Проблема производства пресной воды приобретает в настоящее время все большее значение. Целый ряд стран, таких как Кипр, Израиль, ОАЭ и д.р. испытывают постоянный недостаток пресной воды. Если ОАЭ могут позволить себе сжигать нефть для производства пресной воды, то для других стран это не приемлемо в силу дороговизны произведенной воды. The problem of fresh water production is becoming increasingly important. A number of countries, such as Cyprus, Israel, the UAE and etc. experiencing a constant lack of fresh water. If the UAE can afford to burn oil to produce fresh water, then for other countries this is not acceptable due to the high cost of the produced water.
В настоящее время существует большое число решений проблемы опреснения морской воды на различных устройствах. Основными методами является использование селективных мембран, например патент США N 4122012 от 24.10 1978, автор L.A. Vlasnik. [1], где селективные материалы находятся на дне резервуара, закопанного на морском берегу, так что фильтр находится ниже уровня морской воды в грунте. В таком устройстве стоимость произведенной воды определяется стоимостью селективного материала (а она не мала) и все равно по истечении определенного времени ресурс такой мембраны исчерпывается и она требует замены. Currently, there are a large number of solutions to the problem of desalination of sea water on various devices. The main methods are the use of selective membranes, for example, US patent N 4122012 from 24.10 1978, author L.A. Vlasnik. [1], where selective materials are located at the bottom of a tank buried on the seashore, so that the filter is below the level of seawater in the ground. In such a device, the cost of the produced water is determined by the cost of the selective material (and it is not small) and still, after a certain time, the resource of such a membrane is exhausted and it requires replacement.
Другое традиционное направление - это дисциляция соленой воды: нагрев и испарение воды (при атмосферном или пониженном давлении используя традиционные источники энергии или нагрев за счет солнечной энергии) и ее последующая конденсация. При этом существуют системы повторного использования выделяемого при конденсации тепла. Примеры лишь нескольких таких реализаций приведены в патенте США N 4330373 от 18.05 1982, автор P.J. Liu [2], здесь для нагрева используется солнечная энергия, а для охлаждения - море, и патент США N 3933600 от 20.01 1976, авторы D.D. Crocker, J.S. Dodge, D.D. Robinson [3] , когда вода испаряется в открытом пламени. Большое число патентов целиком основано на использовании только солнечной энергии. Это патент России N 95100104 от 10.04.1997, автор Г.Г. Плеханов "Способ опреснения воды и устройство для его осуществления" [4] или патент России N 2099289 от 20.12.1997, автор Ю. Б. Кашеваров "Опреснитель морской воды Кашеварова "ОМВК"" [5]. Another traditional direction is the salt water disciliation: heating and evaporation of water (at atmospheric or reduced pressure using traditional energy sources or heating due to solar energy) and its subsequent condensation. In this case, there are systems for the reuse of heat generated during condensation. Examples of only a few such implementations are given in US patent N 4330373 from 05/18/1982, author P.J. Liu [2], solar energy is used here for heating, and the sea is used for cooling, and US patent N 3933600 dated January 20, 1976, by D.D. Crocker, J.S. Dodge, D.D. Robinson [3] when water evaporates in an open flame. A large number of patents are entirely based on the use of only solar energy. This is a patent of Russia N 95100104 from 04/10/1997, author G. G. Plekhanov "Method of desalination of water and a device for its implementation" [4] or Russian patent N 2099289 dated 12/20/1997, author Yu. B. Kashevarov "Desalination of sea water of Kashevarov" OMVK "" [5].
И наконец, большое количество самых экзотических методов. Например, сжатие газа до давлений, вызывающих расщепление солей до атомов и их последующее выделение - патент США N 3871180 от 18.03. 1975, автор J.B. Swanson [6] , использование для нагрева лазера - патент США N 5094758 и т.п. Во всех этих устройствах вопрос цены литра воды и надежности устройства оставляют желать лучшего. And finally, a large number of the most exotic methods. For example, compression of a gas to pressures causing the splitting of salts to atoms and their subsequent evolution is US Pat. No. 3,871,180 of March 18. 1975 by J.B. Swanson [6], use for laser heating - US patent N 5094758, etc. In all these devices, the question of the price of a liter of water and the reliability of the device leave much to be desired.
Наиболее близким к заявляемому устройству, является устройство (прототип), приведенное в Российском авторском свидетельстве N 1798311 от 28.02 1993 специализированного внедренческого центра "Наука" [7]. Пары воды собираются принудительно или за счет естественной тяги из поверхностного слоя атмосферы над поверхностью воды или земли. Принципиальным в этом устройстве является отказ от любого нагрева, что, конечно, сразу удешевляет пресную воду в десятки и сотни раз. Однако авторы не уделили должного внимания тепловым процессам, неизбежно присущим любому устройству. Недостатком является отсутствие системы разделения тепловых потоков, что приводит к резкому снижению кпд устройства. Closest to the claimed device is the device (prototype) shown in the Russian copyright certificate N 1798311 dated February 28, 1993 of the specialized implementation center "Science" [7]. Water vapor is collected by force or due to natural traction from the surface layer of the atmosphere above the surface of water or earth. The principal thing in this device is the rejection of any heating, which, of course, immediately cheapens fresh water tens and hundreds of times. However, the authors did not pay due attention to the thermal processes inevitably inherent in any device. The disadvantage is the lack of a system for the separation of heat flows, which leads to a sharp decrease in the efficiency of the device.
В предлагаемом устройстве тоже нет никакого нагрева воды. Точнее, поскольку солнце и так нагревает море, то воздух над поверхностью моря и на побережье уже содержит некоторое количество воды в виде пара. Так из практически любого справочника можно найти давление паров воды при разных температурах. Так из Справочника лаборанта-химика, - М.: Высшая школа, 1970, стр. 54, узнаем, что при 10 градусах Цельсия давление насыщенного водяного пара составляет 0,0123 бар, а при 30 градусах - уже 0,0425 бар и 0,0737 бар при 49 градусах Цельсия. То есть, охладив "морской" воздух (отметим, что это можно делать и на побережье) до 10 градусов Цельсия (10 - 12 градусов - температура мирового океана на глубинах в несколько десятков метров, а 5-10 градусов - температура грунта на глубине нескольких метров), мы можем конденсировать избыток влаги. Кроме того, на побережье часто дуют ветры (особенно на островах), поэтому даже поток морского воздуха можно обеспечить без затрат внешней энергии. Пример реализации такого устройства в морском варианте представлен на чертеже. (но она ничем принципиально не отличается для работы на суше). Работа устройства понятна из приведенной схемы. Влажный воздух, попадая в воздухозабор (1), движется по рукаву (4) сначала в конденсатную камеру (3) (внизу, где написано H2O). Там воздух охлаждается, теряет излишнюю влагу и выходит по другому рукаву (4) осушенный (с давлением водяных паров, соответствующих минимальной температуре) в систему сброса воздуха (5). При этом для обеспечения более эффективной работы важно не допустить перетока тепла (нагрева конденсатной камеры) по элементам конструкции из областей воздухозабора и сброса воздуха. То есть надо обеспечить теплоизоляцию относительно этих областей конденсатной камеры для поддержания и увеличения перепада температур. Элементы теплоизоляции (2) не обязательно должны простираться от воздухозабора (сброса) до конденсатной камеры, однако использование всей длины воздушного рукава делает их работу более эффективной. Они могут быть выполнены на основании различных физических или технических принципов, а их функции могут быть совмещены с функцией воздушного рукава. Важно только одно условие: чтобы они обеспечили надежную изоляцию тепловых потоков из области воздухозабора и сброса воздуха в область конденсатной камеры. Примером наиболее простого решения может служить исполнение воздушных рукавов (4) или их части из диэлектрических материалов, обладающих малыми коэффициентами теплопроводности. Другим примером может служить изготовление тонкостенных рукавов (2) из нержавеющей стали.In the proposed device, too, there is no heating of water. More precisely, since the sun heats the sea already, the air above the surface of the sea and on the coast already contains a certain amount of water in the form of steam. So from almost any directory you can find the vapor pressure of water at different temperatures. So from the Handbook of a laboratory chemist, M .: Higher School, 1970, p. 54, we find out that at 10 degrees Celsius the pressure of saturated water vapor is 0.0123 bar, and at 30 degrees it is already 0.0425 bar and 0, 0737 bar at 49 degrees Celsius. That is, by cooling the "sea" air (we note that this can also be done on the coast) to 10 degrees Celsius (10 - 12 degrees - the temperature of the oceans at depths of several tens of meters, and 5-10 degrees - the temperature of the soil at a depth of several meters), we can condense excess moisture. In addition, winds often blow on the coast (especially on the islands), so even the flow of sea air can be provided without the cost of external energy. An example implementation of such a device in the marine version is presented in the drawing. (but it is no different in principle for working on land). The operation of the device is clear from the above diagram. Wet air entering the air intake (1) moves along the sleeve (4) first into the condensate chamber (3) (at the bottom, where H 2 O is written). There, the air is cooled, loses excess moisture and drained along the other sleeve (4) (with water vapor pressure corresponding to the minimum temperature) to the air discharge system (5). Moreover, to ensure more efficient operation, it is important to prevent heat transfer (heating of the condensate chamber) through the structural elements from the areas of air intake and air discharge. That is, it is necessary to provide thermal insulation relative to these areas of the condensate chamber in order to maintain and increase the temperature difference. Thermal insulation elements (2) do not have to extend from the air intake (discharge) to the condensate chamber, however, using the entire length of the air sleeve makes their work more efficient. They can be performed on the basis of various physical or technical principles, and their functions can be combined with the function of the air sleeve. Only one condition is important: that they provide reliable isolation of heat flows from the area of air intake and air discharge into the area of the condensate chamber. An example of the simplest solution is the design of air hoses (4) or parts of them from dielectric materials having low thermal conductivity coefficients. Another example is the manufacture of thin-walled sleeves (2) from stainless steel.
Произведем расчет производительности такой установки. Зададим минимальную температуру 10 градусов Цельсия, дневную температуру 30 градусов, относительную влажность 100% (на побережье вдали от моря влажность меньше - около 50%), сечение воздушного потока полметра квадратного, средняя скорость потока 5 м/с и продолжительность эффективной работы - 10 часов (время, когда происходит конденсация, поскольку ночью падают температуры и эффективность устройства, хотя оно продолжает работать). После несложных вычислений получим, что один кубометр, пройдя через конденсатную камеру, может отдать около 20 г воды, а такая установка произведет до 2 кубометров пресной воды в сутки. Аналогичные расчеты проведены в патенте [5], однако предложения поднимать воду для охлаждения с глубин 400 м и др. сильно препятствуют практической реализации подобных проектов. Такое количество воды способно полностью обеспечить нужды небольшого коттеджа в пресной воде. Если удастся обеспечить такой поток воздуха за счет ветра (зависит от географии места), то устройство не потребляет энергии вообще. Повысить производительность можно, ориентировав воздухозабор навстречу ветру, для чего необходимо сделать его вращающимся и в виде флюгера. Если же требуется принудительный продув, то остается возможность питать электродвигатели за счет преобразования солнечной энергии (это присутствует во многих патентах), и эти затраты носят разовый характер и их можно отнести на стоимость установки. Кроме того, у инженера остаются широкие возможности (изменение скорости и сечения потока, включение нескольких устройств в параллель и т.п.) для обеспечения требуемой производительности. Предельная простота конструкции, отсутствие заменяемых компонентов, а также практически отсутствующие движущиеся части делают ресурс установки очень большим (десятки лет). We will calculate the performance of such an installation. We set the minimum temperature of 10 degrees Celsius, the daily temperature of 30 degrees, the relative humidity of 100% (on the coast far from the sea the humidity is less than about 50%), the cross section of the air flow is half a square meter, the average flow velocity is 5 m / s and the duration of effective work is 10 hours (the time when condensation occurs, since the temperature and efficiency of the device fall at night, although it continues to work). After simple calculations, we get that one cubic meter, passing through the condensate chamber, can give out about 20 g of water, and such a plant will produce up to 2 cubic meters of fresh water per day. Similar calculations were carried out in the patent [5], however, proposals to raise water for cooling from depths of 400 m and others strongly hinder the practical implementation of such projects. Such an amount of water can fully satisfy the needs of a small cottage in fresh water. If it is possible to ensure such an air flow due to wind (depending on the geography of the place), then the device does not consume energy at all. You can increase productivity by orienting the air intake towards the wind, for which it is necessary to make it rotating and in the form of a weather vane. If forced blowing is required, then it remains possible to power electric motors by converting solar energy (this is present in many patents), and these costs are one-time in nature and can be attributed to the cost of installation. In addition, the engineer has ample opportunities (changing the speed and cross-section of the flow, the inclusion of several devices in parallel, etc.) to ensure the required performance. Extreme simplicity of design, the absence of replaceable components, as well as virtually absent moving parts make the installation resource very large (decades).