УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЫ ИЗ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2009 года по МПК E03B3/28 

Изобретение относится к устройствам для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха и может быть использовано в засушливых районах - пустынях, полупустынях и сухих степях, а также в районах стихийных бедствий для получения питьевой воды и воды для бытовых нужд.

К настоящему времени известен класс устройств для конденсации переохлажденных паров воды из атмосферного воздуха, используя пористо-капиллярные сорбенты. Устройства основаны на использовании эффекта «росы». Переохлаждение паров в устройствах достигается либо за счет суточного перепада температуры в воздухе (патент РФ 2101423), либо путем вентиляционной продувки воздуха над охлажденной поверхностью. Переохлажденные пары воды эффективно конденсируются и накапливаются в пористо-капиллярных сорбентах. Для извлечения накопившейся воды из сорбентов последние подогреваются искусственно или солнечным светом. Вода в виде капельно-паровой фазы вытесняется из пор и капилляров и собирается в водосборнике для последующего практического использования.

Достоинством таких устройств является возможность применения в них большого спектра существующих пористых сорбентов, физико-технические свойства которых хорошо изучены и широко используются в химии и других отраслях промышленности. Однако подобным устройством конденсации паров воды из воздуха присущи два принципиальных недостатка. Первый из них: сорбентные материалы пористого типа обладают очень малым весовым коэффициентом накопления сконденсированной воды относительно используемой общей массы сорбента. Иными словами, для получения ощутимого количества воды требуется очень большое количество сорбента. Очевидно, что такие искусственные источники воды являются, практически, нетранспортабельными.

Второй их недостаток состоит в том, что из сорбентов в воду выделяются трудно устранимые различные примеси, вредные для человека. Вместе с тем, в пористых сорбентах, как правило, возникают колонии различных бактерий, в том числе опасных, которые неизбежно попадают в воду.

Существует также класс устройств конденсации паров воды из воздуха на «гладких» (без пор) металлических поверхностях (патент РФ №2169032, B01D 5/00, Е03В 3/28), принимаемый ниже за прототип.

Такие устройства работают при сильном охлаждении поверхности за счет подводимой к ней хладагента, то есть используя холодильные машины, в частности холодильники на основе элементов Пельтье.

Наиболее важным достоинством конденсаторов воды с принудительным охлаждением поверхности является возможность использования этих устройств для конденсации воды при любой температуре в атмосфере, в том числе при температуре воздуха выше точки росы. Иными словами, эти установки можно эксплуатировать в любое время суток. Однако КПД использования подводимой энергии к подобным устройствам крайне низок. Естественно, такие устройства в инженерном отношении громоздки, металлоемки и нетранспортабельны.

Целью изобретения является увеличение коэффициента сбора воды из атмосферы в расчете на единицу веса материала, на поверхности которого конденсируется атмосферная влага.

Целью изобретения является также снижение общего веса устройства и выполнение его в виде сборно-разборной конструкции, которую можно быстро свернуть в компактный пакет по типу туристической палатки для перевозки или хранения.

Вместе с тем, целью изобретения является извлечение из атмосферы как паров воды, так и микрокапелек тумана.

Поставленные цели комплексно достигаются тем, что в работу устройства вводится новый способ интенсификации процесса конденсации молекул воды на элементах конденсации; а именно в объеме устройства используются градиентно-неоднородные электрические поля определенной геометрии. Данная идея конкретно реализуется в том, что элементы конденсации устройства конструктивно выполняются из тонкой диэлектрической пленки. Каждый элемент имеет прямоугольную форму и состоит из двух склеенных пленок, между которыми размещены разноименные электрические заряды или микропровода, которые подключаются к электрическому генератору знакопеременных импульсов.

Фрагмент конструкции элемента конденсации показан на фиг.1, где приняты следующие обозначения: 1 и 2 - диэлектрические пленки, толщиной d; 3 - микропровода, несущие разнополярные электрические импульсные потенциалы; 4 - градиентные электрические силовые поля; 2d - толщина склеенных пленок; ⊘ - внешний диаметр изоляции проводников; l - расстояние между проводниками. Диаметр ⊘ может иметь характерный размер до 1 мм. Оптимальное расстояние между проводниками l заключено в интервале значений ⊘-10·⊘.

Общий вид конструкции типового модуля, собранного из элементов конденсации, изображен на фиг.2. Там же показан вариант схемы соединения электрических проводов в модуле.

В свою очередь, блок конденсации, собранный из модулей, показан на фиг.3, поз.5, а модули в нем - поз.6. Блок имеет геометрию прямоугольного параллелепипеда, в котором модули установлены параллельно друг другу с зазором 7 для прохождения воздушного ветрового потока. При этом параллельные провода во всех модулях блока имеют одинаковое пространственное направление - вертикальное.

Неоднородные электрические поля, пронизывая весь объем блока конденсации, взаимодействуют с электрическими диполями молекул воды и микрокапельками тумана, содержащимся в воздушном потоке. В этом взаимодействии возникают силы, которые подтягивают молекулы воды и микрокапельки тумана к пленочной поверхности модулей, концентрируя тем самым их плотность. Данный физический процесс приводит к эффективному образованию зародышей капелек воды, а также к их росту за счет непрерывного подтягивания к ним новых молекул воды и микрокапелек тумана.

Под действием силы тяжести выросшие капельки воды лавинообразно «соскальзывают» вниз по пленочной поверхности модулей в силу вертикального размещения их в блоке конденсации. После срыва капель воды на освободившиеся места вновь подтягиваются молекулы воды и микрокапельки тумана из воздушного потока. Цикл процесса конденсации повторяется. Подчеркнем, что после каждого «срыва» капелек воды на пленочной поверхности модулей остается молекулярный слой воды, удерживаемый градиентным электрическим полем, а также за счет гидрофильности пленки. Такой остаточный молекулярный слой играет роль идеального гидрофильного микропокрытия, что облегчает «посадку» молекул воды и микрокапелек тумана на эту поверхность. Данный фактор увеличивает, соответственно, эффективность сбора влаги из воздушного потока.

Благодаря введению нового способа интенсификации процесса конденсации молекул воды и микрокапелек тумана удалось создать устройство конденсации из легких типовых пленочных модулей с большой эффективной поверхностью конденсации. Такое техническое решение резко снизило вес устройства для конденсации воды и значительно упростило его конструкцию.

Вместе с тем разработанный водосборник в устройстве (фиг.3, поз.8), имеющий геометрию в виде полого конуса с вершиной, обращенной вниз, выполнен также из полимерной пленки. Это, в свою очередь, дополнительно снизило вес устройства. И, наконец, оболочка устройства (фиг.3, поз.9) тоже выполнена из сетки и слоя тонкой сплошной пленки.

Перечисленные новые физико-технические решения по совокупности позволяют создавать эффективные устройства для конденсации воды из атмосферы в виде сборно-разборной легкой конструкции по типу туристических палаток, каркасы которых собираются на основе тонкостенных титановых и полимерных трубок.

Для пояснения работы изобретения на фиг.3 схематично изображена общая конструкция «устройства для конденсации воды из атмосферы». Здесь приняты следующие обозначения: 5 - блок конденсации; 6 - модули, составляющие блок конденсации; 7 - периодические зазоры между модулями для воздушно-ветрового потока; 8 - водосборник; 9 - двухслойная оболочка.

Устройство функционирует следующим образом. Поток атмосферного воздуха, содержащий пары воды и микрокапельки тумана при температуре вблизи точки росы, проходит через периодические зазоры 7 между модулями 6 в блоке конденсации 5, то есть движется в неоднородных градиентных электрических полях между модулями. Такое движение сопровождается эффективным оседанием молекул воды и капелек тумана на пленочные поверхности данных модулей. Растущие капельки воды стекают с поверхности модулей под действием силы тяжести в общий водосборник 8.

При этом устройство содержит сеточную оболочку 9 для защиты устройства от попадания пыли и насекомых.

Физико-технические и термодинамические исследования, выполненные на действующей лабораторной модели для конденсации воды из воздуха, хорошо подтвердили основные положения, использованные при разработке устройства. В качестве модуля конденсации в опытах использовался набор параллельно натянутых микропроводов, покрытых гидрофильной пленочной изоляцией. На провода подавались импульсные электрические потенциалы от внешнего генератора.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Данное изобретение приобрело новые качества: легкость, компактность, простоту транспортировки и эксплуатации. Устройство обладает также повышенным коэффициентом извлечения воды из атмосферы за счет конденсации молекул воды в паровой фазе и в фазе тумана.

Данный вариант осуществления изобретения в виде опытного образца не исключает иных вариантов «устройства для конденсации воды из воздуха» в пределах формулы изобретения.

Изобретение относится к области получения пресной воды. Устройство для конденсации воды из атмосферы содержит элементы конденсации. При этом элементы конденсации выполнены из склеенных тонких диэлектрических пленок, между которыми размещены разноименные электрические заряды или микропровода. Кроме того, элементы конденсации смонтированы в общем блоке на разбираемом каркасе, составленном из тонкостенных титановых и полимерных трубок. Устройство имеет двухслойную оболочку, закрепленную на каркасе и покрывающую устройство. При этом внешняя снимаемая оболочка имеет светоотражающее пленочное покрытие, а внутренняя оболочка выполнена из тонкой прочной диэлектрической сетки для защиты от пыли и насекомых. Под элементами конструкции установлен собирательный конус для воды, в вершине которого, обращенной вниз, имеется отверстие с закрепленной в нем трубкой с фильтром для отвода воды в накопитель. Технический результат заключается в повышении производительности устройства и в простоте его сборки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для конденсации воды из атмосферы, содержащее элементы конденсации, отличающееся тем, что элементы конденсации выполнены из склеенных тонких диэлектрических пленок, между которыми размещены разноименные электрические заряды или микропровода, кроме того, элементы конденсации смонтированы в общем блоке на разбираемом каркасе, составленном из тонкостенных титановых и полимерных трубок, устройство имеет двухслойную оболочку, закрепленную на каркасе и покрывающую устройство, при этом внешняя, снимаемая, оболочка имеет светоотражающее пленочное покрытие, а внутренняя оболочка выполнена из тонкой прочной диэлектрической сетки для защиты от пыли и насекомых, а под элементами конструкции установлен собирательный конус для воды, в вершине которого, обращенной вниз, имеется отверстие с закрепленной в нем трубкой с фильтром для отвода воды в накопитель.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микропровода подключены к электрическому генератору знакопеременных импульсов.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы конденсации блока установлены параллельно друг другу в вертикальном положении.