способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха и устройство для его осуществления

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 Т_о ниже температуры Т_о.с окружающей среды.

Однако для этого требуются затраты дополнительной работы, чтобы отводить теплоту при температуре То после детандера на уровень Т_o.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 Т_о.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 0^oС 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 6^oС.

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 15^oС (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 0^oС, а эффективная работа положительными температурами выше 10^oC.

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 +10^oC.

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 Р_ов и запасенной внутренней тепловой энергией W_ов. воздуха.

Значения Р_ов 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

Р_ов # 0,6 кВт/м². (1)

Преобразование мощности Р_ов в полезную энергию (механическую, электрическую) с помощью современной ветроэнергетической установки (ВЭУ) при эффективности преобразования С_р= 0,35-0,45 позволяет получить полезную мощность Р_пв с 1 м² условно сметаемой потоком воздуха площади порядка

Р_пв # 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 Т_о.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, d_п кг водяного пара, d_ж кг капелек воды, d_т кг кристалликов льда, снега, при температуре t^oC в виде эмпирической зависимости [2]

h = t+(r_t+1,93t)d_п+4,19d_ж+(2,1t+335)d_т (3),

где r_t - удельная теплота испарения воды при температуре t^oC, равная теплоте конденсации водяных паров [3],

d_ж, d_т = (0,05-0,1)d_п. (4)

Для примера и наглядности представим расчет энтальпии влажного воздуха h¹⁰ для температуры t=10^oC, относительной влажности 60% и влагосодержанием

d_п = 5,4610^-3 кг/кг,

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 = 10^oС,

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 W_о.т кДж/м² и удельной тепловой мощности Р_о.т. кДж/м² компонентов данного потока влажного воздуха с учетом (3), (5) можно представить в виде

W_о.т = W_с.в + W_п = 120 кДж/м² + 163,8 кДж/м², (7)

Р_о.т = Р_с.в + Р_п = 120 кВт/м² + 163,8 кВт/м². (8)

Сопоставление (8) с (1) показывает о высокой плотности мощности Р_с.в - сухого воздуха и Р_п - водяного пара - компонентов потока тепловой мощности влажного воздуха по сравнению с его кинетической Р_п.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 е_q является прямой функцией разности температур потока Т_о и окружающей среды Т_о.с и показывает, какая часть тепловой энергии W_о.т может быть превращена в полезную работу



Согласно (9) прямое преобразование потока тепловой энергии влажного воздуха (7), (8) в полезную (электрическую, механическую) энергию не возможно, т.к. Т_о=Т_о.с, e_q=0.

Следовательно, необходимо повысить температуру Т_о>Т_о.с и эксергию е_q>0 теплового потока влажного воздуха, сообщив ему из вне дополнительное количество теплоты Q_доп. В качестве дополнительной энергии Q_доп может быть использована непосредственно высокоорганизованная безэнтропийная электрическая энергия W_эл, тогда

W_эл=Q_доп, (10)

либо через тепловой насос, тогда

W_эл<Q. (11)

Наиболее важным условием, однако, является выполнение соотношения

е_q>Q_доп,

чтобы дополнительные затраты энергии Q_доп не превысили эксергетической составляющей теплового потока влажного воздуха.

2. Оценим для примера дополнительные затраты энергии Q_доп и соответствующие значения эксергии е_q при нагреве влажного воздуха (5) при температуре окружающей среды t_о.с=10^oC до температур t₁=40^oC и t₂=80^oC через соответственно их энтальпии h⁴⁰ и h⁸⁰. Тогда значение Q_доп 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





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= 40^oC 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 Q_доп. 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

2t = 8C, (19)

требующих компенсации дополнительной энергии Q_доп = 8 кДж и при выборе рабочей зоны подогрева влажного воздуха t₂=80^oC обеспечивается достижение требуемого условия (12):

e⁷⁶ _q > Q_доп и



что вполне приемлемо для данного конкретного случая, но не вполне эффективно для других значений влагосодержания d_п 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 h_п 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 t_о.с=10^oC, t₁=40^oC, t₂=80^oC 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 паровой составляющей, дополнительные затраты энергии Q⁴⁰ _доп.п, Q⁸⁰ _доп.п на подогрев и повышение эксергии данной массы d_п=5,46-10^-3 кг водяного пара в рассматриваемом примере согласно (9), (13):



Q⁴⁰ _доп.п = h⁴⁰ - h¹⁰ = 0,315 кДж,



Q⁸⁰ _доп.п = h⁸⁰ _п - h¹⁰ _п = 0,735 кДж.

Тогда коэффициенты эффективности преобразования водяных паров в виде





подтверждает гарантированное достижение условия (12) в широком диапазоне параметров окружающей среды.

При использовании значений анергии





например, по схеме преобразования, представленной на фиг.2, дополнительные затраты энергии Q_доп 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 e_q=0 равна нулю.

2. Повышение эксергии e_q>0 потока влажного воздуха требует затрат дополнительной энергии Q_доп при его подогреве до температур Т_о>Т_о.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 r_t 2500 кДж/кг. Это количество теплоты 2500 кДж выделяется при конденсации 1 кг водяного пара и получении 1 кг воды. Для сравнения нагрев 1 кг сухого воздуха на 100^oС требует затрат 100 кДж энергии, 1 кг воды на 100^oС - 419 кДж, 1 кг водяного пара на 100^oС - 193 кДж.

4. Необходимо из всего потока влажного воздуха выделить при минимизации затрат поток водяных паров, повысить его эксергию и обеспечить их конденсацию, извлечение теплоты конденсации и пресной воды.

Выполнение данного четвертого условия связано с анализом состава воздуха по параметрам плотности, объема, энергии ионизации и молярного веса его компонентов.

Кроме искомых водяных паров особое внимание следует обратить на основные четыре компонента воздуха: азот N₂, кислород О₂, аргон А₂ и диоксид углерода СО₂, параметры которых сведены в табл.1.

Влияние и вклад других составляющих влажного воздуха в рассматриваемые процессы крайне незначителен и ими можно пренебречь [5], [6].

Из анализа данных табл.1 следует, что водяные пары более, чем в полтора раза легче всех основных компонентов воздуха и обладают наименьшим потенциалом ионизации, кроме кислорода, который, однако, почти в 1,8 раза тяжелее.

Поэтому для вывода водяных паров из потока влажного воздуха целесообразно использовать гравитационно-электрический способ, а для подвода подогретого ионизированного потока водяных паров к "холодной", менее теплой стенке, их концентрации, удержанию и конденсации - электрический способ.

Т.о. предлагаемый способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха заключается в том, что направляют поток влажного воздуха через нормированное поперечное сечение площадью S м², расположенное на нормированной высоте Н м и ориентированное перпендикулярно к вектору как искусственных, так и естественных атмосферных потоков влажного воздуха.

Проводят предварительный подогрев потока влажного воздуха. Формируют поперечное потоку влажного воздуха первое высокопотенциальное по уровню ионизации его водяных паров электростатическое поле с коронирующими электродами. Проводят ионизацию водяных паров и формирование потока его ионов и зарядов в потоке влажного воздуха. Отмеченный выше предварительный подогрев влажного воздуха способствует как процессу ионизации водяных паров, так и процессу таяния и испарения содержащихся в общем случае кристалликов льда и снега. Формируют второе потенциальное поперечное потоку влажного воздуха электростатическое поле с нормированным углом отклонения ионизированного потока водяных паров вверх по вертикали, а также по горизонтали налево и направо от условной центральной вертикали потока влажного воздуха.

Формируют продольное поле притяжения ионизированного потока водяных паров по результирующему углу их отклонения налево вверх и направо вверх за пределы воздушного потока. Осуществляют гравитационно-электрическую сепарацию и вывод ионизированного потока водяных паров соответственно налево вверх и направо вверх за пределы потока сухого воздуха.

В совокупности, с учетом вышеприведенного анализа и данных табл. 1, это позволяет обеспечить максимальную, близкую к 100%, сепарацию и вывод водяных паров за пределы потока сухого воздуха. Так азот N₂, аргон А₂, диоксид углерода СО₂ - основные компоненты воздуха вообще не подвергаются ионизации, как обладающие более высоким потенциалом ионизации по отношению к водяным парам. Выбор нормированных по параметрам водяного пара потенциалов результирующего угла отклонения и продольного поля притяжения ионизированного потока водяных паров не позволяет покинуть пределы потока воздуха ионизированному потоку кислорода О₂ и попасть в зону ионизированного потока водяных паров, выведенных за пределы потока сухого воздуха, так как молярная масса и кинетическая энергия потока молекул кислорода О₂, по крайней мере, в 1,77 раз выше соответствующих значений молекул водяного пара Н₂О, движущихся со скоростью воздушного потока.

Выбирают рабочую зону T_p.п подогрева ионизированного потока водяных паров из условий оптимальности его эксергии и дополнительных затрат энергии на подогрев.

Проводят первый предварительный и второй компенсирующий подогрев ионизированного потока водяных паров до значений T_p.п выбранной рабочей зоны температур.

Осуществляют принудительный электрический подвод ионизированного подогретого потока водяных паров к теплоприемной поверхности с сообщенным ей электрическим потенциалом и полем их притяжения. Проводят инерционную нейтрализацию зарядов ионизированного потока водяных паров, их концентрацию, конденсацию, образование конденсата, воды, выделение и передачу теплоты конденсации теплоприемной поверхности. Электрические силы, приведшие каждую молекулу водяного пара, способствуют их удержанию на теплоприемной поверхности пока весь накопленный электрический заряд "не стечет" с них. Этот инерционный процесс нейтрализации обусловлен относительно невысокой электропроводимостью переходного слоя пленочной или капельной конденсации. Наряду с этим теплоприемная поверхность не сметается воздушным потоком, время пребывания водяных паров в зоне конденсации у теплоприемной поверхности не ограничивается его скоростью. В совокупности это позволяет обеспечивать максимальную, близкую к 100%, конденсацию водяных паров.

Осуществляют теплопередачу потока тепла теплоприемной поверхности на преобразование его эксергии в электрическую энергию W_эл.п.. Отводят и направляют непреобразуемый поток тепла - его анергию на предварительный подогрев ионизированного потока водяных паров и потока влажного воздуха на входе.

Направляют поток сухого воздуха после вывода из него водяных паров на лопасти ветродвигателя на преобразование его кинетической энергии в электрическую W_эл.п.. Осуществляют сбор конденсата теплоприемной поверхности и направляют поток массы воды с высотным напором Н м на лопасти гидротурбин и преобразование его энергии в электрическую энергию W_э.г.

Распределяют поток сконденсированной воды по направлениям технического, хозяйственного использования и аккумулирования энергии. Направляют избыточную часть произведенной электрической энергии и сконденсированной воды на электролизерное производство запасов экологически чистого энергоносителя водорода и кислорода из воды. Водородное аккумулирование энергии особенно эффективно при использовании естественных атмосферных потоков. Водород в сжиженом состоянии может транспортироваться, использоваться в стационарных установках, двигателях транспортных средств, а также для производства электроэнергии и обеспечения бесперебойной подачи возобновляемой экологически чистой энергии потребителям.

Т.о. предлагаемый способ преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха позволяет устранить вышеотмеченные недостатки известного способа и обеспечить существенное повышение эффективности конденсации водяных паров, производства полезной энергии и пресной воды.

Предлагаемое устройство для преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха содержит (фиг.3) воздуховод 1, блок предварительного подогрева влажного воздуха 2, состоящий из расположенных вдоль потока влажного воздуха секций первого теплообменника 14, блок ионизации 3 - формирователь электрических зарядов ионизированного потока водяных паров, блок отклонения ионизированного потока водяных паров 4, камеру-приемник ионизированных потоков водяных паров 15. Камера-приемник 15 расположена слева и справа за пределами воздуховода 1 и сообщена с ним через окна 16 в боковых стенках воздуховода 1.

Камера-приемник 15 содержит блок предварительного подогрева ионизированных потоков водяных паров, состоящий из третьего теплообменника 5, четвертый теплообменник 6 блока компенсирующего подогрева ионизированных потоков водяных паров, состоящего из источника компенсирующего подогрева 11, терморегулятора 12 и дифференциального измерителя температур 13.

Камера-приемник 15 содержит также водосборник 7, второй теплообменник 8 с теплоприемными поверхностями 9 его секций, расположенных вертикально вдоль потоков ионизированных водяных паров.

Устройство содержит также преобразователь эксергии теплоты 10 теплоприемной поверхности 9 в электрическую энергию, насос 17, трубопроводы 18.

Блоки 2, 3, 4 размещены последовательно по потоку влажного воздуха на входе 19 воздуховода 1. Измерители температуры 13 выполнены по схеме термопар или термосопротивлений, размещены на входе 19 воздуховода 1 и входе теплообменника 8.

Теплоприемная поверхность 9 теплообменника 8 термически соединена со входом преобразователя 10, термический выход отводимой непреобразуемой энергии-анергии которого через промежуточный теплоноситель и трубопроводы 18 соединен последовательно с внутренними полостями теплообменников 5, 2 и через насос 17 - теплообменника 8.

Теплоприемная поверхность 9 секций теплообменника 8, установленных вертикально вдоль потока ионизированных водяных паров, снабжена каналами (не показано) для стока и сбора сконденсированной воды в водосборник 7.

Теплоприемная поверхность 9 снабжена также электрическим потенциалом притяжения и нейтрализации зарядов ионизированного потока водяных паров V_н.

Корпус воздуховода 1 и камер-приемников 15 выполнен с теплоизолирующей оболочкой. Выход электрической энергии преобразователя 10 - W_э.п. выход воздуховода - 20.

Блок ионизации 3 потока водяных паров в общем потоке влажного воздуха (фиг. 3,4) выполнен по схеме электрического самостоятельного газового разряда, состоящей из поперечного потоку влажного воздуха неоднородного электростатического поля между коронирующими электродами 21 и поверхностями пластин 22. Для обеспечения эффективности ионизации потока водяных паров при минимальных затратах электрической энергии между электродами необходимо создать устойчивый коронирующий разряд [6, 7] . Такой разряд может быть создан только в неоднородном поле между коронирующим электродом - проволокой 21 и металлической пластиной 22 или цилиндром, расположенными вдоль потока влажного воздуха. Такое сочетание позволяет совместить высокую эффективность ионизации с низким аэродинамическим сопротивлением потоку, поскольку толщина электродов составляет 0,2 - 0,3 мм. На коронирующие электроды 21 могут быть поданы как положительные, так и отрицательные потенциалы V_к и соответственно достичь положительной либо отрицательной короны. Положительная корона равномерна по всей длине электродов и ионизация кислорода при одном и том же потенциале V_к по сравнению с отрицательной короной менее вероятна. Поэтому целесообразно выбрать знак и уровень потенциала коронирующих электродов 21, соответствующим положительной короне и уровню ионизации V_к водяных паров согласно табл.1.

Блок отклонения ионизированных потоков водяных паров 4 выполнен по схеме горизонтально (фиг. 3) и вертикально (фиг.4) отклоняющих пластин емкостного типа 23-25, 27, расположенных вдоль потока влажного воздуха и последовательно разделенных воздушным промежутком с электростатическим полем между пластинами и слоем твердого диэлектрика 26.

Парам горизонтально отклоняющих пластин 23, разделенных воздушным промежутком и расположенных слева от размещенных на условной центральной вертикали воздуховода 1 пластин 25, сообщены соответственно (фиг.3) потенциалы притяжения V_пр и отталкивания V_отт с результирующим углом отклонения ионизированных потоков водяных паров налево от условной центральной вертикали воздуховода 1.

Парам горизонтально отклоняющих пластин 24, разделенных воздушным промежутком и расположенных справа от размещенных на условной центральной вертикали воздуховода 1 пластин 25, сообщены соответственно (фиг.3) потенциалы притяжения V_пр и отталкивания V_отт ионизированных потоков водяных паров с результирующим углом отклонения последних направо от условной центральной вертикали воздуховода 1.

Парам вертикально отклоняющих пластин 27, разделенных воздушным промежутком (фиг.4) сообщены соответственно потенциалами притяжения V_пр. и отталкивания V_отт ионизированных потоков водяных паров с результирующим углом отклонения вверх по вертикали. Толщина металлических пластин 23-28, 27 и слоя твердого диэлектрика 26 выбирается минимально допустимой в соответствии требованиям минимизации аэродинамического сопротивления, механической и электрической прочности блока отклонения 4.

На фиг.5 представлен один из вариантов выполнения преобразователя эксергии теплоты 10 в электрическую энергию по схеме термоэлектрического генератора. В этом случае горячие спаи его термоэлементов (термопар) 28 размещены непосредственно на теплоприемной поверхности 9 секций второго термоприемника 8, а холодные спаи - внутри полостей его секций и через промежуточный теплоноситель, трубопроводы 18, насос 17 термически соединены с третьим теплообменником 5 и первым теплообменником 2. Электрически термоэлементы (термопары) соединены последовательно - параллельно с электрическим выходом W_эп., а термически - параллельно.

Другой вариант выполнения преобразователя эксергии теплоты в электрическую энергию 10 по схеме паросиловой установки с парогенератором, паровой машиной с электрогенератором, конденсором и насосом представлен на фиг.4 [2] .

Парогенератор совмещен с внутренними полостями второго теплообменника 8, конденсор - с третьего 5 и первого 2 теплообменников и через рабочий теплоноситель и трубопроводы 18 соединен с термическим выходом анергии паровой машиной 10, а через трубопроводы 18 и через насос 17 со входом второго теплообменника 8, выход которого с функциями парогенератора соединен с термическим входом паровой машины, которая механически соединена с электрогенератором 29 с электрическим выходом W_эп. - паровой составляющей полезной энергии на выходе предлагаемого устройства.

Блок компенсирующего подогрева ионизированного потока водяных паров может быть выполнен по упрощенной схеме электрического нагревателя, но при максимальном потреблении безэнтропийной высокоорганизованной электроэнергии.

В этом варианте электронагревательный элемент - нихромовая проволока или масляный радиатор совмещены с четвертым теплообменником 6.

Другой вариант выполнения блока компенсирующего подогрева ионизированного потока водяных паров по схеме теплового насоса [8] отличается более сложной структурой при более, чем двукратном снижении потребления высокоорганизованной безэнтропийной энергии (электрической, механической, огневой) по сравнению с вышеприведенным первым вариантом. В случае использования теплового насоса его теплообменник совмещен с четвертым теплообменником 6.

Предлагаемое устройство (фиг.6) снабжено также ветроколесом 29 с электрогенератором 30 и электрическим выходом W_эп, размещенными на выходе 20 воздуховода 1.

Ветроколесо 29 целесообразно выполнить по схеме пропеллерного типа, использующего подъемную силу потока воздуха и создающего минимальное лобовое сопротивление потоку воздуха в воздуховоде 1 [I].

Воздуховод может быть размещен на нормированной высоте Н м и тогда сконденсированная вода водосборника 7 обладает потенциальной энергией высотного напора Н м.

Предлагаемое устройство в этом варианте снабжено (фиг.4) гидротурбиной 31 с электрогенератором 36, подключенной гидравлически через трубопровод 18 под напором Н м к водосборнику 7 с электрическим выходом энергии W_эг.

Предлагаемое устройство (фиг.4) снабжено также электролизером 32, распределителем водотока 33, емкостями для сбора водорода 34, кислорода 35.

Электролизер 32 по входу гидравлически через трубопровод 18, распределитель водотока 33 подсоединен к гидравлическому выходу гидротурбины 31, по выходу - к емкостям 34, 35, а электрически по входу к источнику W_э, в качестве которого может быть использован выход электрогенераторов W_эг., W_эв., W_эп. соответственно с гидравлической, ветровой и паровой составляющими полезной энергии.

В предлагаемом устройстве при использовании искусственных принудительных потоков влажного воздуха, формируемых, например, с помощью вентилятора 37 с электродвигателем 38 (фиг.5), вентилятор 37 размещен на входе 19 воздуховода 1 перед первым теплообменником 2. Электродвигатель 38 потребляет энергию от источника W_э, в качестве которого может быть использован выход электрогенераторов W_эг., W_эв., W_эп.

При использовании естественных атмосферных потоков влажного воздуха в предлагаемом устройстве воздуховод 1 размещен на нормированной высоте Н м, оптимальной средним значениям влагосодержания d кг/кг, скоростей потоков V м/с, и снабжен поворотным узлом 39 (фиг.4) и блоком ориентации 40 входа 19 воздуховода 1 навстречу потоку влажного воздуха, например, флюгерного типа.

На фиг. 7 представлен вариант предлагаемого устройства составленного группой n воздуховодов 1, расположенных по горизонтали и по вертикали, с блоками предварительного подогрева влажного воздуха 2, а также блоками ионизации 3, отклонения ионизированных потоков водяных паров 4 (на фиг.7 не показаны).

Такой вариант устройства целесообразен при обеспечении производства больших мощностей и масс воды и связан с значительным увеличением площади S м² поперечного сечения потока влажного воздуха, поступающего на вход. На исполнение воздуховода с S>1 м² накладывает известные технические ограничения блок отклонения.

Предлагаемое устройство снабжено вентилятором ионизированных потоков водяных паров 42 с электродвигателем 43, размещенным на входе камеры-приемника 15 перед блоком предварительного подогрева ионизированных потоков водяных паров 5. Камера-приемник 15 расположена сверху за пределами воздуховодов 1, боковые окна 16 которых параллельно (не показано) подсоединены через электротеплоизолирующие трубопроводы 18 ко входу камеры-приемника 15. Вход второго теплообменника 8 по рабочему теплоносителю через насос 17 и трубопроводы 18 параллельно подсоединен к выходам первых теплообменников 2 воздуховодов 1.

Входы первых теплообменников 2 по рабочему теплоносителю параллельно через трубопроводы 18 подсоединены к выходу третьего теплообменника 5.

В другом варианте предлагаемого устройства с группой n>2 воздуховодов 1 смежные окна 16, пар расположенных по горизонтали воздуховодов 1, сообщены между собой, соединены последовательно с расположенными по вертикали и затем со входом камеры-приемника 15.

Питание двигателя 43 осуществляется от внешнего источника W_э, в качестве которого может выступать часть производимой энергии источников W_эт., W_эв., W_эп. либо запасенной с помощью электролизера 32.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Поток влажного воздуха с уровнем влагосодержания d кг/кг поступает на вход 19 воздуховода 1 со скоростью естественных атмосферных потоков V м/с. В этом случае вход 19 ориентируется навстречу последним с помощью блока ориентации 40, например флюгерного типа, и поворотного узла 39 воздуховода 1 (фиг.4).

В случае отсутствия естественных атмосферных потоков воздуха включают электродвигатель 38 (фиг. 6) и с помощью вентилятора 37 формируется искусственный принудительный поток влажного воздуха по входу 19 воздуховода 1 с требуемой скоростью V м/с и естественным влагосодержанием d кг/кг.

Как в первом, так и во втором случае поток влажного воздуха проходит через расположенные вдоль потока поверхности секций 14 первого теплообменника блока 2 и путем процесса теплопередачи предварительно подогревается. Предварительный подогрев блока 2 способствует в общем случае переходу из твердой фазы кристалликов льда и снега в жидкую и газообразно-паровую фазы, а также последующему процессу ионизации водяных паров блока 3.

Блок ионизации 3 создает неоднородное высокопотенциальное поле, поперечное потоку влажного воздуха, между коронирующими электродами 21 и поверхностями металлических пластин 22 (фиг.3, 4), расположенных вдоль потока.

Уровень потенциала V_к выбирается согласно табл.1 соответствующим уровню ионизации водяных паров, чтобы исключить ионизацию других основных компонентов воздуха азот, аргон, диоксид углерода СО₂. Знак потенциала ионизации водяных паров V_к целесообразно выбрать положительным, так как в этом случае вероятность ионизации кислорода значительно снижается.

Поэтому на выходе блока 3 формируется в потоке влажного воздуха ионизированный поток водяных паров, которые поступают на вход блока 4.

В блоке 4 поток ионизированных водяных паров, отклоняется суммарным электростатическим полем между пластинами 27 вертикально вверх, между пластинами 23 - по горизонтали налево, между пластинами 24 - по горизонтали направо от пластин 25, расположенных на условной центральной вертикали воздуховода 1.

Благодаря этому ионизированный поток водяных паров приобретает результирующий угол отклонения налево вверх и направо вверх на выходе блока 4 по отношению к условной центральной вертикали воздуховода и остальному неионизированному продольному потоку воздуха.

На выходе блока 4 ионизированный поток водяных паров попадает в продольное поле притяжения электрического потенциала V_н, который сообщен теплоприемной поверхности секций 9 второго теплообменника 8.

Уровень потенциалов притяжения V_пр и отталкивания V_отт блока 3, потенциалов притяжения V_н блока 8 выбран с учетом достаточности и необходимости вывода ионизированных потоков водяных паров за пределы потока сухого воздуха и попадания их через окна 16 в камеру-приемник 15. Попадание ионизированных потоков кислорода и других основных компонентов воздуха в камеру-приемник 15 исключено из-за значительной продольной кинетической энергии, пропорциональной их молярному весу по отношению к водяным парам согласно табл. 1 и соответственно требующих повышенных более, чем в 1,7 раз уровней потенциалов V_пр, V_отт, V_н блоков 3,8.

Благодаря этому обеспечивается гравитационно-электрическая сепарация, вывод за пределы сухого воздуха и попадание ионизированных потоков водяных паров в камеру-приемник 15. В камерах-приемниках 15, расположенных слева и справа за пределами воздуховода 1 (фиг.3, 4), поток ионизированных водяных паров предварительно подогревается путем теплопередачи с помощью третьего теплообменника 5 и поступает на вход четвертого теплообменника 6, с помощью которого, а также источника 11, терморегулятора 12, дифференциального измерителя температур 13 проводится второй компенсирующий подогрев потока ионизированных водяных паров до значений T_p.п выбранной рабочей зоны температур водяных паров.

Значения T_p.п определяются прежде всего условиями оптимальности достигнутых уровней эксергии водяных паров и уровней дополнительных энергетических затрат источника 11 на подогрев и повышение температуры потоков ионизированных водяных паров и представляют собой разность между температурой влажного воздуха на входе 19 воздуховода 1, т.е. температурой окружающей среды Т_о.с, и температурой потоков ионизированных водяных паров на выходе блока 6 - входе блока 8 T_6-8

T_p.п = T_6-8-T_o.c. (25)

Нижний уровень значений T_p.п с точки зрения экономической целесообразности ограничен условием

T_p.п 15C. (26)

Верхний уровень значений T_p.п обусловлен агрегатным состоянием сконденсированной воды в жидкой фазе и уровнем температуры T_6-8 на выходе блока 6 и входе блока 8

T_6-8<100C (27).

Выбранный согласно (26), (27) и некоторых других условий, отмеченных ниже, уровень значения T_{p.п =} поддерживается автоматически терморегулятором 12, управляемым дифференциальным измерителем температур 13.

После подогрева и повышения температуры потока ионизированных паров блоком 6 до уровня Т_6-8 согласно (25-27) проводится, дополнительно к естественному, принудительный электрический подвод ионизированного потока водяных паров к более "холодной" теплоприемной поверхности 9 секций второго теплообменника 8 за счет электрических сил поля и потенциала притяжения V_н ионизированного потока водяных паров теплоприемной поверхностью 9.

При соприкосновении с теплоприемной поверхностью 9 происходит инерционная нейтрализация зарядов ионизированного потока водяных паров, концентрация их молекул, конденсация, образование конденсата, воды, а также выделение и передача теплоты конденсации теплоприемной поверхности 9. Электрические силы, приведшие каждую молекулу водяного пара, способствуют их удержанию на теплоприемной поверхности пока весь приобретенный ионизированный заряд не стечет с них. Этот инерционный процесс нейтрализации обусловлен относительно невысокой электропрводностью переходного слоя пленочной или капельной конденсации водяных паров. Наряду с этим, теплоприемная поверхность 9 не отметается воздушным потоком, время пребывания водяных паров в зоне конденсации у теплоприемной поверхности 9 не ограничивается его скоростью. В совокупности это позволяет достичь максимальной, близкой к 100% конденсации водяных паров на теплоприемной поверхности 9. Сконденсированная вода теплоприемной поверхности 9 под действием силы тяжести стекает в водосборник 7.

Поток тепла теплоприемной поверхности 9, определяемый в основном согласно (6) энтальпией водяных паров при температуре Т_6-8 на выходе блока 6 и соответствующим значением влагосодержания d кг/кг, поступает через теплопередачу на преобразователь 10 с целью преобразования его эксергии согласно (9) в электрическую энергию W_эп., где W_эп. - паровая составляющая полезной электрической энергии на выходе предлагаемого устройства. Непреобразуемый поток тепла теплоприемной поверхности 9 - его анергия



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 T_p.п, T_6-8 дополнительно к упомянутым (25-27), является обеспечение таких значений анергии при которых достигается прогрев влажного воздуха теплообменником 2 до положительных температур t>0^oC при всех значениях отрицательных температурах рабочего диапазона предлагаемого устройства и, следовательно, обеспечивается переход кристалликов льда и снега из твердой в жидкую и парообразную фазы.

Поток сухого воздуха после блока 4, сепарации и вывода потока ионизированных водных пар в камеру-gриемник 15 направляется на лопасти ветроколеса 29 (фиг. 6) и с помощью электрогенератора 30 его кинетическая энергия, пропорциональная кубу скорости потока, преобразуется в ветровую составляющую полезной электрической энергии W_эг на выходе предлагаемого устройства.

Поток массы сконденсированной воды водосборника 7 (фиг.4) с высотным напором Н м через трубопровод 18 направляется на лопасти гидротурбины 31 и с помощью электрогенератора 36 преобразуется в гидравлическую составляющую полезной электрической энергии W_эг на выходе предлагаемого устройства.

В случае благоприятных условий использования естественных атмосферных потоков влажного воздуха целесообразно направить избыточную часть произведенной электроэнергии и воды на аккумулирование энергии, например, с помощью электролизерного получения экологически чистого энергоносителя водорода Н₂. Для этого избыточная часть сконденсированной воды водосборника 7 (фиг.4) через трубопровод 18, водораспределитель 33 поступает на гидравлический вход электролизера 32, на электрический вход W_э которого подается избыточная часть произведенной электроэнергии W_эп, W_эв, W_эг. С выхода электролизера произведенный водород собирается в емкости 34, а кислород - в емкости 35. Водород в сжиженном состоянии может транспортироваться, использоваться в двигателях транспортных средств, в стационарных установках для производства электроэнергии и обеспечения бесперебойной подачи экологически чистой возобновляемой энергии потребителям.

Другая часть воды через выходы 41 водораспределителя 33 направляется для технического, хозяйственно-бытового использования.

Работа блока компенсирующего подогрева ионизированного потока водяных паров, выполненного по упрощенной схеме электрического нагревателя (фиг.3-5) с нихромовой проволокой или масляным радиатором, заключается в управлении терморегулятором 12 поступления электроэнергии от источника 11 к нагревательным элементам теплообменника 6 для достижения выбранных значений температур рабочего диапазона T_p.п и температуры Т_6-8 на выходе теплообменника 6 - входе теплообменника 8.

При выполнении блока компенсирующего подогрева ионизированного потока водяных паров по схеме теплового насоса терморегулятор 12 управляет поступлением электроэнергии от источника 11 к схеме теплового насоса с целью рационального преобразования ее в поток тепловой энергии теплообменника 6 для достижения выбранных значений температур рабочего диапазона T_p.п и температуры Т_6-8 на выходе теплообменника 6 - входе теплообменника 8.

Работа предлагаемого устройства для варианта выполнения преобразователя 10 по схеме термоэлектрического генератора (фиг.5) характеризуется тем, что горячие спаи его термоэлементов (термопар) 28 совмещены с теплоприемной поверхностью 9 секций теплообменника 8, непосредственно на них происходит нейтрализация зарядов ионизированного потока водяных паров, их конденсация, прием потока теплоты, определяемой энтальпией водяных паров при температуре Т_6-8 и непосредственное преобразование его эксергии согласно (9) в электрическую энергию W_эп..

Непреобразуемый поток тепла термоэлементов (термопар) 28 - его анергия (28) через их холодные спаи, размещенные внутри полостей секций теплообменника 8, передается промежуточному теплоносителю и через трубопроводы 18 последовательно теплообменникам 5, 2 и через насосы 17 - теплообменнику 8.

При выполнении преобразователя 10 по схеме паросиловой установки (фиг.4) с парогенератором 8, паровой машиной 10, электрогенератором 29, конденсором на базе теплообменников 5 и 2 тепловой поток, определяемый энтальпией водяных паров и воспринимаемый теплоприемной поверхностью 9, путем теплопередачи воспринимается рабочим теплоносителем парогенератора, генерируется пар, который воздействует на паровую машину 10 с последующим преобразованием эксергии теплового потока с помощью электрогенератора 29 в паровую составляющую полезной электрической энергии W_эп. на выходе предлагаемого устройства.

Целесообразно использовать работу паросиловой установки по циклу Ренкина, в котором вместо компрессора используется насос и достигается производство работы более, чем в 1,5 раза по сравнению, например, с циклом Карно [2].

Непреобразуемый поток тепла - его анергия (28) в виде отработанного пара с выхода паровой машины 10 через трубопроводы 18 направляется в конденсор теплообменников 5, 2 и через насос 17 - в теплообменник - парогенератор 8.

Паровую машину 10 целесообразно выполнить по схеме низкотемпературной расширительной тепловой машины - радиального или поршневого детандера.

Работа предлагаемого устройства, составленного группой п > 1 воздуховодов по варианту фиг.7, аналогична работе устройств с одним воздуховодом за исключением того, что с помощью вентилятора 42 на выходе окна 16 создается дополнительная подъемная сила, позволяющая отклоненному ионизированному потоку водяных паров достичь входа камеры-приемника 15 и теплоприемной поверхности 9 теплообменника 8, как наиболее легкому среди других основных компонентов влажного воздуха. Выбор и компоновка систем и комплексов из простых модулей воздуховодов произвольного числа n позволяет обеспечить производство любых требуемых мощностей энергии и массы пресной воды.

Высокая эффективность преобразования термокинетической энергии потоков влажного воздуха предлагаемого технического решения поясняется также нижеприведенными расчетными данными и схемой термодинамического баланса энергии, приведенной на фиг.8 предлагаемого устройства.

Так на фиг.8 представлены поток влажного воздуха с внутренней тепловой энергией h_вл.в, ее производные h₂, h₃ после прохождения соответственно блоков 2,3; поток водяных паров с внутренней энергией h_4п, h_5п, h_6п после прохождения соответственно блоков 4, 5, 6; поток сухого воздуха h4 после разделения и вывода водяных паров h_4n в камеру - приемник 15 блоком 4. Внутренняя тепловая энергия, выделяемая при конденсации водяных паров и передаваемая на преобразователь 10 с учетом реальных потерь t 4C на стенках теплообменника 9, представлена значением h₉, где t- разность температур двух сред, разделенных стенкой теплообменника 9.

Дополнительные затраты энергии, подводимые к блоку 6, обозначены на фиг. 8 в виде Q_доп, к блоку ионизации 3 - W_3дoп, к блоку отклонения 4 - W_4дoп, дополнительные затраты энергии подвода и нейтрализации зарядов и ионов водяных паров блоком 9 - W_9дoп, дополнительные затраты энергии насоса 17 - W_17доп.

Превратимая в работу с помощью блока 10 составляющая тепловой энергии h₉ - ее эксергия обозначена в виде e_q, 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 e_q и Q_доп, оценка значений дополнительных затрат W_3доп, W_4дoп, W_9доп, W_17доп, определение суммарных затрат

W_доп = Q_доп+W_3доп+W_4доп+W_9доп+W_17доп (29)

и сопоставление значений e_q и W_доп согласно (12)

e_q>W_доп (30).

Ниже приведен подробный расчет значений e_q и Q_доп согласно (3), (9), (13) для удельного потока влажного воздуха, состоящего из 1 кг сухого воздуха при температуре t=10^oC (T=283,3K), среднем значении относительной влажности = 60%, соответственно влагосодержании d=5,46-10^-3 кг/кг и выбранной рабочей зоне температур подогрева водяных паров на выходе блока 6 T_p.п = 60C.

Так согласно (5) h¹⁰ _вл.в. = 23,65 кДж, энтальпия потока водяных паров на выходе блока 6 при подогреве до T_p.п = 60C согласно (5), (6)

h⁶⁰ _6п = (2477,4 + 1,93 60) 5,46 10^-3 = 14,16 кДж.

Тогда h₉ с учетом потерь t₁ 4C на стенках теплообменника 9

h⁵⁶ ₉ = (2477,4 + 1,93 60) 5,46 10^-3 = 14,16 кДж

и согласно (9) эксергия



согласно (18) анергия после выхода блока 10

a₁₀ = h⁵⁶ ₉ - e_q = 14,12 - 1,97 = 12,15 кДж,

которая с учетом реальных поте t₂ 4C на стенках теплообменника 5 осуществляет предварительный подогрев потока водяных паров до температуры 52^oС с энтальпией

h⁵² _5п = (2477,4 + 1,93 52) 5,46 10^-3 = 14,06 кДж.

На этот подогрев уходит лишь незначительная часть теплоты а₁₀, которая с допустимой погрешностью может быть учтена в виде

a₁₀ = h⁵²_5п-h¹⁰_4п = 14,06-13,625 = 0,435 кДж,

а остальная часть анергии после блока 5, определяемая в виде

a₅ = a₁₀-a₁₀ = 12,15-0,435 = 11,72 кДж,

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 12^oС

h²² ₂ = 35,37 кДж.

Повышение энтальпии влажного воздуха на выходе блока 3 связано с введением энергии ионизации У_3доп, которая в совокупности с вводимой энергией нейтрализации зарядов и ионов блока 9 - У_3доп может быть оценена в виде расхода дополнительной энергии на 1 кг сухого воздуха или 1 м³ влажного воздуха как

W_3доп+W_9доп 0,04 кДж

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 - W_4доп. как сугубо электростатической системы, так и затраты дополнительной энергии насоса W_17доп. на обработку 1 кг сухого воздуха или 1 м³ влажного воздуха также крайне незначительны и соответственно могут быть оценены в виде

W_4доп 0,01 кДж,

W_17доп 0,012 кДж.

Как более существенные могут быть оценены дополнительные затраты энергии блока 6 в виде

Q_доп = h⁵⁶ ₉ - h⁵² ₅ = 14,12 - 14,06 = 0,06 кДж.

Тогда согласно (29) суммарные затраты дополнительной энергии

W_доп = 0,122 кДж (32),

сопоставление которых с (31) подтверждает гарантированное обеспечение требуемого условия (30).

Результаты расчетов значений эксергии e_q и дополнительных затрат энергии Q_доп, W_доп для удельного потока влажного воздуха при других значениях температур и влажности окружающей среды представлены в табл.

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 e_q над основными дополнительными затратами энергии Q_доп, представленное соответствующими энергии

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 Т_о.с= 10^oС, = 60%, d=5,46-10^-3кг/кг.

Согласно (31) значения эксергии e_q= 1,97 кДж при преобразовании 1 м³ атмосферного воздуха с данными параметрами Т_о.с, , d. При скорости V=10 м/с полный объем влажного воздуха составит 10 м³ в единицу времени. Тогда при реальном термическом КПД преобразователя 10 порядка 40% удельное значение Р_уд.п. можно представить в виде

Р_уд.п = 1,97100,4 = 7,88 кВт/м². (32)

В случае принудительного потока влажного воздуха свыше приведенными параметрами с учетом дополнительных затрат, потребляемых вентилятором 37, удельные значения Р_уд.п. можно представить в виде

P_уд.п 7 кВт/м². (33)

Удельная масса сконденсированной воды, поступающая на блоки 31, 32, выход 41, как и значения удельной мощности Р_уд.п. пропорциональны параметрам влагосодержания d и скорости V м/с потока влажного воздуха и может быть представлена для рассматриваемого примера в виде

m_уд. = 4,46 10^-3 кг 10 = 5,46 10^-2 кг/м²с (34),

отнесенной к единице площади поперечного сечения S=1 м² входа воздуховода в единицу времени.

Так, например, при суммарной площади входа поперечного сечения воздуховода S = 100 м² суммарное производство пресной воды в течение часа составит

M = 5,4610^-21003600 = 19 т (35).

и соответственно паровая составляющая полезной мощности на выходе преобразователя 10 при 8=100 м² (10х10 м) составит согласно (32)

P_п 788 кВт, (36)

а при S=10⁴ м² (100х100 м)

P_п 78800 кВт, (37)

и масса произведенной пресной воды в течение часа согласно (35) для рассматриваемого случая составит

M 1960 т. (38)

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.