Спосіб одержання води з атмосферного повітря

Реферат: Спосіб одержання води з атмосферного повітря, що включає формування потоку атмосферного повітря, його охолодження у випарнику холодильної машини до температури нижче точки роси з подальшим відведенням конденсату, охолодження випарника та конденсатора холодильної машини повітряним потоком з подальшим відведенням повітря в навколишнє середовище, причому як холодильну машину використовують абсорбційну водоаміачну холодильну машину, в якій паровий потік холодильного агента-аміаку перед конденсатором стискають за допомогою бустер-компресора, а як енергоносій для абсорбційної водоаміачної холодильної машини використовують сонячне теплове випромінювання, при цьому охолодження здійснюють двома повітряними потоками: абсорбера - охолодженим і висушеним повітряним потоком після випарника, конденсатора - потоком атмосферного повітря. UA 104854 U (54) СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ ВОДИ З АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ UA 104854 U UA 104854 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів одержання води з атмосферного повітря, зокрема до способів, заснованих на механічному відділенні води при зниженні температури повітря нижче точки роси. Відомий спосіб одержання води з атмосферного повітря, заснований на охолодженні в нічний час у пустельних областях пористих каменів з утворенням на них конденсату води (роси) [Перельштейн Б.Х. Новые энергетические системы. - Казань: Изд-во Казанского университета, 2008. - С. 192-193]. Даний спосіб дозволяє витягувати вологу з атмосферного повітря без яких-небудь витрат енергії і є абсолютно автономним. Недоліком цього способу є низька продуктивність і значні витрати праці, пов'язані із складністю збору конденсату. Відомий спосіб одержання води з атмосферного повітря [Пат. 2131000 Российская Федерация, МПК F 24 F 3/14. Установка для получения пресной воды из атмосферного воздуха /Алексеев В.В., Рустамов Н.А., Чекарев К.В.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. ун-т. Приоритет 25.02.1998], що включає природну циркуляцію атмосферного повітря за рахунок створення повітряного потоку шляхом нагріву сонячним тепловим випромінюванням, охолодження атмосферного повітря нижче за точку роси з частковою конденсацією пари води і відведенням конденсату. Температура нижче точки роси у відомому способі досягається за рахунок охолодження шару холодоакумулятора в нічний час за допомогою спеціальних вертикальних теплових труб, нижня випарна ділянка яких зв'язана в тепловому відношенні з шаром холодоакумулюючого матеріалу, а верхня ділянка (конденсатор) - із зовнішнім повітрям. Природна циркуляція атмосферного повітря в установці через шар холодоакумулюючого матеріалу здійснюється за рахунок організації контуру циркуляції з нагрівом повітряного потоку у верхній частині за рахунок сонячної теплової енергії. Відомий спосіб автономний при реалізації і дозволяє отримувати конденсат з атмосферного повітря практично без втручання людини. Недоліком способу є зниження продуктивності установки одержання води з атмосферного повітря за рахунок прогрівання шару холодоакумулятора повітряним потоком протягом світлового дня. Відомий спосіб одержання води з атмосферного повітря [Пат. № 2185482 Российская Федерация, МПК Е03В3/28.Установка для получения биологически чистой пресной воды при конденсации влаги из атмосферного воздуха /Алексеев В.В., Алексеева О.В.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. ун-т. - № 2000119596/03; заявл. 25.07.2000; опубл. 20.07.2002], що включає організацію примусової циркуляції повітря і виробництво штучного холоду за рахунок використання сонячного теплового випромінювання з подальшим перетворенням в електричну енергію, охолодження повітряного потоку нижче за температуру точки роси з частковою конденсацією пари води і відведенням конденсату. Відомий спосіб є абсолютно автономним і дозволяє витягувати вологу з атмосферного повітря за рахунок використання сонячного теплового випромінювання з подальшим перетворенням його в електричну енергію для приводу циркуляційного повітряного вентилятора і компресора холодильної машини. Збір отриманого конденсату при такому способі відбувається з мінімальною участю людини. Недоліками даного способу є відомі проблеми використання фотоелектричних перетворювачів ["Ваш солнечный дом" - Ваше решение проблем автономного электроснабжения, http://www.solarhome.ru]: висока вартість; необхідність перетворювальних елементів та акумуляторних батарей для стабілізації напруги споживачеві при змінному протягом дня сонячному навантаженні, низька (до 17 %) енергетична ефективність перетворювачів сонячного теплового випромінювання в електричну енергію і, відповідно, низька питома продуктивність установки одержання води з атмосферного повітря. Найбільш близьким є спосіб одержання води з атмосферного повітря [Пат. 2151973 Российская Федерация, МПК F 25 В 30/02, F 24 F3/14. Способ производства воды из воздуха (осушение воздуха) и устройство для его осуществления], що включає формування потоку атмосферного повітря, його охолодження у випарнику холодильної машини до температури нижче точки роси з подальшим відведенням конденсату, охолодження теплорозсіюючих елементів холодильної машини повітряним потоком з подальшим відведенням повітря в навколишнє середовище. Даний спосіб вибраний як прототип. Відомий спосіб дозволяє ефективно витягувати вологу з атмосферного повітря також за рахунок використання сонячного теплового випромінювання з подальшим перетворенням його 1 UA 104854 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 в електричну енергію для приводу циркуляційного повітряного вентилятора і компресора холодильної машини. Ефективність процесу вилучення пов'язана з підвищенням енергетичної ефективності циклу парокомпресійної холодильної машини, в якій виробляють додаткове охолодження конденсатора за рахунок теплообміну з охолодженим і осушеним повітряним потоком. За твердженням авторів прототипу ефективність вилучення води з атмосферного повітря може бути збільшена до двох разів. Прототип і заявлена корисна модель мають такі спільні ознаки: а) формування потоку атмосферного повітря, його охолодження в випарнику холодильної машини до температури нижче точки роси з подальшим відведенням конденсату; б) охолодження теплорозсіюючих елементів холодильної машини (конденсатор, абсорбер) повітряним потоком з подальшим відведенням повітря в навколишнє середовище. Недоліком способу-прототипу є низька продуктивність установки одержання води з атмосферного повітря в умовах відсутності стабільних джерел електричної енергії, коли робота установки можлива тільки за допомогою фотоелектричних перетворювачів. Недоліками способу-прототипу також є наведені вище проблеми застосування фотоелектричних перетворювачів ["Ваш солнечный дом" - Ваше решение проблем автономного электроснабжения, http://www.solarhome.ru]: висока вартість; необхідність перетворювальних елементів та акумуляторних батарей для стабілізації напруги споживачеві при змінному протягом дня сонячному навантаженні, низька (до 17 %) енергетична ефективність перетворювачів сонячного теплового випромінювання в електричну енергію і, відповідно, низька питома продуктивність установки одержання води з атмосферного повітря. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу одержання води з атмосферного повітря, що забезпечує при автономній роботі високу продуктивність за рахунок постійної та ефективної роботи протягом світлового дня джерела штучного холоду - випарника абсорбційної водоаміачної холодильної машини (АВХМ), джерелом тепла для якого є сонячне теплове випромінювання. Поставлена задача вирішена в способі одержання води з атмосферного повітря, що включає формування потоку атмосферного повітря, його охолодження у випарнику холодильної машини до температури нижче точки роси з подальшим відведенням конденсату, охолодження випарника та конденсатора холодильної машини повітряним потоком з подальшим відведенням повітря в навколишнє середовище, тим, що як холодильну машину використовують абсорбційну водоаміачну холодильну машину, в якій паровий потік холодильного агента-аміаку перед конденсатором стискають за допомогою бустер-компресора, а як енергоносій для абсорбційної водоаміачної холодильної машини використовують сонячне теплове випромінювання, при цьому охолодження здійснюють двома повітряними потоками: абсорбера - охолодженим і висушеним повітряним потоком після випарника, конденсатора - потоком атмосферного повітря. Технічний результат, який досягається в корисної моделі, пов'язаний з можливістю використання низькопотенційного тепла сонячного випромінювання і зі зниженням енергоспоживання при роботі циркуляційного насоса за рахунок додаткового охолодження абсорбера нижче температури атмосферного повітря та стиснення пари холодоагенту-аміаку перед конденсатором. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю відмітних ознак і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Ознака "як холодильну машину використовують абсорбційну водоаміачну холодильну машину, в якій паровий потік холодильного агента-аміаку перед конденсатором стискають за допомогою бустер-компресора, а як джерело теплової енергії абсорбційної водоаміачної холодильної машини використовують сонячне теплове випромінювання" вказує на можливість використання в системі одержання води з атмосферного повітря АВХМ, що відрізняється від аналогів екологічною безпекою робочого тіла і його доступністю, високою енергетичною ефективністю холодильного циклу, низькою вартістю і простотою виготовлення і експлуатації. Системи одержання води з атмосферного повітря найбільш затребувані в посушливих зонах, які, як правило, розташовуються в тропічних районах з високою сонячною інсоляцією і підвищеною до 35-45 °C температурою атмосферного повітря [Перельштейн Б.Х. Новые энергетические системы [Текст]/Б.Х. Перельштейн; - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008]. При знижених температурах гріючого джерела відповідно необхідно переходити на знижені температури і тиск в генераторі. Такий тиск в генераторі не дає можливості провести конденсацію пари аміаку за рахунок високої температури атмосферного повітря. Цикл АВХМ з трьома рівнями тиску дозволить забезпечувати температури в зоні джерела холоду нижче температури точки роси в несприятливих умовах навколишнього середовища 2 UA 104854 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (підвищена температура атмосферного повітря) при використанні сонячних колекторів з водою як теплоносія. Ознака "охолоджування теплорозсіюючих елементів АВХМ здійснюють двома повітряними потоками - абсорбера охолодженим і осушеним повітряним потоком після випарника, конденсатора - потоком атмосферного повітря" також дозволяє вирішувати задачу роботи АВХМ в несприятливих температурних умовах. Так, охолодження абсорбера холодним висушеним повітрям, який в установці одержання води з атмосферного повітря є відпрацьованим викидним потоком, дозволяє без додаткових енерговитрат істотно підвищити рушійний потенціал в процесі абсорбції, тобто розширити "зону дегазації" (збільшити різницю масових концентрацій між "слабким" і "міцним" розчинами). Збільшення "зони дегазації" дозволяє знижувати енерговитрати при роботі циркуляційного насоса, який забезпечує подачу "міцного" розчину в генератор. Так, розрахунки показують, що зниження температури процесу абсорбції до 15 °C при тепловому навантаженні в генераторі на температурному рівні 90 °C дозволить знизити енерговитрати на привід циркуляційного насоса майже в 6 разів. Суть корисної моделі ілюструється кресленням. На кресленні наведена схема установки для одержання води з атмосферного повітря за допомогою якої реалізується заявлений спосіб. Установка містить сонячний колектор 1, із замкнутою циркуляційною системою 2 і теплообмінними елементами 3, заповненою рідким теплоносієм, наприклад, водою. Циркуляція теплоносія здійснюється за допомогою насоса 4. До складу установки входить АВХМ, яка містить: генератор пару-аміаку 5; бустер-компресор 6; конденсатор 7; дросельний вентиль холодильного агента-аміаку 8; випарник 9; абсорбер 10; циркуляційний насос "міцного" розчину 11; дросельний вентиль "слабкого" розчину 12, теплообмінник розчинів 13 - гарячого "слабкого" і холодного "міцного". Перелічені елементи АВХМ сполучені між собою за такою схемою. Генератор пару-аміаку 5, бустер-компресор 6, конденсатор 7 і випарник 9 сполучені між собою послідовно. Перший вихід випарника 9 сполучений з першим входом абсорбера 10. Другий вихід випарника 9 сполучений із збірником конденсату-води 16. Перший вихід абсорбера 10 сполучений через циркуляційний насос 11 з першим входом теплообмінника 13. У внутрішню порожнину генератора 5 вбудовані теплообмінні елементи 3 сонячного колектора 1. Випарник 9 і абсорбер 10 установлені послідовно в повітроводі 14 таким чином, щоб повітряний потік за допомогою повітряного вентилятора 15 надходив спочатку на зовнішню поверхню випарника 9, а потім, в охолодженому і осушеному стані, на зовнішню поверхню абсорбера 10. Нижня частина випарника 9 пов'язана з ємністю для збору конденсату-води 16. Охолодження конденсатора 7 здійснюється окремим повітряним вентилятором 17. В АВХМ робоче тіло - водоаміачний розчин, холодильний агент - аміак, а вода - абсорбент. Спосіб одержання води з атмосферного повітря реалізується у наступній послідовності. У початковий момент робоче тіло знаходиться переважно в генераторі 5. При нагріванні сонячним тепловим випромінюванням колектора 1 теплоносій у ньому нагрівається, і в нагрітому стані по циркуляційному контуру 2 насосом 4 прокачується через теплообмінні елементи 3 у внутрішній порожнині генератора 5. З водоаміачного розчину, що заповнює генератор 5, при тепловій взаємодії з гарячим теплоносієм випаровується легкокиплячий компонент - аміак. Пара аміаку піднімається у верхню частину генератора 5, а збіднений по аміаку водоаміачний розчин - "слабкий" розчин опускається в нижню частину генератора 5. У генераторі 5 підтримується тиск вище, ніж в абсорбері 10, і "слабкий" розчин при своєму русі до абсорбера 10 проходить через дросельний вентиль 12, в якому відбувається скидання тиску "слабкого" розчину. З верхньої частини генератора 5 пара аміаку відкачується бустер-компресором 6 і прямує в конденсатор 7, де зріджується з відведенням теплоти фазового переходу в повітряний потік атмосферного повітря, що нагнітається вентилятором 17. Рідкий аміак після конденсатора 7 дроселюється у вентилі 8 і із зниженим тиском подається у випарник 9. У випарнику 9 і абсорбері 10 за рахунок мінімального вмісту аміаку в "слабкому" охолодженому розчині, підтримується однаковий знижений тиск. При зниженому тиску відбувається низькотемпературне кипіння аміаку у випарнику 9 і за рахунок цього на його зовнішній стінці підтримується температура нижче за температуру точки роси атмосферного повітря в перехідні і теплі періоди року. 3 UA 104854 U 5 10 Вентилятор 15 направляє повітряний потік атмосферного повітря через повітропровід 14 на зовнішню поверхню випарника 9, де повітря охолоджується нижче за температуру точки роси і частина вологи конденсується і стікає в ємність 16. Пара аміаку, що виходить з випарника 9, надходить в абсорбер 10, де поглинається "слабким" водоаміачним розчином. При цьому "слабкий" розчин стає насиченим по аміаку або "міцним" розчином і нагнітається циркуляційним насосом 11 у верхню частину генератора 5 і цикл роботи повторюється. Для підвищення енергетичної ефективності АВХМ в схемі установлений теплообмінник розчинів 13, в якому при тепловій взаємодії "слабкого" і "міцного" розчинів перший охолоджується, а другий нагрівається. При такому теплообміні не повністю втрачається теплова енергія, що виноситься з генератора потоком "слабкого" розчину. Таким чином, реалізується енергозбережний спосіб одержання води з атмосферного повітря, підвищена продуктивність якого залежить лише від інтенсивності сонячного теплового випромінювання і постійна протягом світлового дня. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Спосіб одержання води з атмосферного повітря, що включає формування потоку атмосферного повітря, його охолодження у випарнику холодильної машини до температури нижче точки роси з подальшим відведенням конденсату, охолодження випарника та конденсатора холодильної машини повітряним потоком з подальшим відведенням повітря в навколишнє середовище, який відрізняється тим, що як холодильну машину використовують абсорбційну водоаміачну холодильну машину, в якій паровий потік холодильного агента-аміаку перед конденсатором стискають за допомогою бустер-компресора, а як енергоносій для абсорбційної водоаміачної холодильної машини використовують сонячне теплове випромінювання, при цьому охолодження здійснюють двома повітряними потоками: абсорбера - охолодженим і висушеним повітряним потоком після випарника, конденсатора - потоком атмосферного повітря. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4