CN102505731A

CN102505731A - 一种毛细-引射协同作用的地下水采集系统

Info

Publication number: CN102505731A
Application number: CN2011103245045A
Authority: CN
Inventors: 谢诞梅; 聂矗; 秦汉时; 侯佑民; 李汪繁; 姚鑫
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明涉及一种利用低品质能源的地下水采集系统。包含三个子系统：空气加热子系统、毛细力抽吸子系统、引流-冷凝子系统；加热子系统使用工业余热废气加热空气，然后余热废气引入毛细力抽吸子系统的加热装置，对抽吸上来的地下水进行加热，使地下水蒸发；加热后的空气进入引流-冷凝子系统，在喷射器中被喷出形成射流，通过射流的引流作用，把蒸发的水蒸气带走，然后通过冷凝器把水蒸气冷凝收集。该发明装置可以利用多孔介质的毛细作用抽吸地下暗河，岩溶水以及土壤含有的结晶水。

Description

一种毛细-引射协同作用的地下水采集系统

技术领域

本发明涉及一种毛细-引射协同作用的地下水采集系统。

背景技术

中国西北地区虽然处于普遍缺水的状况，但该地区地下水储量巨大。同样在西南岩溶石山地区，地表水相当匮乏，绝大多数水资源都以地下暗河和岩溶水的形式存在。另一方面，在该地区又具有大量的风能，太阳能和地热资源，以及工业基础设施说产生的余热能源。

同时，在多孔介质领域的研究表明，由于多孔介质内部存在大量的微型通道，液体可以通过毛细作用从多孔介质的一段自发的渗透到另外一端。同时，由于毛细作用的原因，导致在通道内汽液相分压降低，使得液体的沸点降低，那么就能通过一个比较低的温度使得液滴蒸发。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种毛细-射流协同作用下的地下水抽吸系统。

该系统包含三个子系统：空气加热子系统、毛细力抽吸子系统、引流-冷凝子系统；

其中加热子系统包括预热器和加热器；

其中毛细力抽吸子系统由多孔介质和加热装置组成，利用多孔介质的毛细作用抽吸地下暗河、岩溶水以及土壤含有的结晶水，加热装置位于多孔介质的上方；

其中引流-冷凝子系统包括喷射器和冷凝器；

加热子系统使用工业余热废气加热空气，然后余热废气引入毛细力抽吸子系统的加热装置，对抽吸上来的地下水进行加热，使地下水蒸发；加热后的空气进入引流-冷凝子系统，在喷射器中被喷出形成射流，通过射流的引流作用，把蒸发的水蒸气带走，然后通过冷凝器把水蒸气冷凝收集。

对该系统的工作原理进一步描述如下：

毛细力抽吸子系统：借助多孔介质的毛细力对地下水进行抽吸，并利用低品质能源对其上方进行加热以蒸发抽吸上来的地下水，使管道内产生一定的压力梯度。此外，可以在多孔介质内部掺杂亲水颗粒和多孔纤维管来模拟树木细胞晶格和导管的作用，减少抽吸地下水蒸发中不凝气体的危害，增强内聚力，加强吸水水柱的连续性，从而提高吸水的效率。

喷射器引流子系统：利用高压空气通过射流喷射器所形成的引射作用，对下方蒸发水汽进行引流，将其运输转移至冷凝设备。同时，引射作用将在抽吸加热装置中形成局部负压，加强了抽吸和蒸发的效率。

更具体的方案是：

所述多孔介质使用0.1-100μm烧结而成。掺杂亲水颗粒粒径为0.01-1㎜，多孔纤维管粒径为0.1至10㎜。这种抽吸多空介质能有效降低抽吸和蒸发时液体中含有的不凝气体的有害影响。

上述多孔介质的中亲水颗粒接触角（CA）为20°～90°。

本发明所涉及的毛细力抽吸子系统中多孔介质的制备，包括但不仅限于以下方法：

a) 快速无压烧结

使用极快的加热速率加热材料粉末，尽快避免低温状态所发生的表面扩散，直接升到一个较高的烧结温度，即在该温度下更多有效的致密化机制发生作用，从而达到阻止早期晶粒长大和限制晶粒长大数目的作用。

b) 等离子活化烧结（PAS）

利用脉冲大电流通过施加了压力的材料粉末，使粉体颗粒间发生微放电激发等离子活化颗粒，然后再通电加热到烧结温度，整个过程一般10MIN左右就可以完成。

c) 震动压制烧结

使用高速率压缩波压制和连续烧结材料粉体，这种震动不仅会诱发高压，还可对粉体粒子表面局部加热（由于临近、相接触的粒子间的摩擦作用产生），产生局部熔化，使粒子间形成粘结。

本发明涉及的喷射器引流子系统设计，包括但不局限于以下方法：

根据地下水收集系统的实际运行环境，毛细力抽吸子系统工作设备的设计尺寸和运行情况，计算确定射流喷射器的工作范围与喷射系数。

通过测量工作流体（高压空气）和引射流体（毛细力抽吸子系统产生的水蒸气）的各物性参数（压力、温度和流量），经过实际运行实验得出具体变化规律，并最终得到射流喷射器与毛细力抽吸子系统的最佳匹配运行参数。结合喷射器设计的相关理论，确定装置的轴向和径向几何结构，主要包括喷嘴喉部尺寸，喉管直径等。

本发明涉及的系统的突出特点和有益效果是：

1. 该发明利用多孔介质的毛细作用抽吸地下暗河，岩溶水以及土壤含有的结晶水。

2. 由不同材质混合烧结而成的多孔介质和中空纤维管形成的二级毛细结构，能防止多孔介质抽吸中形成的不凝气体在其内部造成空腔而影响毛细抽吸作用，可以显著的提高系统的抽吸速率和系统运行的持久性。

附图说明

图1利用低品质能源的毛细-引射协同作用地下水采集系统示意图，

1-毛细力抽吸子系统， 2-多孔介质， 3-加热装置，4-冷凝器，5-喷射引流子系统，6-喷射器， 7-换热器，8-预热器，9-纤维管道， 10-空气加热子系统。

图2不同配比下多孔介质的抽吸效率曲线（其中5：1和9：1是加入了中空管）。

图3喷射器引流子系统设计图。

图4 压力等值线图。

具体实施方式

下面通过实施例，进一步阐明本发明，仅在于说明本发明而绝不限制本发明。

实施例1

取不同质量份额配比的铝粉（600目）和直径约1.6微米的玻璃微珠（配比份额分别为3:1、5:1、9:1和10:1），将其混合均匀后，同7根多孔纤维放置入内径2cm的石英玻璃管中，将其压实，并加入一定的去离子水。通过85摄氏度水浴加热4至5分钟后，通过显微镜观察及其外部的宏观表征，铝粉-玻璃微珠混合物已经完全形成柱状物。把柱状多孔介质一端放置入放置粗砂的量筒中，然后在量筒中注入一定量的水，是整个砂层和抽吸段都淹没水中，上端使用水浴加热，通过观察量筒中液面变化来比较多孔介质的抽吸速率。经90分钟实验对比

① 不同配比的铝粉和玻璃微珠介质柱体的抽吸速率

② 是否有中空纤维的多孔介质柱体的抽吸速率

如图2，实验结果显示：

（1）无中空管时，铝粉和玻璃微珠的配比越低，多孔介质的抽吸速率越快（v ₃> v ₁₀）；有中空管时，亦有此结论（v ₅ ’> v ₉ ’）。

（2）与单一物质形成的多孔介质相比，有中空管的多孔介质有明显的抽吸优势（v ₅ ’> v ₃>v ₉ ’> v ₁₀）。

由实验结果可得到以下结论：

（1）在合适的配比范围内，适量份额的亲水颗粒可以提高系统的抽吸速率，且亲水颗粒（玻璃珠）在铝粉和玻璃微珠的混合物中所占比重与抽吸速率成正比；

（2）在多孔介质中添加中空管，由不同材质混合烧结而成的多孔介质和中空纤维管形成的二级毛细结构，能防止多孔介质抽吸中形成的不凝气体在其内部造成空腔而影响毛细抽吸作用，因此可以显著的提高系统的抽吸速率和系统运行的持久性。

实施例2

根据部分实验参数进行喷射器引流子系统设计与数值模拟，其中设计工质及环境参数如表1所示。该喷射器引流子系统设计方法及尺寸参数包括但不局限于该实施例。

表1 喷射器引流子系统工质参数

由表1中的工质及环境参数，可设计如图3中所示喷射器。该喷射器可用于对毛细力抽吸子系统中抽吸并在低压下蒸发出的水蒸气进行引流作用。通过数值模拟计算其运行性能，该喷射器的喷射系数为0.45。当系统平均蒸发流量480000ml/H时，该喷射器部分尺寸参数为：

工作喷嘴临界截面：24.7mm

喷嘴出口截面：49mm

混合室截面：171.1mm

自由流束长度：537.4mm

距离喷嘴出口截面17mm自由流束直径：341.8mm

混合室入口段做成锥形异径341.8->171.1mm

张角90°时，Lc2=170.7mm

工作喷嘴出口至圆柱形混合室入口Lc=Lc2+Lc1=537.4+170.7=708.1mm

圆柱形混合室长度Lk=7*5.4=1197.7mm

扩散角8°

被吸管直径530mm

该喷射器部分数值模拟结果如图4所示。结果表明，该喷射器将抽吸蒸汽引入后部冷凝器的同时，可以使下部压力稳定在0.03 Pa～0.032 Pa之间，保证毛细力抽吸子系统可持续地在T=343K条件下对抽吸水份进行低温加热蒸发。

Claims

1.一种地下水抽吸系统，其特征在于，包含三个子系统：空气加热子系统、毛细力抽吸子系统、引流-冷凝子系统；

其中加热子系统包括预热器和加热器；

其中引流-冷凝子系统包括喷射器和冷凝器；

2.根据权利要求1所述的地下水抽吸系统，其特征在于，在多孔介质内部掺杂亲水颗粒和多孔纤维管。

3.根据权利要求2所述的地下水抽吸系统，其特征在于，所述多孔介质使用0.1-100μm粉末烧结而成，掺杂亲水颗粒粒径为0.01-1㎜，多孔纤维管粒径为0.1至10㎜。

4.根据权利要求1或2所述的地下水抽吸系统，其特征在于，所述多孔介质的中亲水颗粒的接触角为20°～90°。