Устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия Российский патент 2022 года по МПК E03B3/28 

Проблема нехватки пресной питьевой воды с XX века рассматривается как глобальная проблема современности, что связано как с природным фактором, таким как неравномерное распределение водных ресурсов по планете, так и с антропогенными факторами: изменением климата, связанным с деятельностью человека, сокращением водных ресурсов из-за загрязнения пресноводных экосистем, а также с последствиями урбанизации и изменениями в природопользовании. Проблема загрязнения пресной воды приводит к снижению уже существующих запасов. Этому загрязнению способствуют промышленные выбросы и стоки, захоронения отходов химической и атомной отрасли, смыв удобрений с полей, а также проникновение соленой воды в прибрежных зонах в водоносные слои из-за откачивания грунтовых вод.

Для обеспечения пресной водой регионов, испытывающих острую нехватку воды, предлагалось использование различных методов, в том числе таких специфичных как доставка айсбергов и создание глобальных водопроводов (по аналогии с нефтепроводами). В Израиле и Объединенных Арабских Эмиратах до 80 процентов воды сегодня получают путем опреснения. В 2014 г. в Саудовской Аравии открылся крупнейший в мире завод, производящий до 1 миллиона кубометров воды в сутки. При этом доступ к пресной воде для многих регионов крайне ограничен. Для многих стран бутилированная вода является основным источником питьевой воды: в Доминиканской республике 67% городского населения пьют исключительно воду в бутылках, в народной демократической республике Лаос и Таиланде для половины городского населения вода в бутылках - основной источник питьевой воды. Также серьезная ситуация в Гватемале, Гвинее, Турции, Йемене. Домохозяйства в Африке в сельской местности затрачивают в среднем 26% времени только на то, чтобы достать воду. Каждый год на то, чтобы доставить воду на место потребления, в Африке в целом уходит около 40 млрд. рабочих часов. В связи с этим создание автономных систем генерации воды является актуальной задачей. При этом рост потребления воды и, соответственно, повышение дефицита питьевой воды будут только расти. Это связано с постоянным ростом населения планеты и потребностью в улучшении санитарных условий населения, приводящей к росту потребления пресной воды. Также рост населения ведет к развитию сельского хозяйства для производства продовольствия и, соответственно, росту потребления воды в отрасли (сельское хозяйство использует до 70% пресной воды от общего потребления), а также к росту энергопотребления.

Одним из перспективных направлений в обеспечении населения планеты питьевой водой является получение питьевой воды «на месте» из воздуха, что позволит снизить неравномерность распределения водных ресурсов. В воздухе суммарно содержится, по разным оценкам, от 12 до 16 тыс. км³ влаги (или 1.2⋅10^-3 % всей воды на Земле). Этот объем можно сравнить с количеством воды в одном из крупнейших озер в мире - озером Байкал. Кубический метр воздуха в зависимости от влажности содержит от 4 до 25 граммов водяных паров.

Использование технологий получения влаги из воздуха может решить часть проблем с обеспечением населения земли питьевой водой. В то же время такие технологии не могут привести к заметным изменениям в окружающей среде, так как даже при повсеместном использовании подобных технологий процент извлечения влаги из воздуха будет сравнительно мал относительно суммарных запасов влаги в воздухе, а гидрологический цикл («круговорот воды в природе») будет постоянно восполнять эти запасы. Период гидрологического цикла полного возобновления атмосферной влаги составляет около 10 суток.

Первые системы, собирающие воду из воздуха, были разработаны еще в 1990-х. Описание таких систем приведено, например, в патентах США US 5106512, US 5203989, US 5259203, US 6209337. Такие системы представляют собой конденсаторы, а по принципу действия похожи на системы дегидратации воздуха в холодильниках. Недостатком таких генераторов является сравнительно высокая энергоемкость, поэтому они обладают малой автономностью и сильной зависимостью производительности от влажности и температуры.

В дальнейшем развитие систем генерации питьевой воды пошло по пути использования энергоэффективных процессов. Например, в патентах РФ 2648796, 2751004 предлагается использовать энергию ветра для получения воды. Генерация происходит при использовании специальных вертикально-осевых ветровых турбин и «генераторов вихря» для направления потока воздуха в водосборники с конденсаторами росы. В теории подобного рода генераторы могут получать большое количество воды до нескольких тысяч литров в сутки. Так, например, заявленная производительность установки экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, патент РФ 2648796, в теоретическом пределе достигает 4070 л/сут. Однако по сути работы такие генераторы близки к генераторам атмосферной воды конденсационного принципа действия, и их производительность зависит не только от скорости ветра, но и от температуры и относительной влажности. При этом эффективная работа таких систем возможна только в узком диапазоне указанных параметров. В связи с этим реальная производительность ветряных систем генерации воды не превышает производительности существующих устройств, но при этом она сильно различается во времени, что не дает возможности прогнозирования выработки воды даже во временном горизонте нескольких дней.

Одним из наиболее перспективных подходов к созданию энергоэффективных автономных систем генерации воды связан с использованием адсорбционных процессов, например, патент США US7722706. Подобные системы работают в суточном режиме и могут генерировать до нескольких литров воды в день в условиях сравнительно низкой влажности.

Наиболее близким по сути и достигаемому результату является патент США US 2018/0171604, в котором предложен способ поглощения воды из окружающей атмосферы. Для реализации указанного способа используется система сбора воды, содержащая адсорбирующий слой, включающий пористый материал и конденсатор, примыкающий к слою адсорбента. Предлагаемое устройство позволяет адсорбционным методом извлекать воду из воздуха даже в засушливых регионах, где относительная влажность не превышает 20%. Устройство работает в циклическом режиме и может производить до 2,5 л воды на 1 м² поверхности устройства в сутки с подводом энергии. Недостатком такого устройства является сравнительно низкая производительность по воде и низкая энергоэффективность, которая определяется необходимостью подвода энергии для регенерации пористого материала.

Целью настоящего изобретения является разработка устройства, способного собирать воду из атмосферного воздуха в автономном режиме с повышенной производительностью по воде, собираемой с 1 м² устройства. Достижение цели обеспечивается конструкцией устройства, позволяющей повысить энергоэффективность процесса генерации воды и объем собираемой воды, а также обеспечить автономность устройства.

Заявляемая цель достигается при использовании следующих технических решений.

1. Устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия, содержащее корпус, в котором размещена емкость для сбора воды и устройство для слива воды во внешнюю емкость, прозрачный защитный экран, адсорбирующий слой из пористого материала, конденсатор воды,отличающееся тем, что корпус содержит емкость для сбора воды, нижняя часть которой имеет слив для присоединения системы сбора воды, размещенный в нижней части емкости, над емкостью для сбора воды послойно размещены конденсатор воды, над которым через воздушный зазор размещен воздушный коллектор, к которому примыкает опорная сетка, на которой размещается пористый материал с теплопроводящей вставкой, к которому плотно примыкает селективный экран, над которым через воздушный зазор размещен прозрачный защитный экран, при этом все элементы собраны в корпусе герметично таким образом, что воздух может поступать внутрь корпуса только через воздушный коллектор, выполняющий функцию разветвителя воздушного потока, идущего на насыщение влагой пористого материала, и через воздуховоды в корпусе на изолированную от внутренней герметичной полости корпуса поверхность конденсатора воды для охлаждения поверхности конденсации, при этом воздушный коллектор и воздуховоды в корпусе соединены с системой принудительной подачи воздуха, размещенной с внешней стороны корпуса.

2. Устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия по п. 1, отличающееся тем, что в пористый материал в дополнение к теплопроводящей вставке введен подогреватель, при этом корпус устройства содержит порт для подачи питания на подогреватель.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности устройства по воде, повышение автономности работы устройства, повышение энергоэффективности процесса сбора воды из атмосферного воздуха.

Достижение технического результата иллюстрируются следующими изображениями.

На фиг. 1 и 2 изображено устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия, где приведены следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - боковые крышки;

3 - конденсатор воды;

4 - воздушный коллектор;

5 - опорная сетка;

6 - теплопроводящая вставка (размещается в слое пористого материала);

7 - пористый материал;

8 - селективный экран;

9 - рамка;

10 - прозрачный защитный экран;

11 - фильтр воздуха;

12 - система принудительной подачи воздуха.

Система принудительной подачи воздуха 12 в воздушный коллектор и воздуховоды в автоматическом и ручном вариантах исполнения представлены на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 и 4 приведены следующие обозначения:

13 - подвижная пластина (для автоматического перемещения);

14 - вентилятор;

15 - электрический двигатель;

16 - муфта;

17 - винтовая направляющая

18 - втулка винтовой направляющей;

19 - цилиндрическая направляющая;

20 - линейный подшипник;

21 - опора цилиндрической направляющей;

22 - концевые опоры для ограничения движения;

23 - концевые выключатели для ограничения движения.

24 - опорная пластина системы (для автоматического перемещения);

25 - опорная пластина (для ручного перемещения)

26 - линейная направляющая

27 - подвижная пластина (для ручного перемещения);

На фигурах не отображены пружинный механизм, размещенный под подвижными пластинами 13 и 27 для автоматического и ручного перемещения, соответственно, электрические провода и электрозащита, контроллер для управления системой и источник питания.

Достижение технического результата в части повышения производительности устройства по воде достигается за счет использования пористого материала, адсорбента - цеолита, силикагеля, металлорганической структуры или тканей из углеродных волокон, обладающих хорошей адсорбционной способностью по воде, не менее 0,3 г (воды)/г (адсорбента) при 293 K, и наличием воздушного коллектора, позволяющего пропускать воздух через пористый материал равномерно с минимальным аэродинамическим сопротивлением, а также использованием теплопроводящей вставки для равномерного нагрева слоя адсорбента.

Достижение технического результата в части повышения автономности работы устройства, обеспечивается за счет использования солнечной энергии в работе устройства. Это стало возможным за счет оптимизации размещения элементов устройства в корпусе, использования материалов корпуса с низкой теплопроводностью и селективного экрана с высокой поглощающей способностью солнечного излучения, что позволяет максимально преобразовывать солнечную энергию в тепло для нагрева пористого материала. В свою очередь, затраты электроэнергии в этом случае необходимы только для смены положения подвижной пластины воздушного коллектора и, при необходимости, для работы системы принудительной подачи воздуха в воздушный коллектор, что суммарно требует не более 20 Вт/м² (поверхности селективного экрана) и может обеспечиваться использованием солнечной фотоэлектрической панели.

Достижение технического результата в части повышения энергоэффективности процесса сбора воды из атмосферного воздуха обеспечивается использованием эффективного селективного экрана с поглощающей способностью по солнечному спектру не менее 0.94 при нормальной температуре, герметичным исполнением корпуса и использованием в корпусных деталях материалов с низкой теплопроводностью, а также особенностями размещения элементов устройства в корпусе, в частности за счет наличия воздушного зазора между селективным экраном и прозрачным защитным экраном, препятствующим потерям селективным экраном тепла, улучшенного теплообмена между селективным экраном и пористым материалом вследствие их плотного контакта и теплопроводящей вставки в слое пористого материала, а также одновременного снижения теплообмена между пористым материалом и конденсационным экраном за счет воздушного зазора и улучшения массообмена, что обеспечивается улучшением процесса конденсации на охлаждаемом конденсаторе трубчатого типа.

Достижение технического результата иллюстрируются следующими примерами.

Устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия выполнено в герметичном корпусе 1, фиг. 2, в виде параллелепипеда, наибольшая плоскость которого с одной стороны выполнена в виде прозрачного защитного экрана 10, закрепленного на рамке 9, и размещенной через воздушный зазор над селективным экраном 8 с поглощающей способностью по солнечному спектру 0.94 при нормальной температуре. Прозрачный защитный экран защищает селективный экран от воздействия факторов окружающей среды - пыли и дождя, а воздушный зазор между ними позволяет снизить потери тепла селективным экраном. К селективному экрану 8 вплотную прилегает пористый материал 7, в котором размещена теплопроводящая вставка 6 для ускорения процесса разогрева и повышения однородности разогрева пористого материала по всему объему. В качестве пористого материала может использоваться адсорбент, обладающий адсорбционной способностью по воде, не менее 0,3 г (воды)/г (адсорбента) при 293 K. В качестве пористого материала могут использоваться адсорбенты разных типов: цеолит, силикагель, металл-органический координационный полимер, гидрофильный углеродный адсорбент, композитный материал, представляющий смесь двух и более адсорбентов. Пористый материал 7 размещен на опорной сетке 5 над воздушным коллектором 4. Опорная сетка используется для удерживания пористого материала и имеет размер ячейки меньший, чем размер гранул или зерен пористого материала, а также «живое» сечение не менее 30%. Воздушный коллектор 4 используется для подачи воздуха: в герметичный корпус устройства на пористый материал 7 для насыщения его влагой, оптимизации потока воздуха для максимальной его осушки пористым материалом и отведения осушенного воздуха от пористого материала. Также воздух может подаваться на конденсатор воды 3 выполненный в виде конденсатора трубчатого типа с торцевыми уплотнениями. Воздух для охлаждения конденсатора воды в этом случае подается через воздуховоды в корпусе на внутреннюю поверхность труб и отводится в атмосферу. Доступ к конденсатору воды для обслуживания осуществляется через боковые крышки 2, ограничивающие воздуховоды в корпусе. С противоположной от прозрачного защитного экрана 10 корпуса 1 устройства размещена система принудительной подачи воздуха 12, которая через фильтр воздуха 11 подает воздух на входные патрубки воздушного коллектора 4, и используется также для переключения между режимами работы и отвода осушенного воздуха от пористого материала 7.

Система принудительной подачи воздуха 12 представляет собой неподвижную опорную пластину системы 24 (или опорную пластину 25 в случае ручного перемещения), размещенную на корпусе 1, по которой в автоматическом, фиг. 3, или ручном, фиг. 4, режиме перемещается подвижная пластина 13 и 27 соответственно.

В случае автоматической работы системы принудительной подачи воздуха 12, фиг. 3., смена режима подачи воздуха «день» - «ночь» или «насыщение пористого материала» - «охлаждение конденсатора воды» происходит по заданной программе, которая посредством контроллера подает команду на электрический двигатель 15, который перемещает подвижную пластину 24 вдоль винтовой 17 и цилиндрической 19 направляющих. Ограничение движения пластины осуществляется с помощью концевых выключателей 23 на подвижной пластине 13 и концевых опор 22, размещенных на опорной пластине системы 24. Принудительная подача воздуха во входные патрубки воздушного коллектора осуществляется посредством вентилятора 14. В положении «ночь», когда воздух принудительно подается на пористый материал, подвижная пластина 13 размещена таким образом, чтобы воздух подавался в соответствующее входной патрубок воздушного коллектора 4, при этом подвижная пластина открывает патрубок для выхода воздуха из пористого материала, расположенное на опорной пластине системы 24. В положении «день», когда воздух подается на охлаждение конденсатора воды 3, подвижная пластина 13 размещена в крайнем правом положении таким образом, чтобы воздух шел по воздуховодам в корпусе 1 устройства на внутреннюю поверхность труб конденсатора воды 3, при этом патрубки воздушного коллектора на пористый материал герметично перекрываются подвижной пластиной 13.

В случае ручной работы системы принудительной подачи воздуха 12, фиг. 4., смена режима осуществляется путем ручного перемещения подвижной пластины (для ручного перемещения) 27 относительно опорной пластины 25 по линейной направляющей 26. При этом смена режима работы, открытие и закрытие входных и выходных окон воздушного коллектора осуществляются аналогично работе системы принудительной подачи воздуха 12 в автоматическом режиме.

Работа устройства генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия организована в суточном цикле. Ночью, когда суточные температуры минимальны, а относительная влажность максимальна, в воздушный коллектор подается поток воздуха, который проходит через пористый материал, который селективно сорбирует влагу из воздуха. Днем воздушный коллектор переключается на охлаждение поверхности конденсатора воды, в описываемом примере трубчатого типа. Солнечный свет попадает на селективный экран, который передает солнечную энергию на разогрев пористого материала, разогревая его до температур 90-110°С. С разогревом адсорбента выделяется влага, которая конденсируется на сравнительно холодном конденсаторе трубчатого типа с температурой 20-50°С и стекает с него в основание корпуса, в котором имеется емкость для сбора воды, содержащая устройство для слива воды во внешнюю емкость. В следующие сутки цикл повторяется.

Пример эксплуатации устройства генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия при температурах окружающей среды ночью около 20°С и днем около 35°С, средненочной относительной влажностью около 45%, показал что устройство способно генерировать до 5 л(воды)/м² (поверхности устройства) в сутки.

В случае использования устройства генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия в климатических регионах со сравнительно низким количеством солнечных дней и частой переменной облачностью в пористый материал взамен или в дополнение к теплопроводящей вставке, в зависимости от климатической особенности местности, определяющей условия разогрева адсорбента, вводится подогреватель, который предназначен для дополнительного подогрева пористого материала с целью гарантированного получения воды. При возникновении облачности и невозможности десорбции пористым материалом паров воды вследствие недостаточного разогрева пористого материала, включается подогрев пористого материала с помощью встроенного подогревателя. Такой алгоритм работы устройства с одной стороны обеспечивает энергоэффективность, т.к. не требуется полный прогрев пористого материала, а требуется лишь подвести определенное количество энергии (тепла) для доведения до требуемой температуры или поддержания требуемой температуры пористого материала в течение заданного времени, что позволит осуществить процесс десорбции паров воды и обеспечит работоспособность устройства в условиях ограниченного солнечного света.

Изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отступления от его сути или существенных признаков. Пример осуществления изобретения следует во всех отношениях рассматривать как иллюстративный и неограничительный.

Изобретение относится к области автономных устройств для получения пресной воды из атмосферного воздуха с использованием возобновляемых источников энергии. Устройство содержащит корпус, в котором размещена емкость для сбора воды и устройство для слива воды во внешнюю емкость, прозрачный защитный экран, адсорбирующий слой из пористого материала, конденсатор воды. Корпус содержит емкость для сбора воды, нижняя часть которой имеет слив для присоединения системы сбора воды, размещенный в нижней части емкости. Над емкостью для сбора воды послойно размещены конденсатор воды, над которым через воздушный зазор размещен воздушный коллектор, к которому примыкает опорная сетка. На опорной сетке размещается пористый материал с теплопроводящей вставкой, к которому плотно примыкает селективный экран, над которым через воздушный зазор размещен прозрачный защитный экран. Все элементы собраны в корпусе герметично таким образом, что воздух может поступать внутрь корпуса только через воздушный коллектор, выполняющий функцию разветвителя воздушного потока, идущего на насыщение влагой пористого материала, и через воздуховоды в корпусе на изолированную от внутренней герметичной полости корпуса поверхность конденсатора воды для охлаждения поверхности конденсации. Воздушный коллектор и воздуховоды в корпусе соединены с системой принудительной подачи воздуха, размещенной с внешней стороны корпуса. Обеспечивается повышение производительности, автономности работы, энергоэффективности процесса сбора воды из атмосферного воздуха. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия, содержащее корпус, в котором размещена емкость для сбора воды и устройство для слива воды во внешнюю емкость, прозрачный защитный экран, адсорбирующий слой из пористого материала, конденсатор воды, отличающееся тем, что корпус содержит емкость для сбора воды, нижняя часть которой имеет слив для присоединения системы сбора воды, размещенный в нижней части емкости, над емкостью для сбора воды послойно размещены конденсатор воды, над которым через воздушный зазор размещен воздушный коллектор, к которому примыкает опорная сетка, на которой размещается пористый материал с теплопроводящей вставкой, к которому плотно примыкает селективный экран, над которым через воздушный зазор размещен прозрачный защитный экран, при этом все элементы собраны в корпусе герметично таким образом, что воздух может поступать внутрь корпуса только через воздушный коллектор, выполняющий функцию разветвителя воздушного потока, идущего на насыщение влагой пористого материала, и через воздуховоды в корпусе на изолированную от внутренней герметичной полости корпуса поверхность конденсатора воды для охлаждения поверхности конденсации, при этом воздушный коллектор и воздуховоды в корпусе соединены с системой принудительной подачи воздуха, размещенной с внешней стороны корпуса.

2. Устройство генерации атмосферной воды адсорбционного принципа действия по п. 1, отличающееся тем, что в пористый материал в дополнение к теплопроводящей вставке введен подогреватель, при этом корпус устройства содержит порт для подачи питания на подогреватель.