Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха Российский патент 2018 года по МПК E03B3/28 

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха с использованием возобновляемых источников энергии.

Известно, что одним из главных достоинств Великого шелкового пути были колодцы, установленные на расстоянии в 12-15 км друг от друга, где вода добывалась непосредственно из атмосферного воздуха. В конструкции колодца древние инженеры использовали вихревой эффект. Сам колодец был наполовину своей высоты вкопан в грунт. В центре углубления для скопившейся воды возвышалась аккуратно выложенная высоким конусом груда камней (конденсатор) (Хамзя Умяров - Великий шелковый путь: Вихри в колодцах // Техника молодежи, №8, 2008 г. С. 20-23)

Технологический секрет инженеров древности остается неразгаданным и по сей день, поэтому данную конструкцию колодца не могут реконструировать в полном объеме.

Известны установки получения воды из атмосферного воздуха, использующие ветровую энергетику (патент РФ №2526628, МПК Е03В 3/28, опубл. 27.08.2014; http://eco-energiva.blogspot.ru/2015/06/eolewater.html, http://derevnyaonline.ru/community/46/3532).

Недостатками данных установок является то, что для запуска и работы ветровой турбины минимальная скорость ветра составляет 7 м/с и выше, требуют периодического обслуживания и ремонта (минимум раз в месяц), высокая материалоемкость и низкая производительность экстракции влаги из воздуха.

Известно, что в кубическом метре воздуха содержится (в зависимости от влажности) от 4 до 25 граммов водяных паров (Шметер С.М. Влажность воздуха // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 285-286. - 704 с.). Этот объем от 12 до 16 тыс. км³ влаги (или 0,000012% всей воды на Земле) можно сравнить с количеством воды в Великих озерах Северной Америки. Известные установки по экстракции пресной воды из атмосферного воздуха могут собрать в среднем около 20-30% от этого количества. Самые лучшие условия для них (высокие влажность и температура) - в странах, расположенных в пределах 30 градусов широты от экватора. Здесь расположены самые бедные и густонаселенные страны мира.

Известна вихревая ветроустановка с вертикальной осью вращения, содержащая вытяжную башню с кольцевым воздухозаборником у основания, направляющий аппарат, ветроколесо, установленное на выходе направляющего аппарата, вытяжное устройство и генераторы вихря, создающее закрученный поток воздушного потока (патент РФ №2073111, МПК F03D 3/00, опубл. 10.02.1997).

Недостатком данной установки является то, что при большой скорости закрученного потока в вытяжных цилиндрических каналах ветроколесо создает воздушную подушку, тормозящую поток, и тем самым уменьшая эффективность установки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка Water Seer, предлагаемая инженерами Калифорнийского университета в Беркли в соавторстве с гуманитарной организацией «Корпус мира», предназначенная для конденсации влаги из атмосферного воздуха (http://www.energy-fresh.ru/ekosfera/water/?id=13743). Установка содержит вертикально-осевую геликоидную ветровую турбину, загоняющую воздух в специальную камеру – водосборник, закопанную в землю, где из-за пониженной температуры вода конденсируется на стенках камеры и накапливается, из водосборника воду можно получать с помощью шланга или помпы.

Недостатком известной установки является низкая эффективность ветровой турбины из-за низких сроков службы опорных узлов, за счет высоких динамических нагрузок на них со стороны ротора, усложненной технологии производства закрученных лопастей, что сказывается на увеличении их стоимости, и относительно высокая материалоемкость. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) данной ветровой турбины не более 40%, поэтому производительность установки по получению пресной воды очень низкая. Кроме того, отсутствует вытяжное устройство, что влияет на изменение соотношения температур, необходимых для образования точки росы в водосборнике, тем самым понижая производительность экстракции пресной воды.

Известен вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect), при котором воздушный поток «самопроизвольно» разделяется на охлажденный и горячий периферийный потоки (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969, 183 с.).

Задачей предлагаемого изобретения является создание автономной установки для эффективной экстракции пресной воды из атмосферного воздуха с помощью вихревой ветротурбины, несложной по конструкции и использующей вихревой эффект, который существенно влияет на увеличение объема воздуха в единицу времени, проходящего через установку, а также температурного разделителя воздушного потока (вихревой термопреобразователь), для применения установки в районах с недостатком природных источников пресной питьевой воды.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять эффективную экстракцию пресной воды путем генерирования и формирования набегающего воздуха в закрученный поток генератором вихря с последующим нагнетанием его в вихревой термопреобразователь (например, трубка Ранка-Хилша), где происходит разделение потока, образующий на периферии горячий закрученный поток, обогащенный влагой, в центре охлажденный поток, который поступает в радиаторы для охлаждения, а насыщенный горячий воздух конденсируется на охлажденных радиаторах и поступает в водосборник, где дополнительным аккумулятором холода является блок, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью.

Повышается надежность и долговечность установки за счет отсутствия вращающихся деталей и узлов, сохраняются работоспособность и эксплуатационные характеристики в течение длительного времени. Эффективность работы установки и интенсивность экстракции зависят только от скорости ветрового потока. Конструирование установок различных размеров позволит использовать их как индивидуально, так и для снабжения водой целых поселений, а также для создания искусственных водоемов в засушливых районах для улучшения земель, подверженных опустыниванию и деградации.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, состоящая из вертикально-осевой ветровой турбины, водосборника с конденсируемой влагой, согласно изобретению содержит вихревой термопреобразователь, конденсационную камеру, радиатор для охлаждения воздуха, при этом вертикально-осевая ветровая турбина выполнена в виде вихревой ветротурбины, установленной с возможностью формирования закрученного ламинаризированного воздушного потока и нагнетания его через воздуховод в вихревой термопреобразователь, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный потоки, при этом термопреобразователь имеет один вытяжной воздуховод для отвода горячего потока в конденсационную камеру, а другой вытяжной воздуховод соединен с радиатором, который имеет вытяжной воздуховод для отвода охлажденного воздуха, причем конденсационная камера снабжена вытяжным воздуховодом для отвода осушенного воздуха в окружающую среду, при этом сконденсированная влага поступает в водосборник, где установлен аккумулятор холода, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью, а конденсационная камера с размещенными в ней вихревым терморегулятором, радиатором охлаждения воздуха и водосборником установлена под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.

В установке экстракции пресной воды из атмосферного воздуха для получения пресной воды из атмосферного воздуха, содержащей вертикально-осевую ветровую турбину, водосборник с конденсируемой влагой, вертикально-осевая ветротурбина выполнена в виде вихревой ветротурбины, установленной так, чтобы набегающий со скоростью от 2 до 20 м/с воздушный поток, проходящий через воздухозаборник вихревой ветротурбины, формировался в закрученный ламинаризированный поток и нагнетался через воздуховод в вихревой термопреобразователь, где происходит разделение потока, образуя на периферии горячий закрученный поток, обогащенный влагой, а в центре охлажденный поток, который поступает по трубам воздуховода в радиаторы для охлаждения, а насыщенный горячий воздух поступает в конденсационную камеру, где конденсируется на охлажденных радиаторах, и сконденсированная влага поступает в водосборник, где дополнительным аккумулятором холода является блок, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью, при этом осушенный от влаги воздух и холодный воздух из радиатора отводятся через вытяжные воздуховоды в окружающую среду, причем водосборник с конденсатором влаги установлен под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.

Предлагаемое изобретение основано на использовании явления вихревого эффекта, открытого Ж. Ранком и примененного в промышленности А.П. Меркуловым (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969).

Сущность предлагаемой установки экстракции пресной воды из атмосферного воздуха поясняется чертежом, на котором представлена общая схема.

Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха содержит вихревую ветротурбину 1, вихревой термопреобразователь 2, конденсационную камеру 3, воздуховод 4, соединяющий вихревую ветротурбину 1 с вихревым термопреобразователем 2, вытяжной воздуховод 11, выводящий горячий обогащенный поток из вихревого термопреобразователя 2, вытяжной воздуховод 12, выводящий охлажденный воздушный поток из вихревого термопреобразователя 2, радиатор для охлаждения воздуха 5, вытяжной воздуховод 6, отводящий воздух из конденсационной камеры 3, вытяжной воздуховод 13 отводящий воздух из радиатора 5, водосборник 7, трубопровод для отвода экстрагированной воды из атмосферного воздуха к потребителю 8, насыпной холм 9, аккумулятор холода, выполненный из композиционного материала 10.

Водосборник 7 размещен под насыпным холмом 9 выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.

Вихревая ветротурбина 1 установлена с возможностью формирования закрученного ламинаризированного потока и нагнетания через воздуховод 4 в вихревой термопреобразователь 2.

Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха работает следующим образом.

Набегающий поток ветра, начиная со скорости 2-3 м/с, через вихревую ветротурбину 1 преобразуется в закрученный и охлажденный поток, который через воздуховод 4 нагнетается в вихревой термопреобразователь 2, где происходит разделение воздушного потока. Образовавшийся в вихревом термопреобразователе 2 на периферии горячий закрученный поток, обогащенный влагой, поступает в конденсационную камеру 3 через вытяжной воздуховод 11, а в центре в противоположную сторону выходит охлажденный поток, поступающий по трубам воздуховода 12 в радиатор 5 для охлаждения. Насыщенный горячий воздух, поступивший в конденсационную камеру 3, конденсируется на охлажденном радиаторе 5, после чего экстрагированная вода поступает в водосборник 7, где дополнительно охлаждается аккумулятором холода 10, выполненным из композитного материала с низкой теплопроводностью.

Далее осушенный от влаги воздух из конденсационной камеры 3 и холодный воздух из радиатора 5 отводятся через вытяжные воздуховоды 6 и 13 в окружающую среду. Конденсационная камера 3 с размещенными в ней вихревым терморегулятором 2, радиатором охлаждения воздуха 5 и водосборником 7 установлены под насыпным холмом 9 выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности. Накопленная экстрагированная пресная вода из атмосферного воздуха самотеком вытекает по трубопроводу 8 потребителю.

Изобретение может быть использовано в районах с недостатком природных источников пресной питьевой воды для автономного получения ее с использованием возобновляемых источников энергии. Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха состоит из вертикально-осевой ветровой турбины, водосборника с конденсируемой влагой. Она также содержит вихревой термопреобразователь, конденсационную камеру, радиатор для охлаждения воздуха. Вертикально-осевая ветровая турбина выполнена в виде вихревой ветротурбины, установленной с возможностью формирования закрученного ламинаризированного воздушного потока и нагнетания его через воздуховод в вихревой термопреобразователь, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный потоки. Термопреобразователь имеет один вытяжной воздуховод для отвода горячего потока в конденсационную камеру, а другой вытяжной воздуховод соединен с радиатором, который имеет вытяжной воздуховод для отвода охлажденного воздуха. Конденсационная камера снабжена вытяжным воздуховодом для отвода осушенного воздуха в окружающую среду. Сконденсированная влага поступает в водосборник, где установлен аккумулятор холода, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью. Конденсационная камера с размещенными в ней вихревым терморегулятором, радиатором охлаждения воздуха и водосборником установлена под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности. Обеспечивается эффективная экстракция пресной воды. 1 ил.

Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, состоящая из вертикально-осевой ветровой турбины, водосборника с конденсируемой влагой, отличающаяся тем, что содержит вихревой термопреобразователь, конденсационную камеру, радиатор для охлаждения воздуха, при этом вертикально-осевая ветровая турбина выполнена в виде вихревой ветротурбины, установленной с возможностью формирования закрученного ламинаризированного воздушного потока и нагнетания его через воздуховод в вихревой термопреобразователь, где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный потоки, при этом термопреобразователь имеет один вытяжной воздуховод для отвода горячего потока в конденсационную камеру, а другой вытяжной воздуховод соединен с радиатором, который имеет вытяжной воздуховод для отвода охлажденного воздуха, причем конденсационная камера снабжена вытяжным воздуховодом для отвода осушенного воздуха в окружающую среду, при этом сконденсированная влага поступает в водосборник, где установлен аккумулятор холода, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью, а конденсационная камера с размещенными в ней вихревым терморегулятором, радиатором охлаждения воздуха и водосборником установлена под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.