PhysicsToys

Установки по производству пресной воды, работающие на альтернативных источниках энергии (АЭ), вызывают самый большой интерес у садоводов, фермеров, мореплавателей
и т. д. Учитывая то, что контингент этих людей достаточно отдалён от законов физики и математики, данная статья написана для того, чтобы максимально просто и ясно объяснить
читателю принципы получения пресной воды и обучить его элементарным расчётам производительности опреснителей и установок типа «вода из воздуха».

1.1. Влажный воздух легче сухого, поэтому он поднимается наверх, наверху температура холоднее, поэтому наверху влажный воздух конденсируется и выпадает в виде пресной воды (дождика). В солнечном опреснителе заложены все те же самые в принципы, что и в природе, испарение, конденсация, выпадение осадка.
1.2. Любой домашний холодильник это установка «вода из воздуха». Если открыть дверцу холодильника, то он «потечёт», из него потечёт вода, полученная из воздуха. Если замерить показания электросчётчика, то можно установить зависимость: «Какое количество электроэнергии (денег) пошло на производство 1 л. воды. Если, при этом, контролировать температуру и влажность окружающего воздуха, то можно будет установить зависимость между производительностью установки пресной воды и климатическими параметрами.
1.3. Вся прелесть установок, работающих на АЭ в том, что они используют бесплатную энергию Солнца, ветра, реки, моря и т. п., а потому и вода получается бесплатной,
дождик ведь тоже бесплатно капает.
Итак:
а) в установках по производству пресной воды влажный воздух охлаждается, в результате чего содержащаяся в нём влага выделяется в виде пресной воды.
б) для работы опреснителя необходимо получить разницу температур. Начальная температура
может быть любой. Как известно, дождик может капать и в тропиках, и на холодном севере.
Разница только в том, что в тропиках это проливные дожди, а на севере только кап-кап, но это уже к вопросу о производительности.

2.1. В окружающем нас воздухе всегда присутствует влага в виде водяного пара. Максимальное количество влаги, которое может содержаться в 1м. куб. воздуха определяется из таблицы 1, это количество влаги при 100% влажности.

Таблица1

Тр 0С	100,0	95,0	90,0	85,0	80,0	75,0	70,0	65,0	60,0	55,0	50,0
Мв г/м3	588,2	497,2	417,9	340,2	290,0	239,4	196,2	159,6	129,0	103,5	82,3

Тр 0С	45,0	40,0	35,0	30,0	25,0	20,0	15,0	10,0	5,0	0	-5,0
Мв г/м3	64,8	50,7	39,3	30,1	22,8	17,1	12,7	9,4	6,8	4,9	3,2

Если нам говорят, что температура за окном 25 0С, а влажность 80%, то это означает, что
в 1м. куб. воздуха содержится 22,8 • 0,8 = 18,2 гр. воды. Если в опреснителе охладить этот воздух до 10 0С, то из таблицы находим, что влаги в нём останется 9,4 г/м. куб. То есть
в конденсат выпадет 18,2 – 9,4 = 8,8 г. воды.
Установка начнёт работать с того момента, когда воздух будет охлаждаться до 21 0С
рис.1. Чем больше охлаждение, тем выше производительность.

2.2. Задача: В установку «вода из воздуха» (рис.2) задувает ветер, со скоростью 2 м/сек.
Температура воздуха 25 0С, а влажность 80%. Охладитель понижает температуру воздуха
до 10 0С. Определить какое количество пресной воды в сутки будет производить установка,
если входная площадь установки 1 м. кв.
2.3. Расчёт: Количество воздуха, которое пройдёт через 1 м. кв. установки составит
2 м/сек • 1 м. кв. = 2 м. куб/сек. То есть за 1 сек. в конденсат выпадет 8,8 • 2 = 17,6 г. воды.
За час соответственно 17,6 • 3600 = 63,36 литра, за сутки 63,36 • 24 = 1520 литров.
* Следует отметить, что расчёт производительности в данном примере сделан исходя из того, что КПД установки будет составлять 100%. На самом же деле он не может быть равным 100% и для его определения необходимо сделать экспериментальный расчёт на основании лабораторных испытаний. При наличии грамотных конструкторов КПД можно довести до
40-50%.
* В качестве охладителя может быть использована, например, вода из водоёма или же
холодильные агрегаты, работающие на АЭ.
* Значения в таблице 1 как раз и объясняют, почему на южных широтах идут проливные дожди, а на севере только кап-кап.

3.1. Для самых простых и самых дешёвых опреснителей количество энергии необходимое для производства 1 л. воды составит 0,67 кВт/час, а для более совершенных и дорогостоящих опреснителей – 0,18 кВт/час.
* При тепловой мощности 0,7 кВт 1 л. воды за 1 мин нагревается на 10 град.
3.2. В предыдущем разделе мы рассматривали вариант получения пресной воды путём охлаждения атмосферного воздуха. В опреснительных установках тёплый влажный воздух создаётся в испарительных камерах посредством подогрева опресняемой воды. При этом,
все физические принципы остаются теми же самыми. В качестве испарительной камеры может быть использована любая теплоизолированная, закрытая ёмкость.
3.3. Задача: В посёлке «Н» имеются в наличии 4 источника АЭ (рис.3): Солнце, ветер, море, река. Какое количество опреснённой воды в сутки может производить установка, если генератор ветра вырабатывает 12 кВт/час в сутки, генератор морской волны – 22 кВт/час, генератор реки – 8 кВт/час, а Солнце – 16 кВт/час?
3.4. Расчёт: Суммарная энергия, которая пойдёт на работу опреснителя составит:
12 + 22 + 8 + 16 = 58 кВт/час в сутки.
Для простейших опреснителей производительность составит 58 : 0,67 = 86,5 л/сутки.
Для более совершенных опреснителей – 58 : 0,18 = 322,2 л/сутки.

* На самом деле производительность опреснителей можно значительно увеличить, если, например, их использовать совместно с установками «вода из воздуха» или же при использовании естественных охладителей, таких, например, как «глубокая» морская вода.

4.1. Конструкции опреснителей следует выбирать в зависимости от сферы её назначения.
Опреснители могут быть и наземными, и подземными и на плавучих платформах и подводными.
4.2. Индивидуальные специалисты могут изготавливать опреснители и установки «вода из воздуха» из автомобильных отходов или же отходов бытовой техники (холодильники, стиральные машины и т. д.). В этом случае установки будут получаться бесплатными.
Стоимость опреснителей «на продажу» определяется после разработки КД.
4.3. Самые дешёвые опреснители получаются в том случае, если они встраиваются в жилой дом, ферму, или иные сооружения.
4.4. Установки по производству воды работают десятки, а может и сотни лет, поэтому самое предпочтительное это изготавливать их в виде капитальных строительных сооружений.
4.5. Конструкция опреснителя отрабатывается в лаборатории на действующей модели, суммарная энергия источников АЭ имитируется электронагревателем эквивалентной мощности.

5.1. Чрезвычайно важно отметить, что изготавливать установку, предназначенную только лишь для производства пресной воды нецелесообразно. Предположим, что вы заполнили
все свои ёмкости пресной водой, что дальше?! Вода-то течёт, а девать её некуда!
А генераторы-то продолжают работать, а энергию-то девать тоже некуда! А ведь эта-то драгоценная энергия могла бы пойти на работу кондиционеров или холодильников, на освещение, на отопление да мало ли куда ещё можно было бы направить излишки этой энергии. Так что думать-то надо не об опреснителях, а о создании систем жизнеобеспечения
в целом. Будь-то индивидуальный дом или фермерское хозяйство, или необитаемый остров,
во всех случаях нужна система жизнеобеспечения, а не отдельно взятая установка!
С экономической точки зрения, применение систем жизнеобеспечения гораздо выгоднее, нежели применение отдельно взятых установок АЭ!
5.2. Если, например, в тропически влажном климате вы изготавливаете кондиционер и
холодильник, то опреснитель может и не понадобится вообще, поскольку и кондиционер,
и холодильник уже являются установками по производству пресной воды. К тому же
морская вода замерзает при минус 1,9 град, а лёд это и есть пресная вода.

6.1. Перед тем, как задавать вопросы разработчику вам необходимо знать, что установки по производству пресной воды на АЭ, разрабатываются под каждый конкретный случай.
При производстве пресной воды может быть использована энергия Солнца, ветра, реки, моря и т. д. В каждой местности свои климатические условия, а потому никаких универсальных установок нет и быть не может. Исключение составляют лишь установки индивидуального пользования производительностью 5-10 литров в сутки. Однако и здесь есть свои особенности. Так, например, индивидуальные установки на суше, не могут работать на катерах и яхтах, поскольку они не учитывают того, что катера и яхты качаются
и вращаются и для них нужны совсем другие конструкции.
6.2. Итак, обращаясь к разработчику, вы должны знать:
а) Сколько вам нужно пресной воды и какого качества (назначение установки)?
б) Где вы собираетесь устанавливать установки по производству пресной воды (план)?
в) Какие энергетические источники АЭ имеются в данной местности, и каковы их мощности?
г) Какие климатические условия в данной местности?
д) Вам нужна вода из воздуха или опреснённая вода из моря, или из грязного водоёма?

7.1. Установки по производству пресной воды на АЭ, представляют собой широчайшее поле для творчества. Так, например, завихрение потока влажного воздуха увеличивает эффективность конденсации. Завихрение может быть построено по принципу циклонного сепаратора или же путём введения винтовых лопаток в поток влажного воздуха.
7.2. Эффективность конденсации влажного воздуха может быть увеличена за счёт его пропускания через электрическое поле при потенциале коронного разряда. В лабораторных условиях в качестве источника высокого напряжения может быть использован строчный трансформатор с умножителем напряжения (30 кВ). Для того чтобы «поймать эффект» необходимо во влажный воздух добавить дым (сигарета). При начале ионизации воздуха дым мгновенно становится прозрачным. В реальной установке неплохо было бы попробовать
в качестве источника высокого напряжения использовать электрофорную машину, работающую от ветроколеса.
* Наличие коронного разряда характеризуется характерным потрескиванием и запахом озона.

8.1. Главное достоинство установок пресной воды, работающих на АЭ, состоит в том, что
они могут работать и без участия человека в автономном режиме. Если вы пожелаете посреди пустыни вырастить лесной массив, с применением технологии капельного орошения,
то охладитель и ёмкость для сбора конденсата нужно будет поднять на несколько метров.
В результате вертикальная труба между испарительной камерой и ёмкостью с конденсатом будет создавать естественную конвекцию (тягу) влажного воздуха. При этом пресная вода будет самотёком стекать к потребителю. Так что никаких насосов для полива
при этом не потребуется, и ни какие вентиляторы влажного воздуха будут не нужны.
8.2. Солнечные опреснители позволяют производить пресную воду со степенью очистки до
99,5%. Было бы неразумно такою водою стирать бельё или поливать огород. Для этих целей разумно было бы воспользоваться очистными установками, работающих на АЭ, однако это уже отдельная тема.
* Пресную воду, предназначенную для питья предпочтительно обеззараживать методом озонирования. Озонатор потребляет незначительное количество электроэнергии, поэтому он
может войти в состав установок пресной воды на АЭ.