В.А. Коноваленко
Вода из воздуха
Чистая, пригодная к употреблению вода – основа всей жизни на Земле – с
каждым годом становится всё более и более редкой. Несмотря на то, что 70,8
% поверхности планеты покрыто водой, уже сейчас
примерно один человек из пяти испытывает трудности с питьевой водой. Из
более чем 2 млрд км3
воды 97% – солёная вода морей и океанов и лишь 3% – пресная. 99,3% пресной
воды находятся в виде льда, а половина оставшейся, – под землёй. В воздухе
содержится, по разным оценкам, от 12 до 16 тыс. км3
влаги.
Карта обеспечения населения
стран мира питьевой водой
в % к общей численности
населения (по данным ЮНИСЕФ)
Кубометр насыщенного влагой воздуха в приземном слое может содержать от
~5 (при 00С) до
~30 (при 300С) граммов
водяных паров. Охладив насыщенный влагой воздух от 300С
до 00С, можно получить
до 25 г/м3. Так как
природа постоянно пополняет запасы воды в воздухе, устройства, извлекающие
из воздуха содержащуюся в нём воду, не могут навредить окружающей среде
(даже если их будет установлено очень много в каком-то определённом месте).
Первые промышленные системы, поставляющие воду из воздуха, были разработаны
ещё в 1990-х. Компрессор заставлял хладагент проходить через трубки теплообменника,
а вентилятор прогонял над трубками воздух. Если температура трубок была
ниже точки росы для исходного воздуха, на них конденсировалась вода из
воздуха.
Суть происходящих процессов, заключающаяся в охлаждении воздуха ниже точки
росы, была известна, можно сказать, «испокон веков», жителям среднеазиатских
пустынь, где дни очень жаркие, а ночи достаточно холодные. Они насыпали
конус из щебня размером 5-7 см так, чтобы вся конструкция свободно продувалась
воздухом. Дело в том, что такой конус представлял собой хороший теплоизолятор,
своего рода «пенолит», в котором и без того не очень-то теплопроводный
щебень содержал множество мелких воздушных прослоек и точечные контакты
между отдельными гранулами. Поэтому конус днём прогревался прямыми солнечными
лучами только с поверхности, зато ночью охлаждался всем объёмом. Водяные
пары, содержащиеся в атмосфере, конденсировались на холодной щебёнке внутри
конуса, вода стекала в углубление фундамента или в специальный сосуд. При
высоте 2,5 м за сутки такая конструкция в Каракумах может дать от 150 до
350 литров воды.
Применительно к российским степям (Сальские степи, Центральнй и Северный
Крым) такой метод мало эффективен, так как суточная амплитуда температур
воздуха в них существенно меньше. Эффект, конечно, будет, но существенно
меньший и не всегда (ночная температура может оказаться выше точки росы
для воздуха дневной влажности), а значит, нужно дополнительно охладить
внутренний объём пирамиды холодильником. Конечно, кондиционер или компрессионный
холодильник здесь не годятся – нужна электроэнергия, есть вращающиеся,
изнашивающиеся детали, наконец, нужен периодический осмотр, чего не требует
пирамида из щебёнки. А вот абсорбционная холодильная машина, получающая
необходимый для работы нагрев от Солнца, решает проблему.
Абсорбционная холодильная машина – промышленная холодильная установка,
предназначенная для отбора и удаления избыточного тепла. Особенностью холодильников
абсорбционного типа является бесшумность работы, отсутствие запорных вентилей
и движущихся частей, что увеличивает их долговечность. В качестве абсорбента
в них используются различные растворы, например, бромида лития (LiBr) в
воде. Весьма популярны аммиачные холодильные установки. Кстати, французами
Ф. Карре и его братом Э. Карре в 1846 году первой была изобретена именно
аммиачная абсорбционная холодильная машина.
Рис. 2. Схема холодильного
агрегата абсорбционного типа:
1 – кипятильник; 2 – дефлегматор;
3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5 – абсорбер
Разместив абсорбционную холодильную машину в щебёночном конусе так, чтобы
на кипятильник попадали прямые солнечные лучи, а остальные её узлы были
в тени внутри щебёночного конуса, получаем возможность конденсировать водяные
пары из воздуха в условиях умеренного климата.
Принцип работы холодильного
агрегата
Принцип работы холодильника абсорбционного типа заключается в следующем.
Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике 1 (рис.
2) до температуры кипения хладагента каким-либо источником тепла. Так как
температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя
(абсорбента), то при выпаривании концентрированного раствора из кипятильника
выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя.
На пути движения к конденсатору концентрированные пары хладагента проходят
специальный теплообменный аппарат (дефлегматор 2), в котором происходит
частичная конденсация концентрированных паров. Образовавшийся конденсат
стекает в слабый раствор, входящий из кипятильника, а более концентрированные
пары хладагента поступают в конденсатор 3.
Высококонцентрированный жидкий хладагент из конденсатора поступает в испаритель
4, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной
камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер 5 и охлаждается
окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя
пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлаждённому
слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения паров хладагента
слабым раствором. При этом в окружающую среду выделяется некоторое количество
теплоты абсорбции.
Пример практической
реализации
В качестве примера приведём агрегат холодильника «Морозко-ЗМ» (рис. 3)
абсорбционно-диффузионного действия, который представляет собой систему
цельнотянутых стальных труб, герметично закрытую, без движущихся частей
и абсолютно бесшумную.
Рис. 3. Холодильный агрегат
холодильника «Морозко-ЗМ»:
1 – теплообменник; 2 – сборник
раствора; 3 – аккумулятор водорода; 4 – абсорбер; 5 – регенеративный газовый
теплообменник; 6 – дефлегматор; 7 – конденсатор; 8 – испаритель;
9 – генератор; 10 – термосифон; 11 – регенератор; 12
– трубки слабого раствора; 13 – пароотводящая трубка; 14 –
электронагреватель; 15 – термоизоляция
Наполненный водоаммиачным раствором и водородом агрегат работает в течение
всего срока службы. Благодаря присутствию в холодильном агрегате
водорода общее давление системы поддерживается одинаковым во всех частях.
Это позволяет обеспечить необходимую циркуляцию внутри труб с помощью термосифона
– трубки малого диаметра, подогреваемой в нижней части нагревателем. Генератор
и нагреватель закрыты металлическим кожухом, внутри которого проложена
термоизоляция 15 из стекловолокна. Концентрированный водоаммиачный раствор
с начальной концентрацией около 35% подогревается электронагревателем 14
в термосифоне 10 генератора 9 до температуры 55-175 °С.
Образующаяся при кипении парожидкостная смесь поднимается по термосифону,
так как удельный вес её становится меньше, чем удельный вес крепкого раствора
в сборнике 2, с которым сообщается термосифон. После выхода из термосифона
от парожидкостной смеси отделяется водоаммиачный пар, а слабый водоаммиачный
раствор поступает через трубку 12 слабого раствора и теплообменник растворов
в верхнюю часть абсорбера 4. Водоаммиачный пар через пароотводящую трубку
13 поступает в регенератор 11, а затем проходит через дефлегматор 6 в конденсатор
7. В результате охлаждения концентрированным раствором в регенераторе 11
достигается повышение концентрации пара без потерь тепла. Дополнительное
охлаждение пара окружающим воздухом, образование флегмы с целью максимального
повышения концентрации пара и отделения от него воды происходит в дефлегматоре
6. Аммиачный пар поступает в конденсатор 7, а флегма – в регенератор 11.
Процесс дефлегмации в холодильных агрегатах абсорбционного типа происходит
на выходе из генератора, когда пары аммиака, имеющие примесь паров воды,
охлаждаются окружающим воздухом. При этом флегма (концентрированный раствор
аммиака) отделяется от паров аммиака, т.е. пар очищается от примесей воды.
Пары воды вместе с флегмой возвращаются в генератор. Дефлегматор расположен
на пароотводящей трубе. В конденсаторе аммиачный пар конденсируется. Образовавшийся
жидкий аммиак сливается в испаритель 8, где происходит испарение жидкого
аммиака, сопровождающееся поглощением тепла холодильной камеры.
Между испарителем и абсорбером циркулирует водород в смеси с аммиаком под
высоким давлением. В испарителе пар аммиака диффундирует в бедную пароводородную
смесь. Насыщенная парами аммиака пароводородная смесь опускается через
регенеративный газовый теплообменник 5 в сборник раствора 2. Туда же поступает
неиспарившаяся часть жидкого аммиака. Продолжая свое движение в абсорбере,
насыщенная аммиаком пароводородная смесь в процессе абсорбции отдает полученный
в испарителе аммиак слабому водоаммиачному раствору, который движется противотоком,
сливаясь сверху вниз.
Очистившись от значительной части аммиака и уменьшив свой удельный вес,
пароводородная смесь становится бедной, вытесняется из абсорбера притоком,
насыщенным более тяжёлой газовой смесью из испарителя и поступает в регенеративный
теплообменник 5, где охлаждается насыщенной пароводородной смесью, поступившей
из испарителя. Охлаждённая бедная пароводородная смесь поступает в испаритель.
Водоаммиачный раствор, обогатившись аммиаком в абсорбере, сливается в сборник
раствора 2, а затем в теплообменник 1 растворов, где подогревается возвращающимся
из генератора слабым водоаммиачным раствором. Нагретый насыщенный водоаммиачный
раствор поступает в термосифон 10.
Процессы в холодильнике протекают непрерывно. Кипение в генераторе сопровождается
поглощением тепла нагревателя, раствор кипит и образуется водоаммиачный
пар. Тепло в холодильной камере поглощается хладагентом через развитую,
оребренную поверхность испарителя. Интенсивность выделения тепла от холодильного
агента в окружающую среду в конденсаторе и абсорбере также обеспечивается
развитой поверхностью теплообмена и достигается соответственно оребрением
и увеличением длины трубы. Аккумулятор 3 водорода служит сборником водорода
и газообразного аммиака и стабилизирует работу холодильного агрегата в
случае повышения температуры окружающем среды, способствуя поддержанию
постоянного холодильного эффекта.
В
оглавление