CC BY
13Статья поступила в редакцию 20.10.09. Ред. рег. № 624 The article has entered in publishing office 20.10.09. Ed. reg. No. 624
УДК 664.38:57.042:631.576
НЕТРАДИЦИОННЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Ю.М. Проселков, Ю.В. Королева
Кубанский государственный технологический университет 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2 Тел. (861) 233-08-76, факс (861) 259-65-92, e-mail: umproselcov@mail.ru; marysialove@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.11.09 Заключение совета экспертов: 15.11.09 Принято к публикации: 25.11.09
В работе рассмотрена проблема обеспечения человечества пресной водой. Обсуждается возможность добычи пресной воды из атмосферного воздуха с помощью энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии, в частности солнца. Приведены данные процесса регенерации адсорбентов, полученные опытным путем, которые рассматривались на предмет пригодности использования для получения воды.
Ключевые слова: пресная вода, атмосферный воздух, адсорбция-десорбция, солнечная энергия, содержание влаги
NONTRADITIONAL METHOD OF THE RECEPTION OF FRESH WATER
FROM ATMOSPHERIC AIR
Yu.M. Proselkov, Yu.V. Koroleva
Kuban state technological university 2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072, Russia Tel. (861) 255-84-01, fax (861) 259-65-92, e-mail: umproselcov@mail.ru; marysialove@mail.ru
Referred: 10.11.09 Expertise: 15.11.09 Accepted: 25.11.09
The problem of mankind provision by fresh water is considered. The possibility of the mining of fresh water from atmospheric air by means of equipment on base of the renewed sources to energy, in particular sun, is discussed. The process data to regeneration of adsorbents, got by practical consideration, are given, which were considered on the use for reception of water.
В настоящее время проблема обеспечения человечества пресной водой имеет первоочередное значение. Для засушливых и безводных районов весомое значение имеет получение питьевой воды в локальных природных условиях. Этот вопрос привлекает большое внимание специалистов многих стран мира.
В настоящее время в мире эксплуатируются и продолжают совершенствоваться различные типы опреснительных установок. Работы в этой области интенсивно ведутся в США, Средней Азии, Японии, Франции, Италии, Саудовской Аравии и в ряде других стран. 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. В настоящее время для решения вопросов водоснабжения хозяйства этих стран рекомендуется использование местных нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Из-за специфики пустынных условий, разбросанности потребителей и малой плотности нагрузок централизованное энергоснабжение в этих районах исключается, а использование дальнепривозных вод слишком дорого. Поэтому целесообразно базировать водоснабжение на использовании природных ресурсов, в том числе солнечной энергии.
На наш взгляд, большие возможности - за методом добычи воды из атмосферного воздуха с использованием природных энергетических факторов. Это подтверждается следующими данными:
1 - огромные пустынные области расположены в зонах, где плотность солнечной энергии максимальная;
2 - абсолютное содержание паров воды в атмосферном воздухе пустынь мало отличается от других регионов;
3 - территория для сбора рассеянной солнечной энергии и объемы воздуха, используемого для добычи воды, практически не ограничены;
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (79) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
4 - использование солнечной энергии в целях получения питьевой воды из атмосферного воздуха не приводит к загрязнению окружающей среды, что является весьма актуальным в настоящее время;
5 - атмосферный воздух является наиболее чистым и восстанавливаемым источником воды.
В условиях отсутствия соленых вод в пустынных районах единственный природный ресурс для получения питьевой воды - атмосферный воздух. Количество воды в атмосфере оценивается в 14 тыс. км3, в то время как пресная вода в гидросфере составляет по объему лишь 1,2 тыс. км3.
За методом добычи воды из атмосферного воздуха с использованием природных энергетических факторов - большое будущее.
Для получения воды из атмосферного воздуха методом адсорбции-десорбции предлагается установка, разработанная на кафедре теплотехники Куб-ГТУ под руководством Заслуженного деятеля науки и техники РФ Проселкова Ю.М. Установка (рис. 1) содержит пористую среду (гранулы, ткань или другие пористые материалы), пропитанную раствором сорбента (хлористого кальция, хлористого лития или других сорбирующих растворов). Пористый материал с раствором образуют развитую поглощающую поверхность. Сверху поглощающая поверхность закрыта светопроницаемой крышкой, открывающейся наружу. Снизу поглощающую поверхность ограничивает теплоизолирующая крышка, которая также открывается наружу.
Рис. 1. Схема установки для получения воды из атмосферного воздуха методом абсорбции-десорбции Fig. 1. The scheme of the installation for reception of water from atmospheric air by absorption-desorption method
В ночное время, когда температура атмосферного воздуха уменьшается и относительная влажность увеличивается, поглощающую поверхность освобождают от крышек, отводя их в стороны.
За счет градиента парциального давления водяного пара между воздухом и поверхностью раствора начинается процесс поглощения водяного пара из воздуха раствором. Поглощение длится в течение ночного времени. После окончания процесса поглощения уменьшается концентрация раствора, т.е. увеличивается его водосодержание.
В дневные часы обе крышки возвращают в исходное положение и таким образом изолируют погло-
щающую поверхность с двух сторон от окружающего воздуха. В таком виде установка представляет собой плоский солнечный коллектор парникового типа.
Под воздействием солнечной радиации поглощающий материал нагревается, увеличивается парциальное давление водяного пара, находящегося в растворе, по сравнению с давлением пара над внутренней поверхностью верхней крышки, и начинается процесс испарения поглощенной воды из сорбирующего вещества.
Выделившиеся водяные пары устремляются вверх и контактируют с внутренней поверхностью верхней крышки. За счет теплообмена между внешней поверхностью крышки и наружным воздухом пары воды охлаждаются, и начинается процесс конденсации. Таким образом, в дневные часы в установке происходят два процесса одновременно: регенерация сорбента и конденсация водяного пара.
Под действием гравитационного поля конденсат стекает вниз вдоль поверхности крышки в сборник для воды.
Производительность такой установки составляет примерно 1,5 л/сут на 1 м2 поверхности коллектора.
В лаборатории и натурных условиях был проведен большой объем экспериментов по изучению двух предлагаемых вариантов получения воды из воздуха:
- охлаждением воздуха до температуры ниже точки росы;
- поглощением влаги из воздуха адсорбентом с последующим ее выделением методом регенерации при помощи солнечной энергии.
Атмосферный воздух является однородной смесью нескольких газов, составляющих сухую его часть, и водяных паров. Смесь сухой части воздуха и водяных паров называют влажным воздухом. Выделение влаги из воздуха является процессом массооб-мена. Для осуществления переноса массы необходимо различие потенциалов в разных точках среды (жидкость и газ, соприкосновение жидкости с твердым телом и др.). Применительно к режимам выделения влаги из воздуха в качестве потенциала для переноса массы (водяного пара) используется разность парциальных давлений водяных паров. Различие потенциала парциального давления можно реализовать различными технологическими способами.
Осушение воздуха можно производить с помощью воздухоосушительных установок сорбционного типа. Такой процесс поглощения паров твердым телом, как известно, называется адсорбцией, а процесс поглощения паров жидкостью - абсорбцией.
В процессе осушения воздуха адсорбентом при равенстве начальной температуры воздуха и адсорбента энтальпия воздуха практически не изменяется. Адсорбентами воздух может быть осушен до ф = 0%. Однако по мере увлажнения сорбента эффективность процесса осушения уменьшается. Поэтому сорбент периодически необходимо регенерировать, то есть выпаривать.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Ю.М. Проселков, Ю.В. Королева. Нетрадиционный метод получения пресной воды из атмосферного воздуха
Регенерация влаги, поглощенной сорбентом, может осуществляться одним из следующих способов: продувкой адсорбента горячим газом-носителем; нагревом слоя извне или изнутри нагревательными элементами; вытеснением поглощенного вещества лучше сорбирующимся веществом; подачей в слой адсорбента подогретого, преимущественно сухого инертного газа; при использовании вакуума; продувкой адсорбента частью осушенного газа с пониженным давлением [1].
Результаты исследования процесса регенерации абсорбента при использовании солнечной энергии в холодильных установках открытого термодинамического цикла опубликованы в работах [2, 3]. В этих работах была исследована скорость испарения воды с поверхности раствора в атмосферный воздух при его течении на плоской поверхности регенератора. Однако при добыче влаги из адсорбента с помощью солнечной энергии регенерация адсорбента сопровождается конденсацией паров воды на поверхности конденсации в замкнутой системе регенерации. К сожалению, этот вопрос мало изучен. Гигроскопическая соль хлористого лития является одним из сильнейших осушителей. Нами были проведены эксперименты, в которых рассматривалось четыре вида солей (хлористый литий, хлористый кальций, хлористый калий и хлористый натрий). Все опытные образцы были приведены к одинаковому дисперсному составу, массе и помещены в одинаковые мешочки. После чего в течение трех суток все опытные образцы подвергались процессам сушки и насыщения. Процесс сушки осуществлялся в сушильном шкафу при температуре 104-108° С двенадцать часов с интервалом замера массы солей в один час. Через двенадцать часов опытные образцы были извлечены из сушильного шкафа и размещены на улице в ночное время суток для процесса насыщения. Процесс насыщения длился двенадцать часов. Интервал замера массы солей один час. Производились также замеры относительной влажности воздуха, атмосферного давления и температуры воздуха. Процессы сушки и насыщения представлены на рис. 2.
Как видно из графиков, хлористый литий лучше остальных солей подвергался процессам сушки и насыщения. Хлористый кальций также является хорошим осушителем, но очень плохо поддается сушке. Соли калия и натрия практически не реагируют на производимые над ними действия.
Однако применение соли в твердом виде затруднительно, так как в атмосфере воздуха она быстро растворяется и затем превращается в раствор. Если же наносить эту соль на пористые подложки (носители), то удается увеличить время работы соли в несколько раз, поскольку поры носителя предотвращают стекание насыщенной влаги раствора. В ряде работ и нами исследована способность сорбировать влагу солью хлористого лития на различных подложках - гранулированных и плоских. Соль наносилась на подложки методом пропитки в насыщенном
растворе с последующим высушиванием образцов до постоянного веса. Результаты исследований показали, что плоские подложки обеспечивают большую скорость поглощения влаги, чем гранулированные. Это объясняется тем, что плоские пористые подложки имеют более развитую поверхность контакта фаз, чем гранулированные. Причем характерно, что по этой же причине скорость сорбции у чистой соли меньше, чем у соли на носителях.
Рис. 2. Суточный график процессов сушки (0-11) и насыщения (12-24) Fig. 2. Daily graph of the processes of the drying (0-11) and saturation (12-24)
Раствор хлористого кальция обходится дешевле раствора хлористого лития, но уступает ему по физическим характеристикам. В частности, при температуре 200° С парциальное давление водяного пара над насыщенным раствором хлористого кальция в два и более раза выше парциального давления водяного пара над раствором хлористого лития.
Анализ систем осушки воздуха методом охлаждения и с помощью абсорбента позволяет сделать вывод о перспективности комбинированных систем выделения влаги из воздуха. При использовании солнечной энергии в условиях пустынь необходимо исследовать возможность повышения эффективности процесса получения влаги из воздуха при комбинировании охлаждения и абсорбции.
Из вышеприведенных сведений о процессах по выделению влаги из воздуха предлагается в схемотехническом решении гелиоустановка, работающая по принципу поглощения влаги из воздуха сорбентами с последующим выделением воды из поглотителя с помощью солнечной энергии.
Основными процессами, происходящими при сорбции, являются внешняя диффузия - диффузия молекул сорбируемого вещества из потока к внешней поверхности сорбента; внутренняя диффузия -диффузия молекул сорбируемого вещества по порам сорбента к его сорбирующей поверхности; собственно сорбция на внутренней сорбирующей поверхности адсорбента.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (79) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Количество вещества, поглощенное единицей сорбента, зависит от температуры процесса и от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси, соприкасающегося с сорбентом.
Выполненные исследования свидетельствуют о том, что один из наиболее предпочтительных адсорбентов - раствор хлористого лития. Его достоинства - бактерицидное действие и безвредность для людей, возможность регенерации раствора подогревом низкотемпературным источником. При этом чистый кристаллический раствор не может быть использован, так как в процессе сорбции пара кристаллы соли растворяются, остывают и при последующей десорбции образуется монолитная масса с неразвитой поверхностью для массообмена и закрытыми поро-выми каналами.
Для создания развитой поверхности и осуществления химической и физической сорбции необходимо внедрить соль в несущую основу, которая должна представлять собой твердый материал с мелкопористой структурой.
Для проектирования системы поглощения влаги из воздуха с помощью твердого поглотителя необходимо знать, какое количество сорбента (соли) нужно для того, чтобы в течение сорбционного цикла концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте достигла заданной, на протяжении какого времени сорбент с данным количеством и с данной контактной
поверхностью будет работать так, чтобы концентрация поглощаемого вещества достигала заранее заданной величины. Но самое главное - необходимо обеспечить работу установки в автоматическом режиме и интегральный баланс вещества в процессах адсорбции и десорбции в одном рабочем цикле. Эти работы предполагается выполнить в ближайшее время в Кубанском государственном технологическом университете при наличии внешнего финансирования. Доведение этой работы до практического использования имеет международное значение и сулит большие экономические выгоды.
Список литературы
1. Тимофеевский Л.С., Азино А.А., Цимбломест А.О. и др. Сравнительная оценка термодинамической эффективности теоретических циклов одноступенчатой абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины // Холодильная техника. 1985. № 2.
2. Баум В.А., Какабаев А., Хандурдыев. Эффективность работы солнечной холодильной установки с открытым плоским регенератором раствора // Гелиотехника, 1972. № 1.
3. Кольцев Н.В. Основы абсорбционной техники. Киев: Наукова думка, 1986.
4-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
SNEC PV POWER EXPO 2010
Время проведения: 05.05.2010 - 07.05.2010
Место проведения: Китай, Шанхай
Темы: Высокие технологии, инновации, Оптика, лазерные технологии, фотоника, Электроника и электроэнергетика, Энергетика
PV POWER EXPO 2010 состоится 5-7 мая в новом Шанхайском выставочном центре Shanghai New International Expo Center. За 4 дня до открытия выставки откроется всемирная выставка EXPO 2010
Шанхайская ассоциация производителей новой энергии (SNEIA) проводит совместную Европейско-Китайскую международную выставку по фотовольтаической энергетике и сопутствующую ей конференцию. Целью этого мероприятия является развитие китайской фотовольтаической промышленности путем укрепления кооперации и взаимовыгодного обмена между китайским и международным рынком. По прогнозу, именно в Китае предполагается самый крупный потенциал для развития фотовольтаики.
Несмотря на бушующий во всем мире экономический кризис выставка SNEC (2009) PV POWER EXPO собрала 1032 участника на площади 60000 кв. м, зарегистрировано почти 60000 посетителей-специалистов.
Выставка охватывает следующие основные разделы:
- Производственное оборудование - Изделия для солнечной энергетики
- Фотоэлементы и Солнечные панели - Фотовольтаические разработки
- Компоненты - Системная интеграция и др.
- Материалы для солнечной энергетики
A'yc International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
126 © Scientific Technical Centre «TATA», 2009
