RU2131001C1

RU2131001C1 - Installation for fresh water condensation from atmospheric air

Info

Publication number: RU2131001C1
Application number: RU98120955/03A
Authority: RU
Inventors: В.В. Алексеев; И.В. Алексеев; Нариман Ахмед оглы Рустамов
Original assignee: Алексеев Вячеслав Викторович; Алексеев Илья Вячеславович; Нариман Ахмед оглы Рустамов
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 1999-05-27

Abstract

FIELD: installations using regenerated power sources. SUBSTANCE: installation has solar batteries, refrigeration system, water header, air duct, and ventilation system. Installation also includes multilayer capillary structure used as a condenser. This structure has decreasing radius of capillaries in every subsequent vertically positioned layer, and it forms large condensing surface with proper permeability for air flows. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к установкам для получения пресной воды из атмосферного воздуха, в частности, к установкам, использующим возобновляемые источники энергии. The invention relates to installations for producing fresh water from atmospheric air, in particular, to installations using renewable energy sources.

Известна установка для получения пресной воды из влажного воздуха, в работе которой используется солнечная энергия /1/. Она содержит солнечные батареи, холодильный агрегат, водосборник и воздуховод, в котором размещены испаритель холодильного агрегата и вентилятор. A known installation for producing fresh water from moist air, which uses solar energy / 1 /. It contains solar panels, a refrigeration unit, a water collector and an air duct, in which the evaporator of the refrigeration unit and the fan are located.

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. Installation works as follows. Due to the electricity received from solar panels, the refrigeration unit produces cold, which is released on the heat exchanger-evaporator. Humid air is blown through a fan through the duct in which the evaporator is located. As a result of contact with the surface of the heat exchanger-evaporator, the air cools, the steam contained in it becomes saturated, partially condenses on the surface of the heat exchanger and flows into the water collector.

Недостатком данной установки являются большие энергозатраты и низкая производительность. The disadvantage of this installation is its high energy consumption and low productivity.

Наиболее близкой к изобретению является установка, в которой осуществляется аккумуляция холода для его использования в ночное время /2/. Она содержит солнечные батареи, холодильный агрегат, аккумулятор холода, выполненный в виде наполненной водой термоизолированной емкости, соединенный через гидронасос и вентиль с холодильным агрегатом и теплообменником-конденсатором, расположенном в воздуховоде, в котором также находится каплеуловитель и вентилятор. Под отверстием в воздуховоде находится водосборник. Closest to the invention is the installation in which the accumulation of cold for its use at night / 2 /. It contains solar panels, a refrigeration unit, a cold accumulator made in the form of a thermally insulated tank filled with water, connected through a hydraulic pump and a valve to a refrigeration unit and a heat exchanger-condenser located in the duct, which also contains a droplet eliminator and a fan. Under the hole in the duct there is a water collector.

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%, включается 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.Installation works as follows. In the daytime, electricity from solar panels goes to the refrigeration unit, which produces cold. With the help of a valve, the refrigeration unit is connected to a thermally insulated container. The liquid in it is pumped through the refrigeration unit and cooled by means of a hydraulic pump, as a result, cold accumulates in the thermally insulated container. Then, the thermally insulated container is disconnected from the refrigeration unit using a valve and connected to a heat exchanger-condenser
When the air humidity reaches a value close to 100%, the hydraulic pump and fan are turned on. With their help, cold liquid and moist air are passed through a condenser. Water vapor contained in the air condenses on its surface, and the droplets contained in it are captured by a droplet eliminator and trapped moisture flows into the water collector.

Недостатком данной установки является низкая эффективность работы конденсирующей поверхности при относительной влажности менее 100%, необходимость расходования энергии и отсутствие автономности при работе. The disadvantage of this installation is the low efficiency of the condensing surface at a relative humidity of less than 100%, the need for energy consumption and the lack of autonomy during operation.

Задачей изобретения является увеличение эффективности работы конденсирующей поверхности и обеспечение автономности при работе установки для конденсации влаги из атмосферного воздуха. The objective of the invention is to increase the efficiency of the condensing surface and ensure autonomy during operation of the installation for condensation of moisture from atmospheric air.

Технический результат достигается тем, что в установку для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха, содержащую солнечные батареи, холодильную систему, водосборник, воздуховод и вентиляционную систему, введена в качестве конденсатора иерархическая капиллярная структура с уменьшающимся радиусом капилляров в каждом последующем вертикально расположенном слое, образующая большую конденсирующую поверхность с хорошей проницаемостью для воздушных потоков. The technical result is achieved by the fact that a hierarchical capillary structure with a decreasing radius of capillaries in each subsequent vertical layer is introduced into the installation for condensation of fresh water from atmospheric air, containing solar panels, a refrigeration system, a water collector, an air duct, and a ventilation system, which forms a large Condensing surface with good air permeability.

Положительный эффект достигается за счет того, что при работе установки в менисках в капиллярах с радиусом менее 10^-5 см происходит конденсация влаги при относительных влажностях менее 100%.A positive effect is achieved due to the fact that when the unit is operated in menisci in capillaries with a radius of less than 10 ^-5 cm, moisture condensation occurs at relative humidity of less than 100%.

Из таблицы ( см. в конце описания) видно, что давление насыщенного пара над мениском в 10 раз меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью, если радиус капилляра 0,5•10^-3 мкм. Для радиуса капилляра 0,1 мкм давление насыщенного пара практически не отличается от давления пара над плоской поверхностью с точностью до 1%.The table (see the end of the description) shows that the saturated vapor pressure above the meniscus is 10 times less than the saturated vapor pressure above a flat surface if the capillary radius is 0.5 • 10 ^-3 μm. For a capillary radius of 0.1 μm, the saturated vapor pressure is practically the same as the vapor pressure above a flat surface with an accuracy of 1%.

Поэтому капилляры с радиусом больше 0,1 мкм можно считать макрокапиллярами, а капилляры, у которого радиус меньше этой величины, микрокапиллярами. Внутренняя поверхность микрокапилляров очень велика по сравнению с поверхностью макрокапилляров. Так для активированного угля поверхность микропор с радиусом 10^-7 см равна от 900 до 1500 м²/г, а поверхность макропор с радиусом 10^-4 см равна от 0,35 до 1,7 м²/г.Therefore, capillaries with a radius greater than 0.1 μm can be considered macrocapillaries, and capillaries with a radius less than this value are microcapillaries. The inner surface of the microcapillaries is very large compared to the surface of the macrocapillaries. So for activated carbon, the surface of micropores with a radius of 10 ^-7 cm is from 900 to 1500 m ² / g, and the surface of macropores with a radius of 10 ^-4 cm is from 0.35 to 1.7 m ² / g.

В капиллярах происходит капиллярная конденсация пара. Поместим капилляр, стенки которого смачиваются водой, во влажный воздух с парциальным давлением пара 16,6 мм, пусть температура воздуха 20^oC, для которого давление насыщенного пара равно 17,54 мм. Относительная влажность при этом будет равна 94% и чтобы достигнуть точки росы надо понизить температуру влажного воздуха примерно на 1^oC. При 20^oC плотность воздуха равна 1,2 кг/м³, а теплоемкость 0,24 ккал/(кг градус). Следовательно, для понижения температуры 1 м³ воздуха необходимо отобрать у него 288 ккал, что равно половине энергии, выделяющейся при конденсации 1 г водяного пара. Использование же капиллярной конденсации, которая происходит при относительной влажности менее 100%, существенно понижает энергетические расходы холодильной системы. Стенки капилляра будут адсорбировать пар и покроются слоем влаги. На дне капилляра слой адсорбированного пара даст вогнутый мениск. Если радиус капилляра порядка 10^-6 см, то давление насыщенного пара для мениска такого радиуса равно 15,9 мм. По таблице видно, что для такого радиуса пар будет насыщенным при 90% от величины насыщенного пара над плоской поверхностью. Следовательно, пар в окружающем пространстве с давлением 16,6 мм будет уже пересыщенным паром для мениска жидкости капилляра и произойдет конденсация пара, капилляр будет постепенно заполняться водой.Capillary condensation of steam occurs in the capillaries. We place a capillary, the walls of which are wetted with water, in humid air with a partial pressure of steam of 16.6 mm, let the air temperature be 20 ^o C, for which the saturated vapor pressure is 17.54 mm. The relative humidity in this case will be equal to 94% and in order to reach the dew point it is necessary to lower the temperature of the moist air by about 1 ^o C. At 20 ^o C the air density is 1.2 kg / m ³ and the heat capacity is 0.24 kcal / (kg degree) . Therefore, to lower the temperature of 1 m ^{3 of} air, it is necessary to take 288 kcal from it, which is equal to half the energy released during the condensation of 1 g of water vapor. The use of capillary condensation, which occurs at a relative humidity of less than 100%, significantly reduces the energy costs of the refrigeration system. The walls of the capillary will adsorb steam and will be covered with a layer of moisture. At the bottom of the capillary, a layer of adsorbed vapor will give a concave meniscus. If the radius of the capillary is about 10 ^-6 cm, then the saturated vapor pressure for the meniscus of this radius is 15.9 mm. The table shows that for such a radius the vapor will be saturated at 90% of the saturated vapor over a flat surface. Therefore, the steam in the surrounding space with a pressure of 16.6 mm will be already supersaturated steam for the meniscus of the capillary liquid and steam will condense, the capillary will gradually be filled with water.

В системе, где структура, содержащая тонкие капилляры, соединена с проводящим капилляром, высота которого несколько меньше капиллярного подъема находящейся в нем жидкости, а проводящий капилляр опирается на слой воды в водосборнике, как это показано на фиг. 1, влага, сконденсированная в тонких капиллярах будет стекать в водосборник. Когда проводящий капилляр имеет радиус 0,05 мм, то высота капиллярного подъема воды составляет примерно 2,96 см. Если же радиус капилляра равен 0,025 мм, то высота подъема будет равна 5,92 см. Таким образом, если прокачивать воздух через вертикальную структуру, опирающуюся на водосборник, то она будет конденсировать влагу. Отметим, что может быть несколько вертикальных конденсирующих стенок. In a system where a structure containing thin capillaries is connected to a conductive capillary, the height of which is slightly less than the capillary rise of the liquid in it, and the conductive capillary rests on a layer of water in the catchment, as shown in FIG. 1, moisture condensed in thin capillaries will drain into the catchment. When the conductive capillary has a radius of 0.05 mm, the height of the capillary rise of water is approximately 2.96 cm. If the radius of the capillary is 0.025 mm, then the height of rise will be 5.92 cm. Thus, if air is pumped through a vertical structure, based on the catchment, it will condense moisture. Note that there may be several vertical condensing walls.

На фиг. 2 приведена схема установки для конденсации влаги из атмосферного воздуха. Она содержит водосборник 1, капиллярную конденсационную систему 2, холодильную систему 3, вентиляционную систему 4 и воздуховод 5. При этом в вертикальной капиллярной структуре проводящие капилляры для каждого следующего слоя конденсирующих капилляров имеют все более меньший радиус. Тепло конденсации от конденсирующих капилляров отводиться как вентиляционной системой, так и с помощью холодильной системы. Вентиляционный эффект достигается за счет конвекции, возникающей в результате выделения скрытого тепла при конденсации и за счет принудительного движения воздуха возбуждаемого вентилятором, питание которого осуществляется от аккумулятора, заряжающегося от солнечных батарей, или за счет конвекции, индуцируемой аккумулятором солнечного тепла, соединенным с соответствующим коллектором. In FIG. 2 shows the installation diagram for condensation of moisture from atmospheric air. It contains a catchment 1, a capillary condensation system 2, a refrigeration system 3, a ventilation system 4 and an air duct 5. Moreover, in the vertical capillary structure, the conductive capillaries for each next layer of condensing capillaries have an increasingly smaller radius. Condensation heat from the condensing capillaries is removed both by the ventilation system and by means of the refrigeration system. The ventilation effect is achieved due to convection resulting from the release of latent heat during condensation and due to forced movement of air excited by the fan, which is powered by a battery charged by solar panels, or due to convection induced by a solar heat accumulator connected to the corresponding collector.

Холодильная система 2 выполнена из твердого материала, состоит из нескольких уровней, расположенных внутри разветвленной капиллярной системы 3, образующей конденсационную систему с хорошей проницаемостью для воздушных потоков. The refrigeration system 2 is made of solid material, consists of several levels located inside a branched capillary system 3, forming a condensation system with good permeability to air flows.

Конденсирующая система 3 представляет собой иерархическую капиллярную систему с уменьшающимся радиусом капилляров в каждом последующем вертикально расположенном слое, причем каждый слой соединен с водосборником толстым нижнем капилляром, имеющим высоту чуть ниже высоты капиллярного поднятия воды за счет сил поверхностного натяжения, дальнейшее поднятие осуществляется в верхних капиллярах с радиусом менее 10^-5 см, где образуются мениски, на которых идет конденсация влаги при относительных влажностях менее 100%. Охлаждение системы происходит за счет холодильной системы.The condensing system 3 is a hierarchical capillary system with a decreasing radius of capillaries in each subsequent vertically located layer, each layer being connected to the catchment by a thick lower capillary having a height slightly lower than the height of the capillary rise of water due to surface tension forces, further raising is carried out in the upper capillaries with with a radius of less than 10 ^-5 cm, where menisci form, on which moisture condensation occurs at relative humidity less than 100%. The cooling system is due to the refrigeration system.

Вытяжная труба в 4 может быть выполнена в виде легкой конструкции, например каркаса, обтянутого пленкой. The exhaust pipe 4 can be made in the form of a light structure, for example, a frame covered with a film.

Установка работает следующем образом. Ночью температура поверхности земли и воздуха начинает уменьшаться за счет радиационного излучения. За счет накопленной солнечной энергии в вытяжной трубе создается поток теплого воздуха. В результате создается разность давлений и атмосферный воздух поступает в нижнюю часть конденсирующей системы, поднимается вверх и выходит в вытяжную трубу. Конденсация влаги, содержащейся в охлажденном воздухе происходит на капиллярах при относительной влажности менее 100%. Installation works as follows. At night, the surface temperature of the earth and air begins to decrease due to radiation. Due to the accumulated solar energy in the chimney, a stream of warm air is created. As a result, a pressure difference is created and atmospheric air enters the lower part of the condensing system, rises up and enters the exhaust pipe. Condensation of moisture contained in chilled air occurs on the capillaries at a relative humidity of less than 100%.

Процесс конденсации водяного пара продолжается также и днем, только вначале теплый атмосферный воздух охлаждается холодильной системой. Днем образованию воздушных потоков через систему способствует также его нагрев солнечными лучами, что создает внутри его градиент температуры. The process of condensation of water vapor also continues during the day, only at first the warm atmospheric air is cooled by the refrigeration system. During the daytime the formation of air flows through the system also contributes to its heating by the sun's rays, which creates a temperature gradient inside it.

Литература. Literature.

1. Заявка ФРГ N 3313711, кл. E 03 B 3/28. 1. Application of Germany N 3313711, CL E 03 B 3/28.

2. Патент России N 2056479, кл. C1 (пртотип). 2. Patent of Russia N 2056479, cl. C1 (prototype).

Claims

Installation for condensation of fresh water from atmospheric air, containing solar panels, a refrigeration system, a water collector, an air duct and a ventilation system, characterized in that a hierarchical capillary structure with a decreasing radius of capillaries in each subsequent vertically arranged layer is introduced into it, forming a large condensing surface with good air permeability.