Способ получения питьевой воды в акватории черного моря
Изобретение относится к области водоподготовки, точнее к процессам приготовления питьевой воды из воздуха, его охлаждением и конденсацией части содержащейся в нем влаги. Способ осуществляется в акватории Черного моря. При температуре атмосферного воздуха от +15°С и выше в акватории Черного моря с глубинами не менее 50 м с помощью профилированного воздухозаборника с автоматической ориентацией на направление ветра посредством воздушного руля улавливают над поверхностью моря воздушные потоки с максимальной кинетической энергией и высокой абсолютной влажностью. Воздушные потоки направляют через профилированный подающий воздуховод к наклонно установленному на глубине 40÷50 м холодильнику-конденсатору с постоянным омыванием морским течением с круглогодичной температурой (+7÷+10)°С. Собирают образовавшийся конденсат в нижней части холодильника-конденсатора. Перекачивают его насосом в хранилище питьевой воды на поверхность моря или на берег. Доводят с помощью очищенной и обеззараженной морской воды концентрацию солей в собранном в хранилище конденсате до оптимального для питьевой воды уровня. Возвращают охлажденный и отдавший часть влаги воздух по сбростному воздуховоду в атмосферу естественным напором очередных порций попавшего в воздухозаборник теплого и влажного воздуха. При недостаточной скорости атмосферного ветра задействуют струйный воздушный насос для создания разрежения на выходе из сбросного воздуховода или вентилятор. Технический результат: высокопроизводительное, энергоэффективное и экологичное приготовление питьевой воды с минимальной затратой электрической энергии, без химических реагентов. 2 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области приготовления питьевой воды конденсацией водяных паров из воздуха при его естественной прокачке через природный источник холода, конкретно - в акватории Черного моря, используя его особую гидрологию, которая не повторяется в других морях и океанах. Состоит эта особенность в круглогодичном поддержании температуры воды в Черном море на глубине от 40÷50 метров и ниже в диапазоне от +7°С до +11°С, в то время как во всех остальных морях и океанах, располагающихся в поясе подобной географической широты по обе стороны от экватора (от 45 градусов южной до 45 градусов северной широты), аналогичная температура достигается только на глубинах более 600 метров, что делает реализацию в них заявляемого технического решения сложной и экономически нецелесообразной. Указанная температурная особенность Черного моря позволяет использовать его воду даже на такой незначительной глубине как естественный холодильник для конденсации водяных паров, содержащихся в атмосферном воздухе над поверхностью воды. В слое воздуха, непосредственно контактирующем с водной поверхностью, влагосодержание всегда изменяется таким образом, что оно равно или близко к максимально возможному для круглосуточно изменяющейся температуры воздуха, то есть постоянно близко к его 100-процентной относительной влажности. Это является одним из следствий того, что около 25% солнечной энергии, попадающей на планету Земля, расходуется на испарение воды из жидкого состояния в газообразное. Поддержание динамического равновесия между количеством постоянно испаряющейся воды с поверхности моря и количеством воды, возвращающейся в море из контактирующего с ним воздуха, на уровне максимально возможного влагосодержания в воздухе обеспечивается сильной зависимостью интенсивности испарения от скорости ветра: даже при незначительной скорости ветра 1 м/с испаряемость воды увеличивается в 3 раза, в то время как круглогодичная средняя скорость ветра в акватории Черного моря составляет 4÷6 м/с.Особенностью розы ветров в этом районе является то, что днем воздух дует преимущественно с моря на сушу, а ночью - с суши в сторону моря.
Над береговой линией Черного моря относительная влажность воздуха, а значит и влагосодержание, постоянно уменьшается по мере удаления от морской поверхности, поэтому, например, над большей частью полуострова Крым в течение шести весенне-летне-осенних месяцев с максимальными положительными температурами воздух сухой и содержит минимум водяных паров, что особенно благоприятно сказывается на лечении или реабилитации отдыхающих с различными заболеваниями, особенно легочными. В то же время, недостаток в Крыму природных источников пресной воды создает серьезную проблему не только для орошения сельскохозяйственных культур, но даже для удовлетворения личных потребностей жителей полуострова и многочисленных отдыхающих, негативно влияя на качество жизни. Доступность чистой воды питьевого качества в пределах установленных норм - важнейший фактор здоровья и качества жизни жителей Крыма и отдыхающих. 8 июля 2010 года Генеральная ассамблея ООН включила право на воду в перечень базовых прав человека, а мировое сообщество признало расширение доступа к питьевой воде одной из четырех ключевых составляющих целей тысячелетия ООН по обеспечению устойчивости окружающей среды.
Предлагаемое изобретение обеспечивает легкую масштабируемость, автоматическое, высокопроизводительное, энергоэффективное и экологичное приготовление качественной питьевой воды для различных требуемых объемов потребления с минимальной затратой электрической энергии, без химических реагентов и без оказания какого-либо вреда экологии региона.
Отличительным признаком заявляемого способа получения питьевой воды в акватории Черного моря является подача в весенне-летне-осенний период теплого максимально насыщенного водяными парами воздуха из слоя, контактирующего с поверхностью моря, за счет естественного воздушного напора практически постоянно дующего ветра по профилированному воздуховоду к холодильнику-конденсатору, расположенному наклонно на глубине от 40 до 50 метров и постоянно омываемому естественными течениями черноморской воды во всех точках акватории моря с круглогодичной температурой на этой глубине от +7 °С до +11 °С, после чего сконденсированная дистиллированная вода, собранная в нижней части холодильника-конденсатора, подается насосом на плавучее средство на поверхности моря или на берег для доведения содержания необходимых солей до оптимального для питьевой воды уровня, например, добавкой очищенной и обеззараженной морской воды, содержащей все необходимые для человека соли в сбалансированном соотношении, а охлажденный и отдавший сконденсированную влагу воздух с влагосодержанием, соответствующим 100 % влажности при температуре (+7÷11)°С, напором очередных порций теплого насыщенного влагой воздуха и (или) с дополнительной помощью вентиляторов, при недостаточной скорости атмосферного ветра, выдавливается через сбросной воздуховод назад в атмосферу.
Из предшествующего уровня техники известны многочисленные конструктивные и технологические реализации различных способов и устройств получения питьевой воды. В общем случае они должны обеспечивать обеззараживание, осветление, обесцвечивание воды, удаление её запахов и привкусов, уменьшение содержания допустимых химических элементов и их соединений до значений, не превышающих предельно-допустимые значения (ПДК), а также исключать присутствие в воде канцерогенных и особо опасных веществ. Достигается это различными комбинациями технологических операций обеззараживания микроорганизмов, связывания и отделения различных органических и неорганических загрязнителей с применением химических реагентов (окислителей, нейтрализаторов, коагулянтов, флокулянтов), физических воздействий (магнитных, электрических, гидродинамических) и различных фильтров (грубой и тонкой очистки, засыпных, сорбционных, ультра- и нанофильтрационных). Основными критериями совершенства и предпочтительности при выборе реализуемого варианта являются обеспечение требуемого качества воды при использовании различных источников, низкие удельные затраты на реализацию технологии и ее практическое использование, минимальная себестоимость получаемой воды, преимущественное функционирование без дорогих и дефицитных реагентов, большой эксплуатационный ресурс, возможность обеспечения требуемой производительности и безопасность для природы (экологичность).
Заявляемый способ должен удовлетворять требованиям к качеству питьевой воды централизованных систем питьевого водоснабжения и (или) расфасованной в емкости, а также к водоочистным устройствам и деятельности, связанной с услугами питьевого водоснабжения, которые изложены в действующих межгосударственных и национальных стандартах РФ [1-4] и санитарно-эпидемиологических нормах [5, 6].
Из прибрежных районов Черного моря, входящих в состав Российской Федерации, особенно проблемным по обеспечению населения и отдыхающих питьевой водой является полуостров Крым в теплый сезон массовых отпусков вследствие дефицита естественных природных источников, которые могут использоваться для получения из них в достаточном количестве воды для бытового, технического, сельскохозяйственного применения и, особенно, питьевой воды.
Длительное использование в этом регионе больших объемов воды из разведанных подземных месторождений непосредственно на территории полуострова и в акватории Азовского моря связано с риском неконтролируемого замещения выкачанной пресной воды произвольно проникающей соленой морской водой через негерметичности в грунтах, что рано или поздно может привести к порче таких источников.
Богатые государства (Израиль, Сингапур, Австралия, Саудовская Аравия, ОАЭ) опресняют большие объемы соленой морской воды методами испарения или обратного осмоса, требующими дорогого и сложного оборудования, а также больших расходов электрической энергии. Сброс остающихся после опреснения морской воды больших объемов концентрированных солевых растворов уже негативно сказывается на экосистеме окружающих морских акваторий в перечисленных странах, что серьезно усложнит подобные проекты в случае принятия решения об их практической реализации в Республике Крым.
Одной из перспективных технологий получения питьевой воды является конденсация водяных паров, практически всегда содержащихся в атмосферном воздухе благодаря солнечной энергии, которая является также первопричиной ветров и морских течений, используемых в заявляемом изобретении. Именно подобные технологии позволяют наиболее просто и экологично, без использования сложных и дорогих фильтров обратного осмоса решить особенно обострившуюся в последнее время проблему присутствия в большинстве проверяемых образцов питьевой воды, даже в бутылированной воде престижных торговых брендов, микропластика, свидетельствующего о глобальном загрязнении водных ресурсов планеты Земля [7].
Великий древний шелковый путь зародился во втором веке нашей эры и связывал Китай с городами Центральной Азии и странами Средиземноморья. Он долгие годы был важнейшей транспортной артерией, значительная часть которой пролегала по пустынным территориям Азии. Для перевозки грузов в основном использовались верблюды. Главной проблемой путешественников была доступность воды. Гениальные конструкторы древности сооружали посреди раскаленных песков колодцы, которые назывались «сардоба» [8]. Оригинальная конструкция колодца обеспечивала извлечение воды из атмосферного воздуха благодаря вихревому эффекту. Колодец из камня имел форму шатра с несколькими отверстиями в верхней части. Специальная конструкция крыши с боковыми отверстиями обеспечивала постоянную циркуляцию через колодец нескольких тысяч кубометров пустынного воздуха в сутки. Чистейшая прохладная вода из пустынного воздуха конденсировалась, преимущественно в ночное время, на каменном холмике в специальном углублении на дне колодца. Более половины колодца было погружено в землю. К воде спускались вниз по лестнице. Воды хватало для людей и каравана из 150-200 верблюдов. Остатки таких колодцев можно встретить и сегодня в некоторых местах Средней Азии. Основными недостатками таких устройств являются высокая удельная стоимость получаемой питьевой воды и их малая производительность, не способная удовлетворить современные потребности населения региона Черного моря при использовании лишь береговых территорий.
Известно подобное сооружение получения питьевой воды на полуострове Крым [9]. Своеобразный «воздушный колодец» - огромный искусственный конденсатор влаги - был построен в начале XX века. Расположен он на склоне плоской вершины горы Тепе-Оба, на высоте 150 м над уровнем моря. Его автор -инженер-лесник Ф. Зибольд, который сам лично сложил огромный конденсатор влаги при поддержке местных властей в 1905-1912 годах. Сооружение включало малый конденсатор (возле метеорологической станции в феодосийском лесничестве) и большой (на вершине горы Тепе-Оба). Каменная чаша последнего, которую называют чашей Зибольда, сохранилась до наших дней. "Воздушный колодец" сложен из известняка, круглый в плане, диаметром 12 метров. Края чаши приподняты, дно воронковидное, от центра к борту проложен выводной желоб. Чаша была покрыта слоем бетона толщиной 15 см и заполнена крупной береговой галькой, уложенной в виде огромного усеченного конуса, - его высота составляла 6 метров, диаметр вершины равнялся 8 метрам, а общий объем гальки составлял немногим более 307 кубометров. Капельки росы, оседая на гальке, стекали на дно конденсатора и по желобу выводились наружу к трубе. Строительство большого конденсатора завершилось в 1912 году. В течение нескольких месяцев, по свидетельствам современников, он давал до 36 ведер (около 443 л) воды в сутки. Днище конденсатора оказалось недостаточно прочным, и через образовавшиеся трещины вода вскоре стала уходить в почву.
Эксперимент Зибольда в 2004 году повторили в Старом Крыму. На горе был установлен конденсатор площадью 10 кв. м. При высокой относительной влажности воздуха (более 90%) за 5,5 часа удалось получить примерно 6 литров чистой питьевой воды. Но такая высокая влажность бывает очень редко.
Последние три примера - «сардоба» древнего шелкового пути, «воздушный колодец Зибольда» в районе Феодосии начала XX века и конденсатор от 2004 года в Старом Крыму - лишь подтверждают техническую возможность практического извлечения водяных паров из воздуха для получения питьевой воды, однако не имеют практического значения из-за маленькой производительности и высокой удельной стоимости получаемой питьевой воды.
Известен аналог- изобретение по патенту RU 2618315 «Способ получения воды из воздуха» [10]. Изобретение относится к способам автономного получения пресной воды питьевого качества из влаги окружающего морского атмосферного воздуха. Способ включает в себя использование генераторов пневматической энергии. Охлаждение потока сжатого воздуха после генераторов производится в конденсаторах с осаждением и отбором влаги. Забор атмосферного воздуха производят в непосредственной близости от поверхности моря, где влажность его максимальна. Генераторы пневматической энергии приводят в действие энергией приливов. Выполняют генераторы в виде гидроагрегатов, которые размещают в зоне действия приливов с обеспечением подпора морской воды перед ними. На гидроагрегатах, имеющих подвижные в радиальном направлении стенки в виде мембран, устанавливают камеры сжатия воздуха с всасывающими и нагнетательными клапанами. В гидроагрегатах инициируют периодический гидравлический удар, приводящий в возвратно-поступательное движение мембраны камер сжатия воздуха и генерирующий в камерах сжатия пневматическую энергию. Воздух после конденсаторов направляют в расширители воздуха, которые выполняют в виде дросселей или пневмомоторов. Пневмомоторы соединяют с электрогенераторами. Полученную электрическую энергию используют для привода насосов откачки осажденной пресной воды из конденсаторов и влагоприемников расширителей воздуха. При использовании в качестве расширителей воздуха дросселей пресную воду из влагоприемников откачивают эжектированием подачей под давлением пресной воды, находящейся в конденсаторах. Конденсаторы влаги помещают под уровень моря и охлаждают морской водой. Обеспечивается преобразование гидравлической энергии морских приливов в пневматическую, необходимую для выделения влаги, содержащейся в атмосферном морском воздухе. Основными недостатками изобретения являются техническая сложность реализации, дороговизна и плохие условия для применения в акватории Черного моря из-за слабости его приливов вследствие изолированности от мировых океанов.
Известным аналогом является «Установка с радиационным охлаждением для получения пресной воды из влажного воздуха» по патенту RU 2182623 [11]. Установка с естественным источником холода и принудительной прокачкой воздуха содержит солнечные батареи, воздуховод с расположенными в нем вентилятором и теплообменником и водосборник. Теплообменник состоит из термосифонов с зонами конденсации и испарения, имеющими оребрение, причем зона конденсации наклонена к горизонту на 30-40°. Ребро зоны конденсации выполнено излучающим, смотрящая в сторону земли сторона этого ребра и наружная стенка воздуховода теплоизолированы, а излучающая в сторону неба сторона этого ребра имеет селективное покрытие, прозрачное для инфракрасного излучения. Зона испарения встроена в воздуховод, выполненный в виде трубки Фильда. Недостатками изобретения являются сложность конструкции и зависимость от солнечной энергии, которая отсутствует минимум половину суток даже в теплый сезон увеличенной потребности в питьевой воде.
Известен также аналог «Установка для получения пресной воды из влажного воздуха» по патенту RU 2056479 [12]. Она содержит солнечные батареи, водосборник, холодильный агрегат, соединенный через гидронасос и вентиль с термоизолированной емкостью и с теплообменником-конденсатором, расположенным в воздуховоде, в котором также находятся каплеуловитель и вентилятор. Недостатками данной установки являются низкая эффективность, обусловленная низким коэффициентом преобразования солнечной энергии, и малая производительность.
Наиболее близким, принятым за прототип, является изобретение по патенту RU 2146744 «Способ получения воды из воздуха» [13]. Способ заключается в том, что формируют поток воздуха, содержащий пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха и конденсируют пары воды. Получаемые при этом пресную воду-конденсат подают в емкость для сбора воды, а охлажденный воздух - на конденсатор для обеспечения рабочего режима холодильного устройства. Сформированный поток воздуха пропускают через фильтр воздухозаборника в условиях окружающей среды с относительной влажностью от 70 до 100% и температурой от +15 до +50°С, а затем через электростатическое поле. Получаемый охлажденный воздух через соединительную юбку подают на радиатор конденсатора, при этом объем проходящего через радиатор воздуха, из условия 20 г влаги на 1 м3 воздуха и среднесуточной производительности установки до 250 л/сутки, лежит в пределах 12-13 тыс.м3 в сутки. Основные недостатки изобретения:
- низкая производительность по получению воды;
- получение пресной воды-конденсата, которая не может использоваться для питья длительное время;
- из описания изобретения не следует явным образом реализуемая технология искусственного охлаждения воздуха, который затем используется в конденсаторе для обеспечения рабочего режима холодильного устройства, в котором должна получаться пресная вода-конденсат.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных в аналогах и прототипе недостатков и обеспечение такого способа получения питьевой воды в акватории Черного моря, который отличается:
- простотой и надежностью процесса приготовления питьевой воды требуемого качества без микропластика с возможностью ее использования для централизованных систем бытового водоснабжения и фасовки в емкости;
- высокой энергоэффективностью и минимальным удельным расходом электрической энергии (кВт/м3) за счет использования электрической энергии только на перекачку сконденсированной воды из подводного холодильника-конденсатора на поверхность моря (берег) с незначительной глубины - 40÷60 метров и, возможно, для работы вентилятора, помогающего выбрасывать охлажденный и отдавший сконденсированную воду воздух в атмосферу;
- большим диапазоном возможных для реализации производительностей по питьевой воде за счет масштабирования и тиражирования устройств;
- приготовлением питьевой воды в непрерывном автоматическом режиме в течение весенне-летне-осенних месяцев, для которых наиболее актуально устранение дефицита питьевой воды;
- большим эксплуатационным ресурсом устройства для реализации заявляемого способа;
- абсолютным отсутствием вредного воздействия на экологию окружающих экосистем (атмосферу и морскую воду).
Указанный технический результат достигается максимальным использованием таких присущих только Черному морю природных, климатических и гидрологических факторов, как:
- круглогодичная температура воды на глубине от 40 м и ниже в диапазоне от +7 до +11°С;
- постоянные морские течения, позволяющие использовать всю прибрежную акваторию Черного моря как естественный холодильник, не требующий дополнительных затрат энергии на охлаждение обрабатываемого воздуха для конденсации содержащихся в нем водяных паров (основными источниками энергии этих течений считаются потоки огромных количеств воды, которыми через пролив Босфор обмениваются между собой Черное и Мраморное моря, причем в верхнем слое пролива течет менее соленая вода из Черного моря, а в нижнем, придонном слое в Черное море поступает более соленая вода Мраморного и Средиземного морей);
-постоянный ветер со средней годовой скоростью 4÷6 м/с и интенсивная солнечная энергия в весенне-летне-осенние месяцы, активирующие процесс испарения морской воды и поддерживающие относительную влажность слоя воздуха, контактирующего с поверхностью моря, близкой к 100 %, что соответствует максимальному влагосодержанию для конкретной температуры в течение суток;
-всегда присущая ветру кинетическая энергия (и соответствующее количество движения, напор), определяемая его скоростью и позволяющая направлять естественный поток теплого насыщенного влагой воздуха без дополнительных затрат других видов энергии по профилированному воздуховоду к холодильнику-конденсатору на глубину 40÷50 м и выдавливать воздух, охлажденный и отдавший избыточные для температуры (+7)÷(+11) °С водяные пары, через сбросной воздуховод в атмосферу, возможно, с дополнительным задействованием в этом процессе вентилятора при небольшой скорости ветра; вместо вентилятора может использоваться струйный воздушный насос, также использующий энергию атмосферного ветра и создающий над сбросным воздуховодом область пониженного давления.
Дополнительным положительным отличием заявляемого способа получения питьевой воды в акватории Черного моря конденсацией водяного пара из воздуха является получение обеззараженной питьевой воды без микропластика, выявляемого в настоящее время не только в большинстве водоемов и естественных природных источниках воды, но и в образцах воды систем централизованного водоснабжения и расфасованной в емкости, а также без повсеместно используемых в системах водоочистки и водоподготовки вредных и опасных для всего живого на Земле хлора и его соединений.
Известно, что до 25 % всей солнечной энергии на планете Земля расходуется на испарение жидкой воды и переход её в пар, содержащийся в атмосферном воздухе. Содержание влаги в воздухе сильно зависит от удаленности от водного источника, скорости ветра, температуры, плотности и давления воздуха, которые уменьшаются с удалением от земной поверхности. Поэтому для получения питьевой воды по заявляемому в изобретении способу конденсацией влаги необходимо использовать воздух, непосредственно контактирующий с поверхностью Черного моря. Наиболее компактно взаимосвязь перечисленных параметров воздуха представлена в таблице абсолютной влажности воздуха, которая получается из стандартной ID-диаграммы влажного воздуха [14].
Заявляемый способ отличается непрерывностью процесса получения питьевой воды нормируемого качества в весенне-летне-осенние месяцы, когда имеется наибольший спрос на питьевую воду, за счет того, что дополнительно включает использование технологических операций:
-фильтрации и обеззараживания морской воды для доведения содержания солей в полученном дистилляте до уровня, требуемого для питьевой воды;
-постоянного оперативного контроля интегральных показателей качества получаемой питьевой воды (прозрачности, водородного показателя pH и др.) широко использующимися сегодня датчиками.
Сущность изобретения поясняется графическим изображением (Фиг. 1, Фиг. 2), на котором изображена схема частного случая возможного устройства, реализующего заявляемый способ получения питьевой воды в акватории Черного моря. Способ приготовления питьевой воды в акватории Черного моря включает следующие технологически связанные операции:
-улавливание подвижным воздухозаборником 1, автоматически ориентирующимся на направление ветра с помощью воздушного руля 2, потоков исходного теплого и влажного воздуха 3 над поверхностью морской воды 4 (акватория Черного моря) и направление его в профилированный подающий воздуховод 5;
-подача исходного теплого и влажного воздуха 3, благодаря использованию его кинетической энергии на входе в воздухозаборник 1, определяемой скоростью атмосферного ветра, по профилированному подающему воздуховоду 5 к наклонному холодильнику-конденсатору 6 на глубину 40÷45 м, где вода Черногоморя круглогодично имеет температуру от +7 до + 11 °С и за счет естественного морского течения, как хладоагент, постоянно омывает холодильник-конденсатор;
-охлаждение воздуха в наклонном холодильнике-конденсаторе 6 до температуры окружающей морской воды (+7÷+11) °С для выпадения конденсата (росы), количество которого зависит в основном от разницы температур атмосферного воздуха и температуры морской воды, омывающей в данный момент холодильник-конденсатор 6, и определяется ID-диаграммой влагосодержания воздуха [14]; холодильник-конденсатор 6 должен быть оптимизирован по минимуму аэродинамического сопротивления, оказываемого протекающему по нему воздуху, и продолжительности охлаждения воздуха до температуры окружающей морской воды конструктивным исполнением и выбранным материалом с высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью к соленой морской воде; облегчение сбора конденсата обеспечивается наклонной установкой холодильника-конденсатора 6;
-сбор конденсата 7 в нижней части наклонного холодильника-конденсатора 6 и подача его насосом 8 на поверхность моря или на берег в хранилище питьевой воды 9;
-фильтрация и обеззараживание морской воды устройством 10 и подача её дозирующим насосом 11 для доведения содержания солей в воде хранилища 9 до нормативного значения, соответствующего требованиям к питьевой воде; -возврат охлажденного воздуха с точкой росы (+7)÷(+11) °С, отдавшего избыточную влагу, по сбросному воздуховоду 12 в атмосферу выдавливанием новыми порциями исходного теплого и влажного воздуха 3, с задействованием струйного воздушного насоса 13, создающего разряжение над сбросным воздуховодом 12, и (или) вентилятором 14 при слабой скорости воздушных потоков 3.
Параметры потока воздуха, движущегося по профилированному подающему воздуховоду 5, определяются скоростью атмосферного ветра 3, размерами и формой воздухозаборника 1, размерами и профилем воздуховода 5, размерами и конструкцией холодильника-конденсатора 6 и будут выбираться при расчетах комплексов производства питьевой воды в акватории Черного моря по заявляемому в изобретении способу для обеспечения требуемой производительности по питьевой воде.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Способ реализуется следующим образом. В акватории Черного моря в прибрежной зоне с глубинами 50÷60 м на дне на фундаменте устанавливается профилированный подающий воздуховод 5 с установленными на нем сверху над поверхностью моря 4 подвижным воздухозаборником 1 с воздушным рулем 2 и снизу наклонным холодильником-конденсатором 6. Воздушный руль 2, работая подобно флигелю, автоматически ориентирует воздухозаборник 1 навстречу вектору скорости атмосферного воздуха для максимального использования кинетической энергии ветра и направления в профилированный подающий воздуховод 5 максимального количества исходного теплого и насыщенного влагой воздуха 3.
Холодильник-конденсатор 6 имеет уклон для сбора в своей нижней части конденсата 7, который насосом 8 подается в хранилище питьевой воды 9 на поверхность моря или на берег. Очищенная и обеззараженная устройством 10 морская вода подается дозирующим насосом 11 в хранилище 9 для доведения содержания в поданном конденсате необходимых солей до уровня, соответствующего требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Такой способ превращения дистиллированной воды (конденсата) в питьевую оптимальной солености наиболее физиологичен благодаря присутствию в морской соли всего комплекса макро- и микроэлементов в необходимых для человека пропорциях.
Охлажденный и отдавший часть влаги воздух после холодильника-конденсатора 6 по сбросному воздуховоду 12 возвращается в атмосферу. Для этого, в зависимости от скорости ветра и насыщенности воздушных потоков кинетической энергией, могут использоваться три варианта технологического процесса:
-при высокой скорости атмосферного охлажденный воздух возвращается в атмосферу под естественным напором свежих порций теплого и насыщенного влагой воздуха, попавшего в воздухозаборник;
-при средней скорости ветра дополнительно используется струйный воздушный насос 13, создающий над выходным отверстием сбросного воздуховода 12 разрежение (область пониженного давления) за счет использования энергии атмосферного воздуха;
-при низкой скорости ветра включается вентилятор 14.
Собранная в нижней части холодильника-конденсатора 6 сконденсированная вода 7 насосом 8 подается в хранилище 9, которое может располагаться на поверхности моря, например, на морском судне или на берегу. Для доведения солености воды в хранилище до соответствия требованиям, предъявляемым к питьевой воде, дозирующим насосом 11 подается необходимое количество очищенной и обеззараженной морской воды устройством 10.
Технология по заявляемому способу получения питьевой воды из воздуха акватории Черного моря обеспечивает энергоэффективный и экологичный процесс получения чистой питьевой воды в весенне-летне-осенние месяцы с циклическими суточными колебаниями производительности, соответствующими температуре атмосферного воздуха и скорости ветра.
Промышленная применимость заявляемого способа получения питьевой воды из воздуха в акватории Черного моря подтверждается расчетным примером с использованием среднестатистических параметров температуры и ветра в акватории Черного моря в районе полуострова Крым в весенне-летне-осенние месяцы, когда температура атмосферного воздуха превышает + 14 °С.
Пример 1.
Исходные данные для расчета производительности по питьевой воде на комплексе, реализующем способ по заявляемому изобретению:
-средняя температура исходного воздуха, непосредственно контактирующего с поверхностью Черного моря и имеющего относительную влажность, близкую к 100 %, - (+25) °С;
-средняя скорость ветра над поверхностью Черного моря - V = 4,5 м/с; -воздухозаборник выполнен в виде прямоугольника с размерами по горизонтали D = 50 м и по вертикали Н = 30 м;
-средняя годовая температура морской воды на глубине от 40 м и ниже - (+9) °С;
-абсолютная влажность воздуха при +25 °С - 23,0 г/м3;
-абсолютная влажность воздуха при +9 °С - 8,8 г/м3;
-количество конденсата, выпадающего из 1 м3 воздуха с относительной влажностью 100 %, охлажденного до +9 °С, - G = 14,2 г = 0,0142 кг.
В качестве экспертной оценки примем значение коэффициента полезного действия комплекса производства питьевой воды η = 0,5 (для более точной оценки необходимо проводить специальные аэродинамические расчеты с учетом размеров, профилей и используемых материалов воздухозаборника, воздуховодов и холодильника-конденсатора).
Расчет количества воздуха, попадающего за сутки в воздухозаборник и далее по подающему воздуховоду в холодильник-конденсатор при средней температуре атмосферного воздуха +25 °С:
М25=(D х Н) xV х (24 х 60 х 60) х G х η=50 х 30 х 4,5 х 24 х 60 х 60 х 0,0142 х 0,5=4140720 [кг],
что соответствует для питьевой воды объему 4 140, 72 м3.
При минимальной температуре атмосферного воздуха +15 °С, абсолютная влажность которого составляет 12,8 г/м3, производительность по питьевой воде составит:
M15 = 50 х 30 х 4,5 х 24 х 60 х 60 х 0,004 х 0,5 = 1166400 [кг],
что соответствует объему 1 166, 4 м3.
При максимальной температуре атмосферного воздуха +35 °С, абсолютная влажность которого составляет 39,6 г/м3, производительность по питьевой воде составит:
Mi5 = 50 х 30 х 4,5 х 24 х 60 х 60 х 0,0308 х 0,5 = 8981280 [кг],
что соответствует объему 8 981,28 м3.
Учитывая, что в питьевой воде содержится менее 1 % солей, то очищенную и обеззараженную морскую воду, которую необходимо добавлять к получаемому дистиллированному конденсату, в рамках настоящего демонстрационного расчета не учитываем.
Результат демонстрационного расчета единичного комплекса подтвердил возможность энергоэффективно и дешево производить в акватории Черного моря с использованием заявляемого способа питьевую воду высокого качества, соответствующую гигиеническим требованиям к питьевой воде централизованных систем питьевого водоснабжения и расфасованной в емкости по государственным нормам Российской Федерации [1-6] с требуемой производительностью.
Литература и другие источники:
1. ГОСТ Р 52132-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества».
2. ГОСТ 32220-2013 «Вода питьевая, расфасованная в емкости. Общие технические условия».
3. ГОСТ 31952-2012 (межгосударственный стандарт) «Устройства водоочистные. Общие требования к эффективности и методы её определения».
4. ГОСТ Р ИСО 24510-2009 «Деятельность, связанная с услугами питьевого водоснабжения и удаления сточных вод. Руководящие указания по оценке и улучшению услуги, оказываемой потребителям».
5. СанПиН 2.1.4.1074-01 (с изменениями на 28 июня 2010 года) «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест.Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».
6. СанПиН 2.1.4.1074-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества».
7. https://plus-one.ru/ecology/2021/03/16/10-neozhidannyh-mest-gde-nashli-mikroplastik
8. https://kak-eto-sdelano.livejournal.com/749966.html
9. https://www.kramola.info/vesti/neobyknovennoe/vozdushnyy-kolodec-izobretatelya-zibolda
10. Изобретение по патенту RU 2618315 «Способ получения воды из воздуха», МПК Е03В 3/28, приоритет от 28.03.2016, опубликовано 03.05.2017.
11. Изобретение к патенту RU 2182623 «Установка с радиационным охлаждением для получения пресной воды из влажного воздуха», МПК Е03В 3/28, B01D 5/00, приоритет от 24.01.200, опубликовано 20.05.2002.
12. Изобретение к патенту RU 2056479 «Установка для получения пресной воды из влажного воздуха», МПК Е03В 3/28, приоритет от 27.06.1997, опубликовано 10.12.1998.
13. Изобретение к патенту RU 2146744 «Способ получения воды из воздуха», МПК Е03В 3/28, B01D 5/00, приоритет от 05.08.1999, опубликовано 20.03.2000.
14. https://dpva.ru/Guide/GuidePhysics/Humidity/MaximumMoistureContentAir/
Способ получения питьевой воды в акватории Черного моря, включающий формирование потока воздуха, содержащего пары воды, осуществление искусственного охлаждения потока воздуха и конденсации паров воды, подачу получаемой при этом пресной воды-конденсата в хранилище для сбора воды, отличающийся тем, что при температуре атмосферного воздуха от +15°С и выше в акватории Черного моря с глубинами не менее 50 м с помощью профилированного воздухозаборника с автоматической ориентацией на направление ветра посредством воздушного руля улавливают над поверхностью моря воздушные потоки с максимальной кинетической энергией и высокой абсолютной влажностью и направляют их через профилированный подающий воздуховод к наклонно установленному на глубине 40÷50 м холодильнику-конденсатору с постоянным омыванием морским течением с круглогодичной температурой (+7÷+10)°С, собирают образовавшийся конденсат в нижней части холодильника-конденсатора и перекачивают его насосом в хранилище питьевой воды на поверхность моря или на берег, доводят с помощью очищенной морской воды концентрацию солей в собранном в хранилище конденсате до оптимального для питьевой воды уровня и возвращают охлажденный и отдавший часть влаги воздух по сбросному воздуховоду в атмосферу естественным напором очередных порций попавшего в воздухозаборник теплого и влажного воздуха, а при недостаточной скорости атмосферного ветра задействуют струйный воздушный насос для создания разрежения на выходе из сбросного воздуховода или вентилятор.
