УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАССОВОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ПУТЕМ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНЫХ ПАРОВ ИЗ ВОЗДУХА Российский патент 1999 года по МПК E03B3/28 B01D5/00 

Изобретение относится к устройствам для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха и может быть использовано в засушливых районах (пустынях, полупустынях, сухих степях) для обеспечения населения питьевой воды и водой для бытовых нужд. Оно может быть также использовано там, где пресная вода в реках и озерах сильно загрязнена вредными веществами (промышленными отходами, гербицидами и т.п.) и потому не пригодна для питья.

Известно устройство дистиллятор, /1, 2/ для получения пресной воды путем дистилляции природной соленой воды (воды моря, озера).

Недостаток этого устройства в том, что для его работы необходимо иметь резервуар природной соленой води, который в засушливых районах имеется далеко не всегда, что существенно ограничивает возможности получения пресной воды в безводных районах. Дополнительный недостаток этого устройства - большая затрата энергии на испарение воды при дистилляции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство /3/ для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, содержащее теплоизолированную холодильную камеру, охлаждающую воздух до температуры -25, -30^oC, насос-компрессор для засасывания воздуха из окружающей среды в холодильную камеру с патрубком для выпуска обезвоженного воздуха в окружающую среду, электрические нагреватели для расплавления льда, полученного в холодильной камере при конденсации водяных паров из воздуха, емкость для сбора образовавшейся воды с краном и патрубком для выпуска воды наружу.

Недостатком этого устройства является его малая производительность. Это обусловлено тем, что стенки холодильной камеры, как правило, охлаждают металлическими трубами с протекающим в них жидким или газообразным хладагентом, охлажденным тепловым насосом, как в обычном бытовом морозильнике. Поэтому теплопередача происходит поэтапно от воздуха к стенкам холодильной камеры и далее к трубам с хладагентом теплового насоса. Для передачи по этим этапам большой тепловой мощности необходима большая поверхность теплопередачи, что делает устройство для получения пресной воды громоздким.

Если для охлаждения вместо теплового насоса используют полупроводниковые термоэлементы, работающие на основе эффекта Пельтье, то устройство расходует значительно больше электроэнергии, и его работа становится менее экономически выходной.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности устройства для получения пресной воды путем конденсации из воздуха при одновременном снижении затрат электроэнергии на каждый килограмм полученной воды.

Это достигается благодаря тому, что в устройстве для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, содержащей теплоизолированную холодильную камеру, охлаждающую воздух до температуры -25, -30^oC, насос-компрессор для засасывания воздуха из окружающей среды в холодильную камеру с патрубком для выпуска из камеры обезвоженного охлажденного воздуха, электрические нагреватели для расплавления льда, полученного при конденсации водяных паров из воздуха, емкость для сбора образовавшейся воды с краном и патрубком для выпуска воды наружу, согласно изобретению насос-компрессор для подачи воздуха в холодильную камеру под давлением в два-четыре раза выше атмосферного присоединен к змеевику-теплообменнику, который в свою очередь присоединен к соплу для подачи сжатого воздуха на лопатки, расположенной внутри холодильной камеры газовой турбины, которая совершает механическую работу за счет внутренней энергии сжатого воздуха понижая его температуру до -25, -30^oC, причем турбина валом, проходящим наружу через уплотнение в стенке холодильной камеры, соединена с валом электрогенератора переменного тока, который электрически присоединен к трансформатору, вторичная обмотка которого соединена с электросетью, а холодильная камера патрубком соединена с камерой-отстойником для сбора образовавшихся мелких кристаллов льда в ее нижней части, где расположены электрические нагреватели для периодического расплавления накопленного льда и патрубок с краном для выпуска полученной воды наружу.

Сущность изобретения состоит в следующем. Насос-компрессор засасывает воздух из окружающей среды и адиабатически сжимает его, повышая давление в 2-4 раза выше атмосферного. Температура воздуха в результате сжатия повышается на несколько десятков градусов по Цельсию. Сжатый воздух охлаждается в змеевике теплообменнике до температуры окружающей среды при постоянном давлении. Далее сжатый и охлажденный воздух через сопло направляют на лопатки газовой турбины (или каскад турбин), расположенной внутри холодильной камеры. При этом воздух адиабатически расширяется и, вращая турбину, совершает механическую работу за счет внутренней энергии воздуха, в результате чего температура воздуха понижается на несколько десятков градусов. Одновременно турбина вращает электрогенератор и вырабатывает электроэнергию, которая через трансформатор направляется в электросеть.

После снижения температуры воздуха водяные пары конденсируются в виде мелких кристаллов льда, падают в нижнюю часть камеры-отстойника, где после накопления расплавляются, и полученная вода выпускается наружу.

Так как турбина для своей работы требует большое количество воздуха, то в единицу времени конденсируется большое количество водяных паров, и устройство имеет высокую производительность при малом расходе электроэнергии, так как значительная ее часть, затраченная на сжатие воздуха, возвращается в электросеть при вращении турбины. Поэтому предлагаемое устройство будет высокопроизводительным и экономичным.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство для получения пресной воды из воздуха состоит из насоса-компрессора 1, змеевика-теплообменника 2, трубопровода 3, сопла 4, теплоизолированной холодильной камеры 5, газовой турбины 6 с валом 7, пропущенным через уплотнение 8 и присоединенным к валу электрогенератора 9, подключенного к трансформатору 10. Патрубком 11 холодильная камера соединена с камерой-отстойником 12, которая снабжена патрубком 13 для выпуска обезвоженного холодного воздуха в окружающую среду. В нижней части камеры-отстойника установлены электрические нагреватели 14 и выполнен кран 15 с патрубком для выпуска полученной воды наружу.

Работа устройства происходит следующим образом. Насос-компрессор 1 засасывает воздух из окружающей среды и адиабатически сжимает его, повышая давление в два-четыре раза выше атмосферного. Воздух при этом нагревается на несколько десятков градусов и поступает в теплообменник-змеевик, где охлаждается до температуры окружающей среды (например, 30^oC) и по трубопроводу 3 через сопло 4 направляется на лопатки газовой турбины 6, расположенной внутри холодильной камеры 5. Струя сжатого воздуха вращает газовую турбину 6 и посредством вала 7 электрический генератор переменного тока 9, который через трансформатор 10 направляет выработанную электроэнергию в электросеть.

При попадании на лопатки газовой турбины 6 сжатый воздух адиабатически расширяется и совершает механическую работу за счет внутренней тепловой энергии, в результате чего его температура снижается на несколько десятков градусов, и водяные пары, содержащиеся в воздухе, конденсируются в виде мелких кристаллов льда и вместе с воздухом через патрубок 11 попадают в камеру-отстойник 12 и падают в ее нижнюю часть, где после накопления лед периодически расплавляется электрическими нагревателями 14, и полученная вода через кран 15 выпускается наружу.

Обезвоженный холодный воздух из камеры-отстойника 12 выпускается в окружающую среду через патрубок 13. Этот воздух может быть использован и для работы различных присоединенных к патрубку 13 морозильников, холодильников, кондиционеров. Он может быть также использован для охлаждения извне змеевика-теплообменника 2, что приведет к уменьшению его размеров.

Охлаждение воздуха при адиабатическом расширении воздуха во время работы газовой турбины 6 происходит очень быстро без промежуточных конструктивных элементов и использования специальных хладагентов. Поэтому предлагаемое устройство для получения пресной воды будет высокопроизводительным.

Сжатие воздуха в насосе-компрессоре не должно быть значительным. Например, если давление сжатого воздуха в два раза выше атмосферного, то после адиабатического расширения воздуха и падения его давления до атмосферного во время работы газовой турбины температура воздуха снизится от температуры окружающей среды в 25^oC до температуры -30^oC, что достаточно для почти полной конденсации водяных паров из воздуха /3-6/.

Даже в очень сухом воздухе имеется достаточное количество водяных паров, чтобы с помощью предложенного устройства можно было подучить значительное количество воды. Произведем для этого простые расчеты.

Пусть температура окружающей среды будет 30^oC выше нуля. А относительная влажность воздуха составляет всего 5 %, что обеспечивает содержание водяных паров 1,55 г/м³ /6/. После понижения температуры воздуха в холодильной камере до температуры 30^oC ниже нуля большая часть водяного пара выпадает в виде льдинок и инея. Оставшийся в воздухе водяной пар станет насыщенным, и его содержание в воздухе будет 0,3 г/м³ /6/. Таким образом за счет конденсации паров воды из воздуха из 1 м³ воздуха можно получить 1,25 г воды. Если через холодильную камеру пропускать 10 м³/сек, то в течение часа будет получено 45 кг льда или соответственно такое же количество пресной воды. Если устройство в течение суток работает 12 часов, то ежедневно можно получать 540 кг питьевой воды, что весьма значительно для пустыни, для условий которой проведен данный расчет.

В реальных условиях даже в пустынях относительная влажность может быть 20-30% и количество получаемой воды будет в 4 - 6 раз больше.

Предложенное устройство позволяет получать питьевую воду в самой безводной местности и тем самым дает возможность освоить соответствующие районы. Такими районами являются все пустыни Азии, Африки, Америки и Австралии. В странах СНГ такими областями являются пустыни Средней Азии и Казахстана и все районы, где имеется недостаток пресной воды (например, Крым, Донбасс и др.).

Важным достоинством предложенного устройства является то, что оно не загрязняет окружающую среду и не вызывает каких-либо экологических изменений. В то же время используемые в настоящее время дистилляторы /1-3/, работающие на органическом топливе, сильно загрязняют окружающую среду. Кроме того, большие средства расходуются на транспортировку топлива. Атомные дистилляторы /2/ экологически опасны и, кроме того, проблема утилизации образующихся радиоактивных отходов не имеет удовлетворительного решения.

В жарких засушливых районах много солнечных дней и для работы предлагаемого устройства можно использовать электроэнергию, получаемую от солнечных батарей.

Экономический эффект от применения предлагаемого устройства будет получен за счет того, что не будет затрачиваться большое количество топлива и энергии на получение пресной воды путем дистилляции, как это делается в настоящее время. Дополнительный экономический эффект будет получен за счет освоения труднодоступных районов, освоение которых сдерживается отсутствием воды, а также за счет сокращения расходов на защиту окружающей среды.

Литература
1. Слесаренко В.Н. Дистилляционные опреснительные установки. М.: Энергия, 1980, с. 11 - 28.

2. Калычев Б.C. Атом утоляет жажду. М.: Атомиздат, 1970, с. 56.

3. Цивинский С. В. Устройство для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха. Патент РФ N 2045978, кл. B 01 D 5/00, 1991 г.

4. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 1. М.: Наука, 1970 г., с. 340-350.

5. Яворский Б. М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: И-во физ.мат. литературы, 1968 г., с. 151.

6. Краткий справочник физико-химических величин (под редакцией Равдель А.А., Пономаревой Л.М. -Л.: Химия, 1963, с. 28).

Устройство предназначено для получения пресной воды в районах с недостатком природных источников пресной питьевой воды. Устройство состоит из насоса-компрессора, закачивающего воздух из окружающей среды в змеевик-теплообменник, охлаждаемый воздухом окружающей среды, холодильной камеры с расположенной внутри нее газовой турбиной, соединенной с электрогенератором переменного тока, и камеры-отстойника, соединенной патрубком с холодильной камерой. Сжатый воздух из змеевика-теплообменника через сопло поступает на лопатки газовой трубины, которая совершает механическую работу за счет внутренней тепловой энергии газа, в результате чего температура воздуха снижается на несколько десятков градусов. Водяной пар, содержащийся в воздухе, конденсируется в виде мелких кристаллов льда, которые выпадают в нижней части камеры-отстойника и после накопления периодически расплавляются электрическими нагревателями. Полученная вода через кран выпускается наружу. Выработанная электрогенератором энергия направляется в электросеть и таким образом в электросеть возвращается большая часть электроэнергии, затраченной насосом-компрессором на сжатие воздуха, что делает устройство экономичным. 1 ил.

Устройство для массового получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, содержащее теплоизолированную холодильную камеру, охлаждающую воздух до температуры -25, -30^oС, насос-компрессор для засасывания воздуха из окружающей среды в холодильную камеру с патрубком для выпуска из камеры обезвоженного охлажденного воздуха, электрические нагреватели для расплавления льда, полученного при конденсации водяных паров из воздуха, емкость для сбора образовавшейся воды с краном и патрубком для выпуска воды наружу, отличающееся тем, что насос-компрессор для подачи воздуха в холодильную камеру под давлением в два - четыре раза выше атмосферного присоединен к змеевику-теплообменнику, который, в свою очередь, присоединен к соплу для подачи сжатого воздуха на лопатки расположенной внутри холодильной камеры газовой турбины, которая совершает механическую работу за счет внутренней энергии сжатого воздуха, понижая его температуру до -25, -30^oС, причем турбина валом, проходящим через уплотнение в стенке холодильной камеры, соединена с валом электрогенератора переменного тока, который электрически присоединен к трансформатору, вторичная обмотка которого соединена с электросетью, а холодильная камера патрубком соединена с камерой-отстойником для сбора образовавшихся мелких кристаллов льда в ее нижней части, где расположены электрические нагреватели для периодического расплавления накопленного льда и патрубок с краном для выпуска полученной воды наружу.