Бабин Статья Томск 01.04x

ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ВЛАГИ
ВОЗДУХА.
Бабин Артём Валерьевич.
ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»,
г. Москва
Научный руководитель – Чижик Константин Иванович, 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 м³ 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/ м³, а в тропических районах эта величина доходит до 25 г/
м³ 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. Азаров А.И. 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. Алексеев В.В., Березкин М.Ю. Пресная вода из атмосферного воздуха
//Природа. 1998. №6. С.90-96;
3. Бродов Ю.М., Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин:
Учебн. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1994.- 288 с., ил.
4. Максаковский В.П. Географическая картина мира Книга. I: Общая
характеристика мира. Глобальные проблемы человечества. - Издательство: Дрофа.
2008.
5. Островский Н.М., Чумакова Н.А., Бухавцова Н.М., Верниковская Н.В., Аристов
Ю.И. Влияние капиллярной конденсации на процесс сорбции воды композитными
сорбентами «хлорид кальция в пористой матрице» //Теоретические основы химической
технологии. 2007. №2. С.213-216
6. Семенов И.Е. Автономная установка для конденсации пресной воды из
атмосферного воздуха //Водоснабжение и санитарная техника. 2008. №5. С.65-68