ЭКСТРАКЦИИ ВЛАГИ ИЗ АТМОСФЕРЫ

Изобретение относится к установкам, осуществляющим возможность получения одновременно электроэнергии и пресной воды из атмосферного воздуха с использованием только возобновляемых источников энергии - энергии воздушного потока (ветра).

Предлагаемое изобретение основано на использовании "вихревого эффекта", который впервые был открыт Ж.Ж.Ранком (патент Франции Mb 743111, МПК F 03 D 3/04, приоритет 1931 г. опубл.1933 г.) и применен в промышленности в 30-е годы нашего столетия Меркуловым А.П. (А. П. Меркулов. «Вихревой эффект и его применение в технике». М. Машиностроение, 1969 г. с. 7-1 1, 22-37).

"Вихревой эффект" или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного потока охлаждаются, а периферийные нагреваются. Преобразование свободного вихря в вынужденный вихрь осуществляется в вихревой трубе, очевидно, за счет вязкости и теплопроводности спирально двигающегося газового потока.

В настоящее время разработаны различные конструкции ветроустановок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта.

Известны вихревые ветроустановки в которых эффективно используется энергия ветра (патент Великобритании Mb 2081390, МПК F 03 D, 3/04, F 03 С 7/02, опубл. 1982г., а. с. СССР M 1539382, МПК F 03 D 3/04, опубл. 1982, а. с. СССР Mb 1657723, МПК F 03 D 3/04, опубл. 1991). Набегающий поток воздуха даже при небольшой силе ветра преобразуется с помощью профилированных входных каналов, образованных спиралеобразными направляющими перегородками, закручивается и ускоряется. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в энергию вихря, которая, в свою очередь, преобразуется при помощи ветроколеса в механическую, а затем в электрическую энергию. Наибольшая эффективность преобразования воздушных потоков в вихреобразные закрученные потоки достигается при реализации известных способов формирования закрученных потоков, которые характеризуются профилированием по определенной зависимости криволинейных направляющих, определяющих форму входных каналов ветроустановки (а. с. СССР Mb 1779283, МПК F 16 D 1/08, опубл. 1992 г., патент РФ Mb 2002128, кл. F 15 D 1/08, опубл. 1993 г, патент РФ Mb 2002981 , МПК F 15 D 1/00, опубл. 1993 г.).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ветроустановка, которая содержит вытяжную башню с кольцевым воздухозаборником у основания, направляющий аппарат, выполненный в виде нескольких соосно расположенных полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с вертикальными спиралеобразными перегородками, ветроколесо, установленное на выходе направляющего аппарата, и вытяжное приспособление (патент е 2093702, МПК F03 D 3/04, опубл. 20.10.1997, Бюл.Хо29).

Недостатком известной установки является то, что она обеспечивает преобразование энергии ветра только в электроэнергию.

Известно, что в кубическом метре воздуха содержится (в зависимости от влажности) от 4 до 25 граммов водяных паров (Шметер С.М. «Влажность воздуха» // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 285-286. - 704 с.). Этот объем от 12 до 16 тыс. км влаги (или 0,000012% всей воды на Земле) можно сравнить с количеством воды в Великих озерах Северной Америки. Разработанные установки по экстракции пресной воды из атмосферного воздуха могут собрать в среднем около 20-30% от этого количества. Самые лучшие условия для них (высокие влажность и температура) - в странах, расположенных в пределах 30 градусов широты от экватора. Здесь расположены самые бедные и густонаселенные страны мира, где на душу населения приходится менее 5 тысяч куб. м. воды.

Также известно, что ещё в глубокой древности получали воду из воздуха путем его конденсации на холодной поверхности. Город Феодосия еще в средние века снабжался водой, которую собирали в сооружениях, заполненных щебнем, на поверхности которого в засушливые летние месяцы конденсировалась вода, которая через систему гончарных труб диаметром 5-7 см подавалась в питьевые фонтаны города (Евсеев А.А. - «О водоснабжении города Феодосии в конце XVIII-начале XX в.в.» http://www.liveinternet.ru/users/kancstc/post365986337/).

Недостатком известного устройства является низкая эффективность и громоздкость сооружений.

Известны установки получения воды из атмосферного воздуха, использующие возобновляемые источники энергии, в частности, солнечную энергетику (патенты РФ Ns 2261958, опубл. 20.12.2003; X? 2131000 С1 , опубл. 27.05.1999; Хе 2149957, опубл. 27.05.2000).

Недостатками известных установок является то, что для экстракции пресной воды из окружающей среды необходимы большие энергозатраты для работы охладительного элемента, что приводит к низкой производительности, особенно в зимнее время. Известны установки получения воды из атмосферного воздуха, использующие ветровую энергетику (патент РФ 2526628, опубл. 27.08.2014, http://eco- energiya.bloespot.ru/2015/06/eolewater.html. http :// derevnyaonline.ru/communi tv/46/35321.

Недостатками известных установок является то, что для запуска и работы ветровой турбины минимальная скорость ветра составляет 7 м/с и выше, установки требуют периодического обслуживания и ремонта (минимум раз в месяц), высокая материалоемкость и низкая производительность экстракции влаги из воздуха.

Известна установка Water Seer для конденсации влаги из атмосферного воздуха, содержащая ветровую турбину, загоняющую воздух в специальную камеру (водосборник), закопанную в землю, где из-за пониженной температуры вода конденсируется на стенках камеры и накапливается, из водосборника воду можно получать с помощью шланга или помпы (http://www.energy- fresh.ru/ekosfera/water/7id-13743).

Недостатком данной системы является низкая эффективность ветровой турбины из-за низких сроков службы опорных узлов, за счет высоких динамических нагрузок на них со стороны ротора, усложненной технологии производства закрученных лопастей, что сказывается на увеличении их стоимости, и относительно высокая материалоемкость. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) данной ветровой турбины не более 40%, поэтому производительность установки по получению пресной воды очень низкая. Кроме того, отсутствует вытяжной генератор, что влияет на изменение соотношения температур, необходимых для образования точки росы в водосборнике, тем самым понижая производительность экстракции пресной воды.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха (патент РФ Ns 2649890, МКП ЕОЗВЗ/28, опубл. 05.04.2017, Бюл. Ns 10). Установка состоит из вертикально-осевой ветровой турбины, водосборника, вихревого термопреобразователя, конденсационной камеры и радиатора для охлаждения воздуха. Вертикально-осевая ветровая турбина выполнена в виде вихревой ветротурбины и вихревого термопреобразователя (вихревого холодильника), где происходит разделение воздушного потока на горячий и холодный потоки. Термопреобразователь имеет один вытяжной воздуховод для отвода горячего потока в конденсационную камеру, а другой вытяжной воздуховод соединен с радиатором, который имеет вытяжной воздуховод для отвода охлажденного воздуха. Конденсационная камера снабжена вытяжным воздуховодом для отвода осушенного воздуха в окружающую среду. Сконденсированная влага поступает в водосборник, где установлен аккумулятор холода, выполненный из композитного материала с низкой теплопроводностью. Конденсационная камера с размещенными в ней вихревым терморегулятором, радиатором охлаждения воздуха и водосборником установлена под насыпным холмом выше линии грунта высотой, равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности.

Недостатком известной установки является зависимость производительности экстракции влаги от непредсказуемых изменений скорости набегающего потока ветра, необходимость «закачивать» воздух в установку и обеспечивать «вытяжку» осушенного от влаги воздуха в окружающую среду, громоздкость и относительно высокая материалоёмкость, а также то, что она использует энергию ветра только на экстракцию влаги из атмосферного воздуха.

Тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее переносить тепловую энергию от менее нагретого тела к более нагретому телу, увеличивая его температуру - теплопередающее устройство, способное передавать большие тепловые мощности при малых градиентах температуры. Принцип работы теплового насоса для отопления (охлаждения) заключается в использовании разности потенциалов тепловой энергии.

Задачей предлагаемого изобретения является создание установки для генерирования электроэнергии от набегающего потока воздуха и экстракции пресной воды из атмосферного воздуха (автономный энергоэкстрактор), позволяющей эффективно и с низкой себестоимостью получать электроэнергию и, одновременно, за счет вихревой экстракции, пресную воду из атмосферного воздуха с использованием возобновляемого источника энергии, для размещения в регионах имеющих проблемы в энергоснабжении и в обеспечении питьевой водой, а также для размещения в морских, озёрных и речных акваториях. В качестве возобновляемого источника энергии используется набегающий воздушный поток (ветер).

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять одновременно генерирование электроэнергии и эффективную экстракцию пресной воды за счет формирования набегающего воздуха (ветра) в закрученный поток генератором вихря, т.е. кинетическая энергия воздушного потока в генераторе вихря установки преобразуется в энергию воздушного вихря, которая, в свою очередь, преобразуется при помощи ветроколеса в механическую, а затем в электрическую энергию. Пониженное давление вдоль оси закрученного потока генератора вихря используется для откачивания воздуха из термопреобразователя установки, которым является самовакуумирущийся вихревой холодильник (А.П.Меркулов «Вихревой эффект и его применение в технике», 1997г., ООО «Полиграфист», Самара, с.105- 109), где происходит энергетическое разделение воздушного потока. Откачиваются образующийся на периферии закрученного потока воздуха горячий закрученный поток, а также и холодный поток, аккумулирующий холод на накопителе холода, который отдает свою энергию на радиатор, где и происходит конденсация влаги.

Повышается надежность и долговечность установки за счет отсутствия вращающихся деталей и узлов, сохраняются работоспособность и эксплуатационные характеристики в течение длительного времени. Эффективность работы установки и интенсивность получения электроэнергии и экстракции влаги зависят только от скорости воздушного (ветрового) потока и его влажности. Конструирование установок различных габаритов позволит использовать их как индивидуально, так и для снабжения электроэнергией и водой целых поселений, а также для создания искусственных водоемов в засушливых районах для улучшения земель, подверженных опустыниванию и деградации.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой установке для генерирования электроэнергии от набегающего потока воздуха и экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, состоящей из вытяжной башни с кольцевым водухозаборником, направляющего аппарата, выполненного в виде, по меньшей мере, двух коаксиально установленных полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими перегородками, изогнутыми по спирали, и ветроколесо, выполненное в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленное над вытяжным цилиндрическим каналом, образованным внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок, при этом радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждых из двух соседних направляющих аппаратов выбраны в соответствии с условием RB ⁺¹ > 1,2 /?в ^п , где /?в ^п+1 и /?в ^п - максимальные радиусы внутренних цилиндрических каналов верхнего и нижнего соседних направляющих каналов, соответственно, конденсационной камеры, вихревого термопреобразователя, радиатора для охлаждения воздуха, установленных под насыпным холмом выше линии грунта, высотой равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности, согласно изобретению, активный вихревой воздухозаборник установки, предназначенный для подачи потока воздуха в конденсационную камеру, конструктивно аналогичен вытяжной башне, и также выполнен в виде, по крайней мере, двух коаксиально установленных полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими перегородками, изогнутыми по спирали, установленными над вытяжным цилиндрическим каналом, образованным внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок, формирующих квазипотенциальные, закрученные течения с циркуляцией Го и компонентами поля скоростей в цилиндрических координатах -

Gri

Vri = - - ri · Vzi =— Zi · Van = (1 - e ) , а форма стенок гидравлических каналов

W ’ W ’ ^ 2p ri ^v

задается кривыми - где Vr; Vz ; nf - радиальная, продольная и азимутальная составляющие скорости закрученного потока, г - радиус закрученной струи, G - суммарный расход потока газа, W - объем аксиально симметричнаой зоны, Ro - максимальный радиус зоны W, а термопреобразователь выполнен в виде самовакуумирующегося вихревого холодильника с аккумулятором холода в виде стержня-тепловода, соединенного с радиатором для охлаждения воздуха, при этом в качестве дополнительного аккумулятора холода, поступающего на радиатор охлаждения воздуха используются тепловые насосы, требующие подпитку электроэнергией и обеспечивающие повышенную водопроизводительность установки, электроэнергия к которым поступает от блока управления накопителя электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором ветроколеса установки, причем при отсутствии ветра, установка продолжает эффективно конденсировать влагу за счет использования электроэнергии накопителя электроэнергии.

Сущность установки поясняется чертежом, на котором представлена общая схема установки. Установка для генерирования электроэнергии от набегающего потока воздуха и экстракции пресной воды из атмосферного воздуха (Фиг.1.) содержит вытяжную башню 1 с кольцевым воздухозаборником 2 и электрогенератором 7, термопреобразователь 8 в виде самовакуумирующегося вихревого холодильника с медным стержнем - тепловодом 9, радиатор для охлаждения воздуха 10, конденсационную камеру 1 1, накопитель воды 12, тепловой насос 13, запитываемый электроэнергией от электрогенератора 7 через блок управления с накопителем (аккумулятором) 14, активный воздухозаборник атмосферного воздуха 15, насыпной земляной холм

16.

Вытяжная башня 1 (Фиг.2.) с кольцевым воздухозаборником 2 выполняет две функции: обеспечивает работу электрогенератора 7 и работу термопреобразователя в виде самовакуумирующегося вихревого холодильника 8. Вытяжная башня 1 воспринимает набегающие потоки ветра, формирует его в закрученные воздушные потоки, движущиеся по кривым второго порядка в вертикальной плоскости и по спирали Архимеда - в горизонтальной плоскости, подобные по своим свойствам природному смерчу, обладающему громадной кинетической энергией. В приосевой центральной области закрученных потоков 5 образуется пониженное давление, что способствует эжектированию, т.е. образованию тяги и всасыванию в центр этого закрученного потока дополнительной массы воздуха. Дополнительная масса воздуха попадает в приосевую область вытяжной башни из наружного атмосферного воздуха, пройдя через активный вихревой воздухозаборник 15 и самовакуумирующийся вихревой холодильник 8, обладающий высоким эффектом охлаждения, который охлаждает стержень-тепловод 9 и аккумулирует в нем холод понижая температуру теплообменника 10, в котором и происходит конденсация влаги из атмосферного воздуха. Дополнительное охлаждение теплообменника 9 происходит от теплового насоса 13, использующего разность температур влагосборника и толщи грунта. Тепловой насос 13 запитывается электроэнергией от блока управления накопителем электроэнергии (аккумулятора) 14, который заряжается от электрогенератора 7 ветроустановки, поэтому даже при отсутствии ветра, процесс экстракции не прекращается. Конструкция установки для генерирования электроэнергии от набегающего потока воздуха и экстракции пресной воды из атмосферного воздуха представляет собой холм из грунта (щебня) 16, внутри которого размещен влагосборник 12, теплообменник 10, самовакуумирующийся вихревой холодильник 8 тепловой насос 13.

Установка для генерирования электроэнергии от набегающего потока воздуха и экстракции пресной воды из атмосферного воздуха работает следующим образом.

Атмосферный воздух (поток ветра) поступает в вытяжную башню 1 (Фиг.2.) с кольцевым воздухозаборником 2, выполненную в виде, по крайней мере, двух коаксиально установленных полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения 6 с разделяющими перегородками 3 (Фиг.З.), которые в вертикальной плоскости выполнены по кривым второго порядка и. одновременно, изогнутыми по спирали Архимеда 4 (Фиг.4.), установленными над вытяжным цилиндрическим каналом 5 (приосевой центральной области закрученных потоков), где набегающие потоки ветра формируются в закрученные воздушные потоки, движущиеся по кривым второго порядка в вертикальной плоскости и по спирали Архимеда - в горизонтальной плоскости, подобные по своим свойствам природному смерчу, обладающему громадной кинетической энергией. Одновременно в приосевой центральной области закрученных потоков образуется пониженное давление, что способствует эжектированию, т.е. образованию тяги и всасыванию в центр этого закрученного потока 5 дополнительной массы воздуха. Пониженное давление, вдоль оси закрученного потока генератора вихря, используется для откачивания воздуха из термопреобразователя установки, которым является самовакуумирущийся вихревой холодильник 8, где происходит энергетическое разделение воздушного потока. Образующийся в самовакуумирующемся вихревом холодильнике, на периферии закрученного потока, горячий закрученный поток, а также и холодный поток откачиваются (эжектируются) в приосевую область генератора вихря, аккумулирующийся холод на накопителе холода (медном стержне-тепловоде) 9, который воспринимает энергию от радиатора 10, в котором происходит охлаждения воздуха и конденсация влаги в конденсационной камере 1 1. Атмосферный воздух через активный вихревой воздухозаборник атмосферного воздуха 15 поступает (эжектируется) в конденсационную камеру 1 1 , попадает на радиатор для охлаждения воздуха 10 и конденсируется, а влага (вода) скапливается в накопителе воды 12. В случае отсутствия ветра, для обеспечения бесперебойного функционирования установки, предусмотрено дополнительное подохлаждение радиатора для охлаждения воздуха 10 за счет теплового насоса 13, использующего электроэнергию, вырабатываемую электрогенератором 7, которая поступает в тепловой насос 13 от накопителя электроэнергии (аккумулятора) с помощью блока управления накопителем 14. Конструкция энергоэкстрактора представляет собой холм из грунта (щебня) 16, внутри которого размещен накопитель воды 12, конденсационная камера 1 1 , радиатор для охлаждения воздуха 10, самовакуумирующийся вихревой холодильник 8 с стержнем- тепловодом 9, а также тепловой насос 13.

Установка для генерирования электроэнергии от набегающего потока воздуха и экстракции пресной воды из атмосферного воздуха предназначена для получения электроэнергии и чистой пресной воды - только за счет использования возобновляемой энергии набегающего потока воздуха ветра в регионах, имеющих проблемы в энергоснабжении и в обеспечении пресной питьевой водой, а также для размещения в морских, озёрных речных акваториях.