УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕШЕВОЙ ПРЕСНОЙ ВОДЫ Российский патент 2000 года по МПК E03B3/28 C02F1/04 

Проблема производства пресной воды приобретает в настоящее время все большее значение. Целый ряд стран, таких как Кипр, Израиль, ОАЭ и д.р. испытывают постоянный недостаток пресной воды. Если ОАЭ могут позволить себе сжигать нефть для производства пресной воды, то для других стран это не приемлемо в силу дороговизны произведенной воды.

В настоящее время существует большое число решений проблемы опреснения морской воды на различных устройствах. Основными методами является использование селективных мембран, например патент США N 4122012 от 24.10 1978, автор L.A. Vlasnik. [1], где селективные материалы находятся на дне резервуара, закопанного на морском берегу, так что фильтр находится ниже уровня морской воды в грунте. В таком устройстве стоимость произведенной воды определяется стоимостью селективного материала (а она не мала) и все равно по истечении определенного времени ресурс такой мембраны исчерпывается и она требует замены.

Другое традиционное направление - это дисциляция соленой воды: нагрев и испарение воды (при атмосферном или пониженном давлении используя традиционные источники энергии или нагрев за счет солнечной энергии) и ее последующая конденсация. При этом существуют системы повторного использования выделяемого при конденсации тепла. Примеры лишь нескольких таких реализаций приведены в патенте США N 4330373 от 18.05 1982, автор P.J. Liu [2], здесь для нагрева используется солнечная энергия, а для охлаждения - море, и патент США N 3933600 от 20.01 1976, авторы D.D. Crocker, J.S. Dodge, D.D. Robinson [3] , когда вода испаряется в открытом пламени. Большое число патентов целиком основано на использовании только солнечной энергии. Это патент России N 95100104 от 10.04.1997, автор Г.Г. Плеханов "Способ опреснения воды и устройство для его осуществления" [4] или патент России N 2099289 от 20.12.1997, автор Ю. Б. Кашеваров "Опреснитель морской воды Кашеварова "ОМВК"" [5].

И наконец, большое количество самых экзотических методов. Например, сжатие газа до давлений, вызывающих расщепление солей до атомов и их последующее выделение - патент США N 3871180 от 18.03. 1975, автор J.B. Swanson [6] , использование для нагрева лазера - патент США N 5094758 и т.п. Во всех этих устройствах вопрос цены литра воды и надежности устройства оставляют желать лучшего.

Наиболее близким к заявляемому устройству, является устройство (прототип), приведенное в Российском авторском свидетельстве N 1798311 от 28.02 1993 специализированного внедренческого центра "Наука" [7]. Пары воды собираются принудительно или за счет естественной тяги из поверхностного слоя атмосферы над поверхностью воды или земли. Принципиальным в этом устройстве является отказ от любого нагрева, что, конечно, сразу удешевляет пресную воду в десятки и сотни раз. Однако авторы не уделили должного внимания тепловым процессам, неизбежно присущим любому устройству. Недостатком является отсутствие системы разделения тепловых потоков, что приводит к резкому снижению кпд устройства.

В предлагаемом устройстве тоже нет никакого нагрева воды. Точнее, поскольку солнце и так нагревает море, то воздух над поверхностью моря и на побережье уже содержит некоторое количество воды в виде пара. Так из практически любого справочника можно найти давление паров воды при разных температурах. Так из Справочника лаборанта-химика, - М.: Высшая школа, 1970, стр. 54, узнаем, что при 10 градусах Цельсия давление насыщенного водяного пара составляет 0,0123 бар, а при 30 градусах - уже 0,0425 бар и 0,0737 бар при 49 градусах Цельсия. То есть, охладив "морской" воздух (отметим, что это можно делать и на побережье) до 10 градусов Цельсия (10 - 12 градусов - температура мирового океана на глубинах в несколько десятков метров, а 5-10 градусов - температура грунта на глубине нескольких метров), мы можем конденсировать избыток влаги. Кроме того, на побережье часто дуют ветры (особенно на островах), поэтому даже поток морского воздуха можно обеспечить без затрат внешней энергии. Пример реализации такого устройства в морском варианте представлен на чертеже. (но она ничем принципиально не отличается для работы на суше). Работа устройства понятна из приведенной схемы. Влажный воздух, попадая в воздухозабор (1), движется по рукаву (4) сначала в конденсатную камеру (3) (внизу, где написано H₂O). Там воздух охлаждается, теряет излишнюю влагу и выходит по другому рукаву (4) осушенный (с давлением водяных паров, соответствующих минимальной температуре) в систему сброса воздуха (5). При этом для обеспечения более эффективной работы важно не допустить перетока тепла (нагрева конденсатной камеры) по элементам конструкции из областей воздухозабора и сброса воздуха. То есть надо обеспечить теплоизоляцию относительно этих областей конденсатной камеры для поддержания и увеличения перепада температур. Элементы теплоизоляции (2) не обязательно должны простираться от воздухозабора (сброса) до конденсатной камеры, однако использование всей длины воздушного рукава делает их работу более эффективной. Они могут быть выполнены на основании различных физических или технических принципов, а их функции могут быть совмещены с функцией воздушного рукава. Важно только одно условие: чтобы они обеспечили надежную изоляцию тепловых потоков из области воздухозабора и сброса воздуха в область конденсатной камеры. Примером наиболее простого решения может служить исполнение воздушных рукавов (4) или их части из диэлектрических материалов, обладающих малыми коэффициентами теплопроводности. Другим примером может служить изготовление тонкостенных рукавов (2) из нержавеющей стали.

Произведем расчет производительности такой установки. Зададим минимальную температуру 10 градусов Цельсия, дневную температуру 30 градусов, относительную влажность 100% (на побережье вдали от моря влажность меньше - около 50%), сечение воздушного потока полметра квадратного, средняя скорость потока 5 м/с и продолжительность эффективной работы - 10 часов (время, когда происходит конденсация, поскольку ночью падают температуры и эффективность устройства, хотя оно продолжает работать). После несложных вычислений получим, что один кубометр, пройдя через конденсатную камеру, может отдать около 20 г воды, а такая установка произведет до 2 кубометров пресной воды в сутки. Аналогичные расчеты проведены в патенте [5], однако предложения поднимать воду для охлаждения с глубин 400 м и др. сильно препятствуют практической реализации подобных проектов. Такое количество воды способно полностью обеспечить нужды небольшого коттеджа в пресной воде. Если удастся обеспечить такой поток воздуха за счет ветра (зависит от географии места), то устройство не потребляет энергии вообще. Повысить производительность можно, ориентировав воздухозабор навстречу ветру, для чего необходимо сделать его вращающимся и в виде флюгера. Если же требуется принудительный продув, то остается возможность питать электродвигатели за счет преобразования солнечной энергии (это присутствует во многих патентах), и эти затраты носят разовый характер и их можно отнести на стоимость установки. Кроме того, у инженера остаются широкие возможности (изменение скорости и сечения потока, включение нескольких устройств в параллель и т.п.) для обеспечения требуемой производительности. Предельная простота конструкции, отсутствие заменяемых компонентов, а также практически отсутствующие движущиеся части делают ресурс установки очень большим (десятки лет).

Описана конструкция очень простой и надежной установки для выделения пресной воды из атмосферного воздуха. Поскольку установка практически не потребляет энергии, а срок службы установки составляет десятки лет, стоимость произведенной воды минимальна. Приведен расчет установки производительностью около 2 м³ воды в сутки, что полностью обеспечивает потребности в воде для небольшого дома с участком. Установка содержит конденсаторную камеру, соединенную с забором и сбросом воздуха. Конденсаторная камера расположена под водой или в грунте на глубине, не имеющей сезонных изменений температуры. Поток атмосферного воздуха в конденсаторную камеру обеспечивается принудительно за счет энергии солнца или ветра. Конденсаторная камера теплоизолирована от забора и сброса воздуха, что позволяет поддерживать перепад температур. 1 ил.

Установка для получения пресной воды, содержащая конденсатную камеру, соединенную с забором и сбросом воздуха, при этом поток атмосферного воздуха в конденсатную камеру обеспечивается принудительно или самотеком за счет энергии солнца или ветра, конденсатная камера расположена под водой или в грунте на глубине, не имеющей сезонных изменений температуры, а воздухозабор выполнен в виде флюгера, отличающаяся тем, что конденсатная камера теплоизолирована от забора и сброса воздуха.