УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ВЛАГИ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Российский патент 2002 года по МПК E03B3/28 B01D5/00 C02F1/00 F28F1/16 

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха, в частности к установкам, использующим возобновляемые источники энергии.

Известна установка, в которой осуществляется аккумуляция холода для его использования в ночное время [1]. Она содержит солнечные электрические батареи, холодильный агрегат, аккумулятор холода, выполненный в виде наполненной водой термоизолированной емкости, соединенной через гидронасос и вентиль с холодильным агрегатом и теплообменником-конденсатором, расположенным в воздуховоде, в котором также находится каплеуловитель и вентилятор. Под отверстием в воздуховоде находится водосборник.

Установка работает следующим образом. В светлое время суток электроэнергия от солнечных батарей поступает на холодильный агрегат, который вырабатывает холод. С помощью вентиля холодильный агрегат подключается к термоизолированной емкости. Находящаяся в ней жидкость с помощью гидронасоса прокачивается через холодильный агрегат и охлаждается, в результате в термоизолированной емкости аккумулируется холод. Затем термоизолированная емкость с помощью вентиля отключается от холодильного агрегата и подключается к теплообменнику-конденсатору. Когда влажность воздуха достигает величины, близкой к 100%, включаются гидронасос и вентилятор. С их помощью холодная жидкость и влажный воздух пропускаются через конденсатор. Содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется на его поверхности, а находящиеся в нем капли улавливаются каплеуловителем и захваченная влага стекает в водосборник.

Недостатками установки являются большие затраты энергии в вентиляционной системе на прокачку воздуха и сложность проведения очистки поверхности конденсатора от микроскопической пыли, которая, собираясь в углах стыков оребрения трубок конденсатора, образует влажный субстрат, где развивается вредная микрофлора.

Наиболее близкой к изобретению является установка для получения биологически чистой пресной воды при конденсации влаги из атмосферного воздуха, содержащая солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод, вентиляционную систему и конденсатор [2]. В ее работе используется солнечная энергия. В воздуховоде размещены испаритель холодильного агрегата и вентилятор. Установка также содержит систему для озонирования воды, получаемой в результате работы установки.

Установка работает следующим образом. За счет электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, холодильный агрегат производит холод, который выделяется на теплообменнике-испарителе. Влажный воздух с помощью вентилятора продувается через воздуховод, в котором расположен испаритель. В результате контакта с поверхностью теплообменника-испарителя воздух охлаждается, содержащийся в нем пар становится насыщенным, частично конденсируется на поверхности теплообменника и стекает в водосборник, откуда вода поступает в специальную емкость, где происходит обеззараживание воды путем озонирования.

Недостатком данной установки являются большие энергозатраты и низкая производительность.

Отметим, что концентрация паров воды в атмосфере тех областей Земли, где эффективны такие системы получения пресной воды, изменяется от 10 г/л до 25 г/л. При этом извлекается не вся влага. Если предположить, что будет извлекаться 1 г из кубометра воздуха, то для получения 1 литра воды потребуется прокачать 1000 м³ воздуха. При скорости прокачки 10 м/с и площади конденсатора, перпендикулярной потоку воздуха, равной 0,25 м², потребуется около 7 минут. Время контакта воздуха с охлаждающей поверхностью достаточно короткое, а эффективность работы конденсаторов влаги определяется интенсивностью теплообмена между хладоагентом, находящимся внутри металлических трубок конденсаторов, и потоком обтекающего его влажного воздуха. Повышение эффективности теплообмена достигается за счет оребрения трубок конденсатора. Однако при этом значительно увеличивается расход энергии вентилятора на турбулизацию потока, а на ребрах и местах их соединения с трубками конденсатора помимо влаги оседает микроскопическая пыль, в результате чего образуется субстрат, на котором развивается микрофлора и который может содержать токсичные вещества, поступающие вместе с пылью.

Последнее обстоятельство требует проведения регламентных работ по очистке конденсирующей поверхности конденсатора, чему препятствует сильная развитость оребренной поверхности и наличие множества мест на стыках ребер и трубок, где скапливается субстрат. Использование озонатора не может решить проблему полной очистки воды, получаемой в системе, от токсичных веществ (в частности, тяжелых металлов) и микроорганизмов, которые могут содержаться в кусочках микровзвеси, срываемой с конденсатора влаги. Нанесение антибактерицидных покрытий недопустимо, так как вода далее используется в качестве питьевой.

Задачей изобретения является увеличение эффективности работы установки за счет уменьшения затрат энергии на вентиляцию воздуха и улучшение качества получаемой пресной воды за счет создания условий, неблагоприятных для роста микрофлоры на стенках теплообменника, без снижения эффективности работы установки.

Технический результат достигается тем, что в установку для получения биологически чистой пресной воды при конденсации влаги из атмосферного воздуха, содержащую солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод, вентиляционную систему и конденсатор, введена в качестве конденсатора изготовленная из нержавеющей стали изогнутая в змеевик трубка, на внешней стороне которой выдавлены сферические лунки, а прямолинейные участки которой расположены вертикально и сплющены в направлении, перпендикулярном воздушному потоку.

Положительный эффект достигается за счет того, что возникающие при этом когерентные структуры в потоке воздуха приводят к снижению до 2-х раз коэффициента сопротивления, а трубка змеевика является достаточно гладкой /не имеет острых кромок и углов/, легко чистится и в ней отсутствуют места для скопления пыли, а при набегании потока воздуха между лунками возникают вихревые структуры, которые обеспечивают высокую эффективность теплообмена между конденсатором и набегающим потоком воздуха. При этом интенсификация массо- и теплообмена реализуется при отставании роста гидравлического сопротивления обтеканию такого рельефа по сравнению с обтеканием исходно гладкой поверхности.

Известно, что с ростом числа Рейнольдса (Re = (v1)/ν, где v - скорость набегающего потока, l - характерный размер предмета, а ν- динамическая вязкость обтекающей предмет среды, возникает такой момент, когда структура течения становится неустойчивой. Течение перестраивается таким образом, чтобы уменьшить сопротивление набегающему потоку. Коэффициент сопротивления уменьшается в два и более раз. Аналогичная картина возникает при движении водного или воздушного потока над сыпучей средой, которая выстраивается в трехмерные структуры, обеспечивающие минимальное сопротивление при данных числах Рейнольдса. Б.А. Шуляком [3] приводятся эффектные фотографии периодических волновых структур, когда помимо основной периодичности вдоль потока имеется еще одна - поперечная периодичность. Основной особенностью этой периодичности является согласованность фаз модуляций высот соседних рядов деформаций: максимумы высоты возвышения в i-м ряду располагаются против минимумов соседних i±1 рядов. Поэтому в периодической системе создается шахматная структура. Такая согласованность фаз поперечной модуляции волн поверхности сыпучей среды - результат действия пространственных гидродинамических сил, возникающих между отдельными элементами этих возвышений.

Возникающие структуры легко аппроксимируются системой сферических лунок. При этом глубина лунки значительно меньше ее диаметра /в 5-6 раз/. Вышеперечисленные факты заставляют предположить, что сопротивление набегающему потоку, при числах Рейнольдса, характерных для формирования таких структур, Re ≅ 10³-10⁵, со стороны соответствующим образом рифленой поверхности будет значительно меньше, чем над гладкой, однако при этом тепло- и массообмен интенсифицируются. Факт уменьшения сопротивления потоку при формовании поверхности сферическими лунками используется при изготовлении мячей для игры в гольф. Зависимость от числа Рейнольдса коэффициента сопротивления гладкого шара и мячей для игры в гольф приведена на фиг.1 [4] (фиг.1 - график зависимости коэффициента сопротивления (С_D) от числа Рейнольдса (Re). 1 - для мяча для игры в гольф, 2 - для шероховатого шара, 3 - для гладкого шара; фиг. 2 - мяч для игры в гольф с лунками). Обращает на себя внимание участок на кривой для мяча с лунками, свидетельствующий о процессах обтекания, существенно отличающихся от обтекания обычных шероховатых поверхностей. В опытах с лунками малых диаметров, проведенных Г.А. Кикнадзе с сотрудниками [5], была обнаружена сложная картина течения при обтекании лунок потоками с различными числами Рейнольдса. Наблюдалось формирование вихревых структур ламинарного типа при более низких числах Re, которые переходили в автоколебательные когерентные структуры при больших числах Re. Аналогичные явления мы наблюдали с вихревыми когерентными структурами. Отметим, что поверхность, рифленая сферическими лунками с большим отношением диаметра лунки к ее глубине, будет достаточно гладкой, чтобы ее можно было легко чистить, и не содержит выступов, за которыми может собираться пылевой субстрат. Возникновение вихревых структур над лунками теплообменника будет естественным образом интенсифицировать теплообмен в несколько раз и таким образом не приведет к снижению эффективности работы устройства. На фиг.3 приведена схема расположения лунок на змеевике и показано, как сплющены вертикально расположенные трубки змеевика относительно потока набегающего воздуха. На фиг.5 показаны фрагменты труб змеевика конденсатора, на которых изображены сферические лунки, стрелками показан основной поток воздуха. Трубки змеевика сплющены в направлении, перпендикулярном потоку воздуха. На фиг.4 приведена схема линий тока, формирующаяся в потоке влажного воздуха над лунками (1). Подковообразные вихри (2) образуют когерентную структуру, которая снижает сопротивление основному потоку (3) и обеспечивает увеличение тепло- и массообмена между потоком воздуха и стенкой конденсатора (4). Вихревые трубки обеспечивают увеличение тепло- и массообмена между основным потоком и стенкой. Нетрудно видеть, что затененные от основного потока области между трубками оказываются нерабочими и поэтому желательно, чтобы трубки были сплющены перпендикулярно этому потоку.

Вертикальное размещение трубок конденсатора способствует более интенсивному стеканию сконденсировавшейся влаги. Отметим, что использование в качестве материала для изготовления конденсатора меди или алюминия недопустимо, т.к. конденсированная влага будет обогащаться этими элементами и сделает недопустимым использование получаемой воды в качестве питьевой.

На фиг. 5 приведена схема установки для конденсации влаги, где созданы условия, не способствующие формированию мест с субстратом, на котором могут размножаться микроорганизмы. Она содержит водосборник (1) из нержавеющей стали; рифленый лунками конденсатор-влаги из нержавеющей стали (2); холодильную систему (3); вентиляционную систему (4); воздуховод (5) и солнечные батареи (6). Также на фиг.5 приведены поток влажного воздуха (7) и поток осушенного воздуха (8). Тепло конденсации отводится как за счет холодильной системы, так и за счет принудительного движения воздуха, создаваемого вентилятором.

Водосборник 1 изготавливается из нержавеющей стали и представляет собой ванну, в которую стекает влага с конденсатора.

Конденсатор влаги 2 представляет собой изогнутую в змеевик рифленую сферическими лунками трубку из нержавеющей стали, что приводит к формированию когерентной структуры в набегающем потоке, в результате чего, с одной стороны, снижается сопротивление набегающему потоку, что уменьшает энергетические расходы вентиляционной системы и увеличивает теплообмен между холодильной системой и набегающим потоком влажного воздуха, а с другой стороны, трубка змеевика конденсатора является достаточно гладкой, что препятствует скоплению субстрата на ее поверхности и облегчает очистку при проведении регламентных работ. Прямолинейные участки труб змеевика расположены вертикально, что способствует более интенсивному процессу стекания сконденсированной влаги и препятствует оседанию пылевого субстрата на поверхности конденсатора. Трубки конденсатора сплющены в направлении, перпендикулярном основному потоку набегающего воздуха, чтобы уменьшить площадь неэффективно работающих участков трубок конденсатора. Холодильник 3 обеспечивает снижение температуры поверхности конденсатора влаги ниже точки росы, а вентиляционная система 4 - подвод новых порций влажного воздуха.

Устройство работает следующим образом: холодильная система 3 уменьшает ниже точки росы температуру конденсатора влаги 2, через который вентилятором прокачивается воздух. Между лунками, рифлеными на поверхности змеевика конденсатора влаги, возникают вихревые когерентные структуры, формирование которых приводит к понижению лобового сопротивления змеевика конденсатора и увеличивает теплообмен между стенкой конденсатора и набегающим потоком влажного воздуха. Влага, сконденсированная на поверхности конденсатора, стекает по вертикально расположенным трубкам змеевика в водосборник. Отсутствие углов стыка на конденсаторе препятствует накоплению пыли на его поверхности и позволяет ее очищать, в результате вода, получаемая на данном устройстве, оказывается биологически чистой.

Литература:
1. Патент России 2056479, кл. С1 /прототип/.

2. Заявка ФРГ 3313711, кл. Е 03 В 3/28.

3. Б. А.Шуляк. Физика волн на поверхности сыпучей среды и жидкости. М.: Наука, 1971.

4. Bearman P. W. , Harvey J.K. Golf ball aerodynamics. Aeronaut, 1976, vol. Q27, pp.112-122.

5. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымако В.Ф., Хабенский В.Б. Самоорганизация вихревых структур при обтекании водой полусферической лунки. ДАН СССР, 1986, т.291, сс.17-20.

Установка для получения биологически чистой пресной воды при конденсации влаги из атмосферного воздуха содержит солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод, вентиляционную систему и конденсатор, в качестве которого в нее введена изготовленная из нержавеющей стали изогнутая в змеевик трубка, на внешней стороне которой выдавлены сферические лунки, а прямолинейные участки которой расположены вертикально и сплющены в направлении, перпендикулярном воздушному потоку. Технический результат заключается в увеличении эффективности работы установки за счет уменьшения затрат энергии на вентиляцию воздуха и улучшении качества получаемой пресной воды за счет создания условий, неблагоприятных для роста микрофлоры на стенках теплообменника, без снижения эффективности работы установки. 5 ил.

Установка для получения биологически чистой пресной воды при конденсации влаги из атмосферного воздуха, содержащая солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод, вентиляционную систему и конденсатор, отличающаяся тем, что в качестве конденсатора в нее введена изготовленная из нержавеющей стали изогнутая в змеевик трубка, на внешней стороне которой выдавлены сферические лунки, а прямолинейные участки которой расположены вертикально и сплющены в направлении, перпендикулярном воздушному потоку.