Установка для одержання прісної води із повітря в період інсоляції

Реферат: Винахід належить до галузі теплоенергетики, зокрема до засобів одержання питної води із повітря. Установка для одержання прісної води із повітря в період інсоляції містить сполучені між собою системою трубопроводів інсолятор, повітроохолоджувач-конденсатор з осьовим вентилятором та резервуар прісної води. При цьому установка додатково містить відцентровий нагнітач пари холодоагенту з пневмоприводом, накопичувач перегрітої пари холодоагенту, конденсатор холодоагенту з осьовим вентилятором, ресивер рідкого холодоагенту, дросельний вентиль, ручну помпу, колектор пари високого тиску та колектор відпрацьованої пари, при цьому відцентровий нагнітач пари холодоагенту сполучений з повітроохолоджувачемконденсатором, та, через зворотний клапан - з інсолятором, який сполучений з накопичувачем перегрітої пари холодоагенту та ручною помпою, яка сполучена з ресивером рідкого холодоагенту, накопичувач перегрітої пари холодоагенту сполучений з колектором пари високого тиску, який сполучений з пневмоприводом відцентрового нагнітача пари холодоагенту, пневмоприводом осьового вентилятора конденсатора холодоагенту та пневмоприводом осьового вентилятора повітроохолоджувача-конденсатора, пневмоприводи осьових вентиляторів та відцентрового нагнітача пари холодоагенту сполучені з колектором відпрацьованої пари, який сполучений з конденсатором холодоагенту, а конденсатор холодоагенту сполучений з ресивером рідкого холодоагенту, який через дросельний вентиль сполучений з повітроохолоджувачем-конденсатором, який через водяний фільтр сполучений з резервуаром прісної води. Установка, що заявляється, працює без споживання зовнішньої енергії, автономність роботи забезпечується за рахунок споживання сонячної енергії, без додаткових енерговитрат. UA 112882 C2 (12) UA 112882 C2 UA 112882 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до теплоенергетики, зокрема до способів і пристроїв для одержання прісної води з повітря. Дефіцит і відсутність у деяких регіонах прісної води призводить до розробки різноманітних способів і пристроїв її одержання різними способами, зокрема з вологи повітря. Відомий комплекс для виділення води з атмосферного повітря (див. патент України № 49865 на корисну модель "Автономний комплекс для виділення води з атмосферного повітря" Е 03 D 3/00, опубл. 11.05.2010), що містить прозорий купол, який встановлено над поверхнею землі та оснащено вертикальною витяжною трубою, яка примикає до його вершини, теплонагромаджувач, який розміщено усередині купола, теплообмінник, розміщений нижче поверхні землі, при цьому теплообмінник контактує з джерелом холоду, повітровід, що підводить атмосферне повітря до теплообмінника, резервуар для води, осадженої з атмосферного повітря. Теплонагромаджувач виконаний у вигляді кільцеподібного тіла, розміщеного співвісно куполу, внутрішня поверхня кільцеподібного тіла розміщена усередині купола, зовнішня повністю охоплена повітроводом, який розміщено концентрично щодо останнього. Теплонагромаджувач з високотеплопровідного матеріалу розділяє внутрішню порожнину купола на верхню та нижню камери, при цьому об'єм нижньої камери належить до об'єму верхньої камери щонайменш як 1:2. Джерелом холоду є підземний охолоджувальний басейн, у центрі якого розміщено теплообмінник, який забезпечує циркуляцію рідини, що охолоджується в басейні внаслідок градієнта температури між шарами рідини, що прилягають до теплообмінника та контактують з масивом ґрунту, який розміщено нижче поверхні землі. Робота комплексу розділена на денні і нічні часи. В денні часи сонячне випромінювання нагріває теплонагромаджувач, у якому акумулюється тепло, яке відводиться у нічні часи. Конденсація вологи із атмосферного повітря здійснюється в теплообміннику, на пластинах. Оскільки теплообмінник встановлено у нижній частині басейну, що охолоджується, то температура пластин теплообмінника має мінімальне значення (близько 10…15 °C). У роботі не уточнюється природа води підземного охолоджувального басейну. Скоріш за все, це звичайна "підшкірна" вода, яка містить у собі максимум токсинів, мікрофлори та важких металів. Здійснення вимог щодо одержання температури води у теплообміннику 10…15 °C призводить до проблеми виконання великих об'ємів земляних робіт для спорудження басейну. При цьому вказані об'єми будуть зростати у міру переміщення на південь, заглиблення може досягати декількох метрів. Відомий пристрій для одержання води з парів атмосфери (див. патент України № 48999 на корисну модель "Пристрій для одержання води з парів атмосфери" Е 03 D 3/00, опубл. 12.04.2010), що містить елементи, що конденсують вологу, підставу, водовідвідний жолоб, що розміщено уздовж осі симетрії системи і кріпиться до підстави, до якої прикріплені гофровані листи, а підстава виконана у вигляді металевих стійок темного кольору, установлених вертикально. Елементи, що конденсують (гофровані листи), виконані у вигляді етажерок з металу з високою теплопровідністю (міді), установлених попарно один проти одного і нахилених до осі симетрії під кутом менше 20°, покриті тонким молекулярним шаром гідрофільної речовини (силікатним склом). Процес конденсації починається з адсорбції з утворенням на поверхні адсорбенту плівки рідини (води), концентрація якої на твердому тілі максимальна в гідрофільних речовинах. Тепло, що виділяється при конденсації, практично вільно проходить через тонкий шар гідрофільної речовини і шляхом теплопровідності металевого елемента відводиться. Гофрована поверхня листів забезпечує турбулізацію потоку повітря та перемішування його шарів. Шар гідрофільної речовини, що покриває поверхні гофрованих листів під час абсорбції і конденсації пари води згодом змивається і змішується з одержаною водою, що робить її небезпечною для вживання. Гідрофільне покриття поверхонь сприяє абсорбції молекул пари води із повітря, але конденсація їх може бути тільки при умові постійного відтворення тепла конденсації пари води, яке в реальних умовах складає більш 2500 кДж на кожний кілограм сконденсованої пари. Заявлений процес може тривати деякий час, залежно від початкової температури листів із міді і їх маси і якщо цей потенціал в змозі і відвести таке тепло, то процес можна вважати успішним, але ненадовго, тому що підведене тепло підвищить температуру листів вище точки роси і процес зупиниться. 1 UA 112882 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований пристрій забезпечує одержання води, але може зупинитись у будь-яку хвилину під впливом тепла фазового переходу. Найбільш близькою до установки, що заявляється, є установка для одержання прісної води з вологого повітря (див. патент РФ № 2056479 на винахід "Установка для получения пресной воды из влажного воздуха" Е 03В 3/28, опубл. 20.03.1996), яка включає сонячні батареї, холодильний агрегат, термоізольовану ємність, що з'єднується через гідронасос і вентиль з холодильним агрегатом та теплообмінником-конденсатором, розміщеним у повітропроводі. В повітропроводі також розміщені краплевловлювач і вентилятор. Конденсатор, зовнішня поверхня якого змочується, підключений до джерела статичної напруги. Водозбірник знаходиться під зливним отвором у повітропроводі. У термоізольованій ємності знаходиться рідина, яка після охолодження виконує функції акумулятора холоду. Робота установки починається з наявності світлого періоду. Електроенергія, отримана при роботі сонячних батарей, подається на холодильний агрегат, який виробляє холод. За допомогою вентиля холодильний агрегат підключається до термоізольованої ємності. Гідронасосом рідина з термоізольованої ємності перекачується через холодильний агрегат та охолоджується, внаслідок чого в термоізольованій ємності акумулюється холод. Після цього термоізольована ємність за допомогою вентиля відключається від холодильного агрегату, і підключається до теплообмінника-конденсатора. Коли вологість повітря сягає величини, близької 100 %, включаються гідронасос і вентилятор, за допомогою яких холодна рідина і вологе повітря проходять через конденсатор, де водяна пара конденсується, і рідина стікає у водозбірник. Прототип і установка, що заявляється, мають спільні вузли: - інсолятор (у прототипі - сонячні батареї); - повітроохолоджувач-конденсатор (у прототипі - теплообмінник-конденсатор); - вентилятор; - резервуар прісної води (у прототипі - водозбірник). Недоліком прототипу є те, що авторами відомої установки запропоновано використання елементів для акумуляції холоду, але по завершенні світового дня сонячні батареї автоматично вимикаються, і тоді ні компресор холодильного агрегату з гідронасосом, ні вентилятор з конденсатором не працюватимуть, що виключає необхідність акумулювати холод. Генератором холоду є компресор холодильного агрегату, який при споживанні 1 кВт·год. енергії може відвести 3,5…4,0 кВт тепла і сконденсувати водяної пари близько 1,5 кг/год., а за світовий день 12 годин можна одержати не більше як 18 кг/добу води. Очікуваний результат забезпечується за умови роботи холодильної машини на конденсацію водяної парибез будьякої акумуляції. Також недоліком даної установки є те, що потужність сонячних батарей може бути меншою за потужність, необхідну для приводу у рух одночасно компресора холодильного агрегату, гідронасосу і вентилятору, яка щонайменше повинна складати 2,5…3,5 кВт. В основу винаходу поставлено задачу розробити установку для одержання прісної води із повітря в період інсоляції, в якій шляхом використання герметичних пневмоприводів для приводу у рух механізмів, та відцентрового герметичного нагнітача для здійснення рециркуляції в холодильному циклі, а також іншої схеми сполучення відомих і нових вузлів, виключити споживання невідновлюваних традиційних джерел енергії, а також виключити споживання електричної енергії та забезпечити автономну роботу установки без додаткових енерговитрат. Поставлена задача вирішена в установці для одержання прісної води із повітря в період інсоляції, що містить сполучені між собою системою трубопроводів інсолятор, повітроохолоджувач-конденсатор з осьовим вентилятором та резервуар прісної води, тим, що на відміну від прототипу, додатково містить відцентровий нагнітач пари холодоагенту з пневмоприводом, накопичувач перегрітої пари холодоагенту, конденсатор холодоагенту з осьовим вентилятором, ресивер рідкого холодоагенту, дросельний вентиль, ручну помпу, колектор пари високого тиску та колектор відпрацьованої пари, при цьому відцентровий нагнітач пари холодоагенту сполучений з повітроохолоджувачем-конденсатором, та, через зворотній клапан - з інсолятором, який сполучений з накопичувачем перегрітої пари холодоагенту та ручною помпою, яка сполучена з ресивером рідкого холодоагенту, накопичувач перегрітої пари холодоагенту сполучений з колектором пари високого тиску, який сполучений з пневмоприводом відцентрового нагнітача пари холодоагенту, пневмоприводом осьового вентилятора конденсатора холодоагенту та пневмоприводом осьового вентилятора повітроохолоджувача-конденсатора, пневмоприводи осьових вентиляторів та відцентрового нагнітача пари холодоагенту сполучені з колектором відпрацьованої пари, який сполучений з конденсатором холодоагенту, а конденсатор холодоагенту сполучений з ресивером рідкого 2 UA 112882 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 холодоагенту, який через дросельний вентиль сполучений з повітроохолоджувачемконденсатором, який через водяний фільтр сполучений з резервуаром прісної води. Принциповою відмінністю установки, що заявляється, є те, що для підвищення тиску - до значення, необхідного для забезпечення роботи механізмів - пневмоприводів вентиляторів конденсатора холодоагенту, повітроохолоджувача-кондесатора і нагнітача, та підтримання робочого тиску на стабільному рівні під час роботи установки використовують накопичувач перегрітої пари холодоагенту. Таким чином, накопичувач перегрітої пари холодоагенту, окрім відомих функцій (накопичення перегрітої пари холодоагенту, забезпечення рівномірної подачі пари холодоагенту в систему та згладжування перепадів тиску при роботі установки), виконує одну нову підвищення тиску і підтримання його значень на рівні, необхідному для забезпечення роботи механізмів - пневмоприводів вентиляторів конденсатора холодоагенту, повітроохолоджувачакондесатора і нагнітача, тобто, забезпечує роботу установки. Також особливістю установки, що заявляється, є те, що для приводу у рух механізмів використовують герметичні пневмоприводи, а для здійснення рециркуляції холодоагенту в холодильному циклі - відцентровий герметичний нагнітач. Перетворена енергія інсоляції приймається робочим тілом і використовується як рушійна сила для приводу у рух механізмів, та одночасно сприяє здійсненню холодильного цикла. Енергія стисненої пари робочого тіла використовується у герметичних пневмоприводах, що перетворюють її (енергію) на механічну. Відцентровий герметичний нагнітач, включений до складу установки, спроможний перекачувати безпечно як вологу пару, так і рідкий холодоагент. Робочим тілом є пожежо-вибухобезпечна, нетоксична, екологічна низькотемпературна рідина - холодоагент, який стабільно працює при температурі до 100 °C, наприклад R 134a, R 404a, R 507а. У конструкції установки використано повітроохолоджувач-конденсатор, який виконано із зовнішнього теплоізольованого циліндра і внутрішнього циліндра із нержавіючої сталі, на поверхні якого закріплено спіральній змійовик, також з нержавіючої сталі, всередині якого кипить робоче тіло (холодоагент); при цьому максимальна інтенсивність теплообміну в повітроохолоджувачі і максимальне виділення води з повітря досягається утворенням між оболонками вузького спірального каналу, в якому повітря, що засмоктується вентилятором, омиває холодну поверхню змійовика. Винахід, що заявляється, пояснюється кресленнями, де: фіг. 1 - схема установки, фіг. 2 - цикл роботи установки в діаграмі lg P-h. Установка містить відцентровий нагнітач пари холодоагенту 1 з пневмоприводом 2, інсолятор 3, накопичувач перегрітої пари холодоагенту 7, конденсатор холодоагенту 8, осьовий вентилятор 9 конденсатора холодоагенту 8, пневмопривід 10 осьового вентилятора 9, ресивер рідкого холодоагенту 11, дросельний вентиль 12, повітроохолоджувач-конденсатор 13, ручну помпу 21, резервуар прісної води 22, водяний фільтр 23, колектор пари високого тиску 24 та колектор відпрацьованої пари 25, манометр 26, зворотний клапан 27. Інсолятор 3 містить корпус 4, нагрівач зволоженої пари холодоагенту 5 та перегрівач пари холодоагенту 6. Повітроохолоджувач-конденсатор 13 включає у себе зовнішній теплоізольований циліндр 14, внутрішній, з лійкоподібним збірником води, циліндр 15, змійовик 16, напрямні 17, що утворюють спіральний повітряний канал, розтруби прийому зовнішнього повітря 18 та осьовий вентилятор 19 з пневмоприводом 20. Перелічені вузли установки сполучені між собою системою технологічних трубопроводів наступним чином. Відцентровий нагнітач пари холодоагенту 1 сполучений з повітроохолоджувачемконденсатором 13, та, через зворотний клапан 27 - з інсолятором 3. В свою чергу, інсолятор 3 сполучений з накопичувачем перегрітої пари холодоагенту 7 та ручною помпою 21, яка сполучена з ресивером рідкого холодоагенту 11. Накопичувач перегрітої пари холодоагенту 7 сполучений з колектором пари високого тиску 24, який, в свою чергу, сполучений з пневмоприводом 2 відцентрового нагнітача пари холодоагенту 1, пневмоприводом 10 осьового вентилятора 9 конденсатора холодоагенту 8 та пневмоприводом 20 осьового вентилятора 19 повітроохолоджувача-конденсатора 13. Пневмоприводи 10 і 20 осьових вентиляторів 9 і 19, відповідно, та пневмопривід 2 відцентрового нагнітача пари холодоагенту 1 сполучені з колектором відпрацьованої пари 25, який сполучений з конденсатором холодоагенту 8. 3 UA 112882 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Конденсатор холодоагенту 8 сполучений з ресивером рідкого холодоагенту 11, який через дросельний вентиль 12 сполучений з повітроохолоджувачем-конденсатором 13. Повітроохолоджувач-конденсатор 13 сполучений з резервуаром прісної води 22 через водяний фільтр 23. Робота установки здійснюється таким чином. До періоду інсоляції ручною помпою 21 перекачують із ресивера рідкого холодоагенту 11 у змійовик нагрівача зволоженої пари холодоагенту 5 інсолятора 3 невелику кількість рідкого холодоагенту. Початок інсоляції супроводжується підвищенням тиску у змійовику нагрівача вологої пари холодоагенту 5 (до 10…15 атм), перегрівачі пари холодоагенту 6 і накопичувачі перегрітої пари холодоагенту 7, а при досягненні тиску межі активної роботи пневмоприводу 2 відцентрового нагнітача пари холодоагенту 1 (≈20 атм) відкривають подачу пари на його механізм приводу. Волога пара всмоктується із змійовика 16 повітроохолоджувача-конденсатора 13. Відкривають подачу пари на пневмопривід 20 осьового вентилятора 19 повітроохолоджувача-конденсатора 13. Робочий цикл стабілізується при досягненні заданих параметрів у кожному елементі системи. Далі відкривають дросельний вентиль 12, в якому рідкий холодоагент знижує тиск до 3…5 атм (відповідно, і температуру до мінус 1…мінус 3 °C), і подається у змійовик 16 повітроохолоджувача-конденсатора 13. Тепле вологе повітря засмоктується осьовим вентилятором 19 повітроохолоджувача-конденсатора 13 через розтруби прийому зовнішнього повітря 18, і попадає у спіральний повітряний канал, що утворений напрямними 17, зовнішнім 14 і внутрішнім 15 циліндрами повітроохолоджувача 13, та омиває поверхню змійовика 16, температура якого значно нижча температури точки роси. При охолодженні волога з повітря конденсується на поверхні змійовика 16 повітроохолоджувача-конденсатора 13 і накопичується у лійкоподібному збірнику вологи. Далі виділена вода проходить через водяний фільтр 23 і зливається у резервуар прісної води 22. Холодне повітря осьовим вентилятором 19 повітроохолоджувача-конденсатора 13 направляється до конденсатора холодоагенту 8 (при необхідності), забезпечуючи більш ефективну роботу (завдяки зниженню температури конденсації). На фіг. 2 приведено цикл роботи установки у діаграмі у lg P-h. І-ІІ - всмоктування пари і подача її в інсолятор 3; ІІ-IIІ - підігрів, перегрів і стиснення пари у нагрівачі зволоженої пари холодоагенту 5 та перегрівачі пари холодоагенту 6 інсолятора 3, і накопичувачі перегрітої пари холодоагенту 7 (політропний процес); III-IV - відведення енергії стисненої пари холодоагенту у пневмоприводах 10 і 20 осьових вентиляторів 9 і 19, відповідно, та у пневмоприводі 2 відцентрового нагнітача пари холодоагенту 1 (політропний процес розширення); IV-V - охолодження і конденсація пари в конденсаторі холодоагенту 8; V-VI - дроселювання холодоагенту у дросельному вентилі 12; VI-I - кипіння холодоагенту у змійовику 16 повітроохолоджувача-конденсатора 13, та всмоктування зволоженої пари, з можливим попаданням рідини, відцентровим нагнітачем пари холодоагенту 1; Рр - тиск робочий; Рв - тиск відпрацьованої пари; Р0 - тиск кипіння холодоагенту у змійовику повітроохолоджувача-конденсатора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Установка для одержання прісної води із повітря в період інсоляції, що містить сполучені між собою системою трубопроводів інсолятор, повітроохолоджувач-конденсатор з осьовим вентилятором та резервуар прісної води, яка відрізняється тим, що вона додатково містить відцентровий нагнітач пари холодоагенту з пневмоприводом, накопичувач перегрітої пари холодоагенту, конденсатор холодоагенту з осьовим вентилятором, ресивер рідкого холодоагенту, дросельний вентиль, ручну помпу, колектор пари високого тиску та колектор відпрацьованої пари, при цьому відцентровий нагнітач пари холодоагенту сполучений з повітроохолоджувачем-конденсатором, та, через зворотний клапан - з інсолятором, який сполучений з накопичувачем перегрітої пари холодоагенту та ручною помпою, яка сполучена з ресивером рідкого холодоагенту, накопичувач перегрітої пари холодоагенту сполучений з колектором пари високого тиску, який сполучений з пневмоприводом відцентрового нагнітача пари холодоагенту, пневмоприводом осьового вентилятора конденсатора холодоагенту та пневмоприводом осьового вентилятора повітроохолоджувача-конденсатора, пневмоприводи осьових вентиляторів та відцентрового нагнітача пари холодоагенту сполучені з колектором 4 UA 112882 C2 відпрацьованої пари, який сполучений з конденсатором холодоагенту, а конденсатор холодоагенту сполучений з ресивером рідкого холодоагенту, який через дросельний вентиль сполучений з повітроохолоджувачем-конденсатором, який через водяний фільтр сполучений з резервуаром прісної води. 5 UA 112882 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6