Изобретение относится к водолазной технике и может быть использовано при создании аппаратов для автономного подводного плавания. Способ извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, ограниченной пленкой-мембраной, отличается тем, что в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм. Газообмен осуществляют при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Достигается увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны. 4 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области проведения подводных работ и может быть использовано при создании аппаратов для автономного подводного плавания с практически неограниченным временем пребывания под водой, а также для жизнеобеспечения людей под водой и их деятельности. В настоящее время для этих целей используют акваланги или замкнутые, герметичные устройства типа подводных лодок. В первом случае для дыхания под водой используют баллоны со сжатым или сжиженным газом, в состав которого входит кислород, а во втором случае, как правило, используют регенерационные химические элементы для сорбции углекислого газа и восстановления кислорода (патент РФ 2138421, B 63 С, 11/00, 11/36, опубл. 1999 г.). Недостатками известных решений являются сложность и дороговизна, а время пребывания под водой ограничивается запасом газа в баллоне или объемом регенерационных элементов. Наиболее близким к предлагаемому способу по своей сущности является способ, основанный на извлечении кислорода из воды и выводе углекислого газа через полую камеру, выполненную из селективных пленочных пластмассовых мембран, который нами принят за прототип ("Наука и жизнь", 1965 г., 3, с.139; "Наука и жизнь", 1967 г., 2, с. 86). Однако существенным недостатком способа является то, что скорость газообмена между воздухом и водой, зависящая от величины скорости диффузии кислорода и углекислого газа через мембрану, при небольшой движущей силе (определяемой разницей парциальных давлений кислорода внутри камеры и снаружи над водой) является весьма низкой, вследствие чего для обеспечения человека кислородом требуется мембрана площадью 6 м 2 , что весьма дорого, требует сложной конструкции камеры и применения дефицитных пластмассовых материалов. Задачей предлагаемого изобретения является существенное увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны. Поставленная задача решается за счет того, что в способе извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, пленкой-мембраной, при этом в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляется при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Кроме того, давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки мембраны. Кроме того, давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа. В качестве газа используют воздух или кислород, или азот, или гелий, или их смеси. В качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические материалы. В настоящем изобретении используются силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз (в данном случае воздух-вода); силы поверхностного натяжение воды позволяют поддерживать избыточное давление воздуха. Граница раздела фаз при этом находится в порах используемой мембраны. Таким образом, в порах мембраны устанавливается непосредственный контакт между газовой средой и водой и газообмен осуществляется непосредственно, минуя диффузию через вещество мембраны, что значительно увеличивает его скорость, а это, в свою очередь, позволяет снизить площадь мембраны. Достаточно всего 10-50 мм водяного столба избыточного давления, чтобы исключить попадание воды внутрь камеры, хотя газообмен в целом и газообмен по отдельным газовым компонентам проходит и при значительно больших значениях избыточного давления. Интенсивность газообмена зависит от разницы парциальных давлений газовых компонентов внутри камеры и над соприкасающейся с мембраной водой. Выбор материала и размера пор мембран для создания полой камеры проводился на специальном стенде-камере. Сверху камеры устанавливался образец пористой мембраны диаметром 50 мм и укреплялся сверху нижней полой герметичной части стенда. Нижняя часть стенда снабжена манометром для замера давления воздуха. Кроме того, к нижней части стенда подведена подача воздуха. При установлении сухой пористой мембраны воздух практически беспрепятственно проходит через поры мембраны. При погружении стенда в воду ее сопротивление многократно увеличивается, так как на границе раздела фаз воздух-вода в порах мембраны силы поверхностного натяжения воды препятствует свободному прохождению воздуха. Сопротивление полой мембраны обратно пропорционально диаметру отверстий пор и изменяется от 5 мм водяного столба при диаметре пор 100 мкм до нескольких атмосфер избыточного давления при диаметре пор менее 0,01 мкм. При дальнейшем погружении стенда под воду сопротивление мембраны дополнительно возрастает на величину гидростатического давления столба воды и зависит от глубины погружения. Проверка газообмена между водой и полой камерой осуществлялась на специально созданных аппаратах. Результаты испытаний приведены в нижеследующих примерах, которые иллюстрируют, но не ограничивают возможность использования предлагаемого изобретения. Пример 1. Испытатель через загубник с патрубком, соединенным с полой камерой объемом около 100 л, образованной путем обтяжки смоченной водой хлопчатобумажной тканью двух колец диаметром по 800 мм с размером сквозных пор до 100 мкм при расстоянии между кольцами 200 мм, опускался под воду на глубину от 0,3 до 1,5 м. Давление внутри камеры было на 30-50 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, которое изменялось от 1,03 до 1,15 ата. При опускании камеры в воду к ней подвешивался груз для преодоления выталкивающей силы воды. При этом дыхание осуществлялось только воздухом, находящимся внутри камеры. Выдох осуществлялся также внутрь камеры. Время, проведенное испытателем под водой, составляло 50 мин. Вдох и выдох через камеру осуществлялся без заметных усилий. В отсутствие газообмена между воздухом камеры и водой испытатель мог бы дышать данным объемом воздуха не более 10 мин, после чего из-за исчерпывания кислорода и накопления СО 2 дыхание оказалось бы невозможным. Следовательно, газообмен между воздухом камеры и водой осуществлялся нормально. Пример 2. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют "ядерные" фильтры на основе полиэтилентерефталата с диаметром пор 0,01 мкм. Испытатель провел под водой 40 мин. Пример 3. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют комбинированную ткань на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находится в пределах от 15 до 80 мкм. Испытатель провел под водой 2,0 ч, опускаясь на глубину до 2,6 м. Давление внутри камеры было на 90 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, составлявшего 1,26 ата. Пример 4. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но погружение проводят на глубину 7,0 м при давлении внутри камеры на 70 мм водяного столба выше значения 1,7 ата. При этом за счет гидростатического давления камера сжималась и объем ее уменьшался приблизительно до 58 л. Для восстановления объема камеры из баллона со сжатым воздухом через специальное устройство была проведена подпитка воздуха до восстановления объема камеры 100 л. Дыхание не вызывало затруднений у испытателя. Опыт продолжался 30 мин. Пример 5. Способ осуществляют аналогично примеру 4, но подпитку для восстановления объема проводят смесью гелий - кислород с 20 об.% кислорода. В течение 45 мин испытатель дышал этой смесью без заметных затруднений при вдохе и выдохе. При этом часть подаваемого газа выходила из камеры через наиболее крупные поры мембраны. Давление внутри камеры было на 220 мм водяного столба выше значения 1,7 ата. Пример 6. Из материала на основе вискозы и стеклоткани с диаметром пор менее 70 мкм был изготовлен купол объемом 50 л. Купол помещают под воду и заполняют его объем азотом. После 5 ч нахождения купола под водой отбирают пробу газа на содержания кислорода. Анализ показал присутствие кислорода под куполом в количестве 18,7 об.%, что свидетельствует о диффузии кислорода из воды. Как видно из представленных примеров, предложенный способ позволяет работать под водой в течение длительного времени (до двух и более часов) на различных глубинах, при этом за счет извлечения воздуха (кислорода) из воды концентрация кислорода поддерживается постоянной даже при значительно меньшей (около 1,5 м 2) поверхности мембраны.
Формула изобретения
1. Способ извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, ограниченной пленкой-мембраной, отличающийся тем, что в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляют при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки-мембраны.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух, или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, шелковые, синтетические материалы.
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Принцип действия
ГВ представляет собой пирамидальный каркас с влагопоглощающим наполнителем. Пирамидальный каркас образован четырьмя стойками поз. 3, приваренными к основанию поз. 4, выполненною из металлического уголка.
В пространство между уголками основания вварена металлическая сетка поз. 15; снизу к основанию при помощи накладок поз. 6 крепится полиэтиленовый поддон поз. 5 с отверстием посередине.
Внутреннее пространство сетчатого каркаса плотно (но без деформации стенок) заполняется влагопоглощающим материалом. Снаружи на пирамидальный каркас надевается прозрачный купол поз. 1, который фиксируется при помощи четырех растяжек поз. 8 и амортизатора поз. 14. ГВ имеет два рабочих цикла: поглощение влаги из воздуха наполнителем; выпаривание влаги из наполнителя с последующей ее конденсацией на стенках купола.
С заходом солнца прозрачный купол поднимают, чтобы обеспечить доступ воздуха к наполнителю; наполнитель поглотает влагу всю ночь.
Утром купол опускается и герметизируется амортизатором; солнце выпаривает влагу из наполнителя, пар собирается в верхней части пирамиды, конденсат стекает по стенкам купола на поддон и через отверстие в нем наполняет водой подставленную емкость.
Изготовление генератора воды
Подготовку к изготовлению ГВ начинают со сбора наполнителя.
В качестве наполнителя используются обрезки газетной бумаги; бумагу от газет нужно брать свободную от типографского шрифта во избежание засорения получаемой воды соединениями свинца.
Работа по сбору бумаги займет немало времени, вот за это время изготавливаются остальные элементы ГВ.
Основание сваривается из металлических уголков с размерами полок 35x35 мм, снизу к нему привариваются четыре опоры поз. 10 из таких же уголков и восемь кронштейнов поз. 13. Кронштейны соединяются между собой стальными прутками поз. 17 длиной 930 мм. диаметр 10 мм.
Сверху на полки уголков приваривается металлическая сетка с размером ячеек 15x15 мм. диаметр проволоки сетки 1,5-2 мм.
Из стальной ленты вырезаются четыре накладки поз. 6. По отверстиям в накладках сверлятся отверстия диаметром 4,5 мм в уголках основания и нарезается резьба под винты ВМ 5; Затем основание устанавливают на место, определенное для ГВ на садовом участке, огороде и т.д.
Место нужно выбирать так, чтобы ГВ не затенялся деревьями и постройками. После выбора места опоры основания фиксируется в земле цементным раствором. Допускается к опорам приварить опорные пятаки диаметром 100 мм из стального листа толщиной 2 мм.
После этого в углы квадрата основания привариваются поочередно четыре стойки таким образом, стойки оказались длинной 30 мм оказались в центре основания на высоте примерно.
Материал поперечин такой же как у стоек.
Затем из полиэтиленовой пленки толщиной 1 мм вырезается поддон поз. 5; края поддона, которые окажутся под накладками, подворачивают для усиления места крепления. В центре поддона вырезают круглое отверстие диаметром 70 мм - для стока воды. Края отверстий также можно усилить путем приваривания дополнительной накладки из полиэтилена.
Далее производят фиксацию на стойках сетчатого каркаса, представляющего собой мелкоячеистую рыболовную сеть с размером ячеек 15x15 мм. Сеть подвязывается к стойкам и краям поддона из металлической сетки при помощи х/б тесьмы так. чтобы сеть была туго натянута между стоек.
Желательно также подвязать сеть и к поперечинам, поделив внутренний объем пирамиды на два отсека.
Перед подвязкой сети к последней стойке, отсеки (начиная с верхнего) получившегося сетчатого каркаса плотно заполняется скомканными обрезками газетной бумаги. Заполнение производить так, чтобы не оставалось свободного места внутри пирамиды и выступание сетчатых стенок было минимальным.
Затем приступают к изготовлению прозрачного купола.
Он выполнен из полиэтиленовой пленки, раскрой которой производится согласно чертежа поз. 1 и сваривается паяльником по плоскостям А, А1. Шов выполнять без перегрева, чтобы полиэтилен не становился ломким в месте сварки.
Для предотвращения нарушения целостности купола в вершине пирамиды ее накрывают своеобразной полиэтиленовой "шапочкой" - фрагмент В по чертежу поз. 1. Затем, предварительно надев фрагмент В на пирамиду, аккуратно надевают на каркас купол. Расправив купол, сваривают между собой края плоскостей С: получается своеобразная крыша.
Эксплуатация
С заходом солнца прозрачный купол подворачивают до уровня поперечин и фиксируют в таком положении растяжками, надев крюки на прутки поз. 17.
За ночь бумага вберет в себя влагу и, утром купол опускают, фиксируя его нижний край на основании амортизатором.
За день солнце раскалит пирамиду, влага из бумаги испарится, пар по мере остывания конденсируется на стенках в воду, которая стекает вниз. Воду набирают, подставив какую-либо емкость под отверстие в полиэтиленовом поддоне.
С заходом солнца цикл повторяют.
Атмосферный водный генератор необходим в тех местах, где есть дефицит пресной воды. Принцип работы генератора воды из атмосферного воздуха аналогичен работе кондиционера. Сначала влажный воздух проходит через специальный прибор, затем охлаждается, влага конденсируется на охлаждающих поверхностях и стекает в специальную ёмкость. Воспользуйтесь рекомендациями по изготовлению атмосферного генератора воды своими руками, предлагаемыми ниже.
Устройство генератора холодной воды из атмосферного воздуха
Этот пирамидальный генератор предназначается для концентрации и выделения пресной воды из окружающего воздуха. Устройство генератора холодной воды представляет собой пирамидальный каркас, содержащий влагопоглощающий наполнитель. Каркас сооружается из четырех стоек, приваренных к основанию. Основание следует сделать из металлических уголков, а в пространство между ними нужно вварить металлическую сетку. Снизу к основанию следует прикрепить полиэтиленовый поддон с отверстием посередине. Крепление генератора воды из воздуха можно произвести с помощью накладок. Далее внутреннее пространство сетчатого каркаса необходимо довольно плотно, но без деформации стенок, заполнить влагопоглощающим материалом.
Снаружи на каркас атмосферного генератора воды следует надеть прозрачный купол и зафиксировать его с помощью четырех растяжек и амортизатора.
Рабочие циклы атмосферного генератора
Работа генератора воды состоит из двух рабочих циклов. Сначала производится поглощение влаги из воздуха наполнителем. Затем происходит выпаривание влаги из наполнителя и ее конденсация на стенках купола.
Конструкция устроена так, что с заходом солнца прозрачный купол должен подниматься, чтобы был обеспечен доступ воздуха к наполнителю. Таким образом, наполнитель (бумага) будет поглощать влагу всю ночь, а утром, когда купол будет опущен и загерметизирован амортизатором, благодаря солнцу влага выпарится из наполнителя.
Образующийся пар будет собираться в верхней части пирамиды, а затем по стенкам купола на поддон начнет стекать конденсат. Через отверстие в поддоне вода поступит в подставленную внизу емкость. С заходом солнца процедура повторяется.
Бумагу в генераторе воды необходимо менять каждый сезон. На зиму прозрачный купол нужно снимать с каркаса и убирать в помещение. После потери прозрачности стенок рекомендуется заменять купол на новый. Также в процессе эксплуатации конструкции важно следить за целостностью купола, а при его повреждении производить ремонт.
Изготовление самодельного пирамидального генератора воды
Начинать изготовление самодельного пирамидального генератора воды своими руками необходимо со сбора наполнителя, в качестве которого можно использовать обрезки газетной бумаги и т. п. Главное, чтобы на бумаге не было типографской краски, иначе получаемая вода будет содержать соединения свинца. Собрать достаточное количество, возможно, получится не так быстро. За это время можно будет изготовить остальные элементы генератора воды.
Основание нужно сварить из металлических уголков с размерами полок 35 X 35 мм. Снизу к нему необходимо приварить четыре опоры из таких же уголков и восемь кронштейнов. Кронштейны следует соединить между собой с помощью стальных прутков длиной 93 см и диаметром 10 мм.
Сверху на полки уголков нужно будет приварить металлическую сетку с ячейками размером 15 X 15 мм. Диаметр проволоки этой сетки должен составлять 1,5-2 мм. Затем нужно из стальной ленты вырезать четыре накладки. В них сверлятся отверстия диаметром 4,5 мм. По этим отверстиям в дальнейшем следует в уголках основания также просверлить такие же отверстия с резьбой под винты ВМ5.
После этого нужно установить основание на место на садовом участке или огороде, где и планируется разместить ГВ. Желательно, чтобы данное место не было затенено деревьями или постройками. Когда участок будет выбран, опора основания ГВ фиксируется и прикрепляется к земле цементным раствором. Можно для большей прочности приварить к опорам опорные пятаки (диаметром 10 см), сделанные из стального листа толщиной 2 мм. Далее нужно в углы квадрата основания приварить четыре стойки поочередно. Делать это следует так, чтобы участки стоек длиной 30 мм находились в центре основания на высоте в 1,5 м. Стойки рекомендуется усилить поперечинами, которые лучше приварить к стойкам изнутри. Материал для поперечин можно использовать такой же, как и для стоек.
Затем нужно вырезать поддон из полиэтиленовой пленки толщиной 1 мм. Края поддона должны при сборке оказаться под накладками, для этого их необходимо подвернуть для усиления места крепления. В центре поддона затем следует вырезать круглое отверстие диаметром 70 мм. Оно будет служить стоком для воды. Края отверстий также лучше усилить, приварив к ним дополнительную накладку из полиэтилена.
Теперь необходимо произвести фиксацию на стойках сетчатого каркаса. Он делается из мелкоячеистой рыболовной сети с размером ячеек 15x15 мм. Эта сеть должна быть привязана к стойкам и краям поддона из металлической сетки. Привязать сетку можно с помощью хлопчатобумажной тесьмы: сеть должна быть очень туго натянута между стойками, без провисаний и т. п. Желательно также привязать сеть к поперечинам, разделяя внутренний объем пирамиды на две части.
Прежде чем подвязывать сеть к передней стойке, нужно плотно заполнить отсеки сетчатого каркаса. Начинать необходимо с верхнего отсека, планомерно и равномерно заполняя пространство скомканными обрезками газетной бумаги. Заполнение следует производить так, чтобы совсем не оставалось свободного места внутри пирамиды, но при этом чтобы сетчатые стенки не выступали.
Далее можно приступить к изготовлению прозрачного купола из полиэтиленовой пленки. Плоскости купола нужно сварить паяльником, только без перегрева, чтобы полиэтилен не стал ломким в месте стыка. Чтобы предотвратить нарушение целостности купола, нужно в вершине пирамиды накрыть конструкцию своеобразной полиэтиленовой «шапочкой». Затем эта «шапочка» надевается на полиэтиленовый купол, а купол - на каркас. Купол следует тщательно расправить и затем приварить нижний край к конструкции.
Далее необходимо из резиновой трубки сделать кольцо и надеть его на пирамиду. К кольцу будут привязываться четыре растяжки с крюками. Низ полиэтиленового купола нужно плотно прижать к уголкам основания с помощью амортизатора, представляющего собой кольцо, сделанное из резиновой ленты длиной 5 м и шириной 5 см (можно использовать резиновый бинт).
Если в наличии не имеется полиэтилена нужной площади для изготовления купола, можно сварить его из нескольких фрагментов. Для сварки полиэтилена лучше применять паяльник мощностью 40-65 Вт, жало которого снабжено проточкой с металлическим диском толщиной 3-5 мм, зафиксированным на ее оси.
