Изобретение относится к способам автономного получения пресной воды питьевого качества из окружающего влажного морского атмосферного воздуха.The invention relates to methods for autonomously producing fresh water of potable quality from ambient humid marine atmospheric air.
Известен способ извлечения воды из атмосферного воздуха, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха, конденсируют пары воды и получаемую при этом пресную воду-конденсат подают в емкость для сбора воды (RU 2081256, кл. Е03В 3/28, 1997). Недостатком способа является необходимость использования внешней подводимой энергии для формирования потока атмосферного воздуха, направляемого в конденсатор для осаждения влаги, которая не является возобновляемой.There is a method of extracting water from atmospheric air, which consists in forming a stream of air containing water vapor, performing an artificial cooling of the air stream, condensing water vapor and the resulting fresh water-condensate is fed into a tank for collecting water (RU 2081256, cl. EB03 3/28, 1997). The disadvantage of this method is the need to use external input energy to form a stream of atmospheric air directed into the condenser to precipitate moisture, which is not renewable.
Наиболее близким техническим решением к заявленному способу по совокупности признаков является способ получения воды из воздуха, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего водяные пары, охлаждают его до температуры ниже точки росы, конденсируют водяные пары в воду, а обезвоженный воздух выбрасывают в атмосферу (патент США 5203989, Е03В 3/28, 1987). При прокачке потока атмосферного воздуха, содержащего пары воды, происходит их конденсация на охлаждающем элементе холодильной машины и одновременное охлаждение потока воздуха, который выбрасывается в атмосферу. Для прокачки потока атмосферного воздуха необходим генератор энергии сжатого воздуха, требующий затрат внешней невозобновляемой энергии. Известный способ, предполагающий также использование внешней подводимой энергии для работы холодильной машины, характеризуется низкой экономичностью использования холодопроизводительности машины, так как только незначительная часть потребляемой ею энергии используется для конденсации паров воды. При этом большая часть холодопроизводительности расходуется на охлаждение обезвоженного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.The closest technical solution to the claimed method according to the totality of features is a method for producing water from air, which consists in forming a stream of air containing water vapor, cooling it to a temperature below the dew point, condensing water vapor in water, and dehydrated air is released into the atmosphere (U.S. Patent 5203989, E 03B 3/28, 1987). When pumping a stream of atmospheric air containing water vapor, they condense on the cooling element of the chiller and at the same time cool the air stream that is released into the atmosphere. To pump the flow of atmospheric air, a compressed air energy generator is required, which requires the cost of external non-renewable energy. The known method, which also involves the use of external input energy for the operation of the refrigerating machine, is characterized by low efficiency of using the cooling capacity of the machine, since only a small part of the energy consumed by it is used to condense water vapor. Moreover, most of the cooling capacity is spent on cooling dehydrated air discharged into the atmosphere.
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание несложного способа получения пресной воды питьевого качества с низкой себестоимостью из атмосферного влажного морского воздуха с использованием возобновляемой энергии морской волны.The technical challenge facing the invention is the creation of a simple method for producing fresh water of drinking quality with low cost from atmospheric moist sea air using renewable sea wave energy.
Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ получения воды из воздуха включает генераторы энергии сжатого воздуха, охлаждение потока сжатого воздуха после генераторов в конденсаторах с осаждением в них влаги и отбором пресной воды из накопительных емкостей. Забор атмосферного влажного воздуха производят в непосредственной близости от поверхности моря, где влажность его максимальна. Выполняют генераторы сжатого воздуха в виде мембранных компрессоров объемного действия. Выполняют мембраны компрессоров в виде подвижных в радиальном направлении стенок вертикального трубопровода. Трубопровод снабжают в верхней части поплавком, обеспечивающим его положительную плавучесть. Снабжают надводную часть трубопровода ударным клапаном, мгновенно останавливающим относительное движение трубопровода и воды в нем при закрытии клапана, создавая тем самым гидравлический удар в трубопроводе. Относительное движение вода-трубопровод происходит из-за разницы инерционных свойств вертикального трубопровода и воды в нем. Инерция воды вследствие разницы в массах превышает инерцию трубопровода. Мембраны компрессоров приводят в движение энергией гидравлического удара, возникающего при вертикальном перемещении трубопровода вниз за счет силы тяжести при прохождении морской волны через надводную часть трубопровода от гребня до впадины. Сжатие и нагнетание воздуха осуществляют при возникновении прямой волны ударного давления в трубопроводе, вызванной закрытием ударного клапана и приводящей к упругой деформации мембран воздушных компрессоров под действием давления воды. Всасывание атмосферного воздуха компрессорами производят при снятии упругих напряжений в материале мембран при прохождении в трубопроводе обратной волны разрежения. Набор потенциальной энергии, необходимой для возникновения периодического гидравлического удара в трубопроводе, осуществляют вертикальным подъемом трубопровода на высоту гребня морской волны за счет выталкивающей силы морской воды при прохождении ее через надводную часть трубопровода от впадины до гребня. За счет инерции большой массы воды, находящейся в вертикальном трубопроводе, вода остается практически в покое, поднимается только сам трубопровод, т.е. происходит относительное движение вода-трубопровод. Мембранные компрессоры снабжают всасывающими и нагнетательными клапанами. Нагнетательные линии компрессоров соединяют с конденсаторами воздушной влаги. Конденсаторы располагают под уровнем моря выше компрессоров и охлаждают морской водой. Конденсаторы представляют собой спиральные трубопроводы, установленные вокруг вертикального трубопровода, обеспечивая тем самым вместе с поплавками дополнительную положительную плавучесть вертикального трубопровода. Выполнение конденсаторов в виде спиральных трубопроводов увеличивает поверхность конденсации влаги и обеспечивает ее сток. Накопительные емкости для пресной воды выполняют с нейтральной плавучестью, например, из мягкого эластичного материала в виде тора и размещают под спиральными конденсаторами, что обеспечивает движение осажденной влаги из конденсаторов в накопительные емкости. Конденсаторы снабжают отсекающими клапанами, пропускающими в накопительные емкости осажденную в конденсаторах воду, исключая попадание в накопительные емкости воздуха. Осушенный воздух из конденсаторов сбрасывают через регулируемые дроссельные устройства в атмосферу. Возможно использование остаточной энергии отработанного воздуха для привода турбины с выработкой электричества для подсветки плавающего вертикального трубопровода и использования его в качестве сигнального буя. Осаждение влаги из воздуха в конденсаторах происходит за счет повышения температуры точки росы при избыточном давлении воздуха в конденсаторах. Чем выше избыточное давление воздуха в конденсаторах, тем большая часть влаги выделяется из морского влажного воздуха, другими словами, чем больше ударное давление в вертикальных трубопроводах, тем больше влаги из воздуха осаждается в конденсаторах. Кроме того, конденсаторы влаги находятся под уровнем моря, где температура ниже температуры воздуха, что также способствует осаждению влаги из атмосферного морского воздуха на внутренней поверхности конденсаторов. Плавающие вертикальные трубопроводы при необходимости фиксируют анкерами с дном для предотвращения уноса их морскими течениями.According to the invention, the technical problem is solved as follows. A method of producing water from air includes compressed air energy generators, cooling the compressed air stream after the generators in condensers with moisture deposition in them and fresh water extraction from storage tanks. Atmospheric humid air is taken in close proximity to the surface of the sea, where its humidity is maximum. Generators of compressed air in the form of membrane compressors volumetric action. Compressor membranes are made in the form of radially movable walls of a vertical pipeline. The pipeline is supplied in the upper part with a float, ensuring its positive buoyancy. The surface part of the pipeline is supplied with a shock valve, which instantly stops the relative movement of the pipeline and water in it when the valve is closed, thereby creating a hydraulic shock in the pipeline. The relative movement of the water pipeline occurs due to the difference in the inertial properties of the vertical pipeline and the water in it. The inertia of water due to the difference in masses exceeds the inertia of the pipeline. The compressor membranes are driven by the energy of hydraulic shock, which occurs when the pipeline moves vertically downward due to gravity when a sea wave passes through the surface part of the pipeline from the ridge to the depression. Compression and injection of air is carried out when there is a direct wave of shock pressure in the pipeline, caused by the closure of the shock valve and leading to elastic deformation of the membranes of air compressors under the influence of water pressure. The atmospheric air is sucked in by compressors when elastic stresses are removed in the membrane material when a reverse rarefaction wave passes through the pipeline. A set of potential energy necessary for the occurrence of a periodic hydraulic shock in the pipeline is carried out by vertical lifting of the pipeline to the height of the crest of the sea wave due to the buoyancy of sea water when it passes through the surface of the pipeline from the hollow to the crest. Due to the inertia of a large mass of water located in a vertical pipeline, the water remains almost at rest, only the pipeline rises, i.e. there is a relative movement of the water-pipeline. Diaphragm compressors are equipped with suction and discharge valves. The compressor discharge lines are connected to air moisture condensers. Condensers are located below sea level above the compressors and cooled with sea water. Condensers are spiral pipelines installed around a vertical pipeline, thereby providing additional positive buoyancy of a vertical pipeline together with floats. The execution of capacitors in the form of spiral pipelines increases the surface of moisture condensation and provides its drain. Storage tanks for fresh water are made with neutral buoyancy, for example, from a soft elastic material in the form of a torus and placed under spiral capacitors, which ensures the movement of deposited moisture from the capacitors into the storage tanks. Condensers are equipped with shut-off valves that let water deposited in the capacitors into storage tanks exclude air entering the storage tanks. Drained air from the condensers is discharged through an adjustable throttle device into the atmosphere. It is possible to use the residual energy of the exhaust air to drive the turbine with the generation of electricity to illuminate the floating vertical pipeline and use it as a signal buoy. The precipitation of moisture from the air in the condensers occurs due to an increase in the temperature of the dew point with excess air pressure in the condensers. The higher the excess air pressure in the condensers, the more moisture is released from the moist sea air, in other words, the greater the shock pressure in vertical pipelines, the more moisture is deposited from the air in the condensers. In addition, moisture condensers are located below sea level, where the temperature is lower than air temperature, which also contributes to the deposition of moisture from atmospheric sea air on the inner surface of the capacitors. If necessary, floating vertical pipelines are fixed with anchors with a bottom to prevent entrainment by their sea currents.
Способ получения воды из воздуха (см. фиг. 1) реализуется следующим образом. Генераторы энергии сжатого воздуха выполняют в виде мембранных компрессоров объемного действия (1). Выполняют мембраны (2) компрессоров (1) в виде подвижных в радиальном направлении стенок вертикального трубопровода (3). Трубопровод (3) снабжают в верхней части поплавком (4), обеспечивающим его положительную плавучесть. Снабжают надводную часть трубопровода (3) ударным клапаном (5), мгновенно останавливающим относительное движение трубопровода (3) и воды в нем при закрытии клапана (5), создавая тем самым гидравлический удар в трубопроводе (3). Мембраны (2) компрессоров (1) приводят в движение энергией гидравлического удара, возникающего при вертикальном перемещении трубопровода (3) вниз при прохождении морской волны через надводную часть трубопровода от гребня до впадины. Сжатие и нагнетание воздуха осуществляют при возникновении прямой волны ударного давления в трубопроводе (3), вызванной закрытием ударного клапана (5). Всасывание атмосферного воздуха производят за счет сил упругости материала мембран (2) при прохождении в трубопроводе (3) обратной волны разрежения. Набор потенциальной энергии, необходимой для возникновения периодического гидравлического удара в трубопроводе (3), осуществляют вертикальным подъемом трубопровода (3) на высоту гребня морской волны при прохождении ее через надводную часть трубопровода (3) от впадины до гребня. Нагнетательные линии (6) компрессоров (1) соединяют с конденсаторами (7). Забор влажного морского воздуха осуществляют трубопроводом (8) в непосредственной близости от поверхности моря, где влажность его максимальна, используя на конце трубопровода полупроницаемую мембрану для предотвращения попадания капельной морской воды во всасывающие линии компрессоров (1). Осажденную в конденсаторах (7) влагу отводят в накопительные емкости (9). Конденсаторы снабжают отсекающими клапанами (15), пропускающими в накопительные емкости осажденную в конденсаторах воду, исключая попадание в накопительные емкости воздуха. Отбор опресненной воды осуществляется через трубопровод (10). Осушенный воздух из конденсаторов (7) сбрасывают через регулируемое дроссельное устройство (11) в атмосферу или направляют на турбину (12) для выработки электричества. Мембранные компрессоры (1) снабжают всасывающими (13) и нагнетательными (14) клапанами. Всасывание влажного морского воздуха осуществляется за счет сил упругой деформации мембран (2) компрессоров (1) при подъеме вертикального трубопровода (3) вверх выталкивающей силой морской воды. Сжатие атмосферного воздуха в компрессорах (1) и нагнетание его в конденсаторы (7) происходит за счет силы гидравлического удара морской воды в вертикальном трубопроводе (3) при движении его вниз с прохождением морской волны от гребня до впадины. За счет инерции массы воды в вертикальном трубопроводе (3), в несколько раз превышающей массу самого трубопровода (3), вода в трубопроводе (3) остается практически без движения при опускании его вниз, создавая относительное движение воды и самого трубопровода (3). При остановке относительного движения ударным клапаном (5) потенциальная энергия, накопленная трубопроводом (3) при подъеме его на гребень волны выталкивающей силой морской воды с последующим опусканием трубопровода (3) вниз при движении волны от гребня к впадине, преобразуется в энергию гидравлического удара, которая приводит в действие мембранные компрессоры (1).The method of obtaining water from air (see Fig. 1) is implemented as follows. Generators of compressed air energy are performed in the form of membrane compressors of volumetric action (1). The membranes (2) of the compressors (1) are made in the form of radially movable walls of a vertical pipeline (3). The pipeline (3) is provided in the upper part with a float (4), which ensures its positive buoyancy. The surface part of the pipeline (3) is supplied with a shock valve (5), which instantly stops the relative movement of the pipeline (3) and water in it when the valve (5) is closed, thereby creating a hydraulic shock in the pipeline (3). The membranes (2) of the compressors (1) are driven by the energy of the hydraulic shock arising from the vertical movement of the pipeline (3) downward when the sea wave passes through the surface part of the pipeline from the ridge to the depression. Compression and injection of air is carried out when a direct shock wave in the pipeline (3) occurs, caused by the closing of the shock valve (5). The atmospheric air is sucked in due to the elastic forces of the membrane material (2) when the backward rarefaction wave passes through the pipeline (3). A set of potential energy necessary for the occurrence of periodic hydraulic shock in the pipeline (3) is carried out by vertical lifting of the pipeline (3) to the height of the crest of the sea wave when it passes through the surface of the pipeline (3) from the hollow to the crest. The discharge lines (6) of the compressors (1) are connected to the capacitors (7). Wet sea air is drawn by pipeline (8) in the immediate vicinity of the sea surface, where its humidity is maximum, using a semipermeable membrane at the end of the pipeline to prevent dripping sea water from entering the compressor suction lines (1). The moisture deposited in the capacitors (7) is diverted to storage tanks (9). The capacitors are equipped with shut-off valves (15), which let the water deposited in the capacitors pass into the storage tanks, eliminating the ingress of air into the storage tanks. Desalinated water is taken through a pipeline (10). The dried air from the capacitors (7) is discharged through an adjustable throttle device (11) into the atmosphere or sent to a turbine (12) to generate electricity. Diaphragm compressors (1) are equipped with suction (13) and discharge (14) valves. The absorption of moist sea air is carried out due to the elastic deformation forces of the membranes (2) of the compressors (1) when the vertical pipeline (3) is lifted up by the buoyancy force of sea water. Compression of atmospheric air in compressors (1) and its injection into condensers (7) occurs due to the force of a hydraulic shock of sea water in a vertical pipeline (3) when it moves downward with the passage of a sea wave from the crest to the trench. Due to the inertia of the mass of water in the vertical pipeline (3), several times higher than the mass of the pipeline itself (3), the water in the pipeline (3) remains practically unmoved when lowering it down, creating a relative movement of water and the pipeline itself (3). When the relative movement is stopped by the shock valve (5), the potential energy accumulated by the pipeline (3) when it is lifted onto the wave crest by the buoyant force of sea water and then lowering the pipeline (3) downward when the wave moves from the crest to the depression is converted into water hammer energy, which drives membrane compressors (1).
Заявленное техническое решение позволяет преобразовывать практически даровую гидравлическую энергию морских волн в энергию сжатого воздуха, необходимую для выделения влаги из влажного атмосферного морского воздуха. Заявленное техническое решение позволяет снизить затраты на производство пресной воды питьевого качества путем использования возобновляемой энергии морской волны. Техническое решение может работать практически при любой высоте морской волны. Чем выше волна, тем больше накапливается потенциальной энергии при подъеме трубопровода с мембранными компрессорами вверх и выше становится преобразованная из нее энергия гидравлического удара воды при движении трубопровода вниз, приводящая в действие мембранные компрессоры. Чем больше энергия сжатого воздуха, тем выше, при прочих равных условиях, производительность по пресной воде.The claimed technical solution allows you to convert almost free hydraulic energy of sea waves into the energy of compressed air, necessary for the release of moisture from moist atmospheric sea air. The claimed technical solution allows to reduce the cost of producing fresh water of drinking quality by using renewable sea wave energy. The technical solution can work at almost any height of the sea wave. The higher the wave, the more potential energy is accumulated when the pipeline with membrane compressors goes up and the energy of water hammer shock converted from it when the pipeline moves down becomes higher, which activates the membrane compressors. The greater the energy of compressed air, the higher, ceteris paribus, freshwater productivity.
