Проекты

Разработка конденсационного колодца для получения воды из атмосферного воздуха с применением композиционных материалов

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Экология и природопользование»

Направление работы: Инженерия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1512
Предметы: Физика, Экология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

Одной из глобальных проблем современности является нехватка пресной воды в некоторых регионах нашей планеты. Нередко резкий дефицит этого жизненно важного ресурса приводит к ухудшению уровня жизни, а порой и к гибели людей. По прогнозам учёных, без принятия мер по борьбе с данной проблемой к 2035 году без чистой питьевой воды останутся почти 70% населения Земли. Для решения проблемы разрабатывают различные установки для получения питьевой воды из влажного атмосферного воздуха, однако они имеют ряд недостатков и не позволяют в полной мере решить проблему дефицита ресурса.

Цель

Разработка модели альтернативного источника для получения питьевой воды из влаги атмосферного воздуха – конденсационного колодца с применением перспективных композиционных материалов.

Задачи

1. Выполнить анализ проблемы нехватки воды и существующих разработок её решения.

2. Сформулировать пути решения недостатков существующих аналогов.

3. Разработать конструкцию и дизайн конденсационного колодца из композиционных материалов.

4. Создать 3D-модель составляющих компонентов конденсационного колодца, соответствующих реальным размерам.

5. Выполнить сборку разработанного прототипа конденсационного колодца.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• 3D-принтер Maestro Classic

• Пластик PLA

• Рубленое стеклянное волокно

• Эпоксидная смола

Описание

Авторами изготовлена конструкция (за исключением внутреннего вентилятора) из стеклопластика на основе эпоксидного связующего. Данный материал отличается невысокой стоимостью, хорошей устойчивостью к агрессивной среде, и, в частности, высокой влажности: устойчив к коррозии в отличие от металлов. Такой композит безопасен и хорошо работает, не теряет своих свойств до 150–200 .

Стеклопластик обладает хорошими механическими свойствами и невысокой

плотностью, следовательно, конструкции из него будут лёгкими и прочными.

Для изготовления изделий выбраны три технологии: намотка – для тел вращения, вакуумная инфузия – для остальных элементов. Ввиду сложной геометрии внутренний вентилятор изготовлен методом фотополимерной печати. Вакуумная инфузия это процесс пропитки армирующих материалов (стеклопластика) связующим с помощью разряжения, возникающего из за разницы давлений между окружающей средой и загерметизированной формой находящейся под вакуумом. (Рисунок а). Технология сухой намотки заключается в намотке предварительно пропитанного связующим армирующего материала на специальную оправку (Рисунок б). Фотополимерная печать осуществляется по особой технологии (Рисунок в): на платформу 3D-принтера наносится высокодетализированный акриловый пластик, происходит послойная печать с отверждением УФ-лучом.

Результаты

1. Спроектирована в программном комплексе Autodesk Inventor 3D-модель альтернативного источника для получения питьевой воды из влаги атмосферного воздуха – конденсационного колодца.

2. Проанализированы технологии изготовления элементов установки, а также обосновано применение используемых композиционных материалов.

3. По сравнению с существующими аналогами конденсационный колодец решает целый ряд задач:

  • долговечность конструкции,
  • хорошие механические характеристики,
  • ремонтопригодность конструкции,
  • применяемые материалы экологичны,
  • конденсационный колодец не вредит окружающей среде.

Выводы

1. Полученная конструкция из стеклопластика будет устойчива к среде с высокой влажностью (решит проблему коррозии, которая встречается у существующих металлических аналогов), что обеспечит её срок службы около 30 лет.

2. По предварительным оценкам разработанная установка позволит получать 1–3 м3 воды в сутки в зависимости от влажности и температуры местного атмосферного воздуха, однако можно увеличить количество вырабатываемой воды за счёт увеличения размеров конструкции.

3. Используемый в конструкции стеклопластик обладает высоким уровнем прочности и гибкости.

4. При появлении незначительных механических повреждений легко осуществляются ремонт и восстановление герметичности всех составляющих установки.

5. Получаемая вода безопасна и пригодна для питья – используемые фильтры дополнительно очистят воду от пыли атмосферного воздуха.

6. Благодаря спиральному ветрогенератору установка работает автономно.

Перспективы использования результатов работы

Наиболее остро дефицит пресной воды затрагивает страны Центральной Африки, Южной Азии и Ближнего Востока, поэтому эти регионы будут наиболее заинтересованы в приобретении конденсационного колодца.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Детский технопарк «Инжинириум МГТУ им. Н.Э. Баумана»

Мнение автора

«Проект оказался для нашей команды в каком-то смысле открытием, ведь изначально получение воды из воздуха казалось нам невозможным. Наш «колодец» позволит решить проблему нехватки воды в регионах с тёплым и влажным климатом. Мы учли недостатки существующих аналогов и обеспечили долговечность и ремонтопригодность установки для получения воды из воздуха. Конференция была организована отлично»