Конденсация пресной воды из воздуха
УСТАНОВКА ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Имя изобретателя: Алексеев Вячеслав Викторович; Алексеев Илья Вячеславович; Рустамов Нариман Ахмед оглы
Имя патентообладателя: Алексеев Вячеслав Викторович; Алексеев Илья Вячеславович; Рустамов Нариман Ахмед оглы
Адресок для переписки: 117593, Москва, Литовский б-р, д.5/10, кв.608, Рустамову Н.А.
Дата начала деяния патента: 1998.11.23
Изобретение относится, а именно, к установкам, использующим возобновляемые источники энергии.
Технической задачей изобретения является повышением эффективности работы конденсирующей поверхности и обеспечение автономности при работе установки для конденсации воды из атмосферного воздуха. Установка содержит солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод и систему вентиляции, также введенная в нее в качестве конденсатора иерархическая капиллярная структура с уменьшающимся радиусом капилляров в каждом следующем вертикально расположенном слое, образующая огромную конденсирующую поверхность с неплохой проницаемостью для воздушных потоков.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха, а именно, к установкам, использующим возобновляемые источники энергии.
Известна установка для получения пресной воды из мокроватого воздуха, в работе которой употребляется солнечная энергия /1/. Она содержит солнечные батареи, холодильный агрегат, водосборник и воздуховод, в каком расположены испаритель холодильного агрегата и вентилятор.
Установка работает последующим образом. За счет электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, холодильный агрегат производит холод, который выделяется на теплообменнике-испарителе. Мокроватый воздух при помощи вентилятора продувается через воздуховод, в каком размещен испаритель. В итоге контакта с поверхностью теплообменника-испарителя воздух охлаждается, находящийся в нем пар становится насыщенным, отчасти конденсируется на поверхности теплообменника и стекает в водосборник.
Недочетом данной установки являются огромные затраты энергии и низкая производительность.
Более близкой к изобретению является установка, в какой осуществляется аккумуляция холода для его использования в ночное время /2/. Она содержит солнечные батареи, холодильный агрегат, аккумулятор холода, выполненный в виде заполненной водой термоизолированной емкости, соединенный через гидронасос и вентиль с холодильным агрегатом и теплообменником-конденсатором, расположенном в воздуховоде, в каком также находится каплеуловитель и вентилятор. Под отверстием в воздуховоде находится водосборник.
Установка работает последующим образом. В светлое время суток электроэнергия от солнечных батарей поступает на холодильный агрегат, который производит холод. При помощи вентиля холодильный агрегат подключается к термоизолированной емкости. Находящаяся в ней жидкость при помощи гидронасоса прокачивается через холодильный агрегат и охлаждается, в итоге в термоизолированной емкости аккумулируется холод. Потом термоизолированная емкость при помощи вентиля отключается от холодильного агрегата и подключается к теплообменнику-конденсатору
Когда влажность воздуха добивается величины, близкой к 100%, врубается гидронасос и вентилятор. С помощью их прохладная жидкость и мокроватый воздух пропускаются через конденсатор. Находящийся в воздухе водяной пар конденсируется на его поверхности, а находящиеся в нем капли улавливаются каплеуловителем и захваченная влага стекает в водосборник.
Недочетом данной установки является низкая эффективность работы конденсирующей поверхности при относительной влажности наименее 100%, необходимость расходования энергии и отсутствие автономности при работе.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы конденсирующей поверхности и обеспечение автономности при работе установки для конденсации воды из атмосферного воздуха.
Технический итог достигается тем, что в установку для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха, содержащую солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод и систему вентиляции, введена в качестве конденсатора иерархическая капиллярная структура с уменьшающимся радиусом капилляров в каждом следующем вертикально расположенном слое, образующая огромную конденсирующую поверхность с неплохой проницаемостью для воздушных потоков.
Полезный эффект получается из-за того, что при работе установки в менисках в капиллярах с радиусом наименее 10-5 см происходит конденсация воды при относительных влажностях наименее 100%.
Из таблицы видно, что давление насыщенного пара над мениском в 10 раз меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью, если радиус капилляра 0,5·10-3 мкм. Для радиуса капилляра 0,1 мкм давление насыщенного пара фактически не отличается от давления пара над плоской поверхностью с точностью до 1%.
Потому капилляры с радиусом больше 0,1 мкм можно считать макрокапиллярами, а капилляры, у которого радиус меньше этой величины, микрокапиллярами. Внутренняя поверхность микрокапилляров очень велика по сопоставлению с поверхностью макрокапилляров. Так для активированного угля поверхность микропор с радиусом 10-7 см равна от 900 до 1500 м2/г, а поверхность макропор с радиусом 10-4 см равна от 0,35 до 1,7 м2/г.
В капиллярах происходит капиллярная конденсация пара. Поместим капилляр, стены которого смачиваются водой, во мокроватый воздух с парциальным давлением пара 16,6 мм, пусть температура воздуха 20oC, для которого давление насыщенного пара равно 17,54 мм. Относительная влажность при всем этом будет равна 94% и чтоб добиться точки росы нужно снизить температуру мокроватого воздуха приблизительно на 1oC. При 20oC плотность воздуха равна 1,2 кг/м3, а теплоемкость 0,24 ккал/(кг градус). Как следует, для снижения температуры 1 м3воздуха нужно отобрать у него 288 ккал, что равно половине энергии, выделяющейся при конденсации 1 г водяного пара. Внедрение же капиллярной конденсации, которая происходит при относительной влажности наименее 100%, значительно понижает энерго расходы холодильной системы. Стены капилляра будут адсорбировать пар и покроются слоем воды. На деньке капилляра слой адсорбированного пара даст вогнутый мениск. Если радиус капилляра порядка 10-6 см, то давление насыщенного пара для мениска такового радиуса равно 15,9 мм. По таблице видно, что для такового радиуса пар будет насыщенным при 90% от величины насыщенного пара над плоской поверхностью. Как следует, пар в окружающем пространстве с давлением 16,6 мм будет уже пересыщенным паром для мениска воды капилляра и произойдет конденсация пара, капилляр будет равномерно заполняться водой.
В системе, где структура, содержащая тонкие капилляры, соединена с проводящим капилляром, высота которого несколько меньше капиллярного подъема находящейся в нем воды, а проводящий капилляр опирается на слой воды в водосборнике, как это показано на фиг. 1, влага, сконденсированная в тонких капиллярах будет стекать в водосборник. Когда проводящий капилляр имеет радиус 0,05 мм, то высота капиллярного подъема воды составляет приблизительно 2,96 см. Если же радиус капилляра равен 0,025 мм, то высота подъема будет равна 5,92 см. Таким макаром, если прокачивать воздух через вертикальную структуру, опирающуюся на водосборник, то она будет конденсировать воду. Отметим, что может быть несколько вертикальных конденсирующих стен.
На фиг. 2 приведена схема установки для конденсации воды из атмосферного воздуха. Она содержит водосборник 1, капиллярную конденсационную систему 2, холодильную систему 3, систему вентиляции 4 и воздуховод 5. При всем этом в вертикальной капиллярной структуре проводящие капилляры для каждого последующего слоя конденсирующих капилляров имеют все более наименьший радиус. Тепло конденсации от конденсирующих капилляров отводиться как вентиляционной системой, так и при помощи холодильной системы. Вентиляционный эффект получается из-за конвекции, возникающей в итоге выделения укрытого тепла при конденсации и за счет принудительного движения воздуха возбуждаемого вентилятором, питание которого осуществляется от аккума, заряжающегося от солнечных батарей, либо за счет конвекции, индуцируемой аккумом солнечного тепла, соединенным с подходящим коллектором.
Холодильная система 2 выполнена из твердого материала, состоит из нескольких уровней, расположенных снутри разветвленной капиллярной системы 3, образующей конденсационную систему с неплохой проницаемостью для воздушных потоков.
Конденсирующая система 3 представляет собой иерархическую капиллярную систему с уменьшающимся радиусом капилляров в каждом следующем вертикально расположенном слое, при этом каждый слой соединен с водосборником толстым нижнем капилляром, имеющим высоту чуток ниже высоты капиллярного поднятия воды за счет сил поверхностного натяжения, предстоящее поднятие осуществляется в верхних капиллярах с радиусом наименее 10-5 см, где образуются мениски, на которых идет конденсация воды при относительных влажностях наименее 100%. Остывание системы происходит за счет холодильной системы.
Вытяжная труба в 4 может быть выполнена в виде легкой конструкции, к примеру каркаса, обтянутого пленкой.
Установка работает последующем образом. Ночкой температура поверхности земли и воздуха начинает уменьшаться за счет радиационного излучения. За счет скопленной солнечной энергии в вытяжной трубе создается поток теплого воздуха. В итоге создается разность давлений и атмосферный воздух поступает в нижнюю часть конденсирующей системы, движется вверх и выходит в вытяжную трубу. Конденсация воды, содержащейся в охлажденном воздухе происходит на капиллярах при относительной влажности наименее 100%
Процесс конденсации водяного пара длится также и деньком, только сначала теплый атмосферный воздух охлаждается холодильной системой. Деньком образованию воздушных потоков через систему содействует также его нагрев солнечными лучами, что делает снутри его градиент температуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка ФРГ N 3313711, кл. E 03 B 3/28.
2. Патент Рф N 2056479, кл. C1 (пртотип).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха, содержащая солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод и систему вентиляции, отличающаяся тем, что в нее введена в качестве конденсатора иерархическая капиллярная структура с уменьшающимся радиусом капилляров в каждом следующем вертикально расположенном слое, образующая огромную конденсирующую поверхность с неплохой проницаемостью для воздушных потоков.
Дата публикации 21.11.2006гг
Источник
www.ntpo.com/patents_water/water_2/water_3.shtml