Устройство для извлечения воды из воздуха

Полезная модель относится к области газотермодинамики, более точно - к получению воды из атмосферного воздуха, а именно - к устройству для извлечения воды из воздуха. Она может быть использована в полевых условиях, в сельском хозяйстве и в быту в качестве альтернативного источника воды. Заявлено устройство для извлечения воды из воздуха, содержащее холодильную машину, сборник водяного конденсата и канал для прохождения потока воздуха, в котором последовательно по направлению движения этого потока расположены средство конвекционного охлаждения с проточным сечением площадью S1, средство конденсации паров воды с проточным сечением площадью S2, подключенное по тепловому потоку к холодильной машине, средство конвекционного нагрева с проточным сечением площадью S3, причем средства нагрева и охлаждения связаны между собой по тепловому потоку, а сборник водяного конденсата сообщен, по меньшей мере, со средством конденсации паров воды. При этом согласно полезной модели площади S1 и S3 проточных сечений средств конвекционного охлаждения и нагрева выполнены отличными по величине от площади S2 проточного сечения средства конденсации паров воды, причем каждая из площадей проточных сечений S1 и S3 средств охлаждения и нагрева выполнена меньшей по величине, чем площадь S2 проточного сечения средства конденсации паров воды. В результате обеспечивается более эффективное извлечение воды из воздуха по сравнению с известными аналогами. 4 з.п. ф., 5 ил.

Полезная модель относится к области газотермодинамики, более точно - к получению воды из атмосферного воздуха, а именно - к устройству для извлечения воды из воздуха. Оно может быть использовано в полевых условиях, в сельском хозяйстве и в быту в качестве альтернативного источника воды.

Большинство засушливых регионов мира характеризуется значительным содержанием паров воды в атмосферном воздухе, и поэтому возможность получения воды из воздуха не только абсолютно реальна, но и перспективна.

Известно устройство для извлечения воды из воздуха, описанное в патенте РФ 2081256. Известное устройство содержит однородный по своей структуре канал для прохождения воздуха, в котором расположена последовательность одинаковых теплопередающих элементов, средний из которых является охлаждающим элементом холодильной машины, теплопередающие элементы, расположенные по обе стороны от охлаждающего элемента, попарно связаны между собой по тепловому потоку.

Описанное устройство характеризуется недостаточной эффективностью процесса конденсации паров воды в охлаждающем элементе холодильной машины, так как температура поверхности этого элемента имеет одну общую температуру, и поэтому теплопередача между ней и воздухом уменьшается по мере охлаждения воздуха при прохождении им участка искусственного охлаждения потока воздуха.

Известно устройство для извлечения воды из воздуха, описанное в заявке WО 02/086245.

Согласно этому известному способу формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке этого потока, обеспечивают теплообмен между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу, оптимизируют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, при этом участок искусственного охлаждения воздуха разбивают на подучастки, и на каждом последующем подучастке искусственного охлаждения осуществляют процесс охлаждения воздуха при более низкой температуре потока воздуха, поддерживая таким образом эффективность теплопередачи на всем протяжении участка искусственного охлаждения.

Известное устройство содержит однородный по своей структуре канал для прохождения воздуха, в котором расположен теплоотводящий элемент, соединенный с холодильной машиной, группу теплообменных элементов, поровну распределенных внутри канала на две равные подгруппы слева и справа от теплоотводящего элемента по ходу движения воздуха, связанные между собой по тепловому потоку, сборник водяного конденсата, сообщенный с теплоотводящим элементом и одной из подгрупп теплообменных элементов, при этом теплоотводящий элемент выполнен в виде последовательности теплоотводящих элементов, установленных в канале для прохождения воздуха один за другим.

В известных способе и устройстве процессы теплообмена в теплообменных элементах и процессы конденсации паров воды в последовательности теплоотводящих элементах происходят при одной и той же скорости воздуха, так как все эти элементы установлены в канале для прохождения воздуха один за другим. При этом уменьшение скорости воздуха в канале снижает конвекционный теплообмен в теплообменных элементах, а увеличение скорости резко ухудшает процесс конденсации влаги в теплоотводящих элементах. Неизменность скорости воздуха при разных по характеру процессах конвекционного теплообмена и конденсации паров воды ухудшает термодинамические характеристики всей системы извлечения воды из воздуха и, в конечном счете, снижает производительность машины для получения воды из воздуха и увеличивает ее энергетические потери.

В основу настоящей полезной модели положена задача повышения производительности устройства для извлечения воды из воздуха и снижения энергетических потерь при его эксплуатации.

Поставленная задача решается также в устройстве для извлечения воды из воздуха, содержащем холодильную машину, сборник водяного конденсата и канал для прохождения потока воздуха, в котором последовательно по направлению движения этого потока расположены средство конвекционного охлаждения с проточным сечением площадью S1, средство конденсации паров воды с проточным сечением площадью S2, подключенное по тепловому потоку к холодильной машине, средство конвекционного нагрева с проточным сечением площадью S3, причем средства нагрева и охлаждения связаны между собой по тепловому потоку, а сборник водяного конденсата сообщен, по меньшей мере, со средством конденсации паров воды, согласно полезной модели, площади S1 и S3 проточных сечений средств конвекционного охлаждения и нагрева выполнены отличными по величине от площади S2 проточного сечения средства конденсации паров воды, причем каждая из площадей проточных сечений S1 и S3 средств охлаждения и нагрева выполнена меньшей по величине, чем площадь S2 проточного сечения средства конденсации паров воды.

Предпочтительно средства конвекционного охлаждения и нагрева выполнены в виде двух групп теплообменников, причем каждая из указанных групп установлена в канале для прохождения потока воздуха с возможностью последовательного прохождения воздуха через проточные сечения этих теплообменников из одной группы.

В частном случае средство конденсации паров содержит группу конденсирующих теплообменников, установленных с обеспечением одновременного прохождения через них потока воздуха.

При этом с целью оптимизации процессов обмена тепловой энергией между средствами конвекционного охлаждения и нагрева эти средства могут содержать по n теплообменников в каждом - от 1 до n (n - натуральное число) - в средстве конвекционного охлаждения и от n+1 до 2n - в средстве конвекционного нагрева, при этом каждый теплообменник средства конвекционного охлаждения связан по тепловому потоку с одним теплообменником средства конвекционного нагрева в следующем порядке: теплообменник (1) средства охлаждения связан по тепловому потоку с теплообменником (2n) средства нагрева, теплообменник (n) - с теплообменником (n+1), теплообменник (i) - с теплообменником (2n-i+1).

В частном случае в средстве конденсации паров канал для прохождения потока воздуха разделен на несколько параллельных каналов, в каждом из которых расположен, по меньшей мере, один конденсирующий теплообменник.

Настоящая полезная модель поясняется далее более подробно на конкретных примерах ее осуществления, которые предназначены исключительно для ее лучшего понимания и не могут рассматриваться в качестве ограничивающих объем испрашиваемой правовой охраны, который определяется исключительно прилагаемой формулой. Где необходимо, даются ссылки на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

- на Фиг.1 - схема одного из частных случаев реализации устройства для извлечения воды из воздуха, при котором тепловая связь между средствами конвекционного охлаждения и нагрева реализована с помощью тепловой трубы;

- на Фиг.1а - то же, что на Фиг.1, вид сверху;

- на Фиг.2 - схема другого частного случая реализации устройства для извлечения воды из воздуха, в котором средство конденсации паров воды содержит элементы для разделения воздушного потока на несколько параллельных потоков, а средства охлаждения и нагрева выполнены в виде двух групп теплообменников, попарно соединенных между собой по тепловому потоку посредством группы тепловых труб;

- на Фиг.3 - схема устройства для извлечения воды из воздуха, в котором средство конденсации паров воды содержит группу конденсирующих теплообменников, установленных в канале с обеспечением одновременного прохождения через них воздушного потока, причем связь по тепловому потоку между средствами охлаждения и нагрева реализована с помощью жидкого теплоносителя;

- на Фиг.3а - то же, что на Фиг.3, вид сверху.

В устройстве для извлечения воды из воздуха, приведенном на фиг.1, поток воздуха 1 с помощью внешних не показанных на рисунке вентиляторов подают в проточный канал 2, внутри которого по ходу движения потока воздуха 1 размещены средство конвекционного охлаждения 3 воздуха 1, средство конденсации 4 паров воды и средство конвекционного нагрева 5 воздуха 1. Средства 3, 4 и 5 характеризуются соответствующими проточными сечениями площадью S1, S2 и S3. Средство конденсации 4 паров воды по тепловому потоку связано с холодильной машиной 6. Скорость движения воздуха через эти проточные сечения обозначена индексами W1, W2 и W3, соответственно номерам площадей проточных сечений S1, S2 и S3. Сборник 7 водяного конденсата сообщен со средствами конвекционного охлаждения 3 и конденсации 4 паров воды. Связь по тепловому потоку между средством конвекционного охлаждения 3 и средством конвекционного нагрева 5 воздуха 1 выполнена, например, с помощью тепловой трубы 8, соединяющей средства 3 и 5, при этом стрелками обозначено направление движения теплового потока от средства 3 к средству 5.

Вариант устройства для извлечения воды из воздуха, приведенного на фиг.2, содержит канал 2 для прохождения потока воздуха 1, в котором последовательно расположены средство конвекционного охлаждения 3, выполненное в виде группы из n теплообменников 3₍₁₎÷3 ₍₁₎÷3_(n), средство конденсации паров воды, выполненное в виде четырех параллельных каналов 9÷12, в каждом из которых установлено по одному теплообменнику из группы 13 конденсирующих теплообменников и средство конвекционного нагрева 5, выполненное в виде группы из n теплообменников 5(_n+1) ÷5_(2n-i+1)÷5_(2n) В этом варианте выполнения устройства теплообменники 3₍₁₎÷3 _(i)÷3_(n) и теплообменники 5(_n+1) ÷5_(2n-i+1)÷5_(2n) соединены попарно по тепловому потоку таким образом, что теплообменник 3₍₁₎ связан по тепловому потоку с теплообменником 5_(2n) , теплообменник 3_(n) - с теплообменником 5_(n+i) , i-ый теплообменник 3(i) - с теплообменником 5_(2n-i+1) . При этом связь по тепловому потоку между этими теплообменниками реализована посредством группы тепловых труб 14. В этом варианте выполнения устройства на входе в канал 2 для движения потока воздуха 1 и на выходе из канала обозначены вентиляторы 15, формирующие поток воздуха 1.

На фиг.3 приведен вариант выполнения устройства для извлечения воды из воздуха, в котором средство конденсации паров воды выполнено в виде группы конденсирующих теплообменников, образующих единую структуру 16 с суммарным проточным сечением S2, объединяющим проточные сечения всех теплообменников группы, и полностью перекрывающую канал для прохождения потока воздуха.

Функционирование устройства для извлечения воды из воздуха (фиг.1) основано на нижеследующем. При любой конфигурации канала 2 для прохождения воздуха 1 через любое его сечение в единицу времени проходит одинаковый объем V воздуха. При этом скорость движения W воздуха через произвольное проточное сечение площадью S произвольного теплообменника будет определяться формулой:

W=V/S.

Поэтому, выбирая величину площади проточного сечения S, мы выбираем скорость W движения воздуха через него. Если площади проточных сечений неодинаковы S1, S2 и S3, то тогда и скорости Wl, W2 и W3 движения воздуха через эти сечения будут неодинаковы:

W1=V/S1; W2=V/S2; W3=V/S3.

Коэффициент конвекционного теплообмена h_c между теплообменником и воздухом возрастает с увеличением скорости W движения воздуха через теплообменники: h_c =6,2+4,2·W. (В.Мааке, Г.-Ю.Эккерт, Жан-Луи Кошпен. Польманн, Учебник по холодильной технике, Изд. Московского университета, 1998).

Поэтому для увеличения теплообмена в теплообменниках конвекционного охлаждения и нагрева воздуха целесообразно увеличивать скорости W1 и W3 движения воздуха 1, для чего целесообразно уменьшать площади S1 и S3 проточных сечений этих теплообменников. Коэффициент теплопередачи при конденсации паров воды наоборот снижается с увеличением скорости движения воздуха 1, так как для образования капли воды и ее осаждения на поверхность теплообменника необходимо иметь достаточное для этого время. Поэтому целесообразно снизить скорость W2 движения воздуха 1 через средство конденсации 4 паров воды, а для этого - максимально увеличить площадь S2 проточного сечения этого средства. Это достигается за счет соответствующего выбора площадей проточных сечений S1, S2 и S3:

S2>S1; S2>S3

Устройство для извлечения воды из воздуха, изображенное на фиг.1, работает следующим образом.

Воздух 1 подают на вход канала 2, последовательно пропускают его через средство конвекционного охлаждения 3; через средство конденсации 4 паров воды, и через средство конвекционного нагрева 5 воздуха. При движении вдоль этой системы теплообмена воздух 1 сначала охлаждается в средстве конвекционного охлаждения 3 за счет теплообмена между средством 3 и более холодным нагревающим средством 5. Из всех перечисленных средств самым холодным всегда является средство конденсации 4 паров воды, так как только оно непосредственно подключено по тепловому потоку к холодильной машине 6. Поэтому прошедший через него воздух также имеет самую низкую температуру внутри канала. Этот воздух, выйдя из средства 4, далее охлаждает средство 5, в результате чего температура средства 5 уменьшается, а проходящий через него воздух 1 нагревается. При этом средство 5 всегда остается более холодным, чем средство 3. За счет этой разницы температур происходит перенос тепловой энергии от средства 3 к средству 5 с помощью тепловой трубы 8.

Происходящий при этом отбор тепловой энергии от средства 3 приводит к охлаждению конвенционным путем проходящего через него воздуха 1. Именно поэтому это средство названо охлаждающим. Полученное таким образом предварительное охлаждение воздуха позволяет еще более понизить его температуру в средстве 4 и таким образом извлечь из воздуха 1 дополнительные количества воды. При прохождении воздуха через средство конденсации 4 температура воздуха всегда достигает температуры точки росы, при которой создаются условия для конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе 1, так как они достигают насыщения. Однако для реального осуществления конденсации необходим непосредственный контакт переохлажденного воздуха или с поверхностью средства, или с каким-либо центром конденсации, содержащимся в самом воздухе.

Таким центром может быть уже возникшая мельчайшая капелька сконденсировавшейся воды или, например, пылинка. Если воздух, достигший по температуре точки росы, движется слишком быстро, то реальный процесс конденсации может и не произойти, что и наблюдается на практике. Уменьшение скорости прохождения воздуха через средство, в котором осуществляется конденсация паров воды, позволяет получать дополнительные количества воды из проходящего объема воздуха, а также снизить нижний предел влажности воздуха, при котором удается извлекать из него воду, что очень важно для особо засушливых регионов мира. Образовавшийся водяной конденсат стекает в сборник 7 водяного конденсата. При высокой влажности воздуха, близкой к 100%, процесс конденсации может частично происходить и в средстве конвекционного охлаждения 3 воздуха. Поэтому сборник водяного конденсата 7 может быть сообщен либо только со средством конденсации 4 паров воды, либо еще и со средством конвекционного охлаждения 3 воздуха.

За счет увеличения площади сечения S2 скорость движения воздуха внутри средства 4 конденсации паров воды резко понижается, вследствие чего возрастает время прохождения этим воздухом средства конденсации. Как видно из прилагаемых чертежей, площадь сечения S2 может быть увеличена разными способами - за счет простого увеличения сечения проточного канала 2 без изменения направления движения потока воздуха внутри средства конденсации 4, либо за счет образования параллельных каналов с теплообменниками, расположенных под углом к оси проточного канала 2, так что площадь сечения S2, через которое проходит поток воздуха в средстве конденсации 4, оказывается больше площади поперечного сечения проточного канала 2 в средстве 4. В результате этого достаточно медленный процесс образования капель воды и их осаждения на поверхность теплообмена средства 4 успевает завершиться, и производительность всего устройства возрастает.

Работа устройств, приведенных на фиг.2 и 3, происходит аналогичным образом с некоторыми отличиями, заключающимися в еще более интенсивном процессе конденсации паров воды, так как конструкции средства конденсации 4 паров воды, выполненные в виде или четырех параллельных каналов 9÷12, в каждом из которых установлено, по меньшей мере, по одному конденсирующему теплообменнику из группы 13 конденсирующих теплообменников, или в виде единой структуры 16 группы конденсирующих теплообменников, полностью перекрывающей канал для прохождения потока воздуха, только усиливают одну и ту же функцию дальнейшего понижения скорости прохождения воздухом конденсирующего средства 4.

1. Устройство для извлечения воды из воздуха, содержащее холодильную машину, сборник водяного конденсата и канал для прохождения потока воздуха, в котором последовательно по направлению движения этого потока расположены средство конвекционного охлаждения с проточным сечением площадью S1, средство конденсации паров воды с проточным сечением площадью S2, подключенное по тепловому потоку к холодильной машине, средство конвекционного нагрева с проточным сечением площадью S3, причем средства нагрева и охлаждения связаны между собой по тепловому потоку, а сборник водяного конденсата сообщен, по меньшей мере, со средством конденсации паров воды, отличающееся тем, что площади S1 и S3 проточных сечений средств конвекционного охлаждения и нагрева выполнены отличными по величине от площади S2 проточного сечения средства конденсации паров воды, причем каждая из площадей проточных сечений S1 и S3 средств охлаждения и нагрева выполнена меньшей по величине, чем площадь S2 проточного сечения средства конденсации паров воды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства конвекционного охлаждения и нагрева выполнены в виде двух групп теплообменников, причем каждая из указанных групп установлена в канале для прохождения потока воздуха с возможностью последовательного прохождения воздуха через проточные сечения этих теплообменников из одной группы.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что средство конденсации паров содержит группу конденсирующих теплообменников, установленных с обеспечением одновременного прохождения через них потока воздуха.

4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что средства конвекционного охлаждения и нагрева могут содержать по n теплообменников в каждом - от 1 до n (n - натуральное число) - в средстве конвекционного охлаждения и от n+1 до 2n - в средстве конвекционного нагрева, при этом каждый теплообменник средства конвекционного охлаждения связан по тепловому потоку с одним теплообменником средства конвекционного нагрева в следующем порядке: теплообменник (1) средства охлаждения связан по тепловому потоку с теплообменником (2n) средства нагрева, теплообменник (n) - с теплообменником (n+1), теплообменник (i) - с теплообменником (2n-i+1).

5. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что в средстве конденсации паров канал для прохождения потока воздуха разделен на несколько параллельных каналов, в каждом из которых расположен, по меньшей мере, один конденсирующий теплообменник.