Способ извлечения воды из воздуха и устройство для его осуществления

 

Использование: для извлечения воды из воздуха в полевых условиях, сельском хозяйстве и быту в качестве альтернативного источника пресной воды. Сущность изобретения: способ заключается в том, что поток воздуха охлаждают на участке искусственного охлаждения, до и после которого осуществляют теплопередачу между n ступенями потока так, что теплопередача происходит от первой ступени к n-ой, от второй - к (n-1)-ой и далее от ступени n/2 - к ступени (n/2 + 1). При достижении точки росы в ступенях осуществляют конденсацию паров воды. Устройство имеет канал для транспортирования потока воздуха, в котором размещены охлаждающий элемент холодильной машины, теплообменник и вентилятор. Теплообменник выполнен многосекционным, в каждой секции которого теплопередающие элементы расположены по обе стороны от охлаждающего элемента. По тепловому потоку первый элемент связан с n-ым, второй - с (n-1)-ым и далее элемент n/2 - с элементом (n/2 + 1). 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области газо- термодинамики, более точно к получению воды из атмосферного воздуха. а именно к способу извлечения воды из воздуха и устройству для его осуществления и может быть использовано в полевых условиях, сельском хозяйстве и быту в качестве альтернативного источника пресной воды.

В настоящее время весьма актуальной является задача получения пресной воды при отсутствии или недоступности традиционных источников скважин, колодцев, водоемов и т.д. особенно в засушливых климатических условиях.

Одним из возможных методов решения проблемы является конденсация воды, содержащейся в атмосферном воздухе.

Так, известны способы и устройства для извлечения воды из атмосферного воздуха, одним из которых является воздушно-водяной генератор по патенту США N 5203989.

Согласно данному патенту формируют поток воздуха, содержащего водяные пары, охлаждают его до температуры ниже точки росы, конденсируют водяные пары в воду, а обезвоженный воздух выбрасывают в атмосферу.

Известное устройство содержит корпус, в котором установлена холодильная машина и средство транспортирования потока воздуха. Нижняя часть корпуса сообщена со сборником конденсата.

При прокачивании потока атмосферного воздуха, содержащего пары воды, происходит их конденсация на охлаждающем элементе холодильной машины и одновременное охлаждение потока воздуха, который выбрасывается в атмосферу.

Известные способ и устройство характеризуются низкой экономичностью использования холодопроизводительности холодильной машины, так как только незначительная ее часть используется для конденсации паров воды, особенно при малой влажности воздуха. При этом большая часть холодопроизводительности расходуется на охлаждение обезвоженного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Известен способ извлечения воды из воздуха (WO, патент 93/04764, 1993), заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке второго потока, организуют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу.

Известно устройство для извлечения воды из воздуха (WO, патент 93/04764, 1993), содержащее термодинамический преобразователь, в котором имеется канал для транспортирования потока воздуха, содержащего пары воды, в котором расположены охлаждающий элемент холодильной машины, теплообменник и вентилятор, и сборник конденсата, сообщенный с частью канала.

В известном способе осуществляется однократное предварительное охлаждение входящего потока воздуха выходящим, что позволяет улучшить эффективность использования холодопроизводительности холодильной машины.

Конструктивно известное устройство представляет собой два блока, в одном из которых установлен теплообменник, а в другом холодильная машина. Оба блока сообщены между собой газопроводами, по которым транспортируется весь объем воздуха, что приводит к большим габаритам устройства, особенно при большой производительности.

Одновременно сложная траектория движения потока воздуха создает большое газодинамическое сопротивление.

Несмотря на предварительное охлаждение входящего потока воздуха, эффективность использования холодопроизводительности холодильной машины невысока, так как значительная часть холодопроизводительности холодильной машины используется не на конденсацию паров воды, а на охлаждение воздуха.

В основу изобретения положена задача разработать способ извлечения воды из воздуха и создать устройство для его осуществления, в которых достигалось бы повышение эффективности использования холодопроизводительности холодильной машины и снижались бы габариты устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в способе извлечения воды из воздуха, заключающемся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке этого потока, организуют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздуха в атмосферу, согласно изобретению, теплопередачу организуют между n ступенями потока воздуха, которые располагают поровну до и после участка искусственного охлаждения так, что теплопередача осуществляется по направлению потока воздуха от первой ступени к n-ой, от второй к (n-1)-ой и далее последовательно от ступени п/2 к ступени (п/2 + 1).

Для увеличения массы конденсируемой воды целесообразно, чтобы дополнительно понижали температуру участка искусственного охлаждения, осуществляя опосредованный теплообмен между этим участком и обезвоженным воздухом после n-ой ступени.

Для повышении эффективности теплопередачи между n ступенями потока воздуха используют промежуточный теплоноситель, в качестве которого можно применять воду.

Для предотвращения замерзания воды в нее добавляют вещество, снижающее температуру замерзания.

Целесообразно в качестве вещества, снижающего температуру замерзания воды, использовать этиловый спирт или хлористый натрий.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для извлечения воды из воздуха, содержащем термодинамический преобразователь, в котором имеется канал для транспортирования потока воздуха, содержащего пары воды, в котором расположены охлаждающий элемент холодильной машины, теплообменник и вентилятор, и сборник конденсата, сообщенный с частью канала, согласно изобретению, теплообменник выполнен многосекционным, каждая секция которого состоит из пары теплопередающих элементов, общее число которых равно n, при этом теплоизолированы одни от других и в каждой секции расположены по обе стороны от охлаждающего элемента и связаны между собой по тепловому потоку так, что по порядку расположения первый теплопередающий элемент связан с n-ым, второй с (n-1)-ым и далее последовательно теплопередающий элемент n/2 c теплопередающим элементом (n/2 + 1).

В устройстве может быть использована компрессионная холодильная машина или холодильная машина, основанная на явлении Пельтье. Теплонагруженный элемент холодильной машины, в первом случае конденсатор, а во втором блок горячих спаев, располагают на выходе из канала после n-го теплопередающего элемента.

Для увеличения массы воздуха, охлаждающего теплонагревательный элемент холодильной машины, и улучшения работы холодильной машины целесообразно в канале после n-го теплопередающего элемента выполнять отверстия для подсоса атмосферного воздуха.

Для повышения эффективности теплопередачи выгодно использовать промежуточный теплоноситель, при этом каждую пару теплопередающих элементов целесообразно соединить между собой двумя трубопроводами и снабдить насосом, установленным на одном из них, обеспечивая циркуляцию промежуточного теплоносителя.

Конструктивно выгодно насосы устанавливать на общем валу.

Для наиболее полного сбора сконденсировавшихся паров воды сборник конденсата сообщают с той частью канала, в которой расположены теплопередающие элементы от первого до (n/2 + 1).

Предлагаемые способ и устройство для извлечения воды из воздуха благодаря организации многоступенчатого теплообменного процесса между входящей и выходящей частями потока воздуха обеспечивают дискретное снижение температуры воздуха до охлаждающего элемента и такое же повышение температуры после этого элемента, обеспечивая на выходе из устройства температуру потока воздуха, близкую к атмосферной.

В процессе многоступенчатого теплообмена обеспечивается более глубокое охлаждение воздуха в области конденсации влаги при такой же холодопроизводительности холодильной машины, что позволяет более полно провести процесс извлечения воды из воздуха и повысить производительность устройства.

Предлагаемое конструктивное решение теплообменника, а именно, разделение теплообменника на пары теплопередающих элементов, позволяет организовать поток воздуха с наименьшим газодинамическим сопротивлением.

Для еще большего увеличения холодопроизводительности и с учетом того, что температура воздуха на выходе из устройства всегда меньше температуры воздуха на его входе, выходящий воздух используют для охлаждения теплонагруженных элементов холодильной машины.

При этом возрастает холодопроизводительность холодильной машины и более эффективно используется энергия, потребляемая установкой.

Применение в качестве теплоносителя жидкости, в частности воды, позволяет уменьшить габариты устройства, а введение в жидкий теплоноситель добавок исключает возможность замерзания воды в теплообменнике.

Конструктивное объединение насосов на общем валу позволяет использовать один электродвигатель, что позволяет осуществлять плавное регулирование расхода перекачиваемой жидкости и уменьшить габариты устройства.

Изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения и прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен процесс извлечения воды из воздуха, сопровождаемый диаграммой изменения температуры воздуха по длине канала: на фиг. 2 схема устройства для извлечения воды из воздуха; на фиг. 3 другой вариант устройства по фиг. 2; на фиг. 4 графики зависимости массы сконденсированной воды от температуры атмосферного воздуха.

Способ извлечения воды из воздуха заключается в том, что формируют поток 1 (фиг. 1) атмосферного воздуха, содержащего пары воды, который пропускают через систему n теплопередающих ступеней 2₁, 2₂, 2_n, расположенных последовательно вдоль потока 1.

В средней части между ступенями п/2 и (п/2 + 1) расположен участок 3 искусственного охлаждения. При прохождении потока 1 воздуха через участок 3 происходит снижение температуры за ним, и возникают условия для осуществления теплообмена между частями потока 1 воздуха, находящимися до и после этого участка 3.

В описываемом способе теплообмен осуществляется путем теплопередачи попарно от первой ступени к n-ой, от второй к (n-1)-ой и далее последовательно от ступени n/2 к ступени (n/2 + 1).

При этом каждая пара ступеней приводит к снижению температуры потока 1 воздуха в месте расположения участка 3 искусственного охлаждения. Если на участке 3 снижается температура потока 1 воздуха на величину ΔT_c, то без учета явления конденсации температура входящего атмосферного воздуха Т_at может быть снижена до T_min=ΔT_c(n/2+1).

Таким образом, на каждой ступени 2₁, 2₂, 2_n/2 происходит дискретное уменьшение температуры потока на величину ΔT, а на ступенях 2_n/1+1.2_n повышение температуры.

При этом температура Т_at будет всегда выше температуры Т_n выходящего потока на величину ΔT₁ перепад температур, обеспечиваемый первой ступенью 2₁.

В части потока воздуха, содержащего пары воды (изображенные на чертеже хаотично расположенными точками), вследствие охлаждения достигается температура Т_dp точки росы, после чего начинается процесс конденсации влаги, условно изображенной каплями.

Для сухого воздуха величина ΔT будет максимальной ΔT_max. Для влажного воздуха при конденсации паров воды происходит выделение тепловой энергии в каждой ступени. При этом величина ΔT в каждой ступени будет меньше ΔT_max и зависит от количества конденсируемой воды.

Так как общий температурный диапазон заключен между Т_at и О^oС, увеличение числа ступеней приводит к уменьшению температурного перепада ΔT в каждой ступени и, как следствие, уменьшению разности температур между атмосферным и обезвоженным воздухом на выходе Т_at- Т_n.

Для лучшего понимания преимуществ многоступенчатого теплообмена ниже приводится формула, по которой определяется масса конденсируемой воды за единицу времени: где Р_c холодопроизводительность, m_at- расход воздуха, C_p теплоемкость воздуха, Q теплота конденсации воды.

Из формулы следует, что количество воды тем больше, чем больше холодопроизводительность и чем меньше разность температур между Т_at и Т_n.

Приведенный на фиг. 1 график изменения температуры по длине потока иллюстрирует ход теплообменных процессов и процесса конденсации.

Конденсация начинается в том месте потока 1, где его температура становится ниже температуры Т_dp точки росы и продолжается до ступени (n/2 + 1), следующий за участком 3. Интервал потока Δl обозначает участок конденсации. Левая граница этого участка Δl может смещаться по длине потока влево и вправо в зависимости от влажности атмосферного воздуха.

При 100% влажности начало левой границы участка Δl совпадает с первой ступенью 2₁.

Как следует из фиг. 1, температура Т_n меньше температуры Т_at. Обычно любая холодильная машина имеет теплонагруженный охлаждаемый элемент, от температуры которого зависит холодопроизводительность холодильной машины. Использование для охлаждения этого элемента воздуха, более холодного, чем атмосферный, увеличивает холодопроизводительность и опосредовано понижает перепад температур Δl_c на участке 3, что позволяет увеличить отбор влаги из воздуха.

На чертеже стрелками А показано направление перемещения потока 1 воздуха, а стрелками в направление тепловых потоков в процессе теплопередачи между ступенями потока 1 воздуха.

Теплопередача между ступенями может быть осуществлена непосредственно самими частями потока воздуха (аналогично вышеописанному в патенте WO 93104764), а может быть реализована с использованием промежуточного, более эффективного чем газовый теплоноситель.

В качестве промежуточного теплоносителя обычно используют воду, а для препятствия ее замерзанию добавляют вещества, снижающие температуру замерзания воды, причем с учетом возможного попадания этих веществ в конденсируемую воду они должны быть нетоксичными.

Экономически выгодно и безопасно использовать для этой цели, например, этиловый спирт или хлористый натрий.

После прохождения участка 3 искусственного охлаждения количество влаги в воздухе резко уменьшается, и этот воздух можно считать обезвоженным, затем этот воздух выбрасывается в атмосферу.

Устройство для извлечения воды из воздуха содержит термодинамический преобразователь, в котором имеется канал 4 (фиг. 2) для транспортирования потока воздуха, содержащего пары воды. В канале 4 расположены охлаждающий элемент 5 холодильной машины, теплообменник 6 и вентилятор 7.

Теплообменник 6 выполнен многосекционным, каждая секция которого состоит из пары теплопередающих элементов, общее число которых равно n. Теплопередающие элементы 8₁, 8₂, 8_n теплоизолированы друг от друга и в каждой секции расположены по обе стороны от охлаждающего элемента 5 и связаны между собой по тепловому потоку так, что по порядку расположения элемент 8₁ связан с элементом 8_n, элемент 8₂- с элементом 8_n-1 и далее последовательно элемент 8_n/2 с элементом 8_n/2+1.

При таком выполнении теплообменника 6 обеспечивается прямолинейное транспортирование потока воздуха, что снижает газодинамическое сопротивление.

В описываемом варианте выполнения устройства целесообразно использовать жидкостно-воздушный теплообменника, что делает устройство более компактным по сравнению с теплообменником, используемым в патенте WO 93/04764.

Теплопередающие элементы 8₁, 8₂. 8_n секции теплообменника 6 могут представлять собой радиатор с развитой теплопередающей поверхностью, например, теплообменник от воздушного кондиционера.

С частью канала 4, в котором расположены теплопередающие элементы от 8₁, до 8_n/2+1, сообщен сборник 9 конденсата.

В другом варианте (фиг. 3) выполнения патентуемого устройства используется промежуточный теплоноситель, для циркуляции которого в пределах каждой секции теплопередающие элементы сообщены двумя трубопроводами 10, на одном из которых установлен насос 11. Кроме того, в описываемом варианте устройства в выходной части канала 4 после теплопередающего элемента 8 имеются отверстия 12 для подсоса атмосферного воздуха.

В устройстве может быть использована холодильная машина как компрессионного типа, так и машина, основанная на явлении Пельтье.

В первом случае на выходе из канала 4 размещают конденсатор, а во втором блок горячих спаев холодильной машины.

При этом охлаждающим элементом 5 служит испаритель или блок холодных спаев, каждый из которых соединен трубопроводами через компрессор или проводами через выпрямитель соответственно, с конденсатором или блоком горячих спаев (ввиду условности изображения холодильной машины конденсатору и блоку горячих спаев присвоена позиция 13, а компрессору или выпрямителю позиции 14).

Конструктивно целесообразно разместить все насосы 11 на общем валу 15 и снабдить одним электродвигателем 16.

Устройство работает следующим образом.

Включают вентилятор 7 (фиг. 2), который направляет поток атмосферного воздуха, содержащего пары воды, в канал 4, и приводят в действие холодильную машину.

При достижении потоком воздуха охлаждающего элемента 5 происходит снижение его температуры настолько, что возможно осуществление теплообмена между частями потока воздуха до и после охлаждающего элемента 5.

Теплообмен происходит, как сформулировано выше при описании способа, что иллюстрируется фиг. 1.

Таким образом, поток воздуха достигает охлаждающего элемента 5, имея температуру, ниже температуры Т_dp точки росы. От того места канала 4, где достигается Т_dp, до элемента 8_n/2+1 идет процесс конденсации паров воды.

Влага собирается в сборнике 9 конденсата. Обезвоженный холодный воздух переходит через теплопередающие элементы 8_n/2+1-8_n, вследствие чего за счет существования связи по тепловым потокам происходит предварительное ступенчатое охлаждение воздуха в первой части канала 4.

При влажности атмосферного воздуха, близкой к 100% достижение температуры Т_dp точки росы может происходить непосредственно после первого теплопередающего элемента 8₁, поэтому сборник 9 конденсата располагают под теплопроводящими элементами от 8₁ до 8_n/2+1.

После прохождения последней секции 8_n обезвоженный воздух выбрасывается в атмосферу Вариант устройства, представленный на фиг. 3, в основном функционирует аналогично описанному выше.

Отличия состоят в том, что охлажденный обезвоженный воздух обдувает конденсатор 13 или блок 13 горячих спаев, понижая его температуру и увеличивая холодопроизводительность холодильной машины. При этом температура охлаждающего элемента 5 (испарителя или блока холодных спаев) понижается, увеличивая количество сконденсированной влаги.

Поток атмосферного воздуха, проходящего через отверстия 12, увеличивает массу воздуха, охлаждающего конденсатор 13 или блок 13 горячих спаев и улучшает работу холодильной машины.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет за счет многоступенчатого теплообмена увеличить массу получаемого конденсата, то есть более эффективно использовать холодопроизводительность холодильной машины.

Для лучшего понимания существа изобретения ниже приводится конркетный пример.

Устройство содержало шесть теплопередающих элементов, расход воздуха составлял не более 0,4 м₃/с, который регулировали в процессе эксплуатации.

Использовали компрессионную холодильную машину с воздушным охлаждением конденсатора, холодопроизводительностью 5500W.

Фиг. 4 показывает зависимость массы конденсата от температуры Т_at атмосферного воздуха для разной влажности воздуха (от 40 до 100%). Кривые имеют участки, полого спадающие по мере уменьшения Т_at и резко спадающие до О^oС. Положение точки излома для каждой кривой определяется величиной предельного расхода воздуха 0,4 м³/с.

Как видно, чем больше влажность атмосферного воздуха и выше температура, тем больше можно извлечь воды из воздуха.

Формула изобретения

1. Способ извлечения воды из воздуха, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке этого потока, организуют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу, отличающийся тем, что теплопередачу организуют между n ступенями потока воздуха, которые располагают поровну до и после участка искусственного охлаждения так, что теплопередача осуществляется по направлению потока воздуха от первой ступени к n-й, от второй к (n 1)-й и далее последовательно от ступени n/2 к ступени n/2 + 1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно понижают температуру участка искусственного охлаждения, осуществляя опосредованный теплообмен между этим участком и обезвоженным воздухом после n-й ступени.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что теплопередачу между n ступенями потока воздуха осуществляют посредством промежуточного теплоносителя.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используют воду.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что к воде добавляют вещество, снижающее температуру замерзания воды.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве вещества, снижающего температуру замерзания воды, используют этиловый спирт.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве вещества, снижающего температуру замерзания воды, используют хлористый натрий.

8. Устройство для извлечения воды из воздуха, содержащее термодинамический преобразователь, в котором имеется канал для транспортирования потока воздуха, содержащего пары воды, в котором расположены охлаждающий элемент холодильной машины, теплообменник и вентилятор, и сборник конденсата, сообщенный с частью канала, отличающееся тем, что теплообменник выполнен многосекционным, каждая секция которого состоит из пары теплопередающих элементов, общее число которых равно n, при этом теплопередающие элементы теплоизолированы одни от других и в каждой секции расположены по обе стороны от охлаждающего элемента и связаны между собой по тепловому потоку так, что по порядку расположения первый теплопередающий элемент связан с n-м, второй с (n 1)-м и далее последовательно теплопередающий элемент n/2 с теплопередающим элементом n/2 + 1.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что при использовании компрессионной холодильной машины ее конденсатор расположен на выходе из канала после n-го теплопередающего элемента.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что при использовании холодильной машины, основанной на явлении Пельтье, ее блок горячих спаев расположен на выходе из канала после n-го теплопередающего элемента.

11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что в канале после n-го теплопередающего элемента выполнены отверстия для подсоса атмосферного воздуха.

12. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что каждая пара теплопередающих элементов одной секции соединена двумя трубопроводами и снабжена установленным на одном из них насосом для циркуляции промежуточного теплоносителя.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что насосы установлены на общем валу.

14. Устройство по пп. 8 13, отличающееся тем, что сборник конденсата сообщен с той частью канала, в которой расположены теплопередающие элементы от первого до n/2 + 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4