Информация

Статьи

Изъятие воды из воздуха


Одной из основных проблем, стоящей перед человечеством, является проблема пресной чистой воды. Запасы этой воды огромны, однако, в основном, они сосредоточены в малодоступных районах. Только 3% пресной воды Земли находятся в реках, озёрах и почве. Именно эта вода является источником водоснабжения. Большое количество воды циркулирует в атмосфере. Так, в 1 км3 приземного слоя атмосферы в жарких, засушливых и пустынных областях Земли содержится до 20000 тонн водяных паров. Однако погодно-климатические условия в этих зонах не позволяют водяным парам достигнуть состояния насыщения и выпасть в виде осадков. Таким образом, в засушливых и пустынных районах Земли процесс кругооборота воды не завершается.

Наиболее проблемными районами, с точки биогеографической классификации, можно отнести климаты пустыни, с нерегулярным выпадением осадков: экваториальные климаты (побережье Перу), тропические (юго-западная Африка, южная Аравия), с заметно выраженными сезонами осадков (Сахара, северная Калифорния, восточный Туркестан). Климаты внепустынных областей: внутритропические с наличием или отсутствием сухого сезона, внетропические континентальные и средиземноморские (с многочисленными вариантами), субполярные и полярные.

В связи с этим в мире опресняется все большее количество морской воды. Дистиллированную воду в основном, используют в различных лечебно-оздоровительных программах и процедурах для вывода из организма шлаков, а вот частое ее употребление может привести к тому, что из организма начнут вымываться и полезные микроэлементы: кальций, магний, калий. Прежде всего, это опасно для костей, крепость которых зависит от наличия кальция и микроэлементов, обеспечивающих нормальную работу нашего организма. Например, в регионах, где вода отличается мягкостью, т.е. пониженным содержанием минеральных примесей, ученые отмечают рост числа сердечно-сосудистых заболеваний. Там же где вода более жесткая, ситуация с заболеваниями сердца обстоит гораздо лучше - подобные случаи регистрируются нечасто. Кроме того, жесткость воды оказывает влияние и на уровень заболеваний кариесом - чем больше минеральных веществ, тем реже обращения к стоматологам.

Также установлено, что в связи с низким уровнем минерализации дистиллированная вода обладает неудовлетворительными органолептическими свойствами и оказывает неблагоприятное воздействие на водно-солевой обмен и функциональное состояние гипофиз-адреналиновой системы, регулирующей основные обменные процессы в организме.

При постоянном употреблении дистиллированной питьевой воды у пациентов отмечен также ряд изменений со стороны электролитного обмена - повышение концентрации хлоридов, калия и натрия в крови и усиленное их выведение с мочой. В связи с этим, для питьевой воды научно обоснована необходимость учета дополнительного критерия - физиологической полноценности. Этот критерий предусматривает нормирование не только предельно допустимых концентраций (ПДК) для химических веществ и элементов, но и необходимых, оптимальных уровней общей минерализации воды и содержания в ней ряда биологических макро- и микроэлементов.

Фильтр "Обратный Осмос" делает воду практически стерильной. Но эксперты Центра Питьевой Воды называют такую воду мертвой и пить её каждый день не советуют!

Юрий Гончар, директор Контрольно-Испытательного Центра Питьевой Воды прокомментировал так:

"Для питья такой воды в пищу мы не рекомендуем, потому что в результате экспериментов, которые проводились на мальках рыб можно было заметить, что через поколение рыбы практически становились бесплодными, которые содержались в такой воде и корневая система растений угнетается при поливе такой водой существенно по сравнению с поливом обычной водой".

Поэтому следует избегать постоянного употребления дистиллированной воды, чтобы не причинить вред своему организму и не спровоцировать развитие серьезных заболеваний. Следует также помнить, что минеральный состав дистиллированной питьевой воды совершенно не соответствует естественному (особенно удручает отсутствие ионов кальция, магния и калия). Маломинерализованные воды имеют не только низкие вкусовые качества, но и недостаточно утоляют жажду, не полноценны по солевому составу.

Другое дело атмосферная влага, которая кроме переноса воды и тепла, осуществляет и другие, не менее важные функции, сущность и значение которых начали изучать совсем недавно. Оказывается, содержащаяся в атмосфере вода активно участвует и в переносе масс твердых веществ. Ветер поднимает в воздух частицы почвы, срывает пену с морских волн, уносит мельчайшие капельки соленой воды. Помимо этого, соли могут попадать в воздух и в молекулярно-дисперсном виде, благодаря так называемому физическому испарению их с поверхности океана. Поэтому океан можно считать главным поставщиком хлора, бора и йода для атмосферы, дождевых и речных вод.

Таким образом, дождевая влага, находясь в облаке, уже содержит некоторое количество солей. В ходе мощных циркуляционных процессов, осуществляющихся в облачных массах, вода и частицы солей, почвы, пыли, взаимодействуя, образуют растворы разнообразнейшего состава. По утверждению академика В.И. Вернадского, среднее солесодержание облака составляет около 34 мг/л.

В дождевых каплях находят десятки химических элементов и различные органические соединения. Покидая облако, каждая капля содержит в среднем 9, 3*10-12 мг солей. На пути к Земле, соприкасаясь с атмосферным воздухом, она вбирает в себя новые порции солей и пыли. Обычная дождевая капля весом 50 мг при падении с высоты 1 км "промывает" 16 л воздуха, а 1 л дождевой воды захватывает с собой примеси, содержавшиеся в 300 тыс. л воздуха. В итоге с каждым литром дождевой воды на Землю поступает до 100 мг примесей. Из общего количества растворенных веществ, уносимых реками с материков в океан, почти половина возвращается обратно с атмосферными осадками. При этом на каждый квадратный километр земной поверхности приходится до 700 кг одних лишь азотистых соединений (в пересчете на чистый азот), а это уже ощутимая подкормка для растений.

Особенно много солей содержат осадки приморских районов. Например, в Англии было зафиксировано выпадение дождя с концентрацией хлора до 200 мг/л, а в Голландии - до 300 мг/л.

Интересно отметить, что функцию дождя как переносчика минеральных соединений и питательных веществ нельзя свести к простому подсчету: столько-то привнесенных удобрений - такое-то увеличение урожая. В.Е. Кабаев много лет прослеживал прямую связь между размером урожая хлопка и количеством воды в осадках. В 1970 году он пришел к интересному выводу: стимулирующее воздействие дождя на посевы вызвано, очевидно, присутствием в нем пероксида водорода. Достаточно обычного содержания H2O2 в осадках (7...8 мг/л), чтобы атмосферный азот связывался в соединения, обогащающие питание растений, улучшалась подвижность элементов в почве (прежде всего фосфора), активизировался процесс фотосинтеза. Установив эту функцию дождя, ученый считает возможным искусственно доставлять растениям пероксид водорода, добавляя его в воду при опрыскивании.

Одним из малобюджетных вариантов изъятия воды из атмосферы есть метод использования стримерных разрядов для ионизации молекул воздуха с последующим процессом электростатического осаждения водяного пара.

Основные преимущества метода:

  • - умеренное потребление энергии и малое сопротивление потоку газа;
  • - эффективно улавливаются даже мельчайшие частицы субмикрометрового диапазона; - степень очистки зависит только от времени пребывания частиц в электрофильтре

Преимущества процесса электрофильтрации:

  • - эффективность очистки достигает 99,9 % в широких пределах концентраций (от нескольких мг до 200 г/м3) и дисперсности частиц (до долей мкм) и невысокой затрате электроэнергии (около 0,1…0,5 кВт-ч на 1000 м3 газов);
  • - электрофильтр может обеспыливать влажную и коррозионноактивную газовую среду с температурой до 500°С;
  • - производительность электрофильтров достигает сотен тысяч м3/ч очищаемого газа .

Недостаткам электрофильтров :

  • - высокая чувствительность к поддержанию параметров очистки,
  • - высокая металлоемкость и большие габариты,
  • - высокая требовательность к уровню монтажа и обслуживания.

Транзисторная схема импульсного генератора на основе IGBT модуля выбрана в качестве основной схемы НВИП и высоковольтного высокочастотного преобразователя.

В качестве электродной системы целесообрано использовать острийные электроды типа "щетка".

Импульсные источники питания технологических систем газоочистки должны обладать следующим набором параметров
Um пп = 60 / 100 кВ,
Um оп = 20 / 40 кВ,
tпп = 50 / 100 мкс,
tоп = 100 / 200 мкс,
tф < 100 нс
fсл = 1 / 10 кГц,
Uпит = 380 В,
Pист. = 12 / 15 кВт

Корона может быть зажжена и поддерживатьсь стабильной при амплитуде импульса напряжения до 60 кВ. Для данных условий определены временные параметры импульса напряжения: длительность положительной полуволны - 50 - 100 мкс при фронте менее 100 нс, длительность отрицательной полуволны в два раза больше положительной, т.е. 100 - 200 мкс при амплитуде в 3 раза меньшей положительной полуволны. Оптимальная частота следования импульсов - 1,3 кГц.

Для создания воздушного потока предлагается постоить тяговую башню, вентиляционный эффект которой построен на разнице температур и высоты трубы.

Плотность тёплого воздуха меньше, чем плотность холодного воздуха, следовательно давление столба газа (?gh) 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.

При высоте башни равной 100 м, диаметре основания 20 м, скорости входа воздуха в трубу V = 20 м/с, абсолютная влажность воздуха 30 г/м?, можно получать 81388 м? воды в сутки. Затраты электроэнергии на 1 м? Н2O колеблятся от 16,67 кВт/час до 3,34 кВт/час. При стоимости электроэнергии в Украине для предприятий 1 кВт - 0,01 $ получаем стоимость изъятия 1 м? Н2O из воздуха 1,67 - 0,34 $. При таких затратах электроэнергии вода имеет высокую себестоимость. Мы предлогаем использовать аэродинамическую энергию воздушного потока - установив турбогенератор, мощностью 11 МВт, полученная вода сводится к нулевым показателям себестоимости. Основные затраты строительства установки по изъятию воды из атмосферы и электростанции, мощностью 11 МВт, в 56 млн долларов США могут окупиться за 2 года, при условии продажи пресной воды потребителям по цене 1 $ за 1 м? воды. Суточное производство воды составляет 81388 м?, в год - 29 млн 706 тысяч 620 м?. Срок проектирования - 1 год, срок строительства - 1 год. Расчетный срок жизни электростанции - 100 лет.

Предлагаемая плазменно-вакуумная установка предназначена для надежного водообеспечения пресной питьевой водой малых городов и сел, а также замены дорогостоящего оборудования по опреснению морской воды. Важным фактором в пользу обоснованности проекта является качество воды, произведенная в установке. Вода обеззаражена от вредных микробов и вирусов, имеет в своем составе растворенные минералы и 7-8 мг/л Пероксида Водорода (H2O2), который обогащает питание растений, улучшает подвижность элементов в почве (прежде всего фосфора), активизирует процесс фотосинтеза, увеличивает на 50% урожайность сельхозкультур. При этом дистиллированная вода угнетающе действует на организм растений и животных.

Предлагаемая для получения воды из воздуха, путем электростатического осаждения водяных паров из воздуха, предварительно ионизируя молекулы воздуха, включает высоковольтное электрооборудование для систем возбуждения и поддержки стабильных стримерных разрядов в устройствах и электростатическое осаждение частиц, башню, которая в верхней части оснащена дефлектором для использования энергии ветра. Наружная поверхность башни выполнена из теплосберигающих материалов. Ствол башни и встроенные в него аэродинамические устройства для создания вакуума выполнены в виде труб Вентури, причем меньшая из них своим узким сечением соединена с турбогенератором, который размещен в звукоизолированном зале в основании станции.

Рис. Общий вид башни и хранилища воды



Аналогов нет, но принцип создания устойчивой тяги в трубе описан нами далее.

Отличительные особенности в том, что поднимающийся теплый воздух в башне с помощью известных аэродинамических устройств разгоняют в узком сечении трубы у турбины генератора до скорости V =150...280 м/с.

Расчет произведем для города Николаева, исходя из:

  • - закона сохранения энергии;
  • - принципа неразрывности струйки в потоке воздуха;
  • - закона Бернулли.

Мощность воздушного потока можно подсчитать, используя уравнение кинетической энергии для тела массой m, движущегося со скоростью v:

Если в это уравнение вместо массы m подставить массу воздушного потока, проходящего через поперечное сечение в одну секунду (единичную массу mo), получим мощность N воздушного потока:

где p - плотность воздушного потока - 1,29 кг/м3; F - площадь поперечного сечения трубы у генератора, м2.

Для создания вакуума применены трубы Вентури (В). Труба Вентури состоит из двух полых усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями. При прохождении воздуха через трубу такого сечения скорость его будет больше там, где меньше площадь поперечного сечения. Из теоремы Бернулли известно, что там, где больше скорость воздуха, статическое давление его меньше. Отношение квадратов диаметров определяет, во сколько раз скорость в меньшем сечении больше скорости при входе в трубу:

где D - диаметр входного отверстия трубы Вентури; d - диаметр меньшего сечения.

Ориентировочный расчет СВЭс произведем, исходя из следующих допущений:
1. Скорость потока воздуха в трубе у турбины генератора не должна превышать скорости звука V ? 300 м/с.
2. Скорость в узком сечении труб Вентури не должна превышать среднюю скорость в трубе в 5-6 раз, т.е. n ? 5-6.
3. Скорость воздуха в трубе Вентури - величина переменная. В начале трубы V н равна скорости потока воздуха в сечении башни, на уровне входа в данную трубу Вентури, а в конце трубы V к равна скорости потока в узком сечении трубы Вентури, в которое оно вставлено.

Исходя из этих условий, средняя скорость в каждой из труб Вентури будет:

а скорость в каждом узком сечении трубы Вентури будет:

Примем:
- высоту башни равной 100 м;
- диаметр основания 1/5 0,20 20,00 м;
- скорость входа воздуха в башню V н 4 м/с;
- увеличение скорости в узком сечении каждой из труб n = 5 раз.

Решение

Определим диаметр трубы Вентури у генератора и мощность воздушного потока, исходя из (8):

  • - скорость в узком сечении башни Vу = 20 м/сек;
  • - скорость в узком сечении внутренней трубы Vувн = 60 м/с;
  • - скорость в узком сечении трубы у генератора Vуг = 160 м/с; < 300 м/с;
  • - общее увеличение скорости в системах 40 раз.

Тогда, исходя из формулы (6), диаметр узкого сечения трубы Вентури у генератора должен быть:

а площадь поперечного сечения F = 7,5 м2 (4).
По всей вероятности, диаметр труб у турбогенераторов должен быть уменьшен на их количество, по крайней мере, на 4. Мощность воздушного потока N = 20272 кВт (5).
При КПД турбины и генератора 0,73 аэродинамические потери от турбулентности 0,7.
Мощность СВЭс может быть равна 10359 (примерно 10,5 МВт).

На чертеже показана принципиальная схема изъятия воды из воздуха электростатическим осаждением, предварительно ионизировав молекулы воздуха стримерным объемным разрядом. Система дополнена турбогенератором на 11 МВт.

1 - несущие стены башни, выполнены в виде стеновых подпор и термоустойчивой кровли d=200 м;
2 - труба выполнена в виде усеченного конуса, нижний d= 50 м, верхний d= 20 м, h=100 м;
3 - воздушные потоки внутри башни и место соединение трубок Вентури;
4 - электрогенератор на 11 МВт;
5 - трубы, по которым стекает полученная вода в емкость по спирали;
6 - место усеченной трубки Вентури d нижней точки = 3,1 м, скорость воздушного потока за счет вакуума составляет 150-280 м/с.
7 - воздушный дифлектор;
8 - прямая труба от башни к емкости;
9 - емкость для хранения воды;
10 - электростатические улавливатели заряженных молекул воздуха (+/-);
11 - высокочастотное электрооборудование для систем возбуждения и поддержки стабильных стримерных разрядов;
12 - звукоизоляционная камера.