установка для получения воды из снега и/или льда

Формула изобретения

1. Установка для получения воды из снега и/или льда, содержащая контейнер для размещения снега и/или льда с заправочной горловиной, снабженной крышкой, устройство подвода тепловой энергии и паропровод, отличающаяся тем, что контейнер и крышка выполнены теплоизолированными, стенки контейнера выполнены заодно с теплопроводом, охватывающим контейнер по его периметру и являющимся конденсатором, устройство подвода тепловой энергии к стенкам контейнера включает в себя образующие фокусирующий солнечный коллектор концентратор солнечной энергии и контурную тепловую трубу, причем указанные труба и концентратор размещены в жестком корпусе на раме с опорой с возможностью вращения в азимутальной и зенитальной плоскостях для обеспечения заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу, контурная тепловая труба включает в себя приемник солнечной энергии, размещенный в фокусе концентратора солнечной энергии, представляющего собой отражательную поверхность для приема солнечных лучей и направления их в сторону приемника солнечной энергии, конденсатопровод и указанный паропровод и размещенную вне фокуса концентратора солнечной энергии теплоизолированную компенсационную камеру, полость которой, заполненная незамерзающим жидкостным теплоносителем, сообщена с входным, являющимся паропроводом, и выходным, являющимся конденсатопроводом, каналами теплопровода, при этом приемник солнечной энергии представляет собой корпус из теплопроводного материала, в котором размещен испаритель незамерзающего жидкостного теплоносителя, выполненный в виде капиллярного насоса.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что контейнер заключен в герметичный кожух, заполненный теплоаккумулирующим рабочим агентом для предотвращения замерзания воды в контейнере при отсутствии солнечной радиации.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что концентратор солнечной энергии представляет собой разбираемый конический тубус.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для вращения в азимутальной и зенитальной плоскости при обеспечении заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу, она снабжена оптико-электронным датчиком, связанным с электроприводом поворота указанного концентратора в азимутальной плоскости и с электроприводом поворота указанного концентратора в зенитальной плоскости.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что контейнер смонтирован на раме с возможностью поворота для обеспечения слива воды через заправочную горловину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для добывания пресной воды из снега, преимущественно в труднодоступных полярных и высокогорных районах, где отсутствуют природные источники воды в жидкой фазе и источники централизованного энергоснабжения и органического топлива. Настоящее изобретение направлено на получение пресной воды высокой чистоты из снега исключительно за счет использования солнечной энергии.

Известны установки, используемые для уборки снега. Как правило, такие установки содержат котел со снегом, тепло к которому подводится из камеры сгорания ("Снег" (справ.), под. ред. Д.М.Грея и Д.Х.Мэйла, Л. Гидрометеоиздат, 1986, стр. 75).

Недостатком этой установки является необходимость использования для таяния снега органического топлива.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является установка для получения воды из снега и/или льда, содержащая контейнер для размещения снега и/или льда с заправочной горловиной, снабженной крышкой, устройство подвода тепловой энергии и паропровод (см. авторское свидетельство СССР N 1388524, E 03 B 3/30, 15.04.1988).

Наиболее близкий аналог имеет следующие недостатки:

1. Необходимость использования органического топлива для таяния снега или льда;

2. Возможность замерзания воды в указанной системе при отрицательной температуре наружного воздуха;

3. Необходимость использования электроэнергии для получения из снега (или льда) первоначальной воды.

4. Необходимость использования для работы котла фильтрованной воды.

5. Использование большого числа элементов КИП и А, в целом усложняющих схему установки и снижающих надежность ее работы.

Настоящее изобретение направлено на создание автономной портативной мобильной солнечной установки для получения технической и питьевой воды из снега и/или льда. Достигаемый при этом технический результат заключается в получении воды из снега исключительно за счет использования солнечной энергии, что позволяет сберечь энергоресурсы и обеспечить жизнедеятельность живого организма в труднодоступных полярных и высокогорных районах.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке для получения воды из снега и/или льда, содержащей контейнер для размещения снега и/или льда с заправочной горловиной, снабженной крышкой, устройство подвода тепловой энергии и паропровод, контейнер и крышка выполнены теплоизолированными, стенки контейнера выполнены заодно с теплопроводом, охватывающим контейнер по его периметру и являющимся конденсатором, устройство подвода тепловой энергии к стенкам контейнера включает в себя образующие фокусирующий солнечный коллектор концентратор солнечной энергии и контурную тепловую трубу, причем указанные труба и концентратор размещены в жестком корпусе на раме с опорой с возможностью вращения в азимутальной и зенитальной плоскостях для обеспечения заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу, контурная тепловая труба включает в себя приемник солнечной энергии, размещенный в фокусе концентратора солнечной энергии, представляющего собой отражательную поверхность для приема солнечных лучей и направления их в сторону приемника солнечной энергии, конденсатопровод и указанный паропровод и размещенную вне фокуса концентратора солнечной энергии теплоизолированную компенсационную камеру, полость которой, заполненная незамерзающим жидкостным теплоносителем, сообщена с входным, являющимся паропроводом, и выходным, являющимся конденсатопроводом, каналами теплопровода, при этом приемник солнечной энергии представляет собой корпус из теплопроводного материала, в котором размещен испаритель незамерзающего жидкостного теплоносителя, выполненный в виде капиллярного насоса.

Целесообразно, чтобы контейнер был заключен в герметичный кожух, заполненный теплоаккумулирующим рабочим агентом для предотвращения замерзания воды в контейнере при отсутствии солнечной радиации.

При этом концентратор солнечной энергии может представлять собой разбираемый конический тубус.

Для вращения в азимутальной и зенитальной плоскостях при обеспечении заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу, установка снабжена оптико-электронным датчиком, связанным с электроприводом поворота указанного концентратора в азимутальной плоскости и с электроприводом поворота указанного концентратора в зенитальной плоскости.

Для обеспечения слива воды через заправочную горловину контейнер монтируется на раме с возможностью поворота.

Указанные признаки являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.

На фиг. 1 показан общий вид солнечной установки для получения воды из снега и/или льда;

на фиг. 2 - схема теплопровода;

на фиг. 3 - контурная тепловая труба.

Согласно настоящему изобретению установка для получения воды из снега и/или льда содержит теплоизолированный контейнер для размещения льда и/или снега и устройство подвода тепловой энергии к стенкам контейнера, который выполнен с теплоизолированной крышкой со стороны заправочной горловины и стенки которого выполнены заодно с теплопроводом, охватывающим контейнер по его периметру и являющимся конденсатором или теплообменником.

Устройство подвода тепловой энергии к стенкам контейнера включает в себя концентратор солнечной энергии и контурную тепловую трубу, которые образуют фокусирующий солнечный коллектор.

Указанные труба и концентратор размещены в жестком корпусе на раме, установленной на опоре с возможностью вращения в азимутальной и зенитальной плоскостях для обеспечения заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу.

Контурная тепловая труба включает в себя приемник солнечной энергии, размещенный в фокусе концентратора солнечной энергии, представляющего собой отражательную поверхность для приема солнечных лучей и направления их в сторону приемника солнечной энергии, и размещенную вне фокуса концентратора солнечной энергии теплоизолированную компенсационную камеру, полость которой, заполненная незамерзающим жидкостным теплоносителем, сообщена с входным, являющимся паропроводом, и выходным, являющимся конденсатопроводом, каналами теплопровода, при этом приемник солнечной энергии представляет собой корпус из теплопроводного материала, в котором размещен испаритель незамерзающего жидкостного теплоносителя, выполненный в виде капиллярного насоса, вторичный капиллярный элемент которого расположен в полости компенсационной камеры.

Для предотвращения замерзания воды в контейнере при отсутствии солнечной радиации контейнер заключен в герметичный кожух, заполненный теплоаккумулирующим рабочим агентом в полости между стенками контейнера и кожуха. При этом контейнер может быть смонтирован на раме с возможностью поворота для обеспечения слива воды через заправочную горловину.

Концентратор солнечной энергии представляет собой разбираемый конический тубус.

Для вращения в азимутальной и зенитальной плоскостях при обеспечении заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу установка снабжена оптико-электронным датчиком, связанным с электроприводом поворота указанного концентратора в азимутальной плоскости и с электроприводом поворота указанного концентратора в зенитальной плоскости.

В России тепловыми трубами с капиллярным насосом и раздельными каналами для жидкости и пара начали заниматься в середине семидесятых годов в г. Свердловске (ныне Екатеринбурге). Эти тепловые трубы могли работать против поля тяжести (т.е. передавать тепло паровой фазы теплоносителя сверху вниз на значительное расстояние и возвращать назад жидкую фазу теплоносителя в направлении снизу вверх) и поэтому их назвали "антигравитационными".

В настоящее время этот тип тепловых труб был снабжен вторичной капиллярной структурой, обеспечивающей их стабильную работу в условиях невесомости, и получил название Контурные Тепловые Трубы (Loop Heat Pipes, далее - LHP).

Первые работы в этом направлении были проведены в лаборатории под руководством Ю.Ф.Герасимова в конце семидесятых годов. Результаты этих работ нашли отражение в следующих трудах:

- Герасимов Ю.Ф., Майданик Ю.Ф., Долгирев Ю.Е. и др. "Некоторые результаты исследований низкотемпературных тепловых труб, работающих против поля тяжести", ИФЖ, 1976, т. 30, N 4, стр. 581-586;

- Авторское свидетельство СССР N 691672 "Тепловая труба" Ю.Ф.Герасимов, В.М.Кисеев, Ю.Ф.Майданик и др. опубл. в б/и N 38, 1979;

- Герасимов Ю.Ф., Долгирев Ю.Е., Майданик Ю.Ф. и др. "Исследование рабочих характеристик тепловых труб с раздельными каналами. Теплофизические исследования: (Тепловые трубы: теплообмен, гидродинамика, технология)", ч. 2, Обнинск, ФЭИ, 1980, стр. 76-81;

- Долгирев Ю.Е., Майданик Ю.Ф., Ферштатер Ю.Г. "Влияние теплопроводности фитиля на температуру "антигравитационной" тепловой трубы. Фазовые превращения в метастабильных системах", Свердловск, УНЦ АН СССР, 1983, стр. 23-26;

- Долгирев Ю.Е., Майданик Ю.Ф., Ферштатер Ю.Г. "Влияние теплопроводности фитиля на температуру "антигравитационных" тепловых труб, работающих при любой ориентации в поле массовых сил", автореф. дис. канд. физ-мат. наук, Свердловск, 1979, стр. 22.

Принцип работы LHP основан на использовании двухфазных превращений (испарение-конденсация). LHP представляет собой герметичное устройство, частично заполненное теплоносителем, претерпевающим фазовые превращения испарение-конденсация. Тепло, выделяемое источником тепла, поступает в испаритель LHP и расходуется на испарение рабочей жидкости. Образовавшийся пар поступает через паропровод в конденсатор, где конденсируется. Выделяемое при конденсации тепло отводится в окружающую среду или на объект, требующий нагрева. Жидкая фаза теплоносителя возвращается в испаритель по конденсатопроводу и цикл повторяется. Таким образом, LHP работает без дополнительных затрат энергии. Движителем теплоносителя в LHP является капиллярный насос. Напор, который способны развивать современные капиллярные насосы, составляет 0,6 атмосфер, что позволяет поднимать теплоноситель до 6 метров против силы тяжести.

Основным отличием LHP от известных остальных тепловых труб - размещение капиллярной структуры только в испарителе (зоне подвода тепла) и наличие компенсационной полости, которая присоединяется непосредственно к испарителю и служит для компенсации объема теплоносителя, вытесняемого паром при запуске из паропровода и конденсатора и компенсации температурных расширений жидкости. Размеры резервуара при этом определяются объемом освобождаемых от жидкости участков устройства. В свою очередь, диаметр паропровода выбирается из условий баланса капиллярного напора и потерь давления в циркуляционном контуре, прежде всего в паропроводе. Поэтому при большой длине и величине теплопереноса необходимо либо существенно увеличить диаметр паропровода и объем резервуара, либо использовать капиллярную структуру со значительно меньшим размером пор. В первом случае существенно ухудшаются габаритно-массовые характеристики устройства, во втором случае требуется использование специальных мелкопористых капиллярных структур, позволяющих создать высокий капиллярный напор.

Основные концепции построения LHP заключаются в следующем:

1. Необходимо использовать капиллярные структуры с весьма малым эффективным размером пор, которые позволяют получать капиллярное давление до нескольких десятков килопаскалей при использовании любых низкотемпературных теплоносителей.

2. Капиллярная структура в тепловой трубе должна располагаться локально, так чтобы ее протяженность соответствовала протяженности зоны подвода тепловой нагрузки, а расстояние движения жидкого теплоносителя в пористой среде было бы минимальным.

3. Транспортную (адиабатическую) зону для теплоносителя в паровой и жидкостных фазах необходимо разделять, чтобы исключить как тепловой, так и гидромеханический контакт между ними, обеспечив возможность переохлаждения конденсата.

4. Зоны испарения и конденсации должны быть организованы с учетом особенностей теплообмена при испарении из мелкопористой капиллярной структуры и теплообмена при конденсации в стесненных условиях.

Поскольку движение теплоносителя в капиллярной структуре имеет преимущественно радиальное направление, то расстояние, которое он здесь проходит, является несоизмеримо меньшим по сравнению с общей длиной тепловой трубы. Поэтому потери давления в капиллярной структуре даже с очень малым размером пор оказываются невелики.

Движение теплоносителя в паровой и жидкой фазах на адиабатическом участке осуществляется в раздельных трубопроводах относительно малого диаметра, между которыми нет непосредственного теплового контакта. Это дает возможность переохлаждать теплоноситель после его конденсации и тем самым обеспечивать устойчивую работу LHP на переходных режимах даже при резких изменениях давления пара в паропроводе и значительных потерях давления в конденсатопроводе.

Зона испарения в LHP образована специальной системой пароотводных каналов на границе капиллярная структура - нагреваемая стенка, которые необходимы для организации теплообмена в структуре с "перевернутым" мениском, когда потоки тепла и жидкости направлены навстречу друг другу.

Эта система каналов полезна также для интенсификации теплообмена в любых мелкопористых капиллярных структурах.

Зона конденсации в LHP организуется с учетом условий отвода тепла к внешнему приемнику. При этом желательным является сочетание минимального внутреннего объема при максимальной теплообменной поверхности. Часть конденсатора, заполненная теплоносителем, служит теплообменником, в котором происходит переохлаждение сконденсированного теплоносителя.

Следует отметить также и некоторые другие достоинства LHP. В их числе высокая технологичность, обусловленная локальным размещением капиллярной структуры, преимущества которой наиболее заметны при значительном увеличении мощности и длины теплопереноса. Относительно простая возможность гибкой или упругой связи между испарителем и конденсатором, а также диэлектрических развязок между ними. Многовариантность компоновки, которая легко позволяет обеспечить различное взаимное положение испарителя и конденсатора, задать необходимую кривизну транспортным участкам, создавать разветвленные теплопередающие системы, использовать различные формы конденсаторов - теплообменников применительно к условиям отвода тепла.

Ниже приводится пример конкретного исполнения установки согласно изобретению.

Установка для получения воды из снега и/или льда (фиг. 1) содержит теплоизолированный контейнер 1 в виде металлической емкости с заправочной горловиной в верхней своей части, снабженный фиксирующейся сверху по горловине теплоизолированной крышкой 2. Теплоизолированность металлических стенок 3 контейнера и крышки обеспечивается наличием теплоизоляционного покрытия 4, нанесенного или закрепленного с внешней стороны стенок и крышки. Вполне возможно использование внутреннего теплоизоляционного слоя, размещаемого между двойными стенками контейнера (иллюстративный пример не показан). Для предотвращения замерзания воды в контейнере при отсутствии солнечной радиации контейнер может быть заключен в герметичный кожух, заполненный теплоаккумулирующим рабочим агентом (например, парафином или эвтектической солью) в полости между стенками контейнера и кожуха (иллюстративный пример не приводится). Возможно использование многоступенчатой теплоизоляции (например, и кожуха с антифризом и внешнего теплоизоляционного слоя на стенках контейнера). Контейнер помещен в жесткий корпус 5, соединенный с рамой 6, смонтированной на опоре 7. Опора может быть выполнена как стационарной, так и портативной сборно-разборной, например в виде треноги, снабженной теплоизолированными подпятниками.

Корпус 5 связан с рамой 6 через механизм зенитального поворота 8, управляемый электроприводом 9, и через механизм азимутального поворота 10, управляемый электроприводом 11. Оба механизма через систему управления (не приводится) связаны с оптико-электронным датчиком 12, образуя следящую систему, реализующую функцию поворота корпуса 5 в горизонтальном и вертикальном направлениях в зависимости от угла между осью датчика 12 и направлением к солнцу. Возможны иные схемы реализации функции слежения. Поскольку в рамках данного изобретения возможно использование любой схемы слежения, реализующей функцию отслеживания положения объекта по отношению к направлению к солнцу, то в рамках данного изобретения конкретные схемы не приводятся.

Возможен вариант исполнения, при котором корпус 5 связан с рамой 6 через механизм зенитального поворота 8, управляемый электроприводом 9, а рама 6 связана с опорой через механизм азимутального поворота 10, управляемый электроприводом 11.

С корпусом также жестко соединен концентратор 13 солнечного излучения, представляющий собой конический тубус, вершина усеченного конуса которого направлена в сторону контейнера и внутренняя поверхность которой выполнена отражающей или на эту поверхность нанесен слой отражающего материала. В общем случае концентратор 13 солнечного излучения представляет собой усеченный конус, внутренняя поверхность которого предназначена для отражения солнечных лучей и направления их в фокус.

Возможен вариант исполнения, согласно которому сборно-разборный конический концентратор 13 солнечного излучения соединен с жестким корпусом 5 фиксаторами с возможностью быстрого съема и монтажа или фиксирующими элементами, обеспечивающими возможность поворота концентратора солнечного излучения в азимутальной и зенитальной плоскостях относительно контейнера или корпуса 5. Для наведения концентратора 13 в направлении солнечных лучей (в направлении к солнцу) может так же использоваться оптико-электронный датчик 12.

Контурная тепловая труба 14 включает в себя приемник солнечной энергии 15 (фиг. 2), размещенный в фокусе концентратора 13 солнечной энергии и представляющий собой корпус, внутри которого размещен испаритель, компенсационную камеру 16, выполненную в виде корпуса с полостью внутри, с которой сообщены конденсатопровод 17 и паропровод 18. В частном случае исполнения контурная тепловая труба (фиг. 3) представляет собой полый цилиндрический корпус, разделенный на две соединяемые между собой части, первая 19 из которых, имеющая крышку 20, выполнена из теплопроводного материала. Условием выполнения второй части 21, выполненной с крышкой 22 с заправочным штуцером 23, является наличие теплоизоляции, но вполне возможно, что весь корпус выполнен из теплопроводного материала с последующим нанесением теплоизоляции на вторую часть 21. В любом случае корпус разделен на две камеры, разделенные по месту соединения частей корпуса уплотнительным узлом 24, в первой из которых размещен выполняющий функцию испарителя капиллярный насос 25, а полость второй, являющаяся компенсационной полостью и заполненная незамерзающим жидкостным теплоносителем (например, аммиаком), сообщена с входным, являющимся паропроводом 18, и выходным, являющимся конденсатопроводом 17, каналами теплопровода, при этом вторичный капиллярный элемент 26 капиллярного насоса расположен в полости второй камеры.

Контурная тепловая труба 14 может быть соединена с внешней поверхностью металлического контейнера 1 и покрыта в зоне расположения в фокусе концентратора солнечной энергии снаружи черной краской или селективным покрытием.

Установка для получения воды из снега и/или льда работает следующим образом.

Снег или куски льда автоматически или ручным способом закладываются в теплоизолированный контейнер, который закрывается сверху теплоизолированной крышкой. Солнечный концентратор наводится на солнце с помощью управляемых электроприводов и далее по сигналу оптико-электронного датчика с помощью приводов (азимутального и зенитального) автоматически ориентируется перпендикулярно солнечным лучам или вручную ориентируется на солнце. Солнечная энергия поступает на металлический приемник, размещенный в фокусе концентратора солнечной энергии. Приемник поглощает солнечное тепло и передает его к контактирующему с ним испарителю (капиллярному насосу) контурной тепловой трубы (заправленной незамерзающим теплоносителем, например аммиаком). От испарителя пар через паропровод поступает в конденсатор, выполненный в виде внешнего теплообменника, который соединен с внешней поверхностью металлического контейнера. Проходя через конденсатор, пар отдает тепло через стенку контейнера снегу (льду), плавя его, конденсируется и образующаяся жидкость с помощью капиллярного насоса поднимается вверх, попадая в испаритель, где она вновь испаряется. Далее цикл повторяется. В стенках контейнера или между стенками контейнера и охватывающим его кожухом может быть герметично размещено теплоаккумулирующее вещество, предотвращающее передачу тепла во внешнюю среду. Поскольку весь теплопровод (контейнер - контурная тепловая труба) надежно теплоизолирован, а тепловая труба обладает "диодным" эффектом, тепло из контейнера в окружающую среду теряется очень медленно, таким образом предотвращается замерзание воды в контейнере при отсутствии солнечной радиации. Что касается "диодного эффекта", по которым подразумевается передача тепла от одного объекта другому при отсутствии или практическом непроявлении процесса возврата тепла первому объекту, а сохранение его во втором объекте, то данный эффект детально описан в кн. "Тепловые трубы в системах с возобновляемым источником энергии", авторы Л.Л.Васильев, Л.П.Грокович, Д.К.Хрусталев, Минск, "Наука и техника", 1998, стр. 14.

Зная эмпирическое время плавления массы снега (льда) в контейнере, определяется момент слива полученной воды, который осуществляется автоматически за счет наклона контейнера. При сильном ветре концентратор отсоединяется от жесткого контура и установка прекращает работу. Установка является автономной и не требует органического топлива, поскольку в автоматическом режиме система слежения питается от небольшого фотопреобразователя и аккумуляторной батареи или управляется вручную (точность наведения ниже, чем в автоматическом режиме).

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его реализации используются хорошо освоенные промышленностью узлы и устройства, а существо изобретения определено новой взаимосвязью элементов и новым исполнением самой установки. Установка, изготовленная согласно изобретению, удачно прошла испытания в условиях Южного полюса.