Гидравлическая система получения воды из атмосферного воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидравлическая система получения воды из атмосферного воздуха

В.Е. Щерба, А.П. Болштянский

Аннотация

Проблема дефицита пресной воды широко известна, и с ростом населения Земли она только обостряется. Освоенные методы опреснения морской воды решают ее лишь частично, т.к. доставка воды населению, живущему в глубине континентов, чрезвычайно дорога. В то же время в атмосферном воздухе содержится достаточно влаги, которая может быть собрана и использована населением. В статье обсуждаются основные методы получения воды из воздуха, и предлагаются технологически не сложные технические решения на основе жидкостного насоса, которые могут быть реализованы в засушливых районах и при комплектации оборудованием фермерских хозяйств. осушитель воздух жидкостный насос

Ключевые слова: гидравлические машины и системы, пресная вода, жизнедеятельность

Введение

Пресная вода является важнейшим компонентом жизнедеятельности земной цивилизации. Ее распределение по поверхности планеты чрезвычайно неравномерно, что часто приводит к социально-экономическим катастрофам. Это обстоятельство в последнее время заметно усугубилось из-за значительного роста населения планеты и с локальными изменениями климатических условий, в том числе вызванными антропологическим воздействием, когда густозаселенные плодородные территории превращаются в пустыни, т.е. по сути - в зоны экологического бедствия. Примером могут служить территории Египта, Сирии и др.

В настоящее время хорошо освоены системы получения пресной воды из морской, которые сочетают мембранные технологии с перегонкой, а также системы сбора и очистки использованной воды и ее возврат в систему водоснабжения. Так, например, в нефтедобывающих странах Персидского залива процент сбора и переработки сточных вод находится в пределах от 15_ти до 70_ти, и в ближайшее время эти страны намереваются вложить в обеспечение своего населения пресной водой около 100 млрд. долларов.

В то же время, например, в Российской Федерации, которая занимает второе место в мире по количеству находящейся на ее территории объемов пресной воды, во многих регионах ощущается ее острая нехватка, что связано с неравномерным распределением водных ресурсов.

Кроме того, доставка опресненной воды от морского побережья вглубь континентальной части увеличивает ее стоимость в несколько раз, а вода, добываемая из скважин и колодцев, как правило, непригодна для ее использования в быту и требует дополнительной переработки.

В то же время даже в пустынной местности с жарким климатом в ночное время влажность воздуха составляет 30 и более процентов, в связи с чем можно считать, что атмосферный воздух практически является неисчерпаемым источником воды.

Так, например, в Омской области колодезная вода и вода, добываемая из скважин, по своему составу непригодна для питья, а в южных районах, таких как Одесский, Русскополянский, Павлоградский, далеко отстоящих от основного источника пресной воды Омской области - реки Иртыш - и отличающихся засушливым климатом, проблема питьевой воды стоит особенно остро.

Информационный поиск с использованием ресурса GOOGLЕ позволил установить, что за рубежом фирмой Water-Gen разработана высокоэффективная установка, специально предназначенная для генерации чистой питьевой воды из воздуха, принцип действия которой практически не отличается от известных способов осушения, используемых при кондиционировании воздуха в бытовых и производственных помещениях. Это обстоятельство дает надежду на то, что получение воды из атмосферного воздуха может в значительной мере решить проблему обеспечения жизнедеятельности в условиях засушливого климата и низкого качества подземных вод, характерных для Омской области.

Постановка задачи

Помимо хорошо известного способа получения воды, связанного с самопроизвольной конденсацией влаги из воздуха на поверхностях материалов с высокой теплопроводностью (металлы, стекло и др.) в ночное время, когда температура окружающей среды существенно понижается, а влажность растет, в промышленности при производстве осушителей воздуха используются два метода выделения влаги из воздуха - абсорбционный (см., например, [1]) и с использованием холодильного агрегата (см., например, [2]).

В первом случае влажный воздух прогоняется вентилятором через абсорбент при температуре атмосферы, после чего пропитавшийся влагой абсорбент нагревается, и выделяющиеся пары конденсируют при обычной или пониженной температуре.

Во втором случае влажный воздух с помощью вентилятора или естественным образом в потоке ветра пропускают через теплообменник с низкой температурой теплопередающих поверхностей, полученной за счет работы холодильной машины, и на поверхностях теплообменника происходит конденсация влаги, которая затем собирается в резервуаре.

Абсорбционный процесс весьма недорог, но имеет существенный недостаток, связанный с тем, что для получения приемлемых габаритов реализующего его устройства с целью увеличения рабочей поверхности, абсорбент изготавливается в виде достаточно крупных пористых элементов произвольной конфигурации, слой которых допускает проход через него воздуха без большого гидравлического сопротивления. При этом вполне естественно, что поры абсорбента с течением времени забиваются пылевыми частицами, и он перестает работать. Кроме того, для снижения времени абсорбции пористые элементы желательно «перемешивать», для чего промышленные установки снабжаются вращающимися барабанами, в которые и насыпается абсорбент. Однако, при «перемешивании» происходит скалывание мелких частиц с пористых элементов, и они, так же как и пылевые частицы, забивают поры. В связи с этими особенностями такие установки используются в основном в промышленных масштабах для осушки воздуха в крупных производственных помещениях.

Осушители на базе холодильных машин имеют много разновидностей, однако общая их схема практически одинакова (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Типичная схема осушителя воздуха на базе холодильной машины

Отличия касаются в основном типов используемых холодильных компрессоров и электронных систем автоматизации, призванных повысить эффективность отделения влаги и обеспечить заданную влажность воздуха в помещении, где эти машины установлены. Потребляемая мощность таких машин варьируется в чрезвычайно широких пределах - от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в соответствии с их назначением - бытовая, офисная техника и промышленное производство.

Анализ рынка бытовых и промышленных осушителей позволил установить, что в среднем для получения одного литра воды затрачивается около 0,5-0,6 кВт-часа электроэнергии.

К существенному недостатку этих конструкций следует отнести их сравнительно высокую стоимость. Так, например, производимый в Греции агрегат Neoclima ND90 с производительностью 50-90 литров воды в сутки (зависит от влажности воздуха) стоит 1700 долларов. Кроме того, как правило, гарантийный срок подобных машин, указываемый в проспектах изготовителей, колеблется в пределах 1-3 года, а их обслуживание и ремонт требует участия специалистов весьма высокой квалификации.

Анализ схемы получения воды из влажного воздуха, изображенной на рис. 1, позволяет сделать единственный вывод - по существу речь идет о понижении температуры воздуха до температуры конденсации (точки росы) или ниже, и наличии развитой поверхности, на которой происходит эта конденсация.

При этом, за счет какого агрегата происходит охлаждение воздуха, не имеет значения. Важно лишь, чтобы этот агрегат был не дорогим, экономичным, простым по конструкции и в обслуживании, имел высокий ресурс работы и низкие требования к свойствам окружающей среды.

К таким агрегатам, в частности, относятся жидкостные насосы и компрессоры низкого давления, которые буквально десятилетиями работают в системах водо- и теплоснабжения, пневмоснабжения без ремонта и с минимальным объемом обслуживания.

В связи с этим появляется задача найти схему использования этих насосов для построения систем получения воды из влажного воздуха.

Решение задачи

В технике существуют различные технические решения, позволяющие сжимать одну текучую рабочую среду за счет движения другой текучей среды. В частности, к таким устройствам относится эжектор (элеватор) - устройство, в котором происходит передача кинетической энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой [3, 4 и др.]. Таким образом, можно за счет движения жидкости, совершаемого под действием перепада давления, создаваемого жидкостным насосом, сжимать влажный воздух, который впоследствии сначала охладить в теплообменнике, а затем произвести его расширение, при котором температура воздуха упадет настолько, что создадутся условия для конденсации содержащейся в нем влаги.

Схема такого агрегата изображена на рис. 2, где показана схема получения воды из влажного воздуха, в которой использовано техническое решение, впервые разработанное на кафедре ГМиТМ ОмГТУ, получившее название «Насос компрессор» или «Гибридная машина объемного действия» (ГЭМОД) [5].

Рабочий орган ГЭМОД 1 производит одновременно жидкость и воздух под давлением, при этом давление жидкости выше, чем давление воздуха, а нагнетаемая жидкость используется для охлаждения цилиндра компрессорной секции, что повышает ее КПД.

Сжатый воздух, конденсат которого, появившийся в результате сжатия сразу сливается в емкость с водой 31, из ресивера 3 проходит через теплообменник 4 и направляется в узкую часть эжектора 14. Для более высокой эффективности работы теплообменника 4 он может быть установлен в емкости 21 с водой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 - Схема одного из вариантов применения ГЭМОД в установке для получения воды из влажного воздуха:

1. ГЭМОД поршневого или ротационного типа. 2. Привод ГЭМОД. 3. Ресивер. 4. Теплообменник. 5. Воздушная форсунка. 6. Пузырьки воздуха 7. Поршневой детандер. 8. Привод детандера. 9. Распылитель воздуха. 10. Полость всасывания детандера. 11. Впускной клапан. 12. Выпускной клапан. 13. Регулируемый дроссель. 14. Эжектор. 15. Теплообменник на линии возврата воды. 16. Конденсатор. 17. Пластины. 18. Линия всасывания воздуха. 19. Линия всасывания воды. 20. Линия слива конденсата. 21. Емкость с водой. 22. Патрубок подачи воды потребителю

Жидкость под давлением нагнетания Р_Н проходит в эжектор 14, и в узкой его части ее давление в соответствии с уравнением Бернулли падает до величины Р, которая ниже давления нагнетания Р_К компрессорной секции ГЭМОД.

В связи с этим в узкую часть эжектора 14 поступает воздух, который распыливается форсункой 5, и поступает в жидкость в виде мелких пузырьков. Таким образом, в узкой части эжектора 14 образуется капельно-воздушная смесь.

Проходя далее по эжектору 14, эта смесь поступает в расширенную часть, ее давление повышается, и пузырьки воздуха, ранее сжатые в компрессорной секции ГЭМОД, дополнительно сжимаются до давления нагнетания насосной секции.

Поскольку пузырьки воздуха окружены водой, теплота сжатия передается ей, и сжатие воздуха происходит близко к изотерме, т.к. масса воды, окружающей пузырьки, на несколько порядков выше массы пузырьков.

Под действием силы Архимеда, проходящие дальше пузырьки поднимаются вверх и выделяются из воды в зоне полости 10 всасывания перед детандером 7, а вода, продолжая двигаться горизонтально, проходит через дроссель 13, служащий для регулировки давления нагнетания насосной секции, проходит через теплообменник 15, где от нее частично отводится теплота, полученная при сжатии воздушных пузырьков, и сливается в емкость 21, откуда и производилось ее всасывание через линию 19.

Скапливающийся перед детандером 7 в его полости всасывания 10 сжатый воздух при принудительном открытии клапана 11, когда поршень детандера начинает идти вверх, заполняет полость детандера, и после закрытия клапана 11 расширяется и давит на его поршень, который через механизм привода 8 передает крутящий момент на вал привода 2 ГЭМОД, отдавая ему часть энергии, которая затрачена на сжатие воздуха самой ГЭМОД (в компрессорной и насосной секциях). Механическая связь привода 8 и привода 2 показана штриховой линией. При расширении почти до атмосферного давления воздух охлаждается, и при обратном движении поршня детандера 7 вниз и принудительно открытом клапане 12 вытесняется в конденсатор 16 через распылитель 9.

В процессе перетекания охлажденного до температуры ниже точки росы воздуха из детандера 7 через распылитель 9 в конденсатор 16, в воздухе начинает конденсироваться вода, которая вместе с воздухом распыливается в полость конденсатора 16, где конденсация продолжается. В связи с этим процессом, в конденсаторе 16 скапливается вода, которая при достижении заданного уровня перетекает из конденсатора 16 через линию 20 в емкость 21.

Пластины 17, будучи погруженными в жидкость, полученную в результате конденсации, имеют сравнительно низкую температуру, и, будучи изготовленными из материала с высокой теплопроводностью (например, из дюралюминия), способствуют конденсации из воздуха влаги, которая не успела сконденсироваться в жидкости, заполняющей нижнюю часть конденсатора 16. Эти же пластины входят в линию всасывания 18 атмосферного воздуха, где производят его первичное охлаждение. Осушенный воздух эвакуируется из верхней части конденсатора 16.

Преимуществом такой установки является высокая экономичность за счет использования для получения охлажденного воздуха детандера, возвращающего в ГЭМОД часть потраченной на охлаждение воздуха энергии, а также за счет хорошего охлаждения компрессорной секции.

Эта схема может работать и без детандера 7. В этом случае схема отбора влаги от воздуха производится аналогично показанной на рис. 1. Описанные выше установки могут питаться как от электрической сети, так и от солнечных батарей или ветряных электрогенераторов. Наиболее экономично отделять воду от воздуха в ночное время и в предутренние часы, когда влажность воздуха максимальная.

Заключение

Очевидная простота предложенных схем агрегата дает возможность кратно снизить его цену (капитальные затраты), стоимость обслуживания, и существенно увеличить ресурс работы по сравнению с установками на базе холодильных машин, что может стать решающим фактором при выборе оборудования для получения чистой пресной воды при комплектовании небольших фермерских хозяйств Омской области.

Список литературы

1. Патент РФ № 2101423. Способ получения воды из воздуха/М.М. Токарев, Л.Г. Гордеева, Ю.И. Аристов и др.// Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. Заявлено 05.06.1996. Опубл. 10.01.1998.

2. Патент РФ № 2146744. Способ получения воды из воздуха/А.В. Ладыгин//ООО «Адекватные технологии». Заявлено 05.08.1999. Опубл. 20.03.2000.

3. Цейтлин А.Б. Пароструйные вакуумные насосы - М.: Машиностроение, 1980. - 51 с.

4. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 416 с.

5. Щерба В.Е. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования/В.Е. Щерба, А.П. Болштянский, В.В. Шалай. Е.В. Ходорева. - М.: Машиностроение, 2013. - 368 с.

Размещено на Allbest.ru