Автономная установка для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха

Установка содержит солнечные коллектора, солнечные батареи, холодильную систему, конденсаторы, водосборник, воздуховод и вентиляционную систему. В качестве конденсаторов используют систему плоских панелей из нержавеющей стали с толщиной стенок от 0,1 до 0,8 мм и внутренними каналами для охлаждающей воды, а в качестве источника холода используют емкости, заполненные водой и зарытые в поверхностные слои земли на глубине не менее 2-х метров. Использование данного изобретения обеспечит увеличение эффективности работы установки. 2 ил.

 

Изобретение относится, в частности, к установкам, использующим возобновляемые источники энергии.

Техническими задачами изобретения являются увеличением эффективности работы конденсирующей поверхности и обеспечение автономности при работе установки для конденсации влаги из атмосферного воздуха.

Установка содержит солнечные коллектора, солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод и вентиляционную систему, а также высокоэффективную систему конденсирующих панелей специальной конструкции.

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха, в частности к установкам, использующим возобновляемые источники энергии.

Известна установка для получения пресной воды из влажного воздуха, в работе которой используется солнечная энергия (Патент РФ N 2131000, кл. С1). Она содержит солнечные батареи, холодильный агрегат, водосборник и воздуховод, в котором размещены испаритель холодильного агрегата и вентилятор. Установка работает следующим образом. За счет электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, холодильный агрегат производит холод, который выделяется на теплообменнике-испарителе. Влажный воздух с помощью вентилятора продувается через воздуховод, в котором расположен испаритель. В результате контакта с поверхностью теплообменника-испарителя воздух охлаждается, содержащейся в нем пар становится насыщенным, частично конденсируется на поверхности теплообменника и стекает в водосборник. Недостатками данной установки являются большие энергозатраты и низкая производительность.

Наиболее близкой к изобретению является установка, в которой осуществляется конденсация пресной воды из атмосферного воздуха (US Patent 6116034. Sep.12, 2000. F 25 D 17/06). Она содержит водосборник, на котором находится аккумулятор холода, в нижней части которого расположены воздушные трубы, выполненные из нейтрального материала. Концы воздушных труб, находящиеся внутри конденсатора, закрыты, а воздух поступает в габионы (контейнеры с гравием) через боковые отверстия. Тепловые трубы также находятся одним оребренным концом в аккумуляторе холода, при этом другие оребренные концы выведены наружу. Над аккумулятором холода расположена вытяжная труба, внутри которой расположен нагреватель воздуха, соединенный трубами с солнечным коллектором.

Аккумулятор холода состоит из габионов, которые образуют объем с большой внутренней конденсационной поверхностью и хорошей проницаемостью для воздушных потоков. В качестве материала для заполнения габионов используется щебень из известняка или другого материала, создающего воздухопроницаемую структуру с развитой поверхностью.

Тепловая труба представляет собой устройство, способное передавать большие тепловые потоки при малых перепадах температур. Она состоит из герметической трубы, заполненной жидким теплоносителем, который, испаряясь у одного конца трубы, поглощает теплоту, в частности тепло конденсации атмосферной влаги на габионах, и, конденсируясь у другого конца, отдает ее. Таким образом, перенос тепла осуществляется только в одном направлении.

Нагреватель воздуха выполнен в виде емкости из материала с хорошей теплопроводностью и заполнен водой, он соединен трубами с солнечными коллекторами.

Установка работает следующим образом.

Ночью температура поверхности земли и воздуха начинает уменьшаться за счет радиационного излучения, в западных районах жаркого пояса Земли разность температур между днем и ночью может достигать 20-25°С, в результате чего температура опускается ниже точки росы. Когда температура воздуха становится ниже температуры в месте заложения тепловой трубы, последний начинает охлаждать аккумулятор холода изнутри. Для того чтобы процесс переноса тепла шел интенсивнее, части тепловой трубы, находящиеся в тепловом аккумуляторе и в воздухе, снабжены ребрами. Поскольку в нагревателе воздуха находится теплая вода, нагретая за день с помощью солнечного коллектора, в вытяжной трубе создается поток теплого воздуха. В результате создается разность давлений и атмосферный воздух по воздушным каналам поступает в нижние зоны аккумулятора холода, поднимается вверх и выходит в вытяжную трубу. Если влажность воздуха составляет 100%, то находящийся в нем водяной пар конденсируется на внутренней поверхности аккумулятора холода. Если влажность воздуха меньше 100%, то предварительно воздух охлаждается до температуры, когда пар становится насыщенным. Процесс конденсации продолжается также и днем, только сначала теплый атмосферный воздух охлаждается аккумулятором холода до температуры, пока находящийся в нем пар не станет насыщенным.

Недостатком этого устройства является низкая производительность, т.к. предлагаемая конструкция конденсатора атмосферной влаги является сложной системой, в которой реализуются нестационарные процессы тепло- и массообмена, в том числе процесс конденсации на поверхности элементов кладки с выделением теплоты конденсации. Тепловой режим является сложным, и нет никакой ясности в понимании происходящих процессов и количественной оценке изменения поля температур на поверхности и в теле элементов кладки и связанном с ним изменении скоростей и направлений конвективных потоков в течение суток.

Задача изобретения - увеличение эффективности работы конденсирующей поверхности и обеспечение автономности при работе установки для конденсации влаги из атмосферного воздуха.

Технический результат в установке для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха, содержащей солнечные коллектора, солнечные батареи, холодильную систему, конденсаторы, воздухосборник, воздуховод и вентиляционную систему, достигается тем, что в нее введена в качестве конденсаторов система плоских панелей из нержавеющей стали с толщиной стенок от 0,1 до 0,8 мм с внутренними каналами для охлаждающей воды, а в качестве источника холода используют емкости, заполненные водой и зарытые в поверхностные слои земли на глубине не менее 2-х метров.

Устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1, 2 приведена схема автономной установки для получения пресной воды из атмосферного воздуха.

Установка содержит корпус 1, теплообменные панели 2, охладительные емкости 3, насосную станцию 4, теплообменную колонну 5, емкость для воды, аккумуляторную станцию 7, плоские солнечные коллектора (СК) 8, солнечные батареи (СБ) 9 и систему автоматического управления 10.

Теплообменные панели 2 представляют собой установленные вертикально теплообменники, сваренные из двух тонкостенных (толщиной от 0,1 до 0,8 мм) листов, с внутренними каналами, по которым проходит охлаждающая жидкость (вода), поступающая из холодильника.

Аккумулятор холода выполнен в виде нескольких охладительных емкостей 3, которые представляют собой резервуары большой емкости, заполненные водой и зарытые в землю на глубину более 3-х метров.

Теплообменная колонна 5 представляет собой установленную вертикально цилиндрическую емкость, заполненную водой, которая нагревается в дневное время плоскими солнечными коллекторами (СК) 8.

Плоские солнечные коллектора (СК) 8 - это устройства, преобразующие солнечную энергию теплоносителя.

Установка работает следующим образом. В дневное время происходит накопление тепловой энергии в теплообменной колонне за счет работы плоских солнечных коллекторов (СК) и электрической энергии в аккумуляторах аккумуляторной станции, за счет работы солнечных батарей (СБ). Ночью температура поверхности земли и воздуха начинает уменьшаться за счет радиационного излучения. За счет теплообменной колонны, заполненной горячей водой, которая нагревается в дневное время плоскими солнечными коллекторами (СК) в вытяжной трубе корпуса установки создается поток теплого воздуха. В результате разности давлений атмосферный воздух поступает через открытую нижнюю часть внутрь корпуса и вступает в контакт сначала с нижним ярусом, а затем и с верхними ярусами теплообменных панелей и через вытяжную трубу уходит в атмосферу.

Если относительная влажность воздуха близка к 100%, то находящийся в нем водяной пар конденсируется на поверхностях теплообменных панелей, а полученная вода стекает в резервуар. Если относительная влажность воздуха меньше 100%, но больше 80%, то сначала воздух охлаждается у поверхности теплообменных панелей до температуры, когда пар становится насыщенным, а затем происходит конденсация. Процесс конденсации будет продолжаться также и днем, только сначала теплый атмосферный воздух будет охлаждается поверхностями теплообменных панелей, так как внутри теплообменных панелей протекает холодная вода, которая подается насосами станции из резервуаров большой емкости, заполненных водой и зарытых в землю на глубину более 3-х метров, до температуры, пока находящийся в нем пар не станет насыщенным. При нагреве воды в резервуаре холодильника выше установленной температуры система автоматического управления подключает к работе другой резервуар, а в отключенном резервуаре происходит охлаждение воды путем теплообмена с холодным грунтом земли. Затем процесс повторяется в той же последовательности.

Для работы данной установки не требуется никакой энергии, кроме солнечной, функционирует она в автоматическом режиме и является при этом абсолютно экологически чистой.

Возможность получения пресной воды на установке по рассмотренной схеме подтверждена экспериментальными исследованиями, описанными в приложении 1.

Приложение 1

С целью подтверждения возможности получении пресной воды на автономной установке для получения пресной воды из атмосферного воздуха были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились на территории опытного производства ЦАГИ им. проф. Жуковского (г. Жуковский М.О.) 07.07.04 с 16 до 19 часов в условиях переменной облачности при средней температуре окружающего воздуха 21 град. Цельсия и относительной влажности 87%. На первом этапе в качестве конденсирующей поверхности была использована плоская теплообменная панель, эскиз которой представлен на фиг.1., фотография панели представлена на фиг.2. Панель при помощи гибких шлангов подсоединялась к водопроводной сети, а из другого патрубка панели вода сливалась в канализацию. Для проведения эксперимента использовалась вода из системы водоснабжения, температура которой на входе в панель составляла около 12 град. Цельсия. Подача воды в панель составляла 5 литров в минуту. Для создания воздушного потока использовали бытовой вентилятор, которым была организована обдувка панели со скоростью примерно 2 м в секунду. Эксперимент продолжался в течение 1 часа. Полученную в результате конденсации воду из специального поддона сливали в мерную емкость. В результате было получено 0,18 литра воды.

На втором этапе в качестве конденсирующей поверхности использовали батарею, составленную из 8 плоских теплообменных панелей, представленную на фиг.3. Подача воды в панели составляла 10 литров в минуту. Для создания воздушного потока использовали бытовой вентилятор, которым была организована обдувка панели со скоростью примерно 2 м в секунду. Эксперимент продолжался в течение 1 часа. Полученную в результате конденсации воду из специального поддона сливали в мерную емкость. В результате было получено 1,28 литра воды.

Проведенный эксперимент подтверждает не только возможность получения пресной воды на автономной установке для получения пресной воды из атмосферного воздуха, но и показывает ее высокую эффективность.

Установка для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха, содержащая солнечные коллектора, солнечные батареи, холодильную систему, конденсаторы, водосборник, воздуховод, вентиляционную систему, отличающаяся тем, что в нее введена в качестве конденсаторов система плоских панелей с толщиной стенок от 0,1 до 0,8 мм из нержавеющей стали с внутренними каналами для охлаждающей воды, а в качестве источника холода используют емкости, заполненные водой и зарытые в поверхностные слои земли на глубине не менее 2 м.