ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ВЛАГИ ВОЗДУХА.
.
ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»,
г. Москва
Научный руководитель – , к. т.н., проф. НИУ МГСУ.
Пустынные аридные и субаридные регионы Земли с отсутствием доступных источников водоснабжения и неразвитой транспортной инфраструктурой всё чаще становятся ареной боевых действий, местом проведения аварийно-восстановительных работ, гуманитарных и поисково-спасательных операций. В условиях экстремально высоких температур, солнечной активности и, как следствие, повышенного водопотребления особенно остро встает проблема организации бесперебойного хозяйственно-питьевого водоснабжения подразделений спасателей и военнослужащих.
Одним из эффективных решений является применение технологий получения воды из атмосферного воздуха. Воздух тропосферы играет роль основного посредника во взаимодействии суши и Мирового океана и содержит в своем объеме по разным источникам от 12 до 15 тысяч м? воды. Влага воздуха распределена в объеме атмосферы крайне неравномерно, на нижние слои атмосферы, толщиной 1,5 км приходится свыше 99% водяного пара. Средняя абсолютная влажность, вблизи земной поверхности составляет 11 г/ м?, а в тропических районах эта величина доходит до 25 г/ м? и выше [2]. Большое количество стран, расположенных в аридных зонах, страдают от отсутствия пресной воды, хотя её содержание в атмосферном воздухе весьма значительно. Так, например в Джибути Северо-Восточной Африки в течении всего года практически не бывает дождей, но абсолютная влажность составляет 18-24 г/м3. Количество воды, проносящейся над каждым квадратом в 10 км2 Аравийской пустыни или Сахары, равно по объему озеру площадью 1 км2 и глубиной 50 м. Более того, в 1 км3 приземного слоя атмосферы в жарких, засушливых и пустынных областях Земли содержится до 20000 тонн водяных паров. Эффективная и недорогая технология получения воды из влаги воздуха может решить проблемы водоснабжения для 17% населения Земли, населяющих засушливые регионы.
В последние годы всё большее распространение получают устройства извлекающие влагу из воздуха, они также комплектуются системами очистки, минерализации и охлаждения, либо нагрева полученной воды. Большая часть из производимых устройств имеют ряд недостатков, таких как высокие затраты энергии, узкий рабочий диапазон (требования к влажности, и температуре исходного воздуха), высокий уровень шума и низкую надежность работы. Недостатки современных устройств требуют качественных научных исследований в данной области, новых инженерных решений и творчества изобретателей.
Большинство современных устройств были разработаны в 1990-х годах и имеют тот же принцип работы, что используется для осушения воздуха в холодильных установках и кондиционерах. Они состоят из компрессора, конденсатора, испарителя, трубопроводов с хладагентом, образующих поверхность с низкой температурой, вентилятора, обеспечивающего воздухообмен, блока теплообменников для рекуперации воздуха и емкости для образующегося конденсата. Все части установки собраны в одном блоке и комплектуются устройствами для очистки осушаемого воздуха и конденсируемой воды. Основными потребителями энергии являются холодильный аппарат и вентилятор.
В настоящее время в ряде стран организовано производство установок получения воды из воздуха (далее УПВВ) производительностью до 700 литров воды в сутки. На Российском рынке представлены в основном бытовые установки производительностью 30-40 л/сутки, стоимость одной установки варьируется в пределах 70-100 тыс. рублей.
Бытовые УПВВ могут устанавливаться на автотранспорте, ими могут пользоваться геологические и другие экспедиции. Транспортабельностью обладают даже стационарные мощные установки благодаря своему модульному исполнению.
Одним из перспективных устройств, которые могут использоваться в качестве охладителей в конденсационных устройствах являются вихревые трубы (ВТ), которые используют в своей работе вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша). Температурное разделение смерча – «вихревой эффект» - самое «дешевое» открытие XX века, не потребовавшее тысячных коллективов и миллиардных вложений. Дешевое и многообразное в конструктивных «воплощениях». [1] Высокоскоростной турбулентный поток воздуха (газа) разделяется при вращении на охлажденное ядро и горячие периферийные слои. Для формирования вихря в простейшей «статической» холодильной машине – вихревой трубе используют сжатый воздух из заводской или бортовой пневмосети, либо от переносного безмасляного компрессора. При использовании вихревой трубы в классических конденсационных установках представляется возможным заменить одним устройством холодильный аппарат и вентилятор, обеспечивая и охлаждение и воздухообмен. Также, большая часть влаги конденсируется уже при сжатии, остальная доступная влага выпадает на охладителе, так как ко всему прочему температура воздуха после сжатия в компрессоре повысится. Вся представленная технология при использовании безмасляного пищевого компрессора, позволит максимально эффективно осушить воздух, получив хорошую производительность конденсата.
В нашем Университете проводятся работы по изучению технологий извлечения воды из влаги воздуха. В рамках экспериментальных исследований изготовлен стенд с конденсационной установкой, впервые использующей вихревые трубы в устройствах получения влаги воздуха, также, новшеством является использование высокопористой ячеистой керамики (далее ВПЯМ) с помещенным в поры гигроскопичным материалом в качестве конденсационной поверхности. В одном устройстве реализуется сразу два способа извлечения влаги воздух, конденсационный и сорбционный. Предлагаемый способ получения пресной воды состоит в том, что поглощение влаги из воздуха происходит при его продуве через сорбент, объем которого охлаждается с помощью вихревых труб, создавая тем самым дополнительные влагоотдачу и воздухообмен. На стадии десорбции, сорбент отдает влагу с последующей её конденсацией.
Исследования нацелены на разработку новых методов интенсификации процесса осушки воздуха и получения воды из влаги воздуха, а также оптимальных конструктивных решений для их реализации на практике.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вихревые труб в промышленности. Изобретатель – машиностроению. Энергосбережение и вихревой эффект: исследование и освоение инновационных проектов. – СПБ.: Издательство ЛЕМА. 2010. – 170с.: Илл. 131 (187); таблиц 11; литерат.91; приложений 4.
2. , Пресная вода из атмосферного воздуха //Природа. 1998. №6. С.90-96;
3. , Конденсационные установки паровых турбин: Учебн. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1994.- 288 с., ил.
4. Географическая картина мира Книга. I: Общая характеристика мира. Глобальные проблемы человечества. - Издательство: Дрофа. 2008.
5. , , Влияние капиллярной конденсации на процесс сорбции воды композитными сорбентами «хлорид кальция в пористой матрице» //Теоретические основы химической технологии. 2007. №2. С.213-216
6. Автономная установка для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха //Водоснабжение и санитарная техника. 2008. №5. С.65-68
