Спосіб виробництва прісної води з повітря

Винахід відноситься до способу виробництва прісної води з повітря шляхом конденсації. Відомо багато способів виробництва води шляхом опріснювання морської води, зокрема: хімічний спосіб, електрохімічний, ультрафільтрацією, вимерзанням, тощо. Відомий також дистиляційний спосіб виробництва води (термічне випарювання). Морську воду нагрівають до кипіння, пару, яка утворилася збирають і конденсують. Випаровувати воду можна як при кип’ятінні, так і без кип’ятіння. В останньому випадку воду нагрівають при тиску більшому, ніж тиск у камері випаровування, куди подається вода. В наслідок того, що при цьому температура води перебільшує температуру насичення, відповідну тиску в камері випаровування, частина води, яка надійшла до камери перетворюється в пару, яка конденсується в дистилят (див. Богомольный А.Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Ленинград, "Судостроение", 1980, с.290-292). Але, як у даному способі, так і в інших наведених вище способах як робоче тіло використовується вода, з якої виробляють пару, а її (пару) піддають конденсації. Це призводить до надмірних енергетичних витрат на: закачування забортної морської води; нагрівання води до кип’ятіння, або нагрівання води нижче температури кип’ятіння з одночасним створенням розрідження. У зв'язку з наведеним, заявлений спосіб виробництва прісної води співпадає з відомим способом тільки за принципом (шляхом) рішення поставленої задачі, а саме використання конденсації. Але у відомому способі шляхом конденсації виробляють дистильовану воду, тобто дистилят. Виходячи з наведеного, спільним у заявляємого і відомого способу є тільки те, що в обох рішеннях використовується фізичне явище - конденсація. Але фізичне явище не можна розглядати як ознаку (операцію, яку здійснюють при виконанні способу). Окрім того, відомий спосіб отримує дистилят з морської води, а заявлений спосіб відноситься до способу виробництва прісної водії з повітря. У зв'язку ї цим заявник вважає, що заявлений спосіб не має прототипу. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб виробництва прісної води з повітря, в якому за рахунок запропонованої послідовності виконання операцій, забезпечується суттєве зменшення енергетичних витрат на отримання прісної води з повітря. Поставлена задача вирішена у способі виробництва прісної води з повітря тим, що в теплообмінник вміщують задану кількість води, температура якої нижча температури повітря, що оточує теплообмінник і витримують теплообмінник з водою в цих умовах з одночасним відбиранням сконденсованої прісної води. Новизна винаходу полягає в послідовності запропонованих операцій. Кількість води, яку вміщують в теплообмінник залежить від внутрішнього об'єму теплообмінника, який використовується в кожному конкретному випадку. Різниця між температурою води, яку вміщують в теплообмінник і температурою повітря, що оточує теплообмінник з водою пов'язана з умовами, в яких виробляється прісна вода і вона впливає на кількість прісної водії, яку отримують в одиницю часу. Зокрема, чим нижча температура води, яку вміщують в теплообмінник (ідеально ~4°С) і чим вища температура повітря, що оточує теплообмінник з водою (в умовах Півдня України влітку 28-32°С) та відносна вологість повітря, тим більше буде вироблено прісної води за певний відрізок часу. І навпаки. Тому заявляти градієнт перепаду температур води в теплообміннику і повітря, що оточує теплообмінник з водою, недоцільно. Приклад 1. В теплообмінник, виконаний у формі труби діаметром 1м і довжиною теж 1м вмістили воду з артезіанської свердловини, яка мала температуру 6°С. Температура повітря навколо теплообмінника з водою була 32°С, швидкість вітру - 1м/с, відносна вологість повітря - 80%. На протязі 4-х годин на стінках теплообмінника з'являлася прісна вода у виді конденсату, яку постійно відбирали в скляний балон. За 4 години було зібрано 13л конденсату. Температура води у теплообміннику за цей час піднялася до 22°С, тобто вода нагрілася на 16°С. Для підтвердження економічної та енергетичної доцільності даного способу були проведені теплофізичні розрахунки. Усі теплофізичні розрахунки проведені за формулами, наведеними у книжці "Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров", Уонг, X, М.. "Атомнздат", 1979р. При розрахунках залишили ті самі параметри навколишнього середовища і ту саму температуру холодної води, ті самі розміри і геометричну форму теплообмінника. Згідно i-d діаграми вологого повітря, яка графічно відображає залежність між основними фізичними параметрами повітря, вологоутримання повітря за даних умов склало d1 =2407 × 10-5кг/кг сухого повітря. Кількість передаваємого тепла при конвективному теплообміні знаходили за формулою NU × l × F(t п - t ст ) Вт , Q= Х де NU = C × Re m - число Нуссельта (безрозмірна величина); Вт ; l - коефіцієнт теплопровідності, м2 × с F - площа поверхні теплообмінника, м2; t п - t ст = Dt - різниця між температурою повітря і стінкою теплообмінника; Так як Dt постійно змінюється, то для визначення Q використовували визначений інтеграл з границями інтегрування Dt 1 =26°C і Dt 2 =10°C. Тобто, межею інтегрування є різниця температур на початку і в кінці експерименту. X - характерний розмір, який для цієї геометричної форми теплообмінника дорівнює D =1м; C , m - константи, для даного типу потоку і геометрії теплообмінника; r×V × X - число Рейнольдса (безрозмірна величина); m кг ; r - густина повітря, м3 V - швидкість повітря; н×с m - динамічна в’язкість повітря, . м2 За допомогою інтерполяції табл. 5 маємо: Вт r =1,1595 кг/м3, m =1,9922 × 10-5кг/м × с, l =0,02662 . МК 1,1595 × 1 × 1 Тоді Re = = 58201,99 1,9922 × 10 -5 З табл. 3.6 маємо C =0,0208, m =0,814. Тоді NU =0,0208 × 58201,990,814=157,29783. 157,29783 × 0,02662 × 3,1416 26 × ò tdt = Q= 10 1 Re = t 2 26 = 3,788КВт 2 ò10 Об'єм води, який міститься у теплообміннику складає: = 13,1547 × Vв = 1 4 pD 2 × 1 = 1 4 × 3,1416 × 12 × 1 = 785,4 л. Приймаючи rв =1000кг/м3, маємо масу води Мв =785,4кг. Для нагрівання цієї маси води на 16°С необхідно витратити Q =785,4 × 4,187 × 16=52615,5168Кдж. Визначити масу повітря яке задіяне у теплообміні: GZ × l × l p ×D Mn = кг, де GZ = × Re× Pr - число Гретця (безрозмірна величина); Pr - число Пранддя 41 Cp (безрозмірна величина). Із табл. 5 маємо: Cp =1006,3Дж/кг × к - теплоємність повітря; Pr =0,707, 3,1416 × 1 Тоді маємо: Gz = × 58201,99 × 0,707 = 32318,27296 . 4 ×1 32318,27296 × 0,02662 кг Mn = = 0,855 1006,3 с Внаслідок теплообміну ентальпія повітря зменшується на DІ =3,788:0,855=4,43КДж/кг. Із i-d діаграми знайшли І1 =93,814Кдж/кг. Тоді І2 =93,814-4,43=89,384 Кдж/кг, при цьому вологоутримання повітря складало d2 =2297 × 105кг/кг сух. пов. Таким чином внаслідок теплообміну конденсація становила -5 -5 -5 Dd =2407 × 10 -2297 × 10 кг/кг=110 × 10 кг/кг сух. пов. Далі провели розрахунки енергії на подачу води. Для чого користувалися серійно випускаємим насосом ОМПВ 250-10,5 для якого подача: Vн =250 м3/г, Н =10,5м - напір, Р =11кВт × г потужність електроприводу. Відносно 1кВт × г потужності V =22,727м3/г. Цей об'єм води заповнює теплообмінник довжиною L =22,727:0,7854=28,937м. Тоді загальна кількість повітря, яка задіяна у теплообміні становить: Mn =0,855 × 28,937=24,741кг/с. Визначили час, необхідний для нагрівання 785,4 кг води на 16°С. T =52615,517/3,788=13890с. Загальна маса конденсату при затратах енергії в розмірі 1кВт/г становить: МВ.К. =24,741 × 13890 × 110 × 10 5 =378,017кг. Суть запропонованого способу полягає у тому, що як охолоджувач для теплообмінників використовується вода морів, океанів, річок, озер, водосховищ, підземні та ґрунтові води. Світова практика надає дуже багато прикладів технічного вирішення проблеми прісної води. Пошуки в цьому напрямку тривають постійно і набули особливої інтенсивності в останні десятиліття. Корпорація PEGE (Planetary Engineering Group Earth) пропонує різної модифікації водоопріснювачів з виробництвом 41л води на 1кВт/г. Розроблений дуже цікавий метод отримання прісної води: Reverse osmosis НD installations, що в перекладі має таке значення: апарати реверсного осмосу зволожування-дезволожування) (PD). Загальна витрата енергії: теплова енергія 5000ккал/м3 води; електрична енергія 5 ¸ 7кВт/м3 для розсолу. Причому на цьому принципі працює біля 50% апаратів у світі (за їх даними). Таким чином, наведені розрахунки дозволяють зробити такі висновки: заявлений спосіб по економічності має суттєві переваги у порівняні з будь-яким існуючим способом виробництва прісної води; спосіб є набагато простішим по апаратурному оформленню; він не потребує дорогого обладнання; отримана таким чином прісна вода придатна до вживання без будь якої санітарної обробки, тому що конденсація небезпечних для людини бактерій (холера, Боткіна та ін.) у повітрі незрівнянно нижча ніж у будь-якій воді, яка використовується для опріснення.