.

В потоке охлаждающей воды в пределах трубопровода или емкости 3 может быть дополнительно установлен насос (преимущественно осевой лопастный, имеющий минимальное сопротивление потоку жидкости при его отключении), что повышает надежность создания потока воды и обеспечивает увеличение скорости охлаждающей воды, омывающей нижнюю поверхность перегородки 10.

В пределах воздуховода 6 может быть дополнительно установлен осевой вентилятор, обеспечивающий повышение надежности создания потока воздуха через воздуховод и увеличение массы воздуха, проходящего над перегородкой в единицу времени, что способствует соответствующему возрастанию количества конденсируемой воды.

Устройство для получения пресной воды работает следующим образом.

Для запуска устройства производят при помощи установленного в устройстве или переносного вспомогательного насоса принудительное перемещение холодной воды из глубинного слоя через трубопровод 1, емкость 3 и донное отверстие 4 с патрубком 5 в пределы окружающего поверхностного слоя более теплой воды. Этот насос отключают или убирают после заполнения всей указанной системы холодной водой из глубинного ее слоя.

Осуществимость создания потока воды указанным порядком обусловлена в конечном итоге проявлением всеобщего (фундаментального) закона сохранения энергии при обмене тепловой энергией между теплой водой из поверхностного слоя с температурой T₂ и водой из глубинного слоя, имеющей низкую температуру T₁, что определяет разную их плотность и возможность движения более плотной холодной воды через донное отверстие 4 в нижней части емкости 3 в пределы менее плотной теплой воды в поверхностном слое. Для устранения помех движению воды отверстие 2 в боковой стенке трубопровода выполняют большим по площади по сравнению с донным отверстием 4 в нижней части емкости. Слив воды из верхней части трубопровода в емкость приводит в движение воду в трубопроводе снизу вверх под действием гидростатических сил со стороны воды, окружающей трубопровод. При этом подъем воды в трубопроводе происходит как в сообщающемся сосуде относительно окружающей воды без затрат энергии со стороны.

Совмещенный с донным отверстием 4 обращенный вниз патрубок 5 обеспечивает слив плотной холодной воды из емкости в пределы более теплой и менее плотной воды из поверхностного ее слоя и упорядочивает этот поток.

Возможность создания потока воды указанным выше способом подтверждается расчетными данными. Известно, что плотность воды находится в обратной зависимости от ее температуры (аномальное отклонение при 4^oC здесь не рассматривается). Исходя из этого, в трубопроводе и емкости уровень более плотной холодной воды (например, при 2^oC, т.е. при температуре воды, с которой она подается из глубинного слоя) будет ниже, чем у окружающей воды, средняя плотность которой в интервале глубины погружения трубопровода будет определяться средней температурой ее глубинного слоя (2^oC) и поверхностного слоя (например, 26^oC), что в среднем составит 12^oC. Этими показателями температуры (12 и 2^oC) будет определяться разность в уровнях поверхностного слоя воды и уровня воды в емкости и трубопроводе.

Вместе с тем, разная величина плотности воды в емкости и поверхностном слое будет определяться показателями температуры в поверхностном слое (26^oC) и в емкости (2^oC).

Исходя из того, что уровни воды в сообщающихся сосудах (в данном случае в трубопроводе и емкости по отношению к окружающей воде) зависят от ее плотности в этих сосудах, а плотность находится в обратной зависимости от температуры, следует, что большая плотность воды в емкости по сравнению с поверхностным слоем при разности их температур в 24^oC обеспечит отток воды из емкости, поскольку различия в температурах воды, определяющие разную их плотность в емкости (2^oC) и поверхностном слое (26^oC), существенно больше по сравнению с различиями в средней величине температуры окружающей воды (12^oC) и температуры воды в емкости (2^oC), определяющими разный уровень окружающей воды и воды в емкости.

Или, говоря иначе, температурные и гидромеханические условия системы таковы, что влияние разной плотности воды на создание ее потока из емкости более существенно по сравнению с разностью ее уровней в окружающем водоеме и емкости.

Движение атмосферного воздуха по воздуховоду 6 от входного отверстия 7 к выходному отверстию 8 и постоянное обновление при этом воздуха, соприкасающегося с охлаждающей перегородкой 10, происходит без затрат энергии со стороны естественным путем за счет охлаждения воздуха в воздуховоде и повышения при этом его плотности, что приводит к истечению холодного и более плотного воздуха из выходного отверстия 8, которое находится ниже входного отверстия 7. Этому движению охлажденного более плотного воздуха способствует наклон перегородки в сторону выходного отверстия. Водяные пары, содержащиеся в атмосферном воздухе, конденсируются на верхней охлажденной поверхности перегородки и образовавшийся конденсат стекает по наклонной перегородке в сосуд 11 для сбора пресной воды. На несмачиваемой конденсатом поверхности перегородки вода оседает в виде отдельных капель, что облегчает ее движение по наклонной поверхности перегородки, а отсутствие пленки воды с малой теплопроводностью на поверхности перегородки способствует увеличению теплового потока через перегородку.

При работе описываемого устройства обеспечивается возможность охлаждения перегородки примерно до 2^oC, т.е. до температуры воды, поступающей по трубопроводу из глубинных ее слоев. Это обеспечивает возможность конденсации водяных паров практически при любых состояниях окружающего атмосферного воздуха.

Возможное применение, при необходимости, насоса и вентилятора повышает надежность работы описываемого устройства даже при относительно небольшой разности температур воды в поверхностном и глубинном слоях водоема.

Благодаря показанной выше постоянной и неисчерпаемой разности температур в поверхностном слое морской воды T₂ и глубинных ее слоях (T₁) работа описываемого устройства происходит практически в режиме вечного двигателя, т.е. постоянно, непрерывно, автоматически, без какого-либо управления или иного вмешательства, без расходования топливно-энергетических ресурсов и других материальных средств, без экологического загрязнения окружающей среды, практически без износа и с минимальной численностью обслуживающего (наблюдающего) персонала.

Использование: для получения пресной воды из воздуха без затрат энергии от внешнего источника и без экологического загрязнения окружающей среды. Устройство для получения пресной воды содержит трубопровод 1, опущенный в глубинные слои водоема (моря), и сообщающуюся с ним емкость 3, размещенную в поверхностном слое теплой воды с температурой T₂ и связанную с этим слоем воды через донное отверстие 4. Над поверхностью воды в емкости размещен воздуховод 6 со свободно открытыми входным 7 и выходным 8 отверстиями, первое из которых размещено выше второго. Нижняя наклонная в сторону трубопровода стенка воздуховода является перегородкой между зоной охлаждения, размещенной ниже перегородки и заполненной проточной холодной водой, и зоной конденсации над перегородкой в пределах воздуховода. В системе трубопровод-емкость и в воздуховоде дополнительно установлены соответственно осевой лопастный насос и осевой вентилятор. Движение воды из глубинных слоев осуществляется по трубопроводу и емкости за счет оттока холодной и более плотной воды из емкости в пределы более теплой и менее плотной воды в ее поверхностном слое, при этом система трубопровода и емкости работает как сообщающийся сосуд за счет гидростатических сил со стороны окружающей воды. Движение воздуха в воздуховоде осуществляется за счет его охлаждения и увеличения плотности при контакте с охлаждающей перегородкой. Конденсат водяного пара, осаждаемого на верхнюю несмачиваемую водой поверхность перегородки, собирают в сосуде 11 для пресной воды. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для получения пресной воды, использующее холод глубинных слоев воды и содержащее теплообменную поверхность, на которой конденсируется влага из наружного атмосферного воздуха, а выпавший конденсат собирается в сосуде для сбора конденсата, отличающееся тем, что устройство содержит изолированно размещенную в поверхностном слое тепловой воды и сообщающуюся с окружающим воздухом емкость, заполненную проточной холодной водой, поступающей по связанному с емкостью трубопроводу, который опущен в глубинные холодные слои воды природного водоема и является по отношению к окружающей воде сообщающимся сосудом, верхняя часть которого размещена выше уровня поверхностного слоя воды водоема и свободно сообщается с окружающим воздухом, в нижней части емкости выполнено донное отверстие, через которое осуществляется свободный сток более плотной холодной воды из емкости в пределы окружающего поверхностного слоя более теплой и менее плотной воды и при этом создается непрерывный поток холодной воды по трубопроводу и емкости из глубинных слоев водоема в поверхностный слой и в этом потоке в пределах емкости установлена теплообменная поверхность в виде перегородки, разделяющей зону конденсации и зону охлаждения, одна поверхность перегородки, обращенная вниз в зону охлаждения, омывается холодной проточной водой, а обращенная вверх в зону конденсации другая поверхность сообщается с окружающим воздухом с возможностью конденсации содержащего в нем водяного пара и связана с сосудом для сбора конденсата воды, полученного из окружающего атмосферного воздуха. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обращенная вверх в сторону зоны конденсации поверхность перегородки имеет не смачиваемое водой покрытие. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка выполнена в виде нижней стенки свободно открытого с обеих сторон воздуховода и обращенная вниз в зону охлаждения поверхность перегородки омывается протекающей через емкость холодной водой, при этом входное отверстие воздуховода обращено в сторону от трубопровода и размещено выше выходного отверстия воздуховода, обращенного в сторону трубопровода, что обеспечивает движение воздуха по воздуховоду от входного к выходному отверстию за счет охлаждения воздуха и увеличения его плотности при движении вдоль охлажденной поверхности перегородки. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка размещена в емкости с наклоном в сторону сосуда для сбора конденсата воды, который установлен у края перегородки, обращенного в сторону трубопровода. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в потоке воды по трубопроводу и емкости дополнительно установлен осевой лопастной насос, обеспечивающий повышение надежности и увеличение скорости движения воды в этом потоке. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в пределах воздуховода дополнительно установлен осевой вентилятор, обеспечивающий повышение надежности создания потока воздуха и увеличение массы воздуха, проходящего над перегородкой в единицу времени.