CC BY
89Labor economics. Moscow: Creative Economy Publishing House LLC, 2018. Vol.5 №4. Pp. 1101-1118.
7. Romanenko I., Golovanov A., Khoma V., Shy-shatskyi A., Demchenko Ye., Shabanova-Kushnarenko L., Ivakhnenko T., Prokopenko O., Havaliukh O., Stu-pak D. Development of estimation and forecasting method in intelligent decision support systems. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Information and controlling system. Kharkiv, 2021. Vol. 2 No. 4 (110). P. 38-47.
8. Kruglov V. V, Borisov V. V. Artificial neural networks. Theory and practice. 2nd ed. Moscow: Hotline-Telecom, 2002. 382 p.
9. Haykin S. Neural networks: full course, 2nd ed., Ed. / trans. with English Moscow: 000 "I. D. Williams", 2006. 1104 p.
10. Grom VA, Georgadze OA, Yakimenko IV Methodical approach to assessing the level of motivation of servicemen of the Armed Forces of Ukraine. Collection of scientific works of the Center for Military Strategic Studies of the National Defence University of Ukraine named after Ivan Chernyakhovsky. Kyiv, 2016. № 2 (57). Pp. 67-70. DOI: 10.33099 / 2304-2745 / 2016-2-57 / 67-70.
ЭКСТРАКЦИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ИЗ АТМОСФЕРНОЙ ВЛАГИ
Серебряков Р.А.
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ),
Россия, Москва
FRESH WATER EXTRACTION FROM ATMOSPHERIC MOISTURE
Serebryakov R.
Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, Federal Scientific Agroengineering Center VIM (FGBNUFNATS VIM)
Russia, Moscow
Аннотация
Проблема дефицита пресной воды становится все актуальней для многих регионов мира - это становится одним из главных факторов, сдерживающих развитие цивилизации во многих регионах Земли. Её обострение связывают с ростом населения, климатическими изменениями и рядом других причин. Так в ХХ веке население земного шара выросло в три раза. За этот же период потребление пресной воды увеличилось в семь раз, в том числе на коммунально-питьевые нужды - в 13 раз. При таком росте потребления стало резко не хватать водных ресурсов в целом ряде регионов мира. По данным Всемирной организации здравоохранения более двух миллиардов человек в мире страдают сегодня от нехватки питьевой воды.
Предлагается современная альтернативная энергонезависимая установка с использованием технологий вихревой энергетики - «Воздушный Родник» для получения пресной воды из атмосферного воздуха.
Abstract
The problem of fresh water shortage is becoming more and more urgent for many regions of the world - this is becoming one of the main factors hindering the development of civilization in many regions of the Earth. Its aggravation is associated with population growth, climatic changes and a number of other reasons. So in the twentieth century, the world's population has tripled. During the same period, the consumption of fresh water increased sevenfold, including for communal drinking needs - 13 times. With such an increase in consumption, water resources have become severely scarce in a number of regions of the world. According to the World Health Organization, more than two billion people in the world today suffer from a lack of drinking water
Ключевые слова: вода, экстракция, атмосферная влага, конденсат, вихревая энергетика, родник, имитационное моделирование, биокаталическая активность, окислительно-восстановительный потенциал.
Keywords: water, extraction, atmospheric moisture, condensate, vortex energy, spring, simulation modeling, biocatalytic activity, redox potential.
Введение. Для многих мест на земном шаре проблема нехватки питьевой воды не является новой, так как она обусловлена климатическими особенностями, а именно небольшим количеством осадков. К засушливым областям относятся те территории, где выпадает менее 400 мм осадков в год. При таких значениях невозможно ведение сельского хозяйства без дополнительных источников воды. Наиболее засушливые области, где выпадает
менее 100 мм осадков в год, составляют 34% земной поверхности (без учета Антарктиды). На аридные области (100-200 мм осадков в год) приходится 15% поверхности суши. Столько же занимают се-миаридные области (200-400 мм осадков в год). Территории аридных земель в основном приходятся на развивающиеся страны, в которых нормы потребления воды отличаются от индустриальных стран. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в развивающихся странах лишь
25% сельского населения имеют приемлемый доступ к источнику водоснабжения. Территории 36 государств мира включают засушливые области, а территории 11 стран представляют собой на 100% засушливые области (Египет, Саудовская Аравия, Йемен, Джибути и др.). В России к районам, испытывающим дефицит пресной воды, относится Крым и Калмыкия, из стран ближнего зарубежья - Казахстан, Туркмения, Узбекистан. В настоящее время водный голод ощущается даже в тех местах, где раньше его не было. На 70% всех обрабатываемых земель царит засуха. При этом в нетронутых степях содержание влаги в почве в 1,5 - 3 раза больше, чем в пашне. Причина водного голодания не в недостатке пресной воды, а в нарушении цепи, связывающей воду с почвой. И всё более ощутимее на изменение режима вод суши влияет деятельность человека, в результате которой заметно увеличивается расход вод на испарение в процессе развития орошения и увеличения площади водохранилищ. Сокращение атмосферных осадков и речного стока при увеличении испаряемости внутренних областей суши также привело к снижению их общей увлажненности. Так же, с деятельностью человека связано изменение обмена подземных вод, их пополнение за счет создания искусственных водоемов и сокращения в результате интенсивного выкачивания. Ежегодно извлекается до 20 тыс. км3 подземных вод. В настоящее время, под воздействием антропогенной деятельности, более 20 % территории континентов преобразована коренным образом (перевыпас скота, вырубка лесов и т.п.), что привело к изменению водного режима. Такие экологические нарушения не могли не сказаться на глобальном процессе потребления воды [1, 2, 3].
1. Так где же взять чистую воду?
В настоящее время основным источником пресной воды являются воды рек, озер, артезианских скважин и опресненная морская вода. Количество воды, находящейся в данный момент в атмосфере, равно 14 тыс. км3, в то время как во всех речных руслах всего 1,2 тыс. км3. Ежегодно с поверхности суши и океанов испаряется 577 тыс.кмз воды, столько же потом выпадает в виде осадков. Речной годовой сток составляет лишь 7% общего количества выпадающих осадков. Из сравнения обшего количества испаряющейся влаги и количества воды в атмосфере легко видеть, что в течение года она обновляется в атмосфере 45 раз [4]. Таким образом, основной источник пресной воды -вода в атмосфере - оказывается неиспользуемым. Большие возможности - за методами добычи воды из атмосферного воздуха с использованием природных
энергетических факторов. Это подтверждается следующими данными:
- огромные пустынные области расположены в зонах, где плотность солнечной энергии максимальная;
- абсолютное содержание паров воды в атмосферном воздухе пустынь мало отличается от других регионов;
- территории для сбора рассеянной солнечной энергии и объемы воздуха, используемого для добычи воды, практически не ограничены;
- атмосферный воздух является наиболее чистым и восстанавливаемым источником воды;
- ресурс пресной воды в атмосфере постоянно обновляется, качество конденсата для большинства районов нашей планеты очень высокое: в нем на два-три порядка меньше токсичных металлов (по сравнению с требованиями санитарных служб), практически нет микроорганизмов, он хорошо аэрирован. Как показывают экономические оценки, вода из атмосферы может стать самой дешевой из всех, что получаются иными способами. Количество воды в атмосфере оценивается в 14 тыс. км3, в то время как пресная вода в гидросфере составляет по объему лишь 1,2 тыс. км. За методом добычи воды из атмосферного воздуха с использованием природных энергетических факторов - большое будущее. Между тем, огромные территории ряда развивающихся стран, расположенных в аридных районах земного шара, все еще остаются неосвоенными из-за отсутствия ресурсов пресных вод и энергии.
2. Предыстория способов конденсации влаги из воздуха.
Ещё в далекой древности - до 3000 лет назад, умели добывать пресную воду путем естественной конденсации водяных паров из воздуха:
■ в античные времена в Крыму для обеспечения водой города Феодосия использовались насыпи из щебня в виде пирамиды, которые сооружались на невысоком горном плато. За счет разницы дневной и ночной температуры окружающего воздуха на поверхности щебня образовывался конденсат и стекал в специальную емкость. Оттуда естественным путем по желобу он поступал к водоразборным сооружениям. В засушливые летние месяцы конденсировалось такое количество воды, которое обеспечивало 80 тысяч жителей [http ://interesko. info/naznachenie -zagadochnyx-peshhemyx-kompleksov-v-peshhemyx-gorodax-kryma][5].
■ с незапамятных времен известны системы типа «Водяной конус» (Рис.1.) [youtube]On7gbKIa5zc[/youtube].
Рис.1. Водяной конус
■ наглядным примером способности инженеров древности использовать природные эффекты является Великий шёлковый путь [http://technicamolodezhi.ru/news/rss/; www.npto.com]. Одним из его главных достоинств были колодцы. Вдоль пути на расстоянии в 12.. .15 километров друг от друга были созданы колодцы, в каждом из которых имелось воды, в количествах достаточных, чтобы напоить караван в 150...200
верблюдов. В таком колодце чистая вода добывалась непосредственно из атмосферного воздуха. Благодаря конструкции колодца через его объём «прокачивался» пустынный воздух тысячами кубометров в сутки и у каждого такого кубометра отнималась практически вся масса воды, содержащаяся в нём. Древние инженеры использовали «Вихревой эффект.
Рис.2. Вихревой колодец
Сам колодец был наполовину своей высоты вкопан в грунт (Рис. 2.). Путешественники спускались за водой по лестницам - а таких спусков было несколько, - на отмостки и черпали воду. В центре углубления для скопившейся воды возвышалась аккуратно выложенная высоким конусом груда камней (конденсатор?!). Вода, и воздух на уровне от-мостков, были на удивление холодными, хотя снаружи колодца стояла убийственная жара.
■ водопроводная система для конденсации и транспортировки воды (Рис. 3, 4) Шк:/^;/Величайшее изобретение древности.html], которой около 3000 лет. Сооружение называется кяриз, или qanat, и находится оно в городе Гонабад, что в современном Иране. Кяриз считается одним из величайших изобретений того времени! Эта водопроводная система способна конденсировать собирать воду из подземных горизонтов и транспор-
тировать ее в города и ирригационные каналы. Благодаря этому Персия смогла существовать и развиваться в условиях засушливого климата.
Рис.3. Колодцы гонабадского кяриза
Гидротехническая система включает в себя основной колодец, который получает воду из подземного горизонта, систему туннелей, по которой вода транспортируется в определенное место, и вертикальные скважины для вентиляции вдоль всего
маршрута, что также позволяет конденсировать влагу. Ко всему прочему, подземный водовод значительно снижает испарение драгоценной влаги.
Рис.4. Схема кяриза
Длина гонабадского кяриза составляет 33,113 километров, он содержит 427 углублений для воды. Сооружения построены с использованием знаний законов физики, геологии и гидравлики. Подобный метод получения воды был заимствован многими другими народами и встречается в Марокко, Алжире, Ливии и Афганистане. Кяриз есть также в Евпатории и в Крыму. Гонабадская система действует до сих пор, хоть и была построена почти 3000 лет назад. В наши дни она обеспечивает водой примерно 40 000 человек, а это очень внушительная цифра.
■ На северо-западе Китая в Синьцзян-Уйгур-ском автономном районе существует чудо под пустыней (Рис. 5.) - система каналов (кяризы) протяжённостью более 5 тыс. километров. Подземные каналы, служили жителям региона на протяжении веков. Они были высотой 1,5 метра, шириной 60-70 см и несли 858 кубических метров воды в день. Эти каналы были построены уйгурами 2 200 лет назад. Система каналов пролегает на глубине 110 метров и представляет собой разветвленную сеть под пустыней [https://www.borsagundem.com/foto-galeri/colun-altinda-turk-mucizesi-neredeyse-cin-seddi-kadar-uzun-galeri/1440431/19].
Рис. 5. Уйгурская система водоснабжения
3. Современные технологии экстракции влаги из воздуха.
В настоящее время для решения вопросов водоснабжения предлагается ряд технологий различной производительности для производства воды из воздуха. В целом их можно разделить на два класса - это устройства сорбции и десорбции влаги и устройства, охлаждающие воздух ниже температуры точки росы при помощи холодильников компрессионного типа. Проблема этих технологий - в их большой энергозатратности:
• «Холодильник Зысина В.А.». В установке охлаждение идет в два этапа. Верхняя часть установки утилизирует теплоту, а нижняя часть - по существу представляет собой обычный компрессионный холодильник, т.е. схема Зысина способна использовать тепло охлаждаемого тела ниже температуры охлаждающей среды, например, до температуры точки росы.
• Солнечный цикл тепловой машины Рен-кина. Здесь используются фазовые превращения для создания движущей силы на компрессоре и насосах. Это по сути тепловой насос.
• Детандернная схема. Наружный воздух через входное устройство поступает на теплообменник, захолаживается и сбрасывает влагу, затем поступает на детандерную турбину, где расширяется до давления около 0,05-0,085 МПа с понижением температуры до 0-3 °С и поступает на сепаратор, где осуществляется отвод влаги. Один литр воды в час получается при затратах энергии 0,35-1,0 кВт/ч.
• Абсорбционный трансформатор. Исходя из средней мощности потока энергии на поверхности Земли в 1,366 кВт/м2, общая мощность потока энергии солнечного излучения, падающего на Землю, примерно равна 1,74- 1017Вт. Эту энергию можно использовать для получения воды путем
осушения воздуха при помощи абсорбционного трансформатора. Энергия солнца позволяет отказаться от большого количества механических частей требующих затрат электроэнергии (например, «Атмосферный водогенератор», компании Aquamanic (Япония), производительность 30-40 л/час, мощность 1,1 кВт, фреон R13, вес 50 кГ, цена 94 тыс.руб.) [6, 7].
Но ., здесь необходимо обратить внимание, что те, для кого эти технологии нужны прежде всего - это страны Африки, Юго-Восточной Азии, Южной Америки, как правило, имеют проблемы и с электричеством.
4. Вихревой Воздушный Родник.
Предлагается современная альтернативная автономная энергонезависимая установка с использованием технологий вихревой энергетики - «Воздушный Родник» для получения пресной воды из атмосферного воздуха [8 - 15]. «Воздушный Родник» осуществляет эффективную экстракцию влаги из атмосферного воздуха за счет использования набегающего потока воздуха (ветра), формирования его, с помощью «Генератора вихря», в ламина-ризированный квазипотенциальный закрученный воздушный поток и подохлаждения этого воздушного потока до «точки росы» в пластинчатом теплообменнике. Конденсат влаги накапливается в блоке водосборника. Для увеличения эффективности работы установки и интенсивности экстракции пресной воды, конструкция активного экстрактора в «Воздушном Роднике» может быть дополнена тепловой трубкой, грунтовым тепловым насосом или вихревым холодильником и т.п. и альтернативными источниками электроэнергии - Вихревой Ветроэнергетической Установкой [8, 9] (Рис.6.) или солнечным фотомодулем.
Рис.6. Опытный образец вихревой ветроэнергетической установки
Вихревая Ветроустановка работает от набегающего потока воздуха (ветра) и эжектирует воздух из блока воздухозаборника в блок охлаждения. Эффективность работы установки и интенсивность экстракции зависят только от скорости ветрового потока, температуры наружного воздуха и количества влаги, содержащейся в воздухе. Конструкция «Воздушного родника» сформирована таким образом, чтобы можно было гибко изменять её габариты
и мощность, приспосабливать как для индивидуального водопотребления, так и для водоснабжения поселений, а также для создания искусственных водоёмов в засушливых районах для поддержания экологических каркасов, подверженных опустыниванию, засолению и деградации. На Рис.7. представлена физическая 3D-модель «Генератора вихря и Вихревого холодильника» - основных элементов «Воздушного родника».
Рис.7
На Рис. 8. представлена схема «Воздушного родника».
1
Рис.8. (1- воздушный эжектор; 2 - вихревой охладитель; 3 - теплообменник; 4 - выход отработанного воздуха; 5- холм (насыпь); 6 - водоём; 7 - тепловая трубка; 8 - вихревая ветроустановка; 9 - солнечная
панель; 10 - к потребителю).
Для удобства сбора полученной пресной воды и улучшения эксплуатационных характеристик установки водосборник с конденсатором росы размещают под насыпным холмом выше линии грунта высотой равной глубине прогревания грунта в зависимости от климатических условий конкретной местности. Вода отводится к потребителю по мере
её накопления в водосборнике. Изготовлено нескольких опытных масштабных образцов «Воздушного родника». Один из них (Рис.9.) установлен в Крыму, в Ялтинском Ботаническом саду. Его размеры: - высота 1,2 м, диаметр 1,2 м, материал -пластмасса. В летнее время в течение суток он вы-
дает чуть более (0.5 -0.7) м3 чистой холодной воды.
Рис.9. Опытный образец «Воздушногородника» (Крым, Ялта, Ботанический сад)
Предлагаемое устройство, ничем не может навредить окружающей среде (даже если их будет установлено очень много в каком-то определённом месте). Процесс в летнее время может идти беско-
нечно, работа аппаратов ограничена лишь погодными условиями, а как показывают экономические оценки, вода, сконденсированная из атмосферы, намного дешевле и чище воды, полученной лю-
быми другими способами. Например, широко распространенные способы «опреснения» морской воды очень энергозатратны, большие проблемы с отходами опреснения - жидкая «рапа», сухая соль, (куда её девать?), а в получаемый после «опреснения» дисциллят воды обязательно необходимо добавлять комплекс солей (~7%).
Использование большого количества родников позволит замедлить или остановить процесс опустынивания, а также включить в процесс природного водоворота пресную воду атмосферы.
5. Технологии разработки и исследования Воздушного Родника.
5.1. Компьютерное имитационное моделирование трехмерной модели вихревого холодильника и эжектора воздушного потока.
Расчет вихревого холодильника и многомодульного вихревого эжектора производился по мето-
дикам, изложенным в работах [9, 16, 17, 18], а построение их компьютерной модели и экспериментальные исследования - [19, 20, 21] (Основная часть работы по этому разделу выполнена в Самарском Государственном аэрокосмическом университете (СГАКУ) -Красноруцким И.А. и Бирюком В.В.). Для построения компьютерной модели Вихревого преобразователя Вихряка использовались средства компьютерного моделирования и анализа [CFJ/CFV/CFT -системы.] Для разработки 3D моделей использовался программный пакет КОМПАС-3D. В качестве программного пакета для газоаэродинамических расчетов был выбран ANSYS Fluent.
На первом этапе моделирования были созданы расчетные модели с помощью современной CAD-системыSolidWorks. Модели вихревого эжектора воздушного потока и вихревого холодильника представлены на рисунках 10 и 11.
Рис. 10. Расчетная модель вихревого эжектора
Рис. 11. Расчетная модель в/холодильника
Далее была наложена конечно-элементная сетка с помощью сеточного генератора ANSYS Meshing. Была использована сетка с конечными
элементами в виде тетраэдров. Сеточные модель представлены на рисунках 12 и 13.
Рис. 12. Сеточная модель вихревого холодильника
Далее были определены зоны, на которые накладываются различные граничные условия. В качестве граничных условий были выбраны входные и выходные поверхности. При исследовании течения газов наиболее часто на входе задаются граничные условия Pressureinlet, Velocityinlet или Massflowinlet, а на выходе Pressureoutlet. В данном случае на входной и выходных границах вихревого эжектора воздушного потока задано условие Veloc-^п^Ы Pressureoutlet соответственно. Остальные
Рис.13. Сеточная модель в/эжектора
зоны определены как непроницаемая стенка Wall. В результате анализа полученных результатов было выполнено пять пар расчетов вихревого эжектора воздушного потока и вихревого холодильника на различных режимах. Первый режим: скорость Воздушного потока обтекающего вихревого эжектора воздушного потока равна 1 м/с. Второй - 3 м/с, третий - 5 м/с, четвертый - 7 м/с и пятый - 9 м/с. В результате выполненных расчетов были получены картины течения газа, распределение параметров в
каждой точке, поля распределения параметров потока для вихревого холодильника и многомодульного вихревого эжектора. На рисунках 14, 15 представлены некоторые результаты расчетов.
а б в
Рис. 14.:
а - поле распределения давления в продольном сечении вихревого холодильника (режим - 5м/с); б -поле распределения давления на выходе из вихревого холодильника (режим - 5м/с); в - поле распределения давления в продольном сечении вихревого эжектора воздушного потока (режим - 5м/с).
с д е
Рис. 15.:
с - поле распределения давления в продольном сечении вихревого холодильника (режим - 9м/с); д -поле распределения давления на выходе из вихревого холодильника (режим - 9м/с) е - поле распределения давления в продольном сечении вихревого эжектора воздушного потока (режим - 9м/с)
Результаты, полученные при расчете вихревого эжектора воздушного потока на пяти режимах сведены в Таблицу 1.
Таблица 1
Номер режима Моделируемая скорость ветра, м/с Расход воздуха, кг/с Скорость потока, м/с
1 1 0,102 6
2 3 0,155 10
3 5 0,259 17
4 7 0,365 25
5 9 0,498 32
Для разработки 3D моделей конструктивных элементов вихревого эжектора использовался программный пакет КОМПАС 3D. Была построена геометрическая модель статорной части установки
(Рис. 16,17.).
Рис.16. Корпус статорной уста- Рис. 17. Компьютерная модель статорной
новки установки
На Рис.18. и в Таблице 2 представлены результаты компьютерных расчетов полей параметров аэродинамической структуры потоков рабочего тела исследуемой установки в вихревой и периферийной зонах Вихревого преобразователя
Таблица 2.
Массовый расход воздуха, кг/с Полное давление, Па Скорость, м/с
На входе в установку 0,0051833163 Л 101325,0 0,27886328
На входе в эжектор 0,02398211 101773,14 0,2
На выходе из установки 0,029139828 101582,27 1,8855532
Рис. 18 Поля скоростей воздушных потоков при входе в статорную часть установки 0,2 м/с.
Далее была произведена корректировка геометрии компьютерной модели статорной части установки и из построенной ранее 3D-модели методом быстрого прототипирования был выращен макет статорной части установки (Рис.19)
Рис.19. Макет статорной части установки
Для подтверждения или опровержения корректности выбранных предположений о характере работы установки и правильности задания граничных условий при проведении компьютерного исследования, был проведен натурный эксперимент на модели статорной части установки с измерением скоростных, гидравлических и расходных параметров потока на входе и выходе установки. На рисунках 20-23 графически представлены результаты
компьютерных расчетов аэродинамической структуры воздушных потоков с влиянием различных значений скорости ветра, набегающего на установку, и натурных экспериментальных исследований аэродинамических и гидравлических характеристик потоков рабочего тела статорной части натурной модели исследуемой установки на различных режимах работы - на экспериментальном стенде соединенным с автоматизированным комплексом сбора параметров.
Рис.20. Распределение скоростей рабочего тела, идущего от входа к выходу из статорной части установки
При скорости ветра в атмосфере равной 1 м/с и скорости рабочего тела на входе в установку 0,2 м/с (что соответствует расходу 0,023982 кг/с) картина
линий тока будет такой, как изображено на рисунках 22 и 23.
При скорости ветра в атмосфере равной 10 м/с и скорости рабочего тела на входе в эжектор установки равной 0,6 м/с, картина линий тока будет такой, как изображено на рисунке 23.
Рис.23.
Проведенные компьютерные исследования потоков в вихревой зоне модели статорной части ветроэнергетической установки [22, 23] позволили установить, что в ней образуется периферийный поток, текущий к выходному сечению и имеющий распределение окружной скорости, близкое к потенциальному течению и приосевой поток, вращающийся в ту же сторону и имеющий радиальное распределение окружной скорости, близкое к закону вращения твердого тела. В периферийном потоке, который принято в теории Вихревого эффекта называть свободным вихрем, в произвольном сечении температура торможения практически постоянна по радиусу, а в приосевом потоке, называемом вынужденным вихрем температура торможения резко снижается с уменьшением радиуса. Наиболее интенсивное круговое движение наблюдается в выходном сечении вихревой зоны, здесь имеет место наибольший градиент давления и температуры по радиусу.
5.2. Анализ результатов работы экспериментальной модели экстрактора атмосферной
влаги в натурных условиях. (Исследования проводились с 20 по 25 июня 2018 (Никитский ботанический сад, г. Ялта).
Процесс извлечения атмосферной влаги зависит от многих параметров (температура окружающей среды, давление, скорость и влажность воздушного потока). В Таблице 3 представлены расчетные зависимость степени извлечения от влияющих параметров:
V - объем воздуха, проходящего через установку, @эв - количество получаемой влаги за определенное количество времени (час, сутки),
^ = ^ветра 'П, (1.1)
где, Уветра - скорость воздушного потока, п -КПД установки - 50%.
Сэв =
(1.2)
100%-2
где, р - содержание пара, г/м3, RH% - относительная влажность воздуха,
V - объем воздуха, проходящего через установку, м3/с
фэв = 3600 ■ фэв, @эв час- количество получаемой влаги, г/час
"эв сутки = ¿24 I innn/„.-> J'
100%^2
(1.3)
Таблица 3
Расчет экстрагирования воды из атмосферного воздуха в Ялте на 20.06.2018г._
Время, ч RH% 1возд, С0 vветра, м/с V возд прох через уст, м3/с Содерж пара, г/м3 Qэв, г/с Qэв в г/час
0:00 74% 18 2,0 1,00 15,246 5,641 20307,672
1:00 74% 17 2,2 1,10 14,367 5,847 21050,528
2:00 73% 17 2,7 1,35 14,367 7,079 25485,621
3:00 73% 17 3,0 1,50 14,367 7,866 28317,357
4:00 74% 17 3,0 1,50 14,367 7,974 28705,266
5:00 75% 17 3,0 1,50 14,367 8,081 29093,175
6:00 76% 17 2,5 1,25 14,367 6,824 24567,570
7:00 74% 17 2,0 1,00 14,367 5,316 19136,844
8:00 72% 18 1,9 0,95 15,246 5,214 18770,875
9:00 71% 19 2,0 1,00 16,172 5,741 20667,816
10:00 73% 19 1,9 0,95 16,172 5,608 20187,508
11:00 77% 20 1,4 0,70 17,148 4,621 16636,990
12:00 80% 20 1,0 0,50 17,148 3,430 12346,560
13:00 78% 20 1,8 0,90 17,148 6,019 21668,213
14:00 75% 20 2,7 1,35 17,148 8,681 31252,230
15:00 73% 20 3,0 1,50 17,148 9,389 33798,708
16:00 73% 20 3,0 1,50 17,148 9,389 33798,708
17:00 72% 20 3,0 1,50 17,148 9,260 33335,712
18:00 71% 20 3,0 1,50 17,148 9,131 32872,716
19:00 73% 19 2,5 1,25 16,172 7,378 26562,510
20:00 76% 18 2,4 1,20 15,246 6,952 25027,834
21:00 79% 18 2,0 1,00 15,246 6,022 21679,812
22:00 75% 18 2,1 1,05 15,246 6,003 21611,205
23:00 75% 18 2,1 1,05 15,246 6,003 21611,205
0:00 73% 17 2,2 1,10 14,367 5,768 20766,062
Всего в сутки 609258,696
Исходя из уравнения (1.3), повысить эффективность можно либо увеличением объема проходящего воздуха через установку, либо устанавливать в местах с повышенном содержанием влаги в воздухе.
Рисунок 24. - Экспериментальное количество экстрагируемой влаги в г. Ялта на 20.06. 2018
Из рисунка 24 и таблиц 4 и 5 видно, что эффективность экстракции растет при увеличении скорости ветра и температуры окружающей среды.
Таблица 5
Экспериментальные показатели экстрагирования воды из атмосферного воздуха
Таблица 4.
Экспериментальные данные экстрагирования воды из атмосферного воздуха в Ялте на 20.06.2018
Время, ч RH% t возд, С° v ветра, м/с Содержпара.г/м' Qэв, г/с Qэв в г/час
0:00 74% 18 2.0 15,246 5.641 17307,672
1:00 74% 17 2.2 14,367 5,847 17050,528
2:00 73% 17 2,7 14,367 7,079 17485,621
3:00 73% 17 3.0 14,367 7,866 21317,357
4:00 74% 17 3,0 14.367 7.974 21705,266
5:00 75% 17 3,0 14,367 8,081 21993,175
6:00 76% 17 2,5 14.367 6.824 20567,570
7:00 74% 17 2,0 14,367 5,316 18136,844
8:00 72% 18 1.9 15,246 5.214 15770,875
9:00 71% 19 2,0 16,172 5,741 17667.816
10:00 73% 19 1,9 16.172 5.608 15187.508
11:00 77% 20 М 17.148 4.621 15636.990
12:00 80% 20 1.0 17,148 3,430 14346,560
13:00 78% 20 1,8 17.148 6.019 15668,213
14:00 75% 20 2.7 17,148 8,681 19252,230
15:00 73% 20 3,0 17,148 9,389 20798.708
16:00 73% 20 3.0 17,148 9,389 21798,708
17:00 72% 20 3.0 17,148 9,260 21335,712
18:00 71% 20 3,0 17,148 9,131 21272,716
19:00 73% 19 2.5 16,172 7,378 20562,510
20:00 76% 18 2,4 15,246 6.952 17027.834
21:00 79% 18 2.0 15,246 6,022 16679.812
22:00 75% 18 2,1 15,246 6,003 17611,205
23:00 75% 18 2,1 15,246 6,003 17611,205
Всего в сутки 545765,696
в Ялте с мая по сентябрь 2018г.
Дата t°C V м/с RH% Q г/сутки
20 мая 22 1.8 79 533328,80
25 июня 26 2.2 60 596365,12
5 июля 27 2.4 61 607130,08
30 июля 29 2.4 60 688090,80
15 августа 29 3.6 54 922985.84
10 сентября 20 2.1 80 452266,72
Проведены теоретические, а также и экспериментальные исследования процессов экстракции атмосферной влаги (в натурных условиях) экспериментальным образцом Воздушного Родника в Никитском ботаническом саду (Крым, г. Ялта). Исследования показали, что сравнивая результаты натурных экспериментов с теоретическими предпосылками, зависимости влияния определяющих параметров на работу установки (температура воздуха, его скорость и влажность) в общем случае имеют схожий характер, а, следовательно, адекватность рассмотренных функциональных зависимостей подтверждается и теорией и на практике.
5.3. Результаты измерений электрохимических показателей и биокаталитической активности воды, экстрагированной из атмосферного воздуха экспериментальным образцом Воздушного Родника в Крыму, на территории Ботанического сада (образец воды от 3 июля 2019 г.)
Оценка биоэнергетического состояния экстрагированной воды осуществлялась в соответствии со стандартными операционными процедурами, входящими в технологию контроля структурно - энергетического состояния воды - п.42.2 в соответствии с Реестром услуг ФГБУ «ЦСП», утвержденным Минздравом России на 2018 год. Основными показателями, используемыми в сравнительной оценке биоэнергетического состояния воды, являются:
- Биокаталитическая активность (концентрация НО2-(*), мкг/л) - показатель, устанавливающий степень электронной неравновесности воды, отвечающей за интенсивность колебательных и конформационных процессов в воде, биологических мембранах, белках и нуклеиновых кислотах, работу «клеточных насосов», транспорт везикул и пролиферативную активность клеток;
- Окислительно - восстановительный потенциал ЕЙ, мВ - показатель, оценивающий стабильность системы антиоксидантной защиты клеток, степень свободнорадикальной нагрузки на клеточные структуры и участие в запуске программы апоптоза клеток;
- Термодинамический показатель (динамическая вязкость, д, сантипуаз) - показатель, определяющий термодинамические и реологические свойства жидкости в организме, приток энергии гидратации белковых структур клеток и их способность к конформационной перестройке;
- Доля фазы ассоциированной воды, q,% -показатель степени гидратации белков, устанавливающий эффективность электронного переноса и транспорта внутриклеточных метаболитов, активность ферментов и органелл клеток и активирующее действие на клеточный цикл;
- Энергетическое распределение фазы ассоциированной воды (доля состояний Д^О, отн.ед.)
- показатель направленности активирующего и ре-гуляторного действия на работу внутриклеточных структур и селективной экспрессии оперонов ДНК, управляющих клеточным циклом и дифференци-ровкой клеток.
Результаты исследований:
Оценка изменений биоэнергетического состояния исследуемой воды проводилась в соответствии с методологией оценки биоэнергетической активности питьевых вод [24]. Основными показателями оценки являются: водородный показатель (рК), окислительно-восстановительный потенциал (ЕК), электропроводимость (таблица 6), концентрация пероксид анион - радикалов (НО2-(*)) (таблица 7), биотест «Эколюм» (оценка токсичности и биоэнергетической активности)(таблица 8). Итоговая характеристика биоэнергетической активности тест - образцов воды представлена в таблице 9 и в выводах
Таблица 6
Электрохимические показатели экстрагированной воды
Дата Тв,°С Образец ph, ед. Eh, мВ S, мкС/см То,°С
средн. вар. средн. вар. средн. вар. средн.
3 июля 23,8 Экстрагир. вода 5,5894 0,016 262,7 0,002 35,5 0,001 23,2
Таблица 7
Параметры кинетики люминол-геминовой хемилюминесценции и биокаталитическая активность экстра_гированной воды_
Дата Тв,°С Образец Сумма (3) Амплитуда, Ам Время 1м, сек [НО2"е)], мкг/л
средн. вар. средн. вар. средн. вар. средн.
3 июля 23,8 Экстрагир. вода 10, 7 0,04 22,7 0,09 0,37 0,31 8,47
Оценка токсичности и биологической активности воды по отношению микроорганизмов осуществлялось в соответствие с утвержденными МЗ РФ методическими документами [25].
Экспресс-тестирование образцов питьевой воды проводилось с помощью люминесцентного бактериального теста «Эколюм» в соответствии с Методическими рекомендациями по изменению степени свечения микроорганизмов, возникающему в результате их жизнедеятельности в экспе-
риментальных водах. Интенсивность свечения фиксируется прибором «Биотокс-10». Критерием оценки биологической активности воды служит показатель активности, рассчитываемый по формуле А=1о/1к, где 1о и 1к соответственно интенсивность свечения опытного (о) и контрольного (к) образцов. Проба воды считается активной, если величина А составляет 1,2 и более. При значениях А в диапазоне 0,8-0,5 вода токсична, а при А<0,5 - очень токсична.
Таблица 8
Оценка реакции тест-организмов «Эколюм» на экстрагированную воду
Время (от 3.07) Сравниваемые образцы воды Относительная активность, 1о/1к
Дистиллированная вода (контроль) Экстрагир. вода (опыт)
среднее вариации среднее вариации
10:00 - 12:00 46 0,24 44,16 0,22 0,96
Полученные значения показателей биоэнергетической активности, приведенные в таблице 8, свидетельствуют о биологической инертности исследуемой воды.
Таблица 9
Характеристика биоэнергетической активности тест - образцов воды_
Показатели Уровни биоэнергетической активности Экс-трагир. вода
низкий средний высокий Экстремально высокий
Биокаталитическая активность (концентрация НО2-(*), мкг/л) < 10-1 10-1... 1 1... 10 10.40 8,47
Окислительно - восстановительный потенциал Е^ мВ 230...400 230.150 150.-50 -50.-150 262,7
Термодинамический показатель (динамичес-кая вязкость, д, снПз) 1,100-0,995 0,995-0,980 0,980-0,970 0,970-0,955 -
Доля фазы ассоциированной воды, q, % 0,0012.0,4 0,4.0,7 0,7.1,0 >1,0 -
Энергетическое распределение фазы ассоциированной воды (доля состояний Д^О, отн.ед.) Д<0,1 qi>1,0% 0,25>Д>0,1 1,2%>qi>1,0% 0,15>Д>0,05 qi>1,2% Д>0,15 qi>1,2% -
Экстрагированная вода, полученная экспериментальным образцом Воздушного Родника, по своим электрохимическим показателям соответствует осмотической воде (электропроводимость S=35,5мкС/см). Низкие значения водородного показателя и высокие значения окислительно-восстановительного потенциала исследуемой воды свидетельствуют о наличии кислых продуктов в воде, к которым могут быть отнесены атмосферные газы (углекислый газ, сернистый и серный ангидриды и др.), а также перекись водорода.
Результаты хемилюминесцентного анализа подтверждают наличие молекулярной перекиси водорода в воде, что может быть следствием протекания электрофизических процессов в воде за счет использования вихревого эжектора в процессе конденсации влаги.
Исследуемая вода не обладает токсичностью, при этом она биологически инертна и не может быть рекомендована для питьевых целей без добавления в неё специально подобранного комплекса солей, но для орошения и полива сельхозозяйствен-ных культур подходит идеально - экстрагированная вода аналогична талой воде.
Выводы:
• Представлен альтернативный источник влаги - экстрактор пресной воды из атмосферной влаги, работающий полностью в автономном режиме, пригодный для массового потребления и сельского хозяйства;
• В процессе разработки экстрактора проведено исследование процессов и параметров установки;
• Проведена оценка термодинамики температурного разделителя и компьютерное имитационное моделирование вихревого эжектора;
• По результатам компьтерного моделирования были разработаны 3D чертежи и 3D детали конструкции нагнетательного блока экстрактора атмосферной влаги и вихревого температурного разделителя;
• Были построены расчетные модели и наложена конечно-элементная сетка, произведена
настройка решателя программного комплекса ANSYS Fluent, выполнен расчет аэродинамической структуры потока и проанализированы результаты расчета аэродинамической картины потока;
• Проведены натурные испытания экстрактора, установленного в Ботаническом саду г. Ялта. Результаты экспериментальных исследований адекватны теоретическим предпосылкам;
• Проведены исследования электрохимических показателей и биокаталической активности воды, экстрагированной из атмосферного воздуха. Полученная вода не обладает токсичностью, биологически инертна, при использовании для питьевых целей необходима добавка комплекса солей, для орошения и полива сельскохозяйственных культур - идеальна.
Список литературы
1. Крыжановский Р.А., Громов Е.Н., Галушкина Т.П., Морская экономика: сегодня и завтра. М. :»Наука», 1991.
2. Захаров Л.А., Экологическая генетика и проблемы биосферы, - Л.: Знание, 1984.
3. Данилов-Данильян В.И., Глобальная проблема дефицита пресной воды //Век глобализации, №1, 2008, С.45-56.
4. Хргиан А.Х., Физика атмосферы, 1978. Т.2., - Л.: Гидрометиздат.
5. Зибольд Ф.И., Роль подземной росы в водоснабжении города Феодосия //Труды опытных лесничеств, 1905, №3, С. 387-412.
6. Алексеев В.В., Чекарев К.В., Получение пресной воды из влажного воздуха. Аридные экосистемы, 1996, Т.2. №2-3, С. 111-122.
7. Robert S., Schemenauer and Pilar Cere-ceda//Fog-water Colltction in Arid Coastal Locations. Ambio.1991. Vol. 20, №7, Р. 303-308.
8. Патент РФ № 2093702, Вихревая ветро-установка, Бюл. 29 от 20.10.1997, Серебряков Р.А.
9. Серебряков Р.А., Вихревая ветроэнергетика, Москва, изд. «ONE BOOK», 172 С., 2020.
10. Патент РФ №2648796, Способ и установка экстракции пресной воды из атмосферного
воздуха, Бюл. 10 от 28.03.2018, Доржиев С.С., Серебряков Р.А.
11. Патент РФ № 2649890, Установка экстракции пресной воды из атмосферного воздуха, Бюл. 10 от 05.04.2018, Доржиев С.С., Серебряков Р.А., Базарова Е.Г.
12. Патент РФ №2703119, Вихревой эжектор, Бюл. 29 от 15.10.2019, Серебряков Р.А.
13. Патент РФ № 2681282, Вихревой экстрактор атмосферной влаги, Бюл. 2 от 05.03.2019, Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г.
14. Патент РФ № 2683552, Вихревая установка конденсации влаги из атмосферного воздуха, опубл. 23.03.2019, Бюл. 3. Серебряков Р.А.,
15. Патент РФ № 2717043, Пневмоэкстрак-тор атмосферной влаги (варианты), опубл. 17.03.2020г., Бюл. 8, Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Акобян Р.Х.
16. Патент РФ №2751004, Автономный экстрактор атмосферной влаги, опубл. 07.07.2021, Бюл. 19, Серебряков Р.А.
17. Бирюк В.В., Красноруцкий А.С., Зубрилин И.А., Вихревая газоветроэнергоустановка для электроснабжения компрессорных станций/Вестник СГАУ, 2011, №5(29), С. 29-35.
18. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Толстоно-гов А.П., Методика расчета вихревых ветроустано-вок, Самара, НТО СГАКУ, 1992, 96 с.
19. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. 183 с.
20. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Вихревой эффект энергетического разделения газов в системах охлаждения и кондиционирования, ж. Вестник МАИ, №10, 1994г., с.33^34.
21. Бирюк В.В., Сукчев В.М., Смоляр Г.А., Расчет вихревых авиационных охладителей, труды 4-й ВНТК «Вихревой эффект и его применение в технике», КуАИ, Куйбышев, 1984, с.59-63.
22. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений [Текст] / К.Н. Волков. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 368 с.
23. Волков К. Н. Моделирование турбулентных течений на основе метода крупных вихрей: Учебное пособие. - СПб: БГТУ, 2003. - 85с.
24. Рахманин Ю.А., Стехин А.А., Яковлева Г.В. Методология оценки качества питьевой воды по структурно - энергетическим показателям. Гигиена и санитария. 2012; 2: 26-30.
25. Методика экспрессного определения токсичности воды с помощью люминесцентного бактериального теста «Эколюм, Методические реко-мендации.-М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000.
ПРИМЕНЕНИЕ АВТОНОМНЫХ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
Соболь А.Н.
Кандидат технических наук., доцент ФГБОУВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ
Андреева А.А. Студентка факультета энергетики ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ
USING AUTONOMOUS ASYNCHRONOUS GENERATORS IN WIND POWER PLANTS
Sobol A..
Candidate of Technical Sciences., Associate Professor FSBEI HE Kuban SA U, Krasnodar, Russian Federation
Andreeva A. student of the Faculty of Energy FSBEI HE Kuban SA U, Krasnodar, Russian Federation
Аннотация
Классифицируют асинхронные генераторы в зависимости от способа возбуждения, характера частоты, способа стабилизации напряжения, конструктивного исполнения и числа фаз. В настоящее время используют автономные асинхронные генераторы с емкостным возбуждением в том числе в ветроэнергетических установках. Преимущества ветроустановок на основе асинхронного генератора двойного питания: использование полупроводникового преобразователя меньшей мощности, что позволяет значительно снизить его стоимость.
Abstract
Asynchronous generators are classified depending on the method of excitation, the nature of the frequency, the method of voltage stabilization, design and number of phases. Currently, autonomous asynchronous generators with capacitive excitation are used, including in wind power plants. The advantages of wind turbines based on a dual-fed asynchronous generator: the use of a semiconductor converter of lower power, which can significantly reduce its cost.
