ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРИСТЫХ СРЕД ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ АТМОСФЕРНОЙ ВЛАГИ

Карякин А.В., Васьков М.Н.

Новоуральский политехнический институт МИФИ


Работа посвящена исследованию возможности применения пористых сред для конденсации паров воздуха.

Некоторые районы Земли страдают от недостатка питьевой (дистиллированной) воды. Вместе с тем, определенное количество влаги в виде пара содержится непосредственно в атмосфере. При определенных условиях, например, при понижении температуры, может произойти конденсация паров. Наиболее часто в природе такое явление наблюдается при образовании облаков, когда воздух с поверхности поднимается вверх и остывает, одновременно расширяясь. Высота, на которой будут формироваться облака, определяется температурой и влажностью воздуха на поверхности. Обычно она значительно больше высоты, на которой могут быть возведены собирающие воду конструкции. Однако, эффект понижения давления может быть достигнут при использовании пористых сред, за счет снижения давления паров над вогнутыми менисками жидкости в капиллярах. Это позволяет уменьшить высоту начала конденсации до приемлемых величин.

Вначале рассмотрим, как происходят процессы конденсации влаги в отсутствие пористых сред. Сразу оговоримся, что нас будут интересовать небольшие высоты – порядка километра, а в некоторых случаях – до сотен метров. Определим, как падает давление и температура воздуха с изменением высоты над уровнем моря. Известная барометрическая формула выведена для атмосферы с постоянной температурой и нам не подходит.

При подъеме вверх из-за падения давления происходит расширение воздуха и понижение его температуры. Большие массы воздуха перемещаются в вертикальном направлении практически без теплообмена с окружающим воздухом, т.е. процесс расширения и охлаждения – адиабатический.

Из первой части проделанной работы можно сделать следующие выводы:

  1. при умеренной влажности (=40-80%) радиус пор, необходимый для конденсации перегретого пара, слабо меняется с влажностью;
  2. для конденсации пара с влажностью менее 90% необходим удручающе малый радиус пор, соизмеримый с размером молекул воды.

Экспериментальных данных по снижению упругости пара над вогнутой поверхностью нет. Проведенные нами опыты показывают, что х/б ткань (чистая, высушенная) при пропускании сквозь нее воздуха с температурой примерно 37° C и влажностью около 100% повышает свою температуру на 5 и более градусов. Это означает, что такая ткань способна конденсировать перегретый пар с относительной влажностью 75% и менее. Скорее всего, это трудно объяснить тем, что она имеет поры 3-4 нм (30-40 А0).

Возвышенности (горы, холмы), покрытые пористой средой (почвой, растительностью), конденсируют влагу из воздуха, даже если нет дождя. Правда, естественные пористые среды не оптимальны и сами зачастую могут являться источниками загрязнения воды солями тяжелых и вредных металлов. Следует иметь ввиду, что часть вредных примесей вода получает в атмосфере (растворенные газы типа SO2, NnOm).

Таким образом, конденсация атмосферного пара в пористых средах с отводом воды за счет гидростатического напора возможна и стихийно широко возникает в природе. Научный подход дал бы возможность оптимально организовать эти процессы.