Способ извлечения воды из теплого влажного воздуха и устройство для его осуществления

Изобретение относится к геофизике и электроэнергетике, преимущественно к способам и устройствам для извлечения воды из влажного воздуха и получения электроэнергии альтернативным способом, в частности за счет гидростатической неравновесности атмосферы и обусловленного ею перепада давления воздуха. Сущность изобретения по извлечению воды из теплого влажного воздуха заключается в создании организованного потока теплого влажного воздуха, его транспортировке на высоту до 3500 м и конденсации из него воды в виде дождя путем турбулентного смешения с холодным воздухом из верхних слоев атмосферы. Перечисленные операции выполняются с помощью устройства, состоящего из вертикальной циркуляционной (типа дымовой) трубы высотой 100-500 м и турбоконденсатора, выполненного в виде цилиндра с полыми стенками, заполненными гелием. Турбоконденсатор с помощью лебедок и шнуров (типа аэростатов заграждения) удерживается на высоте 1000-3500 м и обеспечивает эффективное турбулентное смешение потоков теплого влажного воздуха из циркуляционной трубы и холодного воздуха из верхних слоев атмосферы с образованием конденсата в виде дождя. Получение электроэнергии осуществляется за счет частичного использования перепада давления в циркуляционной трубе. Технический результат: высокая производительность извлечения воды из воздуха без затраты энергии от внешних источников. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

 

Основными источниками пресной воды являются воды рек, озер, ледников, артезианских скважин и опреснение морской воды. Единовременный объем воды в наиболее доступных источниках - речных руслах всего 1,2 тыс. км³. В то время как ежегодно с поверхности суши и океана испаряется 577 тыс. км³, а в каждый данный момент в атмосфере находится около 14 тыс. км³ воды в виде пара. Половина всего водяного пара приходится на нижние слои атмосферы до 1,5 км, и свыше 99% - на тропосферу 8-18 км. Причем во многих случаях атмосфера более доступна, чем река. Поэтому понятен интерес научного и инженерного сообщества к проблеме получения пресной воды из влажного воздуха.

В принципе известны два метода получения (выделения) воды из атмосферы конденсационный и сорбционный. В первом случае воздух охлаждают до состояния насыщения (точки росы) и сконденсированную воду используют по назначению. При сорбционном методе молекулы воды связываются за счет межмолекулярных (вандерваальсовых) сил сорбентами, из которых затем выделяются путем нагрева. Чаще всего эти методы применяют в комбинации друг с другом. Но во всех случаях эти методы малопроизводительны - десятки литров в сутки и требуют больших затрат энергии. Технической проблемой существующих методов извлечения воды является низкая производительность и большие затраты энергии.

Представляет интерес использования для конденсации холода (низкой температуры) верхних слоев атмосферы. В этой связи наиболее близкое по существенным признакам описание способа получения воды из влажного воздуха путем конденсации за счет холода из верхних слоев атмосферы содержится в патенте [1]. Рассматривается устройство для конденсации паров воды из воздуха, содержащее трубу с открытыми торцами, нижний конец которой соединен с землей, отличающееся тем, что верхний конец поднят на высоту h, определяемую логарифмом отношения температуры воздуха и температуры точки росы. В патенте указывается, что воздух под давлением ветра поднимается вверх по трубе. Происходит понижение давления и температуры. При снижении температуры за точку росы вода выпадает в виде дождя или снега и сливается вниз по трубе. В одном из примеров выполнения патента приводится высота, при которой создаются условия для конденсации, равная 3,7 км.

Сущность предлагаемого нами способа получения воды из теплого влажного воздуха состоит в создании организованного вертикального потока теплого влажного воздуха, его транспортировки на высоту до 3500 м и конденсации из него воды в виде дождя путем турбулентного смешения с холодным воздухом из верхних слоев атмосферы. Перечисленные операции выполняются с помощью устройства, состоящего из вертикальной циркуляционной (типа дымовой) трубы высотой 100-500 м и турбоконденсатора, выполненного в виде цилиндра с полыми стенками, заполненными гелием. Турбоконденсатор с помощью лебедок и шнуров (типа аэростатов заграждения) удерживается на высоте 1000-3500 м и обеспечивает эффективное турбулентное смешение потоков теплого влажного воздуха из циркуляционной трубы и холодного воздуха из верхних слоев атмосферы с образованием конденсата в виде дождя.

Техническим результатом изобретения является высокая производительность извлечения воды из воздуха без затраты энергии от внешних источников.

Организованный вертикальный поток воздуха создается благодаря использованию гидростатической неравновесности атмосферы. Нижние слои атмосферы имеют меньшую плотность, чем верхние, так как нагреваются сильнее из-за более эффективного нагрева почвы и водной поверхности коротковолновым солнечным излучением [2]. Высокая устойчивость вертикального воздушного потока поддерживается также разряжением (вакуумом), которое возникает при конденсации паров воды во время соприкосновения восходящего потока теплого влажного воздуха с верхними холодными слоями.

Описание способа и устройства для его осуществления дается ниже (см. рис. 1).

Поток теплого влажного воздуха (3) через отверстия в нижней части вертикальной циркуляционной трубы (6) высотой 100-500 м и диаметром 10-100 м за счет перепада давления и разности плотностей, обусловленной температурой и конденсацией паров воды, заполняет трубу и выходит из нее, образуя факел (7). В отверстиях в нижней части трубы для забора воздуха установлены ветроэлектрогенераторы (5), которые могут работать в двойном режиме, как генераторы электроэнергии и как вентиляторы.

Высота факела при свободном истечении воздуха из трубы составляет 5-10 диаметров трубы. В данном изобретении предусматривается увеличение высоты факела до 2-3 тыс. м. Это достигается с помощью применения турбоконденсатора (10), который представляет цилиндр с полыми стенками, заполненными гелием высотой 25-100 м и диаметром 12-120 м. Над трубой соосно с ней расположен цилиндрический турбоконденсатор с полыми стенками, заполненными гелием, причем турбоконденсатор может с помощью лебедок подниматься и опускаться на высоту 500-3500 м. При запуске установки (устройства) турбо конденсатор находится на верхней части трубы, являясь ее продолжением, см. пунктирное изображение (10.1).

По мере заполнения трубы теплым влажным воздухом с помощью лебедок (2) и шнуров (4) турбо конденсатор поднимается вверх за счет подъемной силы, обусловленной легким гелием, которым заполнены полые стенки турбо конденсатора. Подъем производят на высоту, где начинается интенсивная конденсация (точка росы) при встрече теплого влажного воздуха, поступающего из факела, с потоками холодного воздуха (9) из верхних слоев атмосферы. Таким образом, за счет перепада давления теплый влажный воздух смешивается с идущим вниз вследствие конденсации и разрежения холодным воздухом. В зоне соприкосновения этих потоков создается значительное разряжение, даже вакуум, поскольку объем водяных паров при конденсации уменьшается в 1240 раз. Перепад давления вызывает турбулизацию воздушных потоков и образование кучево-дождевого облака (11) с дождевыми потоками (8). Дождевая вода выпадает на грунт, по наклонным каналам собирается в сборники (1) и направляется для использования.

Часть энергии организованного воздушного потока в количестве, соответствующем снижению перепада давления в воздушном потоке на 40-60% используется для выработки электроэнергии.

В регионах с активными атмосферными процессами имеется опасность нарушения факела (направленного воздушного потока) на участке между верхним концом циркуляционной трубы и турбо конденсатором. Для предотвращения этого нарушения предусматривается возможность установки дополнительного цилиндра с полыми стенками аналогичного по конструкции турбо конденсатору. Он будет устанавливаться с помощью дополнительных лебедок на высоте, где наблюдается нарушение факела.

Вывод о достаточно высокой стабильности восходящего потока воздуха в факеле можно сделать, анализируя воздушные потоки в смерче. Наблюдается почти полная аналогия процессов. Облачный рукав или хобот смерча образуется вследствие сильного разряжения (вакуума) и подсоса воздуха в середину кучевого дождевого облака. Внутри рукава наблюдаются сильные восходящие потоки воздуха. Отличия два: рукав-факел в нашем случае стационарен, так как связан с закрепленной на фундаменте циркуляционной трубой; второе, объем потока воздуха в рукаве-факеле можно регулировать количеством включенных ветроэлектрогенераторов и диаметром трубы.

Регулирование объема и характера выпадающих осадков отличительная особенность данного изобретения. При перемещении турбо конденсатора из крайнего нижнего положения (500-700 м) в предельное верхнее положение (3500 м) характер осадков меняется от мороси (мелкого дождя) до выпадения снега. Этот способ позволяет также предотвратить образование града. Объем осадков регулируется величиной диаметра циркуляционной трубы, количеством включенных ветрогенераторов, а также высотой расположения турбо конденсатора.

По сравнению с приведенным выше устройством (прототипом) и его функционированием в предлагаемом изобретении следует отметить следующие отличительные особенности:

1. В прототипе конденсация воды из воздуха происходит путем охлаждения через стенку трубы теплопередачей. В данном способе охлаждение воздуха и конденсация воды из него происходит путем конвективного, турбулентного смешения холодного воздуха из верхних слоев атмосферы с теплым влажным воздухом, поступающим из нижних слоев атмосферы за счет разности давления. Это основное преимущество, которое обеспечивает высокую производительность нашего способа.

2. В предлагаемом способе смешение и конденсация выносятся за пределы циркуляционной трубы, и осуществляются в турбоконденсаторе, что позволяет снизить высоту трубы до 250-500 м, что также позволяет получить высокую производительность устройства.

3. В прототипе вращение электрогенератора обеспечивается оперением трубы, что не позволит получить высокую мощность электрогенератора. В предлагаемом нами способе вращение электрогенератора происходит за счет движения большого объема воздуха в трубе, что позволит достичь мощности до 1 МВт.

Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является наряду с получением пресной воды выработка электроэнергии. На это затрачивается примерно половина кинетической энергии потока воздуха в циркуляционной трубе. Конкретная оценка количества получаемой пресной воды и вырабатываемой электроэнергии дается в приводимых ниже примерах.

Рассмотрим два конкретных примера применения предлагаемого изобретения.

Пример 1. Обеспечение пресной водой полуострова Крым. Полуостров окружен Черным и Азовским морем, что позволяет рассчитывать на постоянный отсос воздуха с влагосодержанием не менее 20 г/м³. Примем, что при конденсации из каждого м³ влажного воздуха выделятся 15 г воды в виде дождя. При радиусе циркуляционной трубы 50 м и скорости потока воздуха в трубе 20 м/с расход воздуха составит: 3,14×50²×20=157000 м³/с. Объем конденсата в дождевой воды составит: 157000×15=2355000 г/с или 2,36 м³/с. Чтобы компенсировать утрату северо-крымского канала на территории Крымского полуострова необходимо соорудить 100-120 таких установок по получению пресной воды из атмосферного воздуха. Как указывалось выше, ветроэлектрогенераторы могут работать в двойном режиме. При запуске установки они работают как вентиляторы, вытесняя из циркуляционной трубы холодный воздух. После запуска при переключении вентиляторов на режим работы ветряных электрогенераторов 45% энергии отсасываемого воздуха будет использована на выработку электроэнергии. Мощность электрогенераторов составит [https://helpiks.org/5-76847.html]:

W=0,5ρv³zs=0,5×1,226×8×10³×0,45×7,85×10³=17,3 МВт,

где ρ - плотность воздуха, v - скорость потока воздуха в трубе, z - КПД, s - сечение трубы.

Таким образом, помимо 2,36 м³/с пресной воды, мы дополнительно получаем круглогодично работающую электрогенерирующую установку мощностью 17,3 МВт.

Пример 2. Рекультивация солонцовых и солончаковых почв в Курганской и Оренбургской области. В указанных областях большие площади занимают солонцы и солончаки, которые засолены растворимыми солями натрия, магния и кальция. По этой причине они выведены из с/х оборота. На солончаковом участке площадью 1500 га установлена циркуляционная труба диаметром 10 м и высотой 120 м. Расход воздуха q при скорости потока в трубе v=10 м/с равен: q=πr²v=3,14×25×10=785 м³/с. При влагосодержании 10 г/м³ из 1 м³ конденсируется 5 г воды. Суточная производительность установки составит: 785×5×3600×24=339×10⁶ г/сутки или 339 м³ воды в сутки. На 1 га засоленной почвы будет подаваться ежедневно в виде дождя 339/1500=0,226 м³ обессоленной воды, что позволит в течение одного с/х сезона рекультивировать 1500 га плодородной земли. Как и в примере 1, после запуска ветроэлектрогенераторы, установленные в проемах нижней части трубы, будут использованы для выработки электроэнергии. Объем вырабатываемой энергии согласно приведенной выше формуле составит: W=0,5ρv³zs=0,5×1,226×10³×0,45×78,5=21,7 кВт.

Источники информации

1. Автор: ЮИ Столбов, Номер патента: 1813473, Опубликовано: 07.05.1993, Бюл. №17, МПК: B01D 5/00, Е03В 3/28.

2. М.И. Будыко, Физическая энциклопедия, 1988, М., Изд., «Советская энциклопедия», т. 1, с. 133.

1. Устройство для извлечения воды из влажного воздуха, состоящее из вертикальной трубы, расположенного над ней и соосно с ней турбоконденсатора и лебедок со шнурами, при этом турбоконденсатор выполнен цилиндрическим с полыми стенками, заполненными гелием, причем высота подъема турбоконденсатора составляет 500-3500 м.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что турбоконденсатор представляет цилиндр с полыми стенками высотой 25-100 м и диаметром 12-120 м.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что труба имеет высоту 100-500 м и диаметр 10-100 м, а в нижней ее части имеются отверстия, в которых смонтированы ветряные электрогенераторы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для повышения стабильности потока воздуха, выходящего из циркуляционной трубы, в зоне нарушения стабильности с помощью лебедок и шнуров размещают цилиндр, аналогичный по конструкции турбоконденсатору.

5. Способ извлечения воды из влажного воздуха путем охлаждения воздуха и конденсации из него воды, отличающийся тем, что используют устройство по п. 1, при этом охлаждение воздуха производят смешением влажного теплого воздуха из нижних слоев атмосферы с холодным воздухом из верхних слоев атмосферы, для чего влажный теплый воздух из нижних слоев атмосферы в виде организованного потока за счет перепада давления подают вверх и смешивают на заданной высоте с идущим вниз вследствие конденсации и разрежения холодным воздухом.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что перепад давления в организованном потоке воздуха создается за счет разности плотностей и разрежения, обусловленного конденсацией паров воды.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что часть энергии организованного воздушного потока в количестве, соответствующем снижению перепада давления в воздушном потоке на 40-60%, используется для выработки электроэнергии.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что заданная высота, на которой производится смешение холодного с теплым влажным воздухом, изменяется от 500 до 3500 м.