способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления
Классы МПК: | E03B3/28 из влажного воздуха B01D5/00 Конденсация паров; извлечение летучих растворителей путем конденсации |
Автор(ы): | Мандригель Е.Я. |
Патентообладатель(и): | Мандригель Евгений Яковлевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-07-20 публикация патента:
10.12.2002 |
Изобретение относится к возобновляемым экологически чистым источникам производства полезной (электрической, механической) энергии и пресной воды. Технический результат заключается в повышении эффективности производства полезной энергии и пресной воды в широком диапазоне окружающих температур. Способ заключается в том, что проводят предварительный подогрев прошедшего через нормированное поперечное сечение потока влажного воздуха, формируют первое поперечное потоку влажного воздуха высокопотенциальное по уровню ионизации водяных паров электрическое поле, проводят ионизацию и формирование ионов и зарядов водяных паров в потоке влажного воздуха. Формируют второе потенциальное электрическое поле с нормированным углом отклонения потока ионов и зарядов водяных паров вверх по вертикали, налево и направо по горизонтали от условной центральной вертикали потока влажного воздуха, осуществляют гравитационно-электрическую сепарацию и вывод ионизированного потока водяных паров за пределы потока сухого воздуха, проводят первый предварительный и второй компенсирующий подогрев ионизированного потока водяных паров, осуществляют принудительный электрический их подвод к теплоприемной поверхности, нейтрализацию их зарядов, концентрацию, конденсацию, сбор пресной воды, выделение и передачу потока теплоты конденсации на преобразование его эксергии в электрическую энергию. Устройство содержит воздуховод, теплообменники, водосборник, насос с теплоносителем, вентилятор, трубопроводы, преобразователь теплоты в электрическую энергию, блок предварительного подогрева потока влажного воздуха, блок ионизации, блок отклонения ионизированного потока водяных паров, источник и блок компенсирующего подогрева, терморегулятор и камеру-приемник ионизированных потоков водяных паров. 2 с. и 16 з. п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
1. Способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха, заключающийся в том, что направляют поток влажного воздуха, содержащий сухой воздух и водяные пары, через нормированное поперечное сечение на нормированной высоте, организуют теплопередачу между частями потока влажного воздуха, конденсацию водяного пара, сбор пресной воды, отличающийся тем, что проводят предварительный подогрев прошедшего через нормированное поперечное сечение потока влажного воздуха, формируют первое поперечное потоку влажного воздуха высокопотенциальное по уровню ионизации водяных паров электрическое поле, проводят ионизацию и формирование ионов и зарядов - ионизированного потока водяных паров в потоке влажного воздуха, формируют второе поперечное потоку влажного воздуха потенциальное электрическое поле с нормированным углом отклонения потока ионов и зарядов водяных паров вверх по вертикали, налево и направо по горизонтали от условной центральной вертикали потока влажного воздуха, формируют продольное поле притяжения ионов и зарядов водяных паров к теплоприемной поверхности по результирующему углу их отклонения налево - вверх и направо - вверх за пределы потока воздуха, осуществляют гравитационно-электрическую сепарацию и вывод ионизированного потока водяных паров за пределы потока сухого воздуха, выбирают рабочую зону температур подогрева ионизированного потока водяных паров из условий оптимальности уровней его эксергии и дополнительных затрат энергии на подогрев, проводят первый предварительный и второй компенсирующий подогрев ионизированного потока водяных паров до выбранной рабочей зоны температур, осуществляют принудительный электрический подвод ионизированного подогретого потока водяных паров по силовым линиям поля притяжения к теплоприемной поверхности, проводят инерционную нейтрализацию ионов и зарядов потока водяных паров, их концентрацию, конденсацию, образование конденсата, сбор воды, выделение и передачу потока теплоты конденсации теплоприемной поверхности, осуществляют теплопередачу потока теплоты теплоприемной поверхности на преобразование его эксергии в электрическую энергию, отводят и направляют непреобразуемый при этом поток тепла - его анергию на предварительный подогрев ионизированного потока водяных паров и потока влажного воздуха. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляют поток сухого воздуха после вывода водяных паров на лопасти ветродвигателя и преобразование его кинетической энергии в электрическую. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляют поток массы сконденсированной воды на лопасти гидротурбины и преобразование энергии его высотного напора в электрическую. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что направляют избыточную часть произведенной электрической энергии и сконденсированной воды на электролизерное производство запасов водорода и кислорода и водородное аккумулирование энергии. 5. Устройство для преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха, состоящего из сухого воздуха и водяных паров, содержащее воздуховод, теплообменники, водосборник, насос с теплоносителем, вентилятор, трубопроводы, отличающееся тем, что в него введены преобразователь теплоты в электрическую энергию, а также размещенные последовательно в воздуховоде блок предварительного подогрева потока влажного воздуха, состоящий из расположенных вдоль потока влажного воздуха секций первого теплообменника, блок ионизации - формирователь ионов и зарядов ионизированного потока водяных паров, блок отклонения ионизированного потока водяных паров вверх по вертикали, налево и направо по горизонтали от условной центральной вертикали воздуховода, оно снабжено также источником компенсирующего подогрева, терморегулятором и камерой-приемником ионизированных потоков водяных паров, расположенной за пределами воздуховода и сообщенной с ним через окно в боковых стенках на пути движения отклоненного ионизированного потока водяных паров в воздуховоде, а затем в камере-приемнике по силовым линиям продольного электростатического поля с потенциалом притяжения ионов и зарядов водяных паров, который сообщен теплоприемной поверхности секции второго теплообменника, перед которым на входе камеры-приемника последовательно размещены блок предварительного подогрева ионизированного потока водяных паров, состоящий из расположенных вдоль ионизированного потока водяных паров секций третьего теплообменника, и блок компенсирующего подогрева ионизированного потока водяных паров, состоящий из четвертого теплообменника, подключенный к источнику компенсирующего подогрева через терморегулятор с дифференциальным измерителем температур между окружающей средой и ионизированным потоком водяных паров на входе второго теплообменника, теплоприемная поверхность секций которого расположена вертикально, снабжена каналами для стока сконденсированной воды в водосборник и термически соединена со входом преобразователя теплоты в электрическую энергию, термический выход непреобразуемой тепловой энергии-анергии которого через теплоноситель, трубопроводы последовательно соединен с внутренними полостями секций третьего, первого теплообменников и через насос - второго теплообменника, корпус воздуховода, камеры-приемника выполнены с теплоизолирующей оболочкой. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что при выполнении блока ионизации по электрической схеме самостоятельного газового разряда он содержит высокопотенциальное по уровню ионизации водяных паров поперечное потоку влажного воздуха неоднородное электростатическое поле между коронирующими электродами и поверхностями нулевого потенциала, расположенными вдоль потоков влажного воздуха. 7. Устройство по любому из пп.5 и 6, отличающееся тем, что блок отклонения ионизированного потока водяных паров выполнен по электрической схеме вертикально и горизонтально отклоняющих расположенных вдоль потока влажного воздуха пластин, последовательно разделенных воздушным промежутком с электрическим полем между пластинами емкостного типа и слоем твердого диэлектрика, при этом вертикально отклоняющим пластинам воздушного промежутка сообщены потенциалы с углом отклонения вверх по вертикали ионизированных потоков водяных паров, горизонтально отклоняющим пластинам воздушного промежутка, расположенным слева от условной центральной вертикали воздуховода, сообщены потенциалы с углом отклонения налево, а расположенным справа от условной центральной вертикали воздуховода сообщены потенциалы с углом отклонения ионизированных потоков водяных паров направо. 8. Устройство по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что при выполнении преобразователя теплоты в электрическую энергию по схеме термоэлектрического генератора, горячие спаи его термоэлементов - термопар размещены непосредственно на теплоприемной поверхности второго теплообменника, холодные спаи - внутри полостей его секций и через теплоноситель, трубопроводы, насос соединены термически с третьим и первым теплообменниками, термоэлементы - термопары электрически соединены последовательно-параллельно, а термически - параллельно. 9. Устройство по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что при выполнении преобразователя теплоты в электрическую энергию по схеме паросиловой установки с парогенератором, паровой машиной с электрогенератором, конденсором, ее парогенератор совмещен с внутренними полостями секций второго теплообменника, конденсор - с третьего и первого теплообменников и через теплоноситель, трубопроводы соединен с термическим выходом анергии паровой машины и через насос - с входом второго теплообменника, выход которого соединен со входом паровой машины. 10. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что при выполнении блока компенсирующего подогрева по схеме электрического нагревателя его нагревательный элемент совмещен с четвертым теплообменником. 11. Устройство по любому из пп.5-9, отличающееся тем, что при выполнении блока компенсирующего подогрева по схеме теплового насоса его теплообменник - нагреватель совмещен с четвертым теплообменником. 12. Устройство по любому из пп.5-10, отличающееся тем, что снабжено ветроколесом с электрогенератором, размещенными на выходе воздуховода после блока отклонения. 13. Устройство по любому из пп.5-12, отличающееся тем, что снабжено гидротурбиной с электрогенератором, подключенной гидравлически через трубопровод под высотным напором к водосборнику. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что снабжено электролизером, распределителем водотока, емкостями для сбора водорода и кислорода, при этом электролизер по входу гидравлически через трубопроводы, распределитель водотока, гидротурбину подсоединен к водосборнику, по выходу - к емкостям для сбора водорода и кислорода, а электрически - к выходу электрогенераторов. 15. Устройство по любому из пп.5-14, отличающееся тем, что при использовании принудительных потоков влажного воздуха вентилятор с электродвигателем размещены на входе воздуховода перед первым теплообменником, электродвигатель электрически подсоединен к выходу электрогенераторов. 16. Устройство по любому из пп.5-14, отличающееся тем, что при использовании естественных атмосферных потоков влажного воздуха оно снабжено поворотным узлом, блоком ориентации входа воздуховода навстречу потоку влажного воздуха, например, флюгерного типа. 17. Устройство по любому из пп.5-16, отличающееся тем, что дополнительно содержит воздуховоды, расположенные по горизонтали и вертикали, с блоками предварительного подогрева влажного воздуха, ионизации, отклонения ионизированных потоков водяных паров, окнами в боковых стенках на пути их движения за пределы воздуховодов, снабжено также вентилятором ионизированных потоков водяных паров, размещенным перед блоком их предварительного подогрева на входе камеры-приемника, расположенной сверху за пределами воздуховодов, окна которых через теплоэлектроизолирующие трубопроводы параллельно подсоединены ко входу камеры-приемника, вход рабочего теплоносителя второго теплообменника которого через насос параллельно подсоединен к выходам первых теплообменников, входы которых параллельно подсоединены к выходу третьего теплообменника блока предварительного подогрева ионизированных потоков водяных паров. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что смежные окна горизонтально размещенных воздуховодов сообщены между собой и последовательно через трубопроводы соединены с расположенными по вертикали и затем параллельно - ко входу камеры-приемника.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к возобновляемым экологически чистым источникам производства полезной (электрической, механической) энергии и пресной воды путем преобразования термокинетической энергии естественных атмосферных и искусственных потоков влажного воздуха и может быть использовано в интересах индивидуально-бытового и промышленно-регионального применения. К настоящему времени все более обостряются известные проблемы основных энергоносителей:- углеводородных (угля, нефти, газа): невосполняемость и истощение природных запасов, возрастание стоимости их добычи, транспортировки, экологическое загрязнение продуктов их сгорания;
- проблемы безопасности атомной энергетики;
- ограниченность масштабов и стоимости гидроветроэнергетики и др. Другой насущной проблемой является возрастающий дефицит производства пресной воды, снижение энергозатрат и стоимости производства известных промышленных опреснительных установок. Поэтому решение задачи повышения эффективности возобновляемого экологически чистого производства энергии и пресной воды представляется актуальным. Известны способ преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу и устройство для его осуществления по патенту RU 2121117, F 24 H 7/00, 27.10.98, бюл. 30. Известный способ состоит в аккумулировании и передаче через теплообменник рабочему телу преобразовательной установки тепловую энергию окружающей среды. В качестве рабочего тела используется переохлажденный сжиженный газ, например жидкий азот, который под действием тепла окружающей среды вначале преобразуется в насыщенный пар, а затем - в идеальный газ. В качестве преобразовательной установки используют радиальный турбодетандер, через который пропускают для выполнения работы идеальный газ, после чего полученный газ после детандера снова направляют в систему преобразовательной установки. Известное устройство для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу содержит теплоизолированный корпус, сосуд с сжиженным газом, основную магистраль с нагнетательным устройством, главный теплообменник, аккумулятор тепловой рассеянной энергии, содержащий теплообменник с магистралью для подачи теплоносителя, несущего энергию окружающей среды, узел преобразования энергии в виде радиального турбодетандера, установленный после главного теплообменника. Известный способ и устройство характеризуются преобразованием тепловой энергии окружающей среды при искусственно создаваемой температуре То ниже температуры То.с окружающей среды. Однако для этого требуются затраты дополнительной работы, чтобы отводить теплоту при температуре То после детандера на уровень Тo.c. Эта дополнительная затратная работа идеальной холодильной машины эквивалентна будет полученной полезной работе. Т.е. реальная эффективность преобразования рассеянной энергии окружающей среды известного способа и устройства по патенту RU 2121117 крайне низки. Это обусловлено также и тем, что источник тепловой энергии для преобразования в работу и окружающая среда имеют одну и ту же температуру То.с с эксергией, равной нулю, и соответственно нулевым выходом полезной работы. Другим из возможных методов решения отмеченных проблем является конденсация водяных паров, содержащихся в атмосферном воздухе, и использование внутренней энергии воздуха, запасенной в свое время за счет испарения воды. Известен способ и устройство для конденсации воды из атмосферного воздуха по з-ке RU 93/04764, 1993 г. Известный способ, заключается в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное предварительное охлаждение потока воздуха на одном участке второго потока, организуют теплопередачу между частями потока воздуха, конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу. Известное устройство для извлечения воды из воздуха имеет канал для транспортирования потока влажного воздуха, в котором расположены охлаждающий элемент холодильной машины, теплообменник, вентилятор и сборник конденсата. Несмотря на предварительное охлаждение входящего потока, эффективность конденсации невысока, так как значительная часть энергопотребления используется не на конденсацию паров воды, а на компенсацию теплоты конденсации. Кроме того, известный способ и устройство характеризуются ограниченностью использования только при положительных температурах, поскольку конденсация основана на охлаждении атмосферного воздуха до точки росы. В этом случае при охлаждении воздуха ниже 0oС это уже будет зона отрицательных температур по шкале Цельсия, вода находится в твердой фазе льда и известный способ и устройство неработоспособны. Известно устройство для добывания воды из воздуха (патент RU 2000393 С, 07.09.93, бюл. 33-36), содержащее вертикальный канал, водосборник, шнекообразный воздуховод, холодильную машину с нагревательными и охлаждаемыми элементами, размещенными в вертикальном канале, где размещен также ветродвигатель, соединенный с приводом холодильной машины. Охладительные элементы охлаждают воздух до точки росы и способствуют выпадению конденсата. Тепло, выделяющееся при конденсации 1% влаги, обеспечивает в тоже время испарение части конденсата, что приводит к охлаждению всего объема воды на 6oС. Нагревательные элементы, расположенные после зоны конденсации влаги, нагревают уже сухой воздух и благоприятствуют гарантированной тяге вверх, обеспечиваемой благодаря нагреву Солнцем стенок канала и других сооружений. Т. о. изобретение задействует внутреннюю энергию воздуха, запасенную в свое время за счет испарения воды. Однако даже при сверх высокой степени извлечения воды 1 г ежесекундно при охлаждении 25 л воздуха с 30 до 15oС (теоретически возможно не более 0,5 г при 100% влажности) общая суточная производительность 75 л воды крайне недостаточна. Это обусловлено необходимостью продлевать время контакта воздуха с охладителем, низкой скоростью воздушного потока и при вертикальном расположении воздуховода невозможностью использовать естественные потоки влажного воздуха. Известна автономная установка для получения воды из влажного воздуха (патент RU 1484886, 07.06.89, бюл. 21), содержащая установленные на поворотной основе с флюгером воздуховод, ветродвигатель, испаритель и конденсатор холодильной машины с компрессором, конденсатосборник. Известное устройство позволяет использовать и преобразовать кинетическую энергию естественных потоков воздуха в электрическую энергию и обеспечить энергопотребление холодильной машины. Однако значительно большее количество энергии влажного воздуха в виде теплоты водяного пара не используются, дополнительно требует энергии холодильной машины на ее компенсацию и подвода наружного воздуха для охлаждения конденсатора через эжекторные щели. Известны способ извлечения воды из воздуха и устройство для его осуществления (патент RU 2081256, Е 03 В 3/28, 10.06.97), которые по совокупности существенных признаков приняты в качестве прототипа и поясняются чертежом на фиг.1. Известный способ извлечения воды из воздуха заключается в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке этого потока, организуют теплопередачу между n частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, конденсируют пары в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу, а теплопередачу осуществляют от первой ступени к n-й, от второй к (n-1)-й и т.д. Известное устройство для извлечения воды из воздуха представлено на чертеже фиг.1 и содержит термодинамический преобразователь, в котором имеется канал 1 для транспортирования потока воздуха, содержащего пары воды, в котором расположены охлаждающий элемент 2 холодильной машины (испаритель для компрессионной или блок холодный спаев термоэлементов Пельтье), n-секционный теплообменник 3, каждая секция которого состоит из пары теплопередающих элементов и расположены по обе стороны от охлаждающего элемента 2 и по тепловому потоку попарно связаны между собой: первый с последним, второй с предпоследним и т.д. Устройство содержит также вентилятор 4, сборник конденсата 5, отверстие 6 для подсоса атмосферного воздуха. Каждая пара теплопередающих элементов теплообменника 3 соединена с трубопроводами с насосом 7 для циркуляции промежуточного теплоносителя. Теплонагревательные элементы (конденсатор компрессионной холодильной машины или блок горячих спаев термоэлементов Пельтье) 8 расположены на выходе канала 1 после последнего n-го теплопередающего элемента и отверстий для подсоса атмосферного воздуха 6. Известное устройство работает следующим образом. Включают вентилятор 4, который направляет поток атмосферного воздуха в канал 1 и приводят в действие холодильную машину. При достижении потоком воздуха охлаждающего элемента 2 происходит снижение его температуры и осуществляется теплообмен между частями потока воздуха до и после охлаждающего элемента 2. Вследствие чего происходит предварительное ступенчатое охлаждение воздуха в первой зоне до охлаждающего элемента 2, достижение температуры ниже точки росы, происходит конденсация паров воды и сбор ее в сборник конденсата 5. Поток атмосферного воздуха через отверстие 6 увеличивает массу воздуха, охлаждающего нагревательные элементы 8, и улучшает работу холодильной машины. Однако известному способу и устройству по патенту RU 2081256 свойственны ряд существенных недостатков. 1. Низкая эффективность процесса конденсации водяных паров и производства воды. Это связано с тем, что подвод пара к охлаждающей поверхности и процесс его конденсации происходит лишь за счет мономолекулярных сил переноса и охватывает незначительный приповерхностный слой. Другая более значительная часть водяных паров уносится потоком воздуха из зоны с температурой точки росы и не участвует в процессе конденсации. Это вынуждает снижать скорость потока воздуха, увеличивать время пребывания паров в зоне конденсации, что также ограничивает производительность извлечения воды. 2. Непроизводительное использование теплоты, выделяющееся при конденсации паров, что вынуждает дополнительные энергозатраты холодильной машины на их компенсацию и подсоса атмосферного воздуха для охлаждения теплонагревательных элементов холодильной машины. 3. Как следует из сущности известного способа и устройства, основанного на охлаждении воздуха, а также следует из описания и графика фиг.4 описания известного устройства, его работоспособность ограничена областью положительных температур выше 0oС, а эффективная работа положительными температурами выше 10oC. 4. Дополнительные и некомпенсируемые энергозатраты на искусственное формирование потоков воздуха и ограниченность использования естественных потоков атмосферного воздуха. Отмеченные недостатки снижают эффективность преобразования и работы известного способа и устройства, а также ограничивают область их применения как по сезонно-временному, так и по территориально-региональному принципу диапазоном температур атмосферного воздуха выше +10oC. Поэтому технической задачей предлагаемого способа преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройства для его осуществления является повышение эффективности производства полезной энергии и пресной воды в широком диапазоне окружающих температур. Поставленная задача достигается тем, что в способе преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха, заключающимся в том, что направляют поток влажного воздуха, содержащий сухой воздух и водяные пары, через нормированное поперечное сечение на нормированной высоте, организуют теплопередачу между частями потока влажного воздуха, конденсацию водяного пара, сбор пресной воды, проводят предварительный подогрев прошедшего через нормированное поперечное сечение потока влажного воздуха, формируют первое поперечное потоку влажного воздуха высокопотенциальное по уровню ионизации водяных паров электрическое поле, проводят ионизацию и формирование ионов и зарядов ионизированного потока водяных паров в потоке влажного воздуха, формируют второе поперечное потоку влажного воздуха потенциальное электрическое поле с нормированным углом отклонения потока ионов и зарядов водяных паров вверх по вертикали, налево и направо по горизонтали от условной центральной вертикали потока влажного воздуха, формируют продольное поле притяжения ионов и зарядов водяных паров к теплоприемной поверхности по результирующему углу их отклонения налево вверх и направо вверх за пределы потока воздуха, осуществляют гравитационно-электрическую сепарацию и вывод ионизированного потока водяных паров за пределы потока сухого воздуха, выбирают рабочую зону температур подогрева ионизированного потока водяных паров из условий оптимальности уровней его эксергии и дополнительных затрат энергии на подогрев, проводят первый предварительный и второй компенсирующий подогрев ионизированного потока водяных паров до выбранной рабочей зоны температур, осуществляют принудительный электрический подвод ионизированного подогретого потока водяных паров по силовым линиям поля притяжения к теплоприемной поверхности, проводят инерционную нейтрализацию ионов и зарядов потока водяных паров, их концентрацию, конденсацию, образование конденсата, сбор воды, выделение и передачу потока теплоты конденсации теплоприемной поверхности, осуществляют теплопередачу потока теплоты теплоприемной поверхности на преобразование его эксергии в электрическую энергию, отводят и направляют непреобразуемый при этом поток тепла - его анергию на предварительный подогрев ионизированного потока водяных паров и потока влажного воздуха. Направляют поток сухого воздуха после вывода водяных паров на лопасти ветродвигателя и преобразование его кинетической энергии в электрическую. Направляют поток массы сконденсированной воды на лопасти гидротурбины и преобразование энергии его высотного напора в электрическую. Направляют избыточную часть произведенной электрической энергии и сконденсированной воды на электролизерное производство запасов водорода и кислорода и водородное аккумулирование энергии. Поставленная задача в части устройства достигается тем, что в устройство для преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха, состоящее из сухого воздуха и водяных паров, содержащее воздуховод, теплообменники, водосборник, насос с теплоносителем, вентилятор, трубопроводы, введены преобразователь теплоты в электрическую энергию, а также размещенные последовательно в воздуховоде блок предварительного подогрева потока влажного воздуха, состоящий из расположенных вдоль потока влажного воздуха секций первого теплообменника, блок ионизации - формирователь ионов и зарядов ионизированного потока водяных паров, блок отклонения ионизированного потока водяных паров вверх по вертикали, налево и направо по горизонтали от условной центральной вертикали воздуховода, оно снабжено также источником компенсирующего подогрева, терморегулятором и камерой-приемником ионизированных потоков водяных паров, расположенной за пределами воздуховода и сообщенной с ним через окно в боковых стенках на пути движения отклоненного ионизированного потока водяных паров в воздуховоде, а затем в камере-приемнике по силовым линиям продольного электростатического поля с потенциалом притяжения ионов и зарядов водяных паров, который сообщен теплоприемной поверхности секции второго теплообменника, перед которым на входе камеры-приемника последовательно размещены блок предварительного подогрева ионизированного потока водяных паров, состоящий из расположенного вдоль ионизированного потока водяных паров секций третьего теплообменника, и блок компенсирующего подогрева ионизированного потока водяных паров, состоящий из четвертого теплообменника, подключенный к источнику компенсирующего подогрева через терморегулятор с дифференциальным измерителем температур между окружающей средой и ионизированным потоком водяных паров на входе второго теплообменника, теплоприемная поверхность секций которого расположена вертикально, снабжена каналами для стока сконденсированной воды в водосборник и термически соединена со входом преобразователя теплоты в электрическую энергию, термический выход непреобразуемой тепловой энергии-анергии которого через теплоноситель, трубопроводы последовательно соединен с внутренними полостями секций третьего, первого теплообменников и через насос - второго теплообменника, корпус воздуховода, камеры-приемника выполнен с теплоизолирующей оболочкой. Для повышения эффективности сепарации и вывода водяных паров за пределы воздуховода блока ионизации выполнен по электрической схеме самостоятельного газового разряда, содержит высокопотенциальное по уровню ионизации водяных паров поперечное потоку влажного воздуха неоднородное электростатическое поле между коронирующими электродами и поверхностями нулевого потенциала, расположенными вдоль потоков влажного воздуха. С целью обеспечения минимального аэродинамического потоку влажного воздуха блок отклонения ионизированного потока водяных паров выполнен по электрической схеме вертикально и горизонтально отклоняющих расположенных вдоль потока влажного воздуха пластин, последовательно разделенных воздушным промежутком с электрическим полем между пластинами емкостного типа и слоем твердого диэлектрика. При этом вертикально отклоняющим пластинам воздушного промежутка сообщены потенциалы с углом отклонения вверх по вертикали ионизированных потоков водяных паров, горизонтально отклоняющим пластинам воздушного промежутка, расположенным слева от условной центральной вертикали воздуховода, сообщены потенциалы с углом отклонения налево, а расположенным справа от условной центральной вертикали воздуховода, сообщены потенциалы с углом отклонения ионизированных потоков водяных паров направо. Преобразователь теплоты в электрическую энергию целесообразно выполнить по схеме термоэлектрического генератора. В этом случае горячие спаи его термоэлементов (термопар) размещены непосредственно на теплоприемной поверхности второго теплообменника, холодные спаи - внутри полостей его секций и через теплоноситель, трубопроводы, насос соединены термически с третьим и первым теплообменниками, термоэлементы (термопары) электрически соединены последовательно-параллельно, а термически - параллельно. Для обеспечения больших мощностей преобразователь теплоты в электрическую энергию целесообразно выполнить по паросиловой установке с парогенератором, паровой машиной с электрогенератором, конденсором, ее парогенератор совмещен с внутренними полостями секций второго теплообменника, конденсор - с третьего и первого теплообменников и через теплоноситель, трубопроводы соединен с термическим выходом анергии паровой машины и через насос - с входом второго теплообменника, выход которого соединен со входом паровой машины. При выполнении блока компенсирующего подогрева по схеме электрического нагревателя его нагревательный элемент совмещен с четвертым теплообменником. При выполнении блока компенсирующего подогрева по схеме теплового насоса его теплообменник-нагреватель совмещен с четвертым теплообменником. Устройство снабжено ветроколесом с электрогенератором, размещенными на выходе воздуховода после блока отклонения. Устройство снабжено гидротурбиной электрогенератором, подключенной гидравлически через трубопровод под высотным напором к водосборнику. Устройство снабжено электролизером, распределителем водотока, емкостями для сбора водорода и кислорода, при этом электролизер по входу гидравлически через трубопроводы, распределитель водотока, гидротурбину, подсоединен к водосборнику, по выходу - к емкостям для сбора водорода и кислорода, а электрически - к выходу электрогенераторов. При использовании принудительных потоков влажного воздуха вентилятор с электродвигателем размещены на входе воздуховода перед первым теплообменником, электродвигатель электрически подсоединен к выходу электрогенераторов. При использовании естественных атмосферных потоков влажного воздуха, оно снабжено поворотным узлом, блоком ориентации входа воздуховода навстречу потоку влажного воздуха, например, флюгерного типа. Для обеспечения производства больших масс сконденсированной воды и повышенных мощностей полезной энергии целесообразно устройство дополнительно снабдить воздуховодами, расположенными по горизонтали и вертикали, с блоками предварительного подогрева влажного воздуха, ионизации, отклонения ионизированных потоков водяных паров, окнами в боковых стенках на пути их движения за пределы воздуховодов, снабжено также вентилятором ионизированных потоков водяных паров, размещенным перед блоком их предварительного подогрева на входе камеры-приемника, расположенной сверху за пределами воздуховодов, окна которых через теплоэлектроизолирующие трубопроводы параллельно подсоединены ко входу камеры-приемника, вход рабочего теплоносителя второго теплообменника которого через насос параллельно подсоединен к выходам первых теплообменников, входы которых параллельно подсоединены к выходу третьего теплообменника блока предварительного подогрева ионизированных потоков водяных паров. Смежные окна горизонтально размещенных воздуховодов сообщены между собой и последовательно через трубопроводы соединены с расположенными по вертикали и затем параллельно - ко входу камеры-приемника. Предлагаемое изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 представлена схема известного устройства - прототипа; на фиг.2 схематично представлен процесс повышения энтальпии влажного воздуха h с использованием его анергии; на фиг.3 представлен схематичный разрез предлагаемого устройства - вид сверху; на фиг. 4 - вид сбоку с поворотным устройством гидротурбиной и электролизером; на фиг. 5 - вариант предлагаемого устройства с преобразователем теплоты по схеме теплоэлектрического генератора; на фиг. 6 - вариант предлагаемого устройства с вентилятором на входе и ветроколесом на выходе воздуховода; на фиг. 7 - вариант предлагаемого устройства, составленного группой воздуховодов; на фиг.8 - схема термодинамического баланса преобразования предлагаемого устройства. Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения по преобразованию термокинетической энергии влажного воздуха с целью повышения эффективности производства полезной энергии и пресной воды в широком диапазоне температур окружающей среды поясняется нижеследующим описанием. Для более полного обоснования необходимости и достаточности основных существенных признаков предлагаемого технического решения целесообразно провести оценку нижеследующих предварительных расчетных данных. 1. Оценим и сопоставим составляющие термокинетической энергии потоков влажного воздуха, определяемые кинетической энергией движущегося потока воздуха Ров и запасенной внутренней тепловой энергией Wов. воздуха. Значения Ров пропорциональны кубу скорости потока V3 м/с воздуха вообще или в частности ветра для естественных атмосферных потоков воздуха [I]. При средних значениях V=10 м/с, принимаемых при проектировании ветроэнергетических установок, удельная мощность движущегося потока воздуха равна
Ров # 0,6 кВт/м2. (1)
Преобразование мощности Ров в полезную энергию (механическую, электрическую) с помощью современной ветроэнергетической установки (ВЭУ) при эффективности преобразования Ср= 0,35-0,45 позволяет получить полезную мощность Рпв с 1 м2 условно сметаемой потоком воздуха площади порядка
Рпв # 0,2 0,3 кВт/м2 (2). Атмосферный воздух всегда смешен с водяными парами с значениями относительной влажности в среднем от 40 до 80%. Такая смесь сухого воздуха и водяных паров в инженерной практике носит название влажного воздуха и в общем может содержать влагу в виде водяного пара, микрокапелек воды (сконденсированный пар в виде тумана, облака) или кристалликов льда, снежинок в твердой фазе при отрицательных температурах То.с. окружающей среды. Поэтому внутреннюю энергию влажного воздуха в общем случае можно представить как энтальпию газовой смеси h кДж/кг, состоящей из 1 кг сухого воздуха, dп кг водяного пара, dж кг капелек воды, dт кг кристалликов льда, снега, при температуре toC в виде эмпирической зависимости [2]
h = t+(rt+1,93t)dп+4,19dж+(2,1t+335)dт (3),
где rt - удельная теплота испарения воды при температуре toC, равная теплоте конденсации водяных паров [3],
dж, dт = (0,05-0,1)dп. (4)
Для примера и наглядности представим расчет энтальпии влажного воздуха h10 для температуры t=10oC, относительной влажности 60% и влагосодержанием
dп = 5,46
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
h10 = h10 с.в + h10 п + h10 ж,
h10 = 10 + (13,52 + 0,105) + 0,023 = 23,65 кДж (5),
где h10 с.в = 10 кДж - энтальпия 1 кг сухого воздуха при температуре t = 10oС,
h10 п = 13,52 + 0,105 - энтальпия водяного пара при значениях r10 t = 2477,4 кДж (6)
h10 ж = 0,023 - энтальпия капелек жидкости. При упомянутой выше скорости потока влажного V= 10 м/с через условную площадь S=1 м2 пройдет за 1 сек порядка 10 м3 влажного воздуха, что при плотности воздуха 1,2 кг/м3 составит по массе 12 кг и соответствующие значение удельной тепловой энергии Wо.т кДж/м2 и удельной тепловой мощности Ро.т. кДж/м2 компонентов данного потока влажного воздуха с учетом (3), (5) можно представить в виде
Wо.т = Wс.в + Wп = 120 кДж/м2 + 163,8 кДж/м2, (7)
Ро.т = Рс.в + Рп = 120 кВт/м2 + 163,8 кВт/м2. (8)
Сопоставление (8) с (1) показывает о высокой плотности мощности Рс.в - сухого воздуха и Рп - водяного пара - компонентов потока тепловой мощности влажного воздуха по сравнению с его кинетической Рп.в при одинаковой скорости V = 10 м/с. Однако кинетическая энергия потока воздуха, являясь механической энергией, обладает эксергией, отличной от нуля, и характеризуется свойством преобразуемости в другие виды полезной энергии вне зависимости от параметров окружающей среды [4]. Эксергия теплового потока еq является прямой функцией разности температур потока То и окружающей среды То.с и показывает, какая часть тепловой энергии Wо.т может быть превращена в полезную работу
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-2t.gif)
Согласно (9) прямое преобразование потока тепловой энергии влажного воздуха (7), (8) в полезную (электрическую, механическую) энергию не возможно, т.к. То=То.с, eq=0. Следовательно, необходимо повысить температуру То>То.с и эксергию еq>0 теплового потока влажного воздуха, сообщив ему из вне дополнительное количество теплоты Qдоп. В качестве дополнительной энергии Qдоп может быть использована непосредственно высокоорганизованная безэнтропийная электрическая энергия Wэл, тогда
Wэл=Qдоп, (10)
либо через тепловой насос, тогда
Wэл<Q. (11)
Наиболее важным условием, однако, является выполнение соотношения
еq>Qдоп,
чтобы дополнительные затраты энергии Qдоп не превысили эксергетической составляющей теплового потока влажного воздуха. 2. Оценим для примера дополнительные затраты энергии Qдоп и соответствующие значения эксергии еq при нагреве влажного воздуха (5) при температуре окружающей среды tо.с=10oC до температур t1=40oC и t2=80oC через соответственно их энтальпии h40 и h80. Тогда значение Qдоп равны
Q40 доп = h40 - h10, (13)
Q80 доп = h80 - h10. И, следовательно, согласно (3) после подстановки и упрощения получим
h40 = 41 + (13,54+0,42)+0,092=54,05 кДж, (14)
h80 = 80 + (13,54+0,84)+0,183=94,56 кДж. Тогда согласно (9), (13)
e40 q = 5,17 кДж
Q40 доп = 30,4 кДж (15)
e80 q = 19,28 кДж
Q80 доп = 70,9 кДж. Т.е. условие (12) не выполняется. Из (15) следует коэффициент эффективности
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-3t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-4t.gif)
показывающий, что на единицу полезной энергии требуется соответственно 5,88 и 3,67 единиц дополнительных затрат энергии. Однако из сравнения (14) и (15) можно выявить и оценить значительную по величине непревратимую часть тепловой энергии-анергию в виде
a40 = h40 - e40 q = 48,88 кДж, (18)
a80 = h80 - e80 q = 75,3 кДж
и сделать вывод о целесообразности ее использования для предварительного подогрева поступающего потока влажного воздуха из окружающей среды. В этом случае, как схематично показано на фиг.2, поток влажного воздуха с энтальпией h10, для рассмотренного ранее примера, поступает на вход воздуховода 1 и с помощью теплообменников 2 и 3 подогревается для частного примера до температур t1= 40oC или t2=800C с соответствующими значениями энтальпий h40 и h80. Теплообменник 2 потребляет отводимую непревратимую энергию-анергию от преобразователя теплоты 4. Теплообменник 3 потребляет энергию Qдоп. от источника 5, направленную на компенсацию реальных технологических потерь теплопередачи на стенках теплообменника 2 и теплообменника 6, который, кроме того, реализует процесс конденсации водяных паров поступающего влажного воздуха и передает его тепловой поток h40 и h80 через промежуточный теплоноситель и насос 7 преобразователю 4. Реальные потери теплопередачи на стенах теплообменников можно оценить в виде
2
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
требующих компенсации дополнительной энергии Qдоп = 8 кДж и при выборе рабочей зоны подогрева влажного воздуха t2=80oC обеспечивается достижение требуемого условия (12):
e76 q > Qдоп и
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-5t.gif)
что вполне приемлемо для данного конкретного случая, но не вполне эффективно для других значений влагосодержания dп кг/кг и ряда других параметров. Устранить эти недостатки позволяет анализ паровой составляющей в выражении (3), (14) и (7), (8) и сопоставлении ее с соответствующими составляющими сухого воздуха. 3. Анализ, с учетом вышеприведенного, показывает, что основной вклад в обеспечение требования (12) вносит первая составляющая энтальпии hп в выражении (3), (14). Эффект от подогрева и повышения энтальпии составляющей сухого воздуха в обеспечении условия (12) - крайне незначителен. Поэтому оценим энтальпии паровой составляющей влажного воздуха при температурах tо.с=10oC, t1=40oC, t2=80oC согласно (3), (14):
h10 п = 13,52 + 0,105,
h40 п = 13,52 + 0,42, (21)
h80 п = 13,52 + 0,84. Определим значения эксергии
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-6t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-7t.gif)
Q40 доп.п = h40 - h10 = 0,315 кДж,
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-8t.gif)
Q80 доп.п = h80 п - h10 п = 0,735 кДж. Тогда коэффициенты эффективности преобразования водяных паров в виде
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-9t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-10t.gif)
подтверждает гарантированное достижение условия (12) в широком диапазоне параметров окружающей среды. При использовании значений анергии
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-11t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-12t.gif)
например, по схеме преобразования, представленной на фиг.2, дополнительные затраты энергии Qдоп могут быть снижены в 4-5 раз, что более подробно будет пояснено ниже. На основании вышеизложенного предварительного анализа можно сделать следующие выводы. 1. Непосредственное преобразование тепловой энергии потока влажного воздуха окружающей среды неэффективно, т.к. согласно (9) его эксергия eq=0 равна нулю. 2. Повышение эксергии eq>0 потока влажного воздуха требует затрат дополнительной энергии Qдоп при его подогреве до температур То>То.с. 3. Максимальная эффективность преобразования тепловой энергии потоков влажного воздуха согласно (22), (23) и обеспечение условия (12) может быть достигнута при подогреве не всего состава влажного воздуха, а лишь его водяных паров, последующей их конденсацией и использованием теплоты конденсации rt
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
Нижний уровень значений
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194023/8805.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
Верхний уровень значений
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
T6-8<100C (27). Выбранный согласно (26), (27) и некоторых других условий, отмеченных ниже, уровень значения
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-13t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-14t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-15t.gif)
направляется с помощью промежуточного теплоносителя и трубопровода 18 последовательно на теплообменники 5, 2 и через насос 17 на теплообменник 8. Благодаря этому реализуется необходимый процесс отвода анергии преобразователя 10, обеспечивается предварительный подогрев потока ионизированных водяных паров через теплообменник 5 и потока влажного воздуха через теплообменник 2 на входе 19 воздуходува 1 без использования дополнительных затрат энергии от внешнего источника. Дополнительные затраты энергии используются от внешнего источника 11 на компенсацию реальных тепловых потерь процесса теплопередачи на стенках реальных теплообменников 8 и 5. Еще одним условием, накладываемым на выбор значений
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-16t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-17t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-18t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-19t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-20t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-21t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-22t.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
Превратимая в работу с помощью блока 10 составляющая тепловой энергии h9 - ее эксергия обозначена в виде eq, а неработоспособная, отводимая после блока 10 ее анергия обозначена в виде а10, поступающая на блок 5, и в виде а5, поступающая на блок 2 после прохождения блока 5. Предметом анализа является расчет значений eq и Qдоп, оценка значений дополнительных затрат W3доп, W4дoп, W9доп, W17доп, определение суммарных затрат
W
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
и сопоставление значений eq и W
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
eq>W
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
Ниже приведен подробный расчет значений eq и Qдоп согласно (3), (9), (13) для удельного потока влажного воздуха, состоящего из 1 кг сухого воздуха при температуре t=10oC (T=283,3K), среднем значении относительной влажности
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/981.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
Так согласно (5) h10 вл.в. = 23,65 кДж, энтальпия потока водяных паров на выходе блока 6 при подогреве до
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
h60 6п = (2477,4 + 1,93
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
h56 9 = (2477,4 + 1,93
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
и согласно (9) эксергия
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-23t.gif)
согласно (18) анергия после выхода блока 10
a10 = h56 9 - eq = 14,12 - 1,97 = 12,15 кДж,
которая с учетом реальных поте
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194093/176.gif)
h52 5п = (2477,4 + 1,93
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
а остальная часть анергии после блока 5, определяемая в виде
a5 = a10-
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194005/916.gif)
направляется на предварительный подогрев потока влажного воздуха на входе воздуховода 1 с помощью теплообменника 2 и на повышение его энтальпии до значения
h2 = h10 вл.в + a5 = 23,65 + 11,72 = 35,37 кДж,
что согласно анализу (3), (5) соответствует повышению температуры потока влажного воздуха на выходе блока 2 на 12oС
h22 2 = 35,37 кДж. Повышение энтальпии влажного воздуха на выходе блока 3 связано с введением энергии ионизации У3доп, которая в совокупности с вводимой энергией нейтрализации зарядов и ионов блока 9 - У3доп может быть оценена в виде расхода дополнительной энергии на 1 кг сухого воздуха или 1 м3 влажного воздуха как
W3доп+W9доп
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
из расчета, что промышленные ионизаторы в среднем потребляют 0,8 мА и 10 Вт на 1000 м/ч их пропускной способности [9]. Затраты дополнительно вводимой энергии блока отклонения 4 - W4доп. как сугубо электростатической системы, так и затраты дополнительной энергии насоса W17доп. на обработку 1 кг сухого воздуха или 1 м3 влажного воздуха также крайне незначительны и соответственно могут быть оценены в виде
W4доп
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
W17доп
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
Как более существенные могут быть оценены дополнительные затраты энергии блока 6 в виде
Qдоп = h56 9 - h52 5 = 14,12 - 14,06 = 0,06 кДж. Тогда согласно (29) суммарные затраты дополнительной энергии
W
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
сопоставление которых с (31) подтверждает гарантированное обеспечение требуемого условия (30). Результаты расчетов значений эксергии eq и дополнительных затрат энергии Qдоп, W
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
Данные табл. 2 подтверждают высокую эффективность преобразования внутренней тепловой энергии потоков влажного воздуха в широком диапазоне температур и влажности параметров окружающей среды, а также гарантированное превышение полезной превратимой в работу энергии eq над основными дополнительными затратами энергии Qдоп, представленное соответствующими энергии
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/2194125-24t.gif)
Несложно рассчитать удельную паровую составляющую мощности уд.п предлагаемого устройства на выходе преобразователя 10 для вышеприведенного примера определяемого естественным потоком атмосферного воздуха со скоростью V= 10 м/с по входу воздуховода с поперечным сечением S=1 м с параметрами То.с= 10oС,
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/981.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/981.gif)
Руд.п = 1,97
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
В случае принудительного потока влажного воздуха свыше приведенными параметрами с учетом дополнительных затрат, потребляемых вентилятором 37, удельные значения Руд.п. можно представить в виде
Pуд.п
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
Удельная масса сконденсированной воды, поступающая на блоки 31, 32, выход 41, как и значения удельной мощности Руд.п. пропорциональны параметрам влагосодержания d и скорости V м/с потока влажного воздуха и может быть представлена для рассматриваемого примера в виде
mуд. = 4,46
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
отнесенной к единице площади поперечного сечения S=1 м2 входа воздуховода в единицу времени. Так, например, при суммарной площади входа поперечного сечения воздуховода S
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
M
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
и соответственно паровая составляющая полезной мощности на выходе преобразователя 10 при 8=100 м2 (10х10 м) составит согласно (32)
Pп
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
а при S=104 м2 (100х100 м)
Pп
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
и масса произведенной пресной воды в течение часа согласно (35) для рассматриваемого случая составит
M
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/931.gif)
![способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления, патент № 2194125](/images/patents/276/2194125/8773.gif)
Экспериментальная проверка подтвердила приведенные обоснования и расчетные данные. В качестве эксперимента использовались стандартные многосекционные плоские теплообменники, узлы промышленных двухзонных ионизаторов типа ФЭ, блок отклонения емкостного типа, паровая машина типа радиального детандера, термоэлектрогенераторы типа "Ромашка", промежуточный и рабочий теплоносители - аммиак, фреон. Т. о. предлагаемое техническое решение позволяет достичь высокой эффективности преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и обеспечить производство возобновляемой экологически чистой энергии и пресной воды как для индивидуального, так и для промышленно-регионального применения. Список используемой литературы
1. Твайделл Дж. и др. Возобновляемые источники энергии. М., 1990, стр. 195-239. 2. Техническая термодинамика, под. ред. В.И. Крутова, М., 1991, стр. 146-150, 307. 3. Ривкин С. Я. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник, М., 1984, стр.7-10. 4. Бродянский В. М. Эксергетический метод и его применения, М., 1998, стр. 18-50. 5. Атмосфера. Справочник. М., 1991, стр.14. 6. Грановский В.Л. Электрический ток в газах, М., 1971, стр.150. 7. Капцов Н.А. Коронный разряд. М., 1947. 8. Рей Д. Тепловые насосы. М., 1982.
Класс E03B3/28 из влажного воздуха
Класс B01D5/00 Конденсация паров; извлечение летучих растворителей путем конденсации