Автор: К. Ю. Пименов, Е. С. Матлак .
Источник: КОМПЛЕКСЫ СОПРЯЖЁННОЙ ДОБЫЧИ ВОДЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ(ІУС КМ - 2011) - 2011 / Матерiали II мiжнародної науково-технiчної конференцiї студентiв, аспiрантiв та молодих вчених. — Донецьк, ДонНТУ — 2011, Том 2, с. 132-136.
К. Ю. Пименов, Е. С. Матлак КОМПЛЕКСЫ СОПРЯЖЁННОЙ ДОБЫЧИ ВОДЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Конструктивные схемы сопряжённого использования силовой установки и конденсатора..
Проблема извлечения воды из воздушного бассейна – актуальная научная задача, которая к настоящему времени не имеет устоявшегося и доминирующего решения. В подавляющем большинстве случаев разработки остаются на уровне патентов. Конструктивные решения, подтверждающие заявленные в патенте данные, единичны. Нарастающий дефицит пресной воды на планете, вызванный перенаселением и загрязнением существующих источников, выводит задачу бесперебойного и качественного водоснабжения населения на передний план. Стоит заметить, что одним из основополагающих факторов существования человеческой цивилизации, на нынешнем этапе, является снабжение энергией. Разработка и включение в производство любых инновационных методик и конструктивных решений должны коррелировать со снижением антропогенной нагрузки.
Конструктивные схемы сопряжённого использования силовой установки и конденсатора.
Ветрогенератор сопряжён с конденсатором.
В первую очередь рассмотрим рисунок 1. На нём схематично изображен комплекс, состоящий из ветрогенератора и погружённого тела конденсатора. Энергия, получаемая при вращении лопастей ветрогенератора, может быть Рисунок 1 – Схема работы сопряженного ветрогенератора и конденсатора использована для интенсификации охлаждения, подачей тока на холодильную установку в теле конденсатора, либо, для нагнетания воздуха внутрь аппарата. Нагнетание происходит винтом Архимеда. Принцип работы аппарата следующий: воздух из окружающей среды 1, нагнетается через полую трубу 2 в тело конденсатора 3, погружённое под землю для снижения температуры. Для максимального охлаждения следует применять контур с хладагентом и высокой поверхностью соприкосновения со средой. Полученная вода отводится потребителю 4, а осушённый воздух, посредством избытка давления, выталкивается наружу 5. Такая конструкция может быть внедрена в уже существующие ветропарки, для повышения их рентабельности и добычи воды. ГеоЭС сопряжена с конденсатором На рисунке 2. Представлена схема отведения паров от горячей воды геоЭС и ТЭЦ. Горячая вода отводится по трубе 1, к которой подведены полые трубки 2, соединяющие её с телом конденсатора 3.
Высокие теплопотери компенсируются малым объёмом отводимого пара. Как уже было акцентировано, качество полученной воды очень низкое, из-за специфического и индивидуального состава подземных вод. Такая влага может быть использована только в целях последующего использования в производственном цикле.
Для того, чтобы рационально использовать рассеивающееся при транспортировке жидкости тепло, возможно провести отводящую трубу предприятия через радиатор внутри тела конденсатора.
На рисунке 3, представлена схема сопряжённого использования источника тепла и конденсатора. В условиях, когда влагоёмкость воздуха низкая, избыточный нагрев приведёт к увеличению показателя абсолютной влажности, то есть, влагоёмкости. Нагретый и насыщенный парами воздух будет передан в тело конденсатора и отдаст часть влаги. Такую конструкцию можно использовать в ночное время и в областях низких температур, где, часто, и расположены подобные станции. Воздух будет нагреваться независимо от наличия солнца, которое в предыдущих схемах имело основополагающую роль.
Работа осуществляется по такому принципу, через трубу 1, служащую тепловым контуром, проходящую сквозь резервуар воздуха 2 подаётся тепло, внутри резервуара температура воздуха растёт и он насыщается парами воды. В свою очередь, насыщенный воздух подаётся в тело конденсатора 3, где влага конденсируется, а через выводящий канал 4, посредством нагрева области воздуха в стволе выводящего канала контуром тепла 5, выводится осушенный воздух. Контур 5 может быть частью отводящей трубы 1, либо быть автономным. Подача воздуха внутрь резервуара 2 и подача пара в тело конденсатора, целесообразно проводить с помощью вентиляторов 6. Рисунок 3 – Схема сопряженного использования тепла геотермальной энергии и конденсатора
Такой комплекс, состоящий из двух функциональных отделений, целесообразно использовать для модернизации малых геотермальных станций. Необходимо рассчитать количество получаемой влаги и целесообразность капитализации такого проекта. Однако, поскольку большая часть работы аппарата происходит без подведения энергии, его стоимость является ключевым показателем во внедрении его на предприятии. Регулярные издержки ограничены лишь обслуживанием машин. Насыщение парами воды происходит пассивно, а высокая температура поверхности трубы позволит создать избыток влаги в воздушной смеси. На рисунке 4, представлена схема без использования резервуара насыщения.
Суть процесса состоит в том, что горячая вода, проходящая через трубу 1, нагревает тело конденсатора 3 изнутри. Через трубу 2 подаётся воздух любой температуры, Рисунок 4 – Схема сопряжённого использования геоЭС и конденсатора без камеры насыщения который насыщается уже внутри аппарата. Тело конденсатора погружается в грунт или в насыпь из крупных камней и имеет воздушное охлаждение. На поверхности стыка фаз (тело конденсатора) произойдёт конденсация капель воды, которые будут стекать в водоотводящий поддон. Горячий воздух будет отводиться через ствол 4, пассивно открывая клапан на выходе из трубы.
Подобный “кожух” из тел конденсаторов позволит рационально использовать все теплопотери при отведении воды от электростанции. Регулярные издержки ограничены лишь обслуживанием машин. При транспортировке горячей воды на большое расстояние, теряется до половины её теплоты. Для маленьких государств, таких, как Исландия, потребность в горячей воде не велика, её теплопотери не имеют решающего значения, в силу избытка данного ресурса. Однако, при использовании в других регионах, где потребности населения и промышленности значительно превышают выработку, вопрос сохранения тепла имеет важную роль.
Солнечная электростанция сопряжена с электростатическим осадителем влаги
Следующей концепцией является сопряжение СЭС и метода получения воды из атомов водорода и кислорода в воздухе (Рис 5). Рисунок 5 – Схема сопряженного использования СЭС и колонны осаждения
Как следует из рисунка, комплекс состоит из солнечной электростанции, колонны осаждения и комплекса водоподготовки. Солнечная энергия 1, поступает на батареи комплекса 2, где происходит поглощение, преобразование и накопление энергии света. Полученное электричество подаётся на нужды населения, а также, питает агрегаты колонны осаждения 3. Вентилятор 4 нагнетает воздух в колонну, после чего на выходе из неё 5, создаётся область высоких температур, а также подаётся ток для создания стримерных разрядов , которые ионизируют молекулы воздуха с последующим процессом электростатического осаждения водяного пара. (Рис 2.6). Полученная вода отводится водосборниками в резервуар 6. Для подготовки воды к употреблению, необходимо задействовать комплекс водоподготовки 7. После приведения солевого состава, жесткости и кислотности воды к удовлетворительным показателям, её можно подавать потребителю 8. В качестве электродной системы целесообразно использовать острийные электроды типа "щётка".
Для создания воздушного потока предлагается установить тяговую колонну большой высоты, вентиляционный эффект которой построен на разнице температур и высоты трубы.
Плотность тёплого воздуха меньше, чем плотность холодного воздуха, следовательно, давление столба газа у тёплого воздуха меньше. Этот факт приводит к появлению разности давлений внутри и снаружи трубы. Если труба не является герметичной, то за счёт разницы давлений у подножия башни, возникает поток воздуха, направленный внутрь. При этом тёплый воздух вытесняется вверх и выходит через отверстия вверху здания, а холодный воздух проникает внутрь через отверстия внизу здания. Возникает естественная вентиляция воздуха.
Эффект возрастает с повышением разницы температур и высоты трубы. В нашем случае стримерный разряд нагревает входящий воздух до температуры в пределах 150-200 °C, значительно увеличивает тягу в трубе.
Такая установка должна надёжно снабжать водой потребителя. Нужно отметить, что подобные аппараты значительно дешевле и многократно проще в использовании, чем опреснители или осушители принудительного действия. Важным фактором в пользу обоснованности такой конструкции является качество воды, произведенной в установке.
Предлагаемая для получения воды из воздуха установка, путем электростатического осаждения водяных паров, предварительно ионизируя молекулы воздуха, включает высоковольтное электрооборудование для систем возбуждения и поддержки стабильных стримерных разрядов в устройствах и электростатическое осаждение частиц, колонну, которая в верхней части оснащена дефлектором для использования энергии ветра. Наружная поверхность башни выполнена из материалов с малой теплопроводностью. Ствол колонны и встроенные в него аэродинамические устройства для создания вакуума выполнены в виде труб Вентури. Такое конструктивное решение позволяет сделать поток воздуха уже, но быстрее. Таким образом, упрощается фильтрация и растёт тяга внутри колонны.
1.Алексеев В. В. Получение пресной воды из влажного воздуха [текст]/ В. В. Алексеев, К. В. Чекарев // Аридные системы, Т. 2, 1996. №2-3.
2.Andrew Delano, Design Analysis of the Einstein Refregeration Cycle. Georgia Institute of Technology, June 1998.