Получение пресной воды из воздуха с использованием пневматической энергии, генерируемой морской волной

Миронов В.В.; Жернаков Е.А.; Иванюшин Ю.А.; Миронов Д.В.

Оригинальная статья / Original article УДК 621.5+628.116

DOI: 10.21285/2227-2917-2017-3-89-94

ПОЛУЧЕНИЕ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ИЗ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ МОРСКОЙ ВОЛНОЙ

^Тюменский индустриальный университет,

Российская Федерация, 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

dOOO «ЭЛЕКТРОРАМ»,

Российская Федерация, 625023, г. Тюмень, ул. Пржевальского, д. 33.

Резюме. Цель. Получение пресной воды питьевого качества. В статье рассматривается «зеленая технология» получения пресной воды питьевого качества из атмосферного воздуха и способ ее реализации с использованием чистой, возобновляемой энергии морских волн. Методы. Применялись теоретические методы исследования с использованием известных физических законов. Для вычислений использован программный продукт MathCAD. Результаты. Установлено, что из влажного морского атмосферного воздуха с использованием в новом техническом решении энергии волн можно получить достаточно большое количество пресной воды, возрастающее пропорционально высоте морских волн. Выводы. Техническое решение позволяет преобразовывать энергию морских волн в работу перемещения влагосодержащего морского атмосферного воздуха, необходимую для выделения из него пресной воды. Данный способ позволяет получать значительные объемы пресной воды без затрат внешней подводимой энергии.

Ключевые слова: конденсация влаги, пресная вода, возобновляемая энергия, энергия морских волн, пневматическая энергия.

Формат цитирования: Миронов В.В., Жернаков Е.А., Иванюшин Ю.А., Миронов Д.В. Получение пресной воды из воздуха с использованием пневматической энергии, генерируемой морской волной // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7, № 3. С. 89-94. DOI: 10.21285/2227-2917-2017-3-89-94

GETTING FRESH WATER FROM AIR WITH THE USE OF PNEUMATIC POWER, GENERATED BY SEA

WAVE

Tiumen Industrial University,

38 Volodarskogo St., Tiumen 625000, Russian Federation LLC «ELECTRORAM»,

33 Przhevalskogo St., Tiumen 625023, Russian Federation

Abstract. Purpose. The article discusses the "green technology" to extract fresh drinking water from atmospheric air and method for its implementation using clean, renewable energy of sea waves. Methods. The article used the theoretical methods of investigation with use well-known physical dependences. For calculation the software product MathCAD was used. Results. It has been established that from the humid marine atmospheric air, using the wave energy in a new technical solution, it is possible to obtain a sufficiently large amount of fresh water, increasing in proportion to the height of the sea waves. Conclusions. Technical solution allows converting energy of sea waves into energy of compressed air required

аМиронов Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения, e-mail: [email protected]

Victor V. Mironov, doctor of technical sciences, professor of the Department of Water Supply and Sewerage, e-mail: [email protected]

ьЖернаков Евгений Александрович, аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения, e-mail: [email protected]

Evgeniy A. Zhernakov, postgraduate of the Department of Water Supply and Sewerage, e-mail: [email protected]

Иванюшин Юрий Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, e-mail: [email protected]

Yuriy A. Ivanyushin, candidate of technical sciences, associate professor of the Department of Water Supply and Sewerage, e-mail: [email protected] Миронов Дмитрий Викторович, кандидат технических наук Dmitriy V. Mironov, candidate of technical sciences

ISSN 2227-2917 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Том 7, № 3 2017

ISSN 2500-154X (online) Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate Vol. 7, No. 3 2017

for separation of moisture from the sea air. The method allows obtaining significant amounts of fresh water, without the cost of electrical energy.

Keywords: moisture condensation, fresh water, renewable energy, sea wave energy, energy of compressed air

For citation: Mironov V.V., Zhernakov E.A., Ivanyushin Yu.A., Mironov D.V. Getting fresh water from air with the use of pneumatic power, generated by sea wave. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate], 2017, vol. 7, no. 3, pp. 89-94. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2017-3-89-94

Введение

Около 70 % поверхности земного шара покрывает вода. Однако пригодна к хозяйственно-бытовому использованию лишь малая часть от общих запасов водных ресурсов. Пресная вода - один из важнейших природных ресурсов на планете, от наличия которой напрямую зависит уровень жизни и здоровья людей [1]. По прогнозам аналитиков, в обозримом будущем человечество может столкнуться с дефицитом пресной воды питьевого качества. Такие опасения вызваны бурным техногенным воздействием людей на окружающую среду, которое загрязняет и истощает природные ресурсы пресной воды, а также приводит к необратимым изменениям климата планеты. Уже сегодня во многих регионах мира ощущается водный дефицит, включая прибрежные зоны морей и океанов [2-4].

В настоящее время недостаток пресной воды в ряде регионов мира компенсируется получением ее из морской воды различными методами опреснения. Большинство из этих методов предполагают использование внешней подводимой энергии [5]. Эта энергия, как правило, вырабатывается путем сжигания невосполнимого углеводородного сырья, увеличивающего содержание углекислого газа в атмосфере.

В то же время в воздушной атмосфере, вследствие постоянного испарения воды с поверхности морей и океанов, содержится огромное количество влаги [6, 7]. Существует ряд конденсационных технологий (с принудительной и естественной конденсацией), которые позволяют получать пресную воду из атмосферного воздуха. Однако количество получаемой влаги в случае естественной конденсации достаточно мало. При принудительной конденсации эти технологии требуют внешних энергетических затрат и потому малоэффективны [1]. Кроме того, согласно [8] с развитием возобновляемых источников появляется возможность применения оборудования и технологий, повышающих операционную эффективность, что позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и создать условия для обеспечения глобальной энергетической безопасности. В статье рассматривается эффективный способ получения пресной воды питьевого качества (Purified Water) из влажного атмосферного

воздуха с использованием даровой энергии морских волн и теоретическое обоснование его применения.

Материал и методы исследования

Способ получения воды из воздуха включает процессы перемещения воздуха генераторами пневматической энергии и охлаждения потока теплого влажного воздуха после генераторов в конденсаторах с осаждением в них влаги и отбором пресной воды из накопительных емкостей. Забор атмосферного воздуха производят в непосредственной близости от поверхности моря, где влажность его достигает максимальных значений. Конденсаторы влаги в виде змеевика располагают ниже уровня моря и охлаждают окружающей морской водой [9]. Выполнение конденсаторов в виде спиральных трубопроводов увеличивает поверхность конденсации влаги и обеспечивает ее сток в отстойник, а затем в накопительные емкости. Накопительные емкости для пресной воды выполняют с нейтральной плавучестью, например, из мягкого эластичного материала в виде тора, и помещают ниже уровеня моря. Осаждение влаги из воздуха в конденсаторах происходит за счет повышения температуры точки росы при избыточном давлении воздуха в конденсаторах. Чем выше избыточное давление воздуха в конденсаторах, тем большая часть влаги выделяется из морского влажного воздуха и осаждается в них. Кроме того, конденсаторы влаги находятся ниже уровня моря, где, соответственно, и температура ниже температуры воздуха, что также способствует дополнительному осаждению влаги из атмосферного морского воздуха на внутренней поверхности конденсаторов. Способ получения воды из воздуха реализуется следующим образом (рис. 1). Генераторы энергии сжатого воздуха выполняют в виде поршневых компрессоров объемного действия, представляющих собой вертикальные трубопроводы 1 с заглушенными верхними торцами, большей частью помещенные ниже поверхности моря. Трубопроводы 1 имеют в верхней заглушенной части поплавки 2, обеспечивающие их положительную плавучесть.

Надводную заглушенную часть трубопроводов снабжают всасывающими 3 и нагнетательными 4 линиями с всасывающими 5 и нагнетательными 6 клапанами.

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Том 7, № 3 2017 ISSN 2227-2917 (print)

Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 7, No. 3 2017 ISSN 2500-154X (online)

Рис. 1. Принципиальная схема получения пресной воды из атмосферного воздуха:

a - в момент всасывания воздуха; b - в момент нагнетания воздуха Fig. 3. Principal scheme to get fresh water from atmospheric air:

a - at the moment of air induction; b - at the moment of air boost

Поршни компрессоров 7 с положительной плавучестью устанавливают внутри трубопроводов на поверхности воды, и приводят в движение при вертикальном возвратно-поступательном перемещении трубопроводов, обусловленном волнением поверхности моря [10-12]. Относительное движение «поршень - трубопровод» в процессе волнения поверхности моря происходит за счет разницы инерционных свойств вертикального трубопровода и воды, заключенной в его полости. Известно, что на глубине более половины длины морской волны практически отсутствуют возмущения, вызванные волнением поверхности моря. Поэтому длина вертикального трубопровода гидроагрегата выбирается больше половины длины волны для исключения ее силового воздействия на воду внутри полости вертикального трубопровода. В этом случае при достаточно большой массе воды внутри полости трубопровода, значительно превышающей массу самого трубопровода, пренебрегая силами трения воды о его стенки, воду в нем можно считать неподвижной. Всасывание теплого влажного атмосферного воздуха осуществляется при движении трубопроводов и поплавков вверх с прохождением морской волны от подошвы до гребня. Сжатие и нагнетание воздуха осуществляется за счет силы тяжести всего гидроагрегата при движении его вниз с прохождением морской волны от гребня до подошвы.

ISSN 2227-2917 (print) ISSN 2500-154X (online)

Сжатый воздух подается в конденсатор 8, находящийся под уровнем моря. Отработанный осушенный воздух через клапан 9, отрегулированный на заданное давление, сбрасывают в атмосферу по трубопроводу 10. Осажденная в конденсаторах влага поступает в отстойник пресной воды 11 по трубопроводам 12. Забор накопленной пресной воды из отстойника осуществляется периодически через клапан 13, который автоматически закрывается при полном опорожнении отстойника 11.

Потенциальная энергия положения гидроагрегата накапливается за счет выталкивающей силы морской воды при прохождении волны через надводную часть гидроагрегата с положительной плавучестью от подошвы до гребня. При движении гидроагрегата с положительной плавучестью вертикально вниз, при прохождении морской волны от гребня до подошвы через верхнюю его часть накопленная потенциальная энергия совершает работу сжатия и перемещения воздуха в поршневом компрессоре гидроагрегата. Часть потенциальной энергии гидроагрегата при движении его вертикально вниз затрачивается на преодоление сил трения стенок трубопровода о морскую воду и поршень компрессора, но этой потерей энергии можно пренебречь ввиду ее малости.

Объем камеры сжатия поршневого компрессора AV, м3, можно определить по

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Том 7, № 3 2017 Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate Vol. 7, No. 3 2017

формуле исходя из геометрических размеров:

я- d2

^ = - h, (1) 4

где h - длина хода поршня в компрессоре гидроагрегата, зависящая от высоты морской волны, м; d - внутренний диаметр вертикального трубопровода, м.

Массу сконденсированной влаги из одного кубического метра атмосферного воздуха q, кг/м3, при сжатии его до абсолютного давления р и охлаждении в конденсаторе [13] можно определить из выражения

q = C-в-^ • Ch,

(2)

где Сд - максимально возможное содержание паров воды во всасываемом компрессором воздухе с известной температурой, кг/м3; СГ1 -максимально возможное содержание паров воды в воздухе при температуре охлаждения его в конденсаторе, кг/м3; в - относительная влажность атмосферного морского воздуха; ра - атмосферное давление, Па; р - абсолютное давление в конденсаторе, Па.

Масса полученной пресной воды за цикл работы гидроагрегата qц, кг:

(3)

Суточный массовый расход пресной воды О, получаемый с использованием чистой возобновляемой энергии морской волны, определяется по формуле

дц =AV • q.

q • 360024

Q=^^-,

(4)

где Т - период морской волны, с.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим гипотетический пример расчета производительности гидроагрегата по пресной воде, получаемой из теплого влажного атмосферного воздуха с использованием энергии морской волны при следующих исходных данных. Диаметр стального трубопровода, погруженного в воду, d = 1,4 м, период волны Т = 5 с, длина хода поршня в цилиндре компрессора h = 1,0 м. Параметры воздуха: относительная влажность атмосферного воздуха у поверхности моря в = 95 %, максимально возможное содержание

влаги во всасываемом воздухе при температуре 35 оС Сд = 0,03965 кг/м3, максимально возможное содержание влаги в воздухе при температуре конденсации 24 оС ниже уровня моря С = 0,02180 кг/м3. Абсолютное давление сжатия воздуха в компрессоре р незначительно отличается от атмосферного давления. Поршневой компрессор работает как воздуходувный агрегат.

Результаты расчета гипотетического примера по вышеприведенным формулам показывают, что количество пресной воды, получаемой одним гидроагрегатом, при заданных значениях температуры, влажности, длины хода поршня и периода морской волны составляет 422 кг/сут. При размещении в акватории моря сети из собранных гидроагрегатов можно кратно увеличивать объем производимой пресной воды.

Заключение

Предложенное техническое решение позволяет преобразовывать практически даровую гидравлическую энергию морских волн в работу сжатия и перемещения теплого влажного атмосферного воздуха, необходимую для выделения пресной воды из воздуха в холодном конденсаторе, расположенном ниже уровня моря. Техническое решение позволяет снизить затраты на производство пресной воды питьевого качества и нагрузку на окружающую среду путем использования чистой возобновляемой энергии морской волны. Данное решение может работать практически при любой высоте морской волны и уровня моря, меняющегося из-за наличия приливов и отливов. Чем выше волна, тем больше накапливается потенциальной энергии при подъеме гидроагрегата вверх и больше полезная механическая работа, совершаемая при движении его вниз, приводящая к сжатию влажного воздуха в поршневых компрессорах. Чем больше энергия сжатого воздуха, тем выше при прочих равных условиях производительность по пресной воде. Техническое решение может быть реализовано в акватории с практически любой глубиной моря, начиная от 20...30 метров, при обеспечении соблюдения условия: длина трубопровода гидроагрегата должна быть больше половины длины морской волны.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Данилов-Данильян В.И. Глобальный водный кризис и роль России в его разрешении // Биосфера. 2009. Т. 1, № 1. С. 106-110.

2. Sanders K.T., King C.W., Stillwell A.S., Webber M.E. Clean energy and water: assessment of Mexico for improved water services and renewable energy et al. // Environ-

ment, Development and Sustainability. 2013.

Vol. 15, issue 5. P. 1303-1321. DOI: 10.1007/s10668-013-9441-5

3. Demin A.P. Problems with water use in countries of East, South and Central Asia // Geography and Natural Resoures. 2016. Vol. 37, issue 3. P. 181-197. DOI: 10.1134/S187537281603001X

4. Al-Rashed M.F., Sherif M.M. Water Resources in the GCC Countries: An Overview

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Том 7, № 3 2017 ISSN 2227-2917 (print)

Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 7, No. 3 2017 ISSN 2500-154X (online)

// Water Resources Management. 2000. Vol. 14, issue 1. P. 59-75. DOI: 10.1023/A: 1008127027743

5. Ettouney H., Rizzuti L. Solar Desalination: a challenge for sustainable fresh water in the 21st century // Solar Desalination for the 21st Century / L. Rizzuti, H.M. Ettouney, A. Cipollina (eds). Springer, Dordrecht, 2007. (NATO Security through Science Series) DOI: 10.1007/978-1-4020-5508-9_1

6. Спенглер О.А. Слово о воде. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1980. 152 с.

7. Klemm O., Schemenauer R.S., Lummerich A. et al. Fog as a Fresh-Water Resource: Overview and Perspectives // AMBIO. 2012. Vol. 41, issue 3. P. 221-234. DOI: 10.1007/s13280-012-0247-8

8. Дыкусова А.Г., Кравец А.А. Возобновляемые источники энергии: перспективы развития и финансирования // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7, № 1. С. 22-29.

9. Латышева И.В., Белоусова Е.П., Олемской С.В., Латышев С.В., Лощенко К.А. Современные особенности распределения потоков влаги на территории Евразии // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Науки о Земле. 2010. Т. 3, № 1. C. 62-79.

10. Миронов В.В., Иванюшин Ю.А., Якимова И.В. Использование энергии морских волн для получения пресной воды из воздуха [Электронный ресурс] // Современные технологии и развитие политехнического образования: Международная научная конференция, г. Владивосток, 19-23 сентября 2016 г. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2016. С. 472-475. URL: https://www.dvfu.ru/science/pubNshing-activities/catalogue-of-books-fefu/ (15.01.2017).

11. Sorensen H. Chr., Naef S. Report on technical specification of reference technologies (wave and tidal power plant): New Energy Externalities Developments for Sustainability [Электронный ресурс]. 59 p. URL: http://www.needs-project.org/RS1 a/RS1 a% 20D16.1%20Final%20report%20on%20Wave% 20and%20Tidal.pdf (15.01.2017).

12. Боровский А.В. Волновые электростанции // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. С. 3135-3137.

13. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства: учеб. пособие. СПб.: СПбГАПХТ, 1998. 146 с.

REFERENCES

1. Danilov-Danil'yan V.I. Global water crisis and role of Russia in its solution. Biosfera [Biosphere], 2009, vol. 1, no. 1, pp. 106-110. (In Russian)

2. Sanders K.T., King C.W., Stillwell A.S., Webber M.E. Clean energy and water: assessment of Mexico for improved water services and renewable energy et al. Environment, Development and Sus-tainability, 2013, vol. 15, issue 5, pp. 1303-1321. DOI: 10.1007/s10668-013-9441-5

3. Demin A.P. Problems with water use in countries of East, South and Central Asia. Geography and Natural Resoures, 2016, vol. 37, issue 3, pp. 181-197. DOI: 10.1134/S187537281603001X

4. Al-Rashed M.F., Sherif M.M. Water Resources in the GCC Countries: An Overview. Water Resources Management, 2000, vol. 14, issue 1, pp. 59-75. DOI: 10.1023/A: 1008127027743

5. Ettouney H., Rizzuti L. Solar Desalination: a challenge for sustainable fresh water in the 21st century. Solar Desalination for the 21st Century. Springer, Dordrecht, 2007. (NATO Security through Science Series) DOI: 10.1007/978-1-4020-5508-9_1

6. Spengler O.A. Slovo o vode [Word about water]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1980. 152 p.

7. Klemm O., Schemenauer R.S., Lummerich A. et al. Fog as a Fresh-Water Resource: Overview and Perspectives. AMBIO, 2012, vol. 41, issue 3, pp. 221-234. DOI: 10.1007/s13280-012-0247-8

8. Dykusova A.G., Kravets A.A. Renewable energy sources: perspectives of development and budgeting. Izvestiya vuzov. Investit-sii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate], 2017, vol. 7, no. 1, pp. 22-29. (In Russian)

9. Latysheva I.V., Belousova E.P., Olemskoy S.V., Latyshev S.V., Loshchenko K.A. Modern features of the distribution flow of moisture in Eurasia. Izvestiya Irkutskogo gosu-darstvennogo universiteta. Seriya: Nauki o Zemle [News of Irkutsk state university. Series: Sciences about the Earth], 2010, vol. 3, no. 1, pp. 62-79. (In Russian)

10. Mironov V.V., Ivanyushin Yu.A., Ya-kimova I.V. Ispol'zovanie energii morskikh voln dlya polucheniya presnoi vody iz vozdukha [Use of energy of sea waves to get fresh water from air]. Sovremennye tekhnologii i raz-vitie politekhnicheskogo obrazovaniya: Mezhdu-narodnaya nauchnaya konferentsiya, g. Vladivostok, 19-23 sentyabrya 2016 g. [Modern technologies and development of polytechnical education: International scientific conference, Vladivostok, 19-23 September, 2016]. Vladivostok: Dalnevostok federal university Publ., 2016, pp. 472-475.

ISSN 2227-2917 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Том 7, № 3 2017

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ISSN 2500-154X (online) Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate Vol. 7, No. 3 2017

Available at: https://www.dvfu.ru/science/ publishing-activities/catalogue-of-books-fefu/ (accessed 15.01.2017). (In Russian)

11. Sorensen H. Chr., Naef S. Report on technical specification of reference technologies (wave and tidal power plant): New Energy Externalities Developments for Sustainability. 59 p. Available at: http://www.needs-project.org/RS1a/ RS1a%20D16.1%20Final%20report%20on%20 Wave%20and%20Tidal.pdf (accessed

15.01.2017).

Критерии авторства

Миронов В.В., Жернаков Е.А., Иванюшин Ю.А., Миронов Д.В. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 04.07.2017 г.

12. Borovskii A.V. Volnovye elektro-stantsii [Wave power stations]. Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya kon-ferentsiya molo-dykh uchenykh BGTU im. V.G. Shukhova [International scientific and technical conference of young scientists of BSTU in honour of B.G. Shuk-hov]. Belgorod, BSTU in honour of B.G. Shukhov Publ., 2015, pp. 3135-3137. (In Russian)

13. Burtsev S.I., Tsvetkov Yu.N. Vla-zhnyi vozdukh. Sostav i svoistva [Humid air. Content and properties]. St. Petersburg: SPbGAPKhT Publ., 1998. 146 p.

Contribution

Mironov V.V., Zhernakov E.A., Ivanyushin Yu.A., Mironov D.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 04 July 2017

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Том 7, № 3 2017 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 7, No. 3 2017

ISSN 2227-2917 (print) ISSN 2500-154X (online)

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Миронов В. В., Жернаков Е. А., Иванюшин Ю. А., Миронов Д. В.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Миронов В. В., Жернаков Е. А., Иванюшин Ю. А., Миронов Д. В.

Текст научной работы на тему «Получение пресной воды из воздуха с использованием пневматической энергии, генерируемой морской волной»