ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2185482

УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ВЛАГИ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Имя изобретателя: Алексеев Вячеслав Викторович; Алексеева Ольга Вячеславовна
Имя патентообладателя: Алексеев Вячеслав Викторович; Алексеева Ольга Вячеславовна
Адрес для переписки: 113209, Москва, Севастопольский пр-т, 51, корп.3, кв.77, В.В.Алексееву
Дата начала действия патента: 2000.07.25
Установка для получения
биологически чистой пресной воды при
конденсации влаги из атмосферного воздуха
содержит солнечные батареи, холодильную
систему, водосборник, воздуховод,
вентиляционную систему и конденсатор, в
качестве которого в нее введена
изготовленная из нержавеющей стали
изогнутая в змеевик трубка, на внешней
стороне которой выдавлены сферические
лунки, а прямолинейные участки которой
расположены вертикально и сплющены в
направлении, перпендикулярном воздушному
потоку. Технический результат заключается
в увеличении эффективности работы
установки за счет уменьшения затрат
энергии на вентиляцию воздуха и улучшении
качества получаемой пресной воды за счет
создания условий, неблагоприятных для
роста микрофлоры на стенках
теплообменника, без снижения эффективности
работы установки.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к установкам
для получения пресной воды из атмосферного
воздуха, в частности к установкам,
использующим возобновляемые источники
энергии.
Известна установка, в которой
осуществляется аккумуляция холода для его
использования в ночное время [1]. Она
содержит солнечные электрические батареи,
холодильный агрегат, аккумулятор холода,
выполненный в виде наполненной водой
термоизолированной емкости, соединенной
через гидронасос и вентиль с холодильным
агрегатом и теплообменником-конденсатором,
расположенным в воздуховоде, в котором
также находится каплеуловитель и
вентилятор. Под отверстием в воздуховоде
находится водосборник.
Установка работает следующим образом. В
светлое время суток электроэнергия от
солнечных батарей поступает на холодильный
агрегат, который вырабатывает холод. С
помощью вентиля холодильный агрегат
подключается к термоизолированной емкости.
Находящаяся в ней жидкость с помощью
гидронасоса прокачивается через
холодильный агрегат и охлаждается, в
результате в термоизолированной емкости
аккумулируется холод. Затем
термоизолированная емкость с помощью
вентиля отключается от холодильного
агрегата и подключается к теплообменнику-конденсатору.
Когда влажность воздуха достигает величины,
близкой к 100%, включаются гидронасос и
вентилятор. С их помощью холодная жидкость
и влажный воздух пропускаются через
конденсатор. Содержащийся в воздухе
водяной пар конденсируется на его
поверхности, а находящиеся в нем капли
улавливаются каплеуловителем и
захваченная влага стекает в водосборник.
Недостатками установки являются большие
затраты энергии в вентиляционной системе
на прокачку воздуха и сложность проведения
очистки поверхности конденсатора от
микроскопической пыли, которая, собираясь в
углах стыков оребрения трубок конденсатора,
образует влажный субстрат, где развивается
вредная микрофлора.
Наиболее близкой к изобретению является
установка для получения биологически
чистой пресной воды при конденсации влаги
из атмосферного воздуха, содержащая
солнечные батареи, холодильную систему,
водосборник, воздуховод, вентиляционную
систему и конденсатор [2]. В ее работе
используется солнечная энергия. В
воздуховоде размещены испаритель
холодильного агрегата и вентилятор.
Установка также содержит систему для
озонирования воды, получаемой в результате
работы установки.
Установка работает следующим образом. За
счет электроэнергии, получаемой от
солнечных батарей, холодильный агрегат
производит холод, который выделяется на
теплообменнике-испарителе. Влажный воздух
с помощью вентилятора продувается через
воздуховод, в котором расположен
испаритель. В результате контакта с
поверхностью теплообменника-испарителя
воздух охлаждается, содержащийся в нем пар
становится насыщенным, частично
конденсируется на поверхности
теплообменника и стекает в водосборник,
откуда вода поступает в специальную
емкость, где происходит обеззараживание
воды путем озонирования.
Недостатком данной установки являются
большие энергозатраты и низкая
производительность.
Отметим, что концентрация паров воды в
атмосфере тех областей Земли, где
эффективны такие системы получения пресной
воды, изменяется от 10 г/л до 25 г/л. При этом
извлекается не вся влага. Если предположить,
что будет извлекаться 1 г из кубометра
воздуха, то для получения 1 литра воды
потребуется прокачать 1000 м3 воздуха.
При скорости прокачки 10 м/с и площади
конденсатора, перпендикулярной потоку
воздуха, равной 0,25 2, потребуется
около 7 минут. Время контакта воздуха с
охлаждающей поверхностью достаточно
короткое, а эффективность работы
конденсаторов влаги определяется
интенсивностью теплообмена между
хладоагентом, находящимся внутри
металлических трубок конденсаторов, и
потоком обтекающего его влажного воздуха.
Повышение эффективности теплообмена
достигается за счет оребрения трубок
конденсатора. Однако при этом значительно
увеличивается расход энергии вентилятора
на турбулизацию потока, а на ребрах и местах
их соединения с трубками конденсатора
помимо влаги оседает микроскопическая пыль,
в результате чего образуется субстрат, на
котором развивается микрофлора и который
может содержать токсичные вещества,
поступающие вместе с пылью.
Последнее обстоятельство требует
проведения регламентных работ по очистке
конденсирующей поверхности конденсатора,
чему препятствует сильная развитость
оребренной поверхности и наличие множества
мест на стыках ребер и трубок, где
скапливается субстрат. Использование
озонатора не может решить проблему полной
очистки воды, получаемой в системе, от
токсичных веществ (в частности, тяжелых
металлов) и микроорганизмов, которые могут
содержаться в кусочках микровзвеси,
срываемой с конденсатора влаги. Нанесение
антибактерицидных покрытий недопустимо,
так как вода далее используется в качестве
питьевой.
Задачей изобретения является увеличение
эффективности работы установки за счет
уменьшения затрат энергии на вентиляцию
воздуха и улучшение качества получаемой
пресной воды за счет создания условий,
неблагоприятных для роста микрофлоры на
стенках теплообменника, без снижения
эффективности работы установки.
Технический результат достигается тем, что
в установку для получения биологически
чистой пресной воды при конденсации влаги
из атмосферного воздуха, содержащую
солнечные батареи, холодильную систему,
водосборник, воздуховод, вентиляционную
систему и конденсатор, введена в качестве
конденсатора изготовленная из нержавеющей
стали изогнутая в змеевик трубка, на
внешней стороне которой выдавлены
сферические лунки, а прямолинейные участки
которой расположены вертикально и сплющены
в направлении, перпендикулярном воздушному
потоку.
Положительный эффект достигается за счет
того, что возникающие при этом когерентные
структуры в потоке воздуха приводят к
снижению до 2-х раз коэффициента
сопротивления, а трубка змеевика является
достаточно гладкой /не имеет острых кромок
и углов/, легко чистится и в ней отсутствуют
места для скопления пыли, а при набегании
потока воздуха между лунками возникают
вихревые структуры, которые обеспечивают
высокую эффективность теплообмена между
конденсатором и набегающим потоком воздуха.
При этом интенсификация массо- и
теплообмена реализуется при отставании
роста гидравлического сопротивления
обтеканию такого рельефа по сравнению с
обтеканием исходно гладкой поверхности.
Известно, что с ростом числа Рейнольдса (Re =
(v1)/ , где v -
скорость набегающего потока, l - характерный
размер предмета, а -
динамическая вязкость обтекающей предмет
среды, возникает такой момент, когда
структура течения становится неустойчивой.
Течение перестраивается таким образом,
чтобы уменьшить сопротивление набегающему
потоку. Коэффициент сопротивления
уменьшается в два и более раз. Аналогичная
картина возникает при движении водного или
воздушного потока над сыпучей средой,
которая выстраивается в трехмерные
структуры, обеспечивающие минимальное
сопротивление при данных числах Рейнольдса.
Б.А. Шуляком [3] приводятся эффектные
фотографии периодических волновых
структур, когда помимо основной
периодичности вдоль потока имеется еще
одна - поперечная периодичность. Основной
особенностью этой периодичности является
согласованность фаз модуляций высот
соседних рядов деформаций: максимумы
высоты возвышения в i-м ряду располагаются
против минимумов соседних i±1
рядов. Поэтому в периодической системе
создается шахматная структура. Такая
согласованность фаз поперечной модуляции
волн поверхности сыпучей среды - результат
действия пространственных
гидродинамических сил, возникающих между
отдельными элементами этих возвышений.
 |
Возникающие структуры легко
аппроксимируются системой сферических
лунок. При этом глубина лунки значительно
меньше ее диаметра /в 5-6 раз/.
Вышеперечисленные факты заставляют
предположить, что сопротивление
набегающему потоку, при числах Рейнольдса,
характерных для формирования таких
структур, Re
103-105, со стороны
соответствующим образом рифленой
поверхности будет значительно меньше, чем
над гладкой, однако при этом тепло- и
массообмен интенсифицируются. Факт
уменьшения сопротивления потоку при
формовании поверхности сферическими
лунками используется при изготовлении
мячей для игры в гольф. Зависимость от числа
Рейнольдса коэффициента сопротивления
гладкого шара и мячей для игры в гольф
приведена на фиг.1 [4] (фиг.1 - график
зависимости коэффициента сопротивления (СD)
от числа Рейнольдса (Re). 1 - для мяча для игры
в гольф, 2 - для шероховатого шара, 3 - для
гладкого шара.
|
Фиг. 2 - мяч для игры в гольф с
лунками). Обращает на себя внимание участок
на кривой для мяча с лунками,
свидетельствующий о процессах обтекания,
существенно отличающихся от обтекания
обычных шероховатых поверхностей. В опытах
с лунками малых диаметров, проведенных Г.А.
Кикнадзе с сотрудниками [5], была обнаружена
сложная картина течения при обтекании
лунок потоками с различными числами
Рейнольдса. Наблюдалось формирование
вихревых структур ламинарного типа при
более низких числах Re, которые переходили в
автоколебательные когерентные структуры
при больших числах Re. Аналогичные явления
мы наблюдали с вихревыми когерентными
структурами. Отметим, что поверхность,
рифленая сферическими лунками с большим
отношением диаметра лунки к ее глубине,
будет достаточно гладкой, чтобы ее можно
было легко чистить, и не содержит выступов,
за которыми может собираться пылевой
субстрат. Возникновение вихревых структур
над лунками теплообменника будет
естественным образом интенсифицировать
теплообмен в несколько раз и таким образом
не приведет к снижению эффективности
работы устройства.
|
 |
 |
На фиг.3 приведена схема
расположения лунок на змеевике и показано,
как сплющены вертикально расположенные
трубки змеевика относительно потока
набегающего воздуха. На фиг.5 показаны
фрагменты труб змеевика конденсатора, на
которых изображены сферические лунки,
стрелками показан основной поток воздуха.
Трубки змеевика сплющены в направлении,
перпендикулярном потоку воздуха.
|
На фиг.4
приведена схема линий тока, формирующаяся в
потоке влажного воздуха над лунками (1).
Подковообразные вихри (2) образуют
когерентную структуру, которая снижает
сопротивление основному потоку (3) и
обеспечивает увеличение тепло- и
массообмена между потоком воздуха и
стенкой конденсатора (4). Вихревые трубки
обеспечивают увеличение тепло- и
массообмена между основным потоком и
стенкой. Нетрудно видеть, что затененные от
основного потока области между трубками
оказываются нерабочими и поэтому
желательно, чтобы трубки были сплющены
перпендикулярно этому потоку.
|
 |
Вертикальное размещение трубок
конденсатора способствует более
интенсивному стеканию сконденсировавшейся
влаги. Отметим, что использование в
качестве материала для изготовления
конденсатора меди или алюминия недопустимо,
т.к. конденсированная влага будет
обогащаться этими элементами и сделает
недопустимым использование получаемой
воды в качестве питьевой.
 |
На фиг. 5 приведена схема установки для
конденсации влаги, где созданы условия, не
способствующие формированию мест с
субстратом, на котором могут размножаться
микроорганизмы. Она содержит водосборник (1)
из нержавеющей стали; рифленый лунками
конденсатор-влаги из нержавеющей стали (2);
холодильную систему (3); вентиляционную
систему (4); воздуховод (5) и солнечные
батареи (6). Также на фиг.5 приведены поток
влажного воздуха (7) и поток осушенного
воздуха (8). Тепло конденсации отводится как
за счет холодильной системы, так и за счет
принудительного движения воздуха,
создаваемого вентилятором.
Водосборник 1 изготавливается из
нержавеющей стали и представляет собой
ванну, в которую стекает влага с
конденсатора.
|
Конденсатор влаги 2 представляет собой
изогнутую в змеевик рифленую сферическими
лунками трубку из нержавеющей стали, что
приводит к формированию когерентной
структуры в набегающем потоке, в результате
чего, с одной стороны, снижается
сопротивление набегающему потоку, что
уменьшает энергетические расходы
вентиляционной системы и увеличивает
теплообмен между холодильной системой и
набегающим потоком влажного воздуха, а с
другой стороны, трубка змеевика
конденсатора является достаточно гладкой,
что препятствует скоплению субстрата на ее
поверхности и облегчает очистку при
проведении регламентных работ.
Прямолинейные участки труб змеевика
расположены вертикально, что способствует
более интенсивному процессу стекания
сконденсированной влаги и препятствует
оседанию пылевого субстрата на поверхности
конденсатора. Трубки конденсатора сплющены
в направлении, перпендикулярном основному
потоку набегающего воздуха, чтобы
уменьшить площадь неэффективно работающих
участков трубок конденсатора. Холодильник 3
обеспечивает снижение температуры
поверхности конденсатора влаги ниже точки
росы, а вентиляционная система 4 - подвод
новых порций влажного воздуха.
Устройство работает следующим образом:
холодильная система 3 уменьшает ниже точки
росы температуру конденсатора влаги 2,
через который вентилятором прокачивается
воздух. Между лунками, рифлеными на
поверхности змеевика конденсатора влаги,
возникают вихревые когерентные структуры,
формирование которых приводит к понижению
лобового сопротивления змеевика
конденсатора и увеличивает теплообмен
между стенкой конденсатора и набегающим
потоком влажного воздуха. Влага,
сконденсированная на поверхности
конденсатора, стекает по вертикально
расположенным трубкам змеевика в
водосборник. Отсутствие углов стыка на
конденсаторе препятствует накоплению пыли
на его поверхности и позволяет ее очищать, в
результате вода, получаемая на данном
устройстве, оказывается биологически
чистой.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
-
Патент России 2056479, кл. С1 /прототип/.
-
Заявка ФРГ 3313711, кл. Е 03 В 3/28.
-
Б. А.Шуляк. Физика волн на поверхности
сыпучей среды и жидкости. М.: Наука, 1971.
-
Bearman P. W. , Harvey J.K. Golf ball aerodynamics.
Aeronaut, 1976, vol. Q27,
pp.112-122.
-
Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымако В.Ф.,
Хабенский В.Б. Самоорганизация вихревых
структур при обтекании водой
полусферической лунки. ДАН СССР, 1986, т.291, сс.17-20.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка для получения
биологически чистой пресной воды при
конденсации влаги из атмосферного воздуха,
содержащая солнечные батареи, холодильную
систему, водосборник, воздуховод,
вентиляционную систему и конденсатор,
отличающаяся тем, что в качестве
конденсатора в нее введена изготовленная
из нержавеющей стали изогнутая в змеевик
трубка, на внешней стороне которой
выдавлены сферические лунки, а
прямолинейные участки которой расположены
вертикально и сплющены в направлении,
перпендикулярном воздушному потоку.
Версия для печати
Дата публикации 06.11.2006гг

вверх
|