Особенности получения воды методом конденсации на территории Оренбургской области Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Солопова Валентина Александровна, Ефремов Игорь Владимирович, Янбулатов Игорь Илдусович

Один из источников пресной воды вода в воздухе , до сих пор оказывается малоизученным. Климат Оренбургской области является резко континентальным, поэтому в теплое время года в ночное время из охлажденного воздуха конденсируется влага в виде росы. Интенсивность образования росы зависит от влажности воздуха , суточного перепада температур, скорости ветра и ориентации осаждающей поверхности. Чтобы собрать сконденсированную воду с древних времен и до наших дней конструируются системы, имеющие большую осаждаемую поверхность с искусственно созданными центрами конденсации . По результатам сравнительного анализа средней предполагаемой производительности установок для получения воды из воздуха методом конденсации для разных населенных пунктов и районов Оренбургской области сделан вывод, что наибольшие результаты могут быть получены в районе Соль-Илецка. При анализе данных для этого населенного пункта был выявлен наиболее благоприятный период, июль 2013 года. Рассчитанное для этого месяца количество воды , составляет в среднем 0,002 литра из 1 кг воздуха в сутки или 0,00155 литров из 1 м3 воздуха . Данное значение мало и свидетельствует о низкой эффективности использования метода естественной конденсации для получения пресной воды на территории Оренбургской области. Соответственно, чтобы установка естественной конденсации воды давала более 1 литра в сутки необходимо осуществлять принудительную циркуляцию воздуха вдоль осаждающей поверхности не менее 645 м3/сутки.

FEATURES OF RECEIVING WATER BY CONDENSATION ON TERRITORY OF THE ORENBURG REGION

One of the sources of fresh waterwater in air did not investigate yet. Climate of the Orenburg region is abruptly continental. Warm season at night moisture condensate from cooled air to form of dew. The intensity of dew formation depends on the humidity, diurnal temperature difference, wind speed and orientation of the surface of the precipitation. To collect condensed water from ancient times to the present day systems with large surface perceptible with artificially created centers of condensation are designed. Based on the results of the comparative analysis of the average expected performance systems to producing water from the air by condensation for different localities of the Orenburg region we concluded that the greatest results may be obtained in the vicinity of Sol-Iletsk. Analysis data for this settlement shows that the most conducive period is July 2013. Calculated for this month amount of water 0,002 liters from 1 kg of air per day or 0,00155 liters from 1 m3 of air . his value a little also testifies to low efficiency of use of a method of natural condensation for receiving fresh water in the territory of the Orenburg region. Respectively, that installation of natural condensation of water gave more than 1 liter per day it is necessary to carry out compulsory air circulation along the besieging surface not less than 645 m3/days.

Текст научной работы на тему «Особенности получения воды методом конденсации на территории Оренбургской области»

УДК 556.131.3:628.116 - 047.37 (470.56)

Солопова В.А., Ефремов И.В., Янбулатов И.И.

Оренбургский государственный университет E-mail: bgd@mail.osu.ru

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ МЕТОДОМ КОНДЕНСАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ

Один из источников пресной воды - вода в воздухе, до сих пор оказывается малоизученным. Климат Оренбургской области является резко континентальным, поэтому в теплое время года в ночное время из охлажденного воздуха конденсируется влага в виде росы. Интенсивность образования росы зависит от влажности воздуха, суточного перепада температур, скорости ветра и ориентации осаждающей поверхности. Чтобы собрать сконденсированную воду с древних времен и до наших дней конструируются системы, имеющие большую осаждаемую поверхность с искусственно созданными центрами конденсации.

По результатам сравнительного анализа средней предполагаемой производительности установок для получения воды из воздуха методом конденсации для разных населенных пунктов и районов Оренбургской области сделан вывод, что наибольшие результаты могут быть получены в районе Соль-Илецка. При анализе данных для этого населенного пункта был выявлен наиболее благоприятный период, июль 2013 года. Рассчитанное для этого месяца количество воды, составляет в среднем 0,002 литра из 1 кг воздуха в сутки или 0,00155 литров из 1 м3 воздуха. Данное значение мало и свидетельствует о низкой эффективности использования метода естественной конденсации для получения пресной воды на территории Оренбургской области. Соответственно, чтобы установка естественной конденсации воды давала более 1 литра в сутки необходимо осуществлять принудительную циркуляцию воздуха вдоль осаждающей поверхности не менее 645 м3/сутки.

Ключевые слова: вода, воздух, конденсация, точка росы, относительная влажность воздуха.

В связи с увеличением населения земного шара возникает потребность в обеспечении человечества ресурсами, которые необходимы для осуществления процессов жизнедеятельности. Одним из таких ресурсов является вода - важнейший компонент существования человека. Без воды человек может прожить всего 5-6 дней, т. к. его тело состоит из нее в среднем на 65 % [1].

В России основной источник водоснабжения - речной сток, который составляет в средние по водности годы 4262 км3. При этом 92 % приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океана, т. е. на территорию севера России, Сибири и Дальнего Востока, где проживает менее 20 % россиян.

На бассейны Каспийского и Азовского морей приходится менее 8 % общего годового стока. Но именно на этой территории сосредоточено около 80 % всего населения России. На этой территории находится и Оренбургская область.

Аномально высокие температуры в летние месяцы и отсутствие дождей приводят к обмелению поверхностных рек и других водоемов. При этом уменьшается и количество подземных вод, которые находятся в порах, пустотах и трещинах водоносных горизонтов горных пород.

Но основная масса воды, количество которой превышает содержание во всех речных руслах - это вода в атмосфере. Ежегодно испаряется с поверхности суши и океана 577 тыс. км3 влаги и столько же потом выпадает в виде осадков. Вода в атмосфере в течение года обновляется 45 раз.

Основной источник пресной воды - вода в воздухе, оказывается неиспользуемым.

Данный ресурс пресной воды постоянно возобновляется. Количество водяных паров в атмосфере - один из важных климатических показателей, который связан прежде всего с испарением.

Испарение зависит от температуры воды и воздуха, скорости ветра, атмосферного давления, а также от ряда ландшафтных характеристик. Половина всего водяного пара в атмосфере приходится на нижние полтора километра от земной поверхности.

Во многих засушливых районах, в том числе и на некоторых территориях Оренбургской области, пресная вода имеется только в виде атмосферной влаги.

Известна природная наземная конденсация в виде росы - при интенсивном выхолаживании земной поверхности ночью или в глубоких расщелинах, пещерах, подземных пустотах, где

имеются соответствующие условия и постоянное поступление свежего воздуха.

По данным первичных наблюдений, образование росы происходит главным образом в ночное время и зависит от интенсивности выхолаживания подстилающей поверхности ночью и от метеорологических условий конкретной ночи. При охлаждении открытых поверхностей в темное время суток, когда их температура опускается ниже точки росы, водяной пар в прилегающем слое воздуха достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться на поверхности в виде мелких капель. Неодинаковая интенсивность излучения различных тел приводит к большим расхождениям в количестве осаждающейся на их поверхности влаги. Этим можно объяснить и значительное уменьшение количества росы на затененных частях наземных предметов и растений.

Интенсивность образования росы зависит не только от разности температур, но и от влажности воздуха, скорости ветра и ориентации поверхности. Обычно процесс появления росы сопровождается приземной инверсией температуры. Инверсионный слой является задерживающим слоем в атмосфере, он препятствует движению воздуха по вертикали, вследствие чего под ним накапливаются водяной пар, а это способствует образованию тумана [2].

Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество влаги в виде ненасыщенного перегретого или насыщенного водяного пара, которая ме—няет термодинамические свойства воздуха тем сильнее, чем ее больше.

Влажность воздуха (абсолютная) характеризуется количеством пара в 1 м3, т. е. удельным содержанием пара в смеси. Влажность воздуха максимальна, если пар, содержащийся в воздухе, сухой, так как он обладает наибольшей плотностью.

Отношение абсолютной влажности воздуха к его максимальной влажности при данной температуре - относительная влажность

где Рп - абсолютная влажность воздуха (плотность пара в смеси);

Рс - плотность сухого насыщенного пара при температуре смеси.

Относительная влажность воздуха может изменяться от 0 до 1. При ф = 1 воздух насыщен влагой. Температура, при которой ф =1, называется точка росы. При понижении температуры насыщенного воздуха начинается конденсация водяного пара, воздух теряет прозрачность вследствие возникновения в нем мельчайших капель воды (тумана). Такой воздух перенасыщен влагой.

При перепадах температуры и относительном постоянстве атмосферного давления воздуха в течение суток рассматриваемый процесс сопровождается конденсацией части пара. Количество воды, выпавшей в виде конденсата, можно определить, используя ГО-диаграмму состояния влажного воздуха и формулу

где dП1 и аП2 - количество водяного пара, содержащегося в воздухе в начале и конце процесса, кг.

Чтобы собрать сконденсированную воду на пути движения воздуха устанавливают так называемые «преграды», представляющие собой центры конденсации, на которых капли задерживаются и осаждаются. Эксперименты по получению воды таким способом уже проводились в разных странах, при этом количество получаемой воды изменялось в зависимости от времени года и характера климатических условий от 3 до 50 л/сут/км2 [4].

При использовании естественных процессов конденсации влаги не наносится ущерб окружающей среде. Данный ресурс пресной воды постоянно возобновляется. Физико-химические характеристики конденсата, который может быть получен в большинстве регионов России высокие, так как конденсат содержит на порядок меньше вредных веществ и микроорганизмов по сравнению с требованиями санитарных служб.

По архивным документам по изучению древнего Крыма выяснено, что неоднократно вставал вопрос о водоснабжении населения. Археологической экспедицией на Эски-Керменской скале найдена водосборная галерея, вода в которую поступала за счет конденсации [5, 7]. В городе Феодосия сооружались специальные щебневые насыпи высотой до 5 метров для сбора дождевой воды и конденсации атмос-

ферной влаги. Форма этих насыпей напоминала конус и нагрев в них в разные моменты времени был неравномерным.

В 40-х годах во Франции была сконструирована аналогичная система, которая представляла собой башню высотой около 14 метров, позволяющую получать 0,24 л/м3 воды в сутки [5].

Под руководством В.В. Алексеева в лаборатории возобновляемых источников энергии Географического факультета МГУ им. Ломоносова была построена опытная установка «Роса» [6]. Основание установки представляет собой бетонную площадку размером 9х9 м, огороженную бордюром. В нижней части площадки располагаются поддоны для сбора воды, на них установлены 156 цилиндрических модулей или габионов.

Размер габиона: диаметр - 0,46 м, высота - 2,8 м. Габионы заполнены известняковым щебнем, размером 10 15 см в диаметре, образующим сложную поверхность конденсации.

На данной установке был проведен большой объем исследований по изучению изменения производительности в зависимости от погодных условий, разности температур и скорости ветра.

В дальнейшем при конструировании аналогичных устройств тоже использовался принцип разности температур. Для ориентировочных расчетов производительности устройства для извлечения воды из атмосферного воздуха (0, л/м3), может быть использовано следующее соотношение [7]

где АТ - перепад дневной и ночной температур.

Климат Оренбургской области является резко континентальным. Осадки распределяются неравномерно, поэтому характерной чертой климата области является его засушливость [8]. Однако летом в ночное время относительная влажность воздуха достигает 100 %, т. е. выпадает роса. Роса выпадает в теплое время года, преимущественно в течение трех летних месяцев.

Был проведен сравнительный анализ погодных условий Оренбурга и некоторых населенных пунктов южнее в течение лета по данным дневников погоды [9], при этом учитывалась разница между ночными и дневными температурами за последние 3 года. По формуле (3) были рассчитаны предполагаемые производи-

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎