Рисунок 5 - Реализованные в технических решениях варианты интенсификации процесса испарения S - увеличение площади испаряющей поверхности; S + t - увеличение площади испаряющей поверхности и температуры воды; t - увеличение температуры воды; S + t + V - увеличение площади испаряющей поверхности, температуры воды и использование энергии ветра; S + V - увеличение площади испаряющей поверхности и использование энергии ветра; S + ВВР - увеличение площади испаряющей поверхности и использование высшей водной растительности; V - использование энергии ветра; МО - обработка воды магнитным полем
Для технических решений в виде закрытых установок характерно совместное регулирование максимального количества факторов, определяющих интенсивность испарения [площади испаряющей поверхности, температуры воды и скорости ветра (S + t + V) (26,30 %)], а также двух факторов [S + V (21,05 %)] или наиболее действующего фактора [S (21,05 %)].
Увеличение испарения со всей площади накопителя обеспечивается главным образом в результате повышения температуры воды (t) (43,75 %), затем за счет регулирования двух факторов (S + t) (25,00 %) и одного (S) (18,75 %).
В технических решениях, осуществляющих интенсификацию процесса испарения на части площади накопителя, чаще всего увеличивают только площадь испаряющей поверхности (S) (6,67 %) или сочетают увеличение площади с повышением температуры воды (S + t) (33,33 %).
Анализ результатов патентного поиска позволил конкретизировать применяемые технические решения по следующим направлениям интенсификации испарения.
1 Увеличение площади испаряющей поверхности: всего 40 изобретений, в том числе дождевание - 11 технических решений, или 27,5 %; увлажнение пористых и капиллярно-пористых материалов - 27 технических решений, или 67,5 %; увлажнение дополнительных элементов из других материалов - два технических решения, или 5,0 %.
1.1 Применяемые для дождевания аппараты и установки: всего 11 технических решений, в том числе короткоструйные - пять технических решений (45,4 %); дальнеструйные - два (18,2 %); для мелкодисперсного дождевания - два (18,2 %); другие варианты - два технических решения (18,2 %).
1.2 Форма увлажняемых элементов из пористых и капиллярно-пористых материалов: всего 27 технических решений, в том числе полотна - 14 технических решений (51,9 %); пластины - пять (18,5 %); цилиндры - четыре (14,8 %); шарики - два (7,4 %); лента транспортера - одно (3,7 %), дамбы из почвогрунта - одно техническое решение (3,7 %).
1.3 Расположение увлажняемых элементов из пористых и капиллярно-пористых материалов в пространстве: всего 27 технических решений, в том числе частично в воздухе и воде - 10 технических решений (37,0 %); на поверхности воды - восемь (29,6 %); над поверхностью воды или берега - четыре (14,8 %); периодически над поверхностью воды и под водой - три (11,1 %); в приповерхностном слое воды - одно (3,7 %); почвогрунты - одно техническое решение (3,7 %).
1.4 Направление подачи воды в увлажняемые элементы из пористых и капиллярно-пористых материалов: всего 27 технических решений, в том числе снизу вверх - 16 технических решений (59,3 %); сверху вниз - 11 технических решений (40,7 %).
2 Увеличение температуры воды: всего 27 технических решений, в том числе за счет подогрева воды - 16 технических решений (59,3 %); изменения альбедо пористого и капиллярно-пористого материала - шесть (22,3 %); экранирования приповерхностного слоя воды - два (7,4 %); изменения альбедо воды - одно (3,7 %); подогрева воздуха в установке - одно (3,7 %); размещения теплопоглощающего материала на дне накопителя - одно техническое решение (3,7 %).
2.1 Подогрев воды: всего технических решений 16, в том числе подогрев воды в закрытой установке - шесть технических решений (37,5 %); подогрев воды от аккумулятора солнечной энергии - пять (31,2 %); нагревательные элементы на дне накопителя - три (18,8 %); нагревательные элементы в поверхностном слое воды - два технических решения (12,5 %).
2.2 Изменение альбедо элементов из пористого и капиллярно-пористого материала за счет применения материалов или их внешних слоев черного цвета: всего шесть технических решений (100 %).
3 Увеличение скорости ветра: всего 13 технических решений, в том числе за счет использования вентиляторов в закрытых установках - 10 технических решений (76,9 %); концентрирования воздушных потоков ветровыми плотинами - два (15,4 %); использования естественного ветра и дополнительных вентиляторов в открытых установках - одно техническое решение (7,7 %).
Анализ отобранных по изучаемой проблеме изобретений показал, что при увеличении площади испаряющей поверхности испарение возрастает в 1,3-30,0 раза (шесть оценок) и до полного испарения (одна оценка), при увеличении площади испаряющей поверхности и температуры воды - максимум в 35 раз (одна оценка), при увеличении площади испаряющей поверхности и скорости ветра - в 1,10-1,62 раза (две оценки), при увеличении температуры воды - в 1,2-13,0 раза (пять оценок), а при обработке воды магнитным полем - на 19,4 % (одна оценка). На основании приведенных выше данных не представляется возможным выбрать наиболее эффективное направление интенсификации испарения с водной поверхности, так как кроме собственно значения показателя эффективности необходимо располагать и данными о затратах на создание и эксплуатацию каждого технического решения.
Таким образом, выполненный патентный поиск технических решений для интенсификации испарения с водной поверхности позволил:
- подтвердить мировой интерес к данному направлению исследований и его перспективность, в том числе и для утилизации минерализованных дренажных вод;
- установить существующий уровень техники по вопросу исследований: 59 патентов и авторских свидетельств (51 техническое решение) за период 1976-2014 гг. (2014 г. - первое полугодие) в 10 странах мира;
- определить основные тенденции создания технических решений для интенсификации испарения в плане: 1) реализации процесса в пространстве; 2) энергетического обеспечения процесса; 3) направлений интенсификации процесса (увеличения площади испаряющей поверхности, температуры воды, скорости ветра и их комбинаций);
- выявить наиболее перспективные направления поиска новых технических решений: 1) увеличение площади испаряющей поверхности преимущественно за счет применения пористых и капиллярно-пористых материалов; 2) повышение температуры воды.
Список литературы
1. Кондрашкина, Г. В. Патентные исследования с целью определения уровня техники по ГОСТ Р 15.011-96 [Электронный ресурс] / Г. В. Кондрашкина. - Режим доступа: http: invur.ru/index.php?page=innstr&cat=int_sob&doc=pat_is, 2015.
2. Дыков, М. А. Поддержка принятия решений при анализе уровня техники для патентных заявок: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.13.01 / Дыков Михаил Александрович. - Волгоград, 2014. - 16 с.
3. Бородычев, В. В. Концепция использования возобновляемых источников энергии для утилизации минерализованного дренажного стока / В. В. Бородычев, И. И. Конторович. - Волгоград: ВолГАУ, 2012. - 104 с.
4. Конторович, И. И. Основные направления интенсификации испарения минерализованных дренажных вод на основе использования возобновляемых источников энергии / И. И. Конторович // Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России (Костяковские чтения): материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Москва, 20-21 марта 2013 г. - М.: Изд-во ВНИИА, 2013. - С. 297-302.
5. Синяков, В. Н. Геоэкологическая безопасность Волгоградской области / В. Н. Синяков, С. В. Кузнецова, Ю. Л. Беляева // Использование и охрана природных ресурсов в России. - 2003. - № 4-5. - Режим доступа: http: priroda.ru/reviews/deta-il.php?ID=4266, 2015.