CN103510573B - 一种收集空气中水资源的冷冻制水装置及制水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种收集空气中水资源的制水装置，该装置包括，一进风管，包括一进风口（5），设置在装置机壳上部，一安装在进风口（5）后的风扇和一进风管路；一出风管，包括一出风口（2）和出风管路；一冷凝片（6）；一集水系统（9）；一压缩机（3）和制冷剂循环系统（1）组成。上述的制水装置，结构简单合理，使用方便，不需外来水源，只要插电就可以将空气中的水蒸气收集，制水效果较高。

Description

一种收集空气中水资源的冷冻制水装置及制水方法

技术领域

本发明是关于收集空气水资源的装置，特别是通过物理过程收集开发新型水资源的机械电子设备及制水方法。

背景技术

我国水资源分布很不均匀，是一个缺水的国家，人均水量仅为世界平均数的1/4,农田亩均水量只有世界平均数的一半多一些。我国西北地区气候干旱少雨，蒸发量是降水量的4～11倍，水资源只有总量2254亿立方米，是世界上干旱缺水最严重的地区之一，由此人们的日常生活和工农生产用水都面临着巨大的缺口，这些直接制约了当地经济的发展，并造成了环境的恶化，由于缺水，八大沙漠以每年2400平方公里的速度疯狂外扩。为了解决用水问题，人们提出了各种办法，包括开采地下水资源和海水西调等，但过度开采地下水并非可循环发展的方式，且大部分地区地下水补给缺乏，无法有效利用；而海水西调从其成本上以及操作难度上均不占有优势，并且输送水量有限，还容易对环境造成难以估量的破坏，目前也仅停留于理论阶段。如何解决水资源缺是当前人们必须解决的问题。

水资源以气态方式存在于空气中，如可以利用那么会大大缓解缺乏缺水状况。由于水蒸气是空气的一部分，通常情况下，空气中的相对湿度（相对于该温度下的饱和湿度）为20%-80%，水含量很低，不易自然成水，同时，在风力作用下，容易失去水分，即使在较干含的新疆沙漠地区，其水蒸气含量也可以达到34%，且循环速度快，短时间内即可以恢复，全球水汽循环周期为8天。

从空气中提取水分的技术难点在于：

（1）能耗与提取水的水量比必须减小到最小，以适于日常使用；

（2）既要保证在小体积内有足够的空气流量，同时在获取水分时空气流速不能太大，提高获取水的效率；

（3）对环境没有破坏，除了使用电力外，不需要其它的耗材，适于野外自动工作。

从空气中制水类似于空气处理过程中的除湿。目前，对空气水的处理主要是以对空气水分的增加（如加湿）和减少（如除湿），目的在于对空气湿度的改善。公开号为CN 201599886U的中国专利申请公开了一种空气除湿装置，公开号为CN1740465A的中国专利申请记载了一种大气制水装置，它们都使用了半导体制冷技术，可以用于密闭空间内（室内）的空气除湿，但是其存在如下缺点导致其不能用于由空气制水：使用要求高，必须具有一定的湿度（一般大于50-60%）才可以起到的制水效果，当湿度比较低的时候，制水效率很低；对于沙漠地区平均30%的湿度，30℃或更高温度工作温度下无法很好制水；且遇冷析出的水由于是先凝结在冷凝器上，无法很好的保存，甚至会直接回到空气中。公开号为CN 101304950A的中国专利申请则公开了一大型的制水装置，虽然其可以由大气制水，但是其使用也受环境限制，比如制水效率低、不能昼夜均可以工作，而且装置投资很大，对于干旱地区而言，灵活性不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种收集空气中水资源的冷冻制水装置。

为了开发可以利用的新型水资源，本实用型性提供一种机械电子装置，在使用电力的情况下，获取空气水，进行饮用、灌溉和日常使用，作为解决部分地区缺水和未来地表环境改善的有效手段。

本装置包括如下几个部分：制冷系统；冷凝片；空气循环系统和集水系统。

制冷系统采用通常的压缩机进行制冷。压缩机使用电力工作，由于西北地区虽然水资源匮乏，但是其风力资源和太阳能资源丰富，可以作为电力的来源，实现物尽其用。压缩机的功率依据装置大小而定，比如功率为450W、750W等。所使用的制冷剂包括液氨、HFC制冷剂以及碳氢制冷剂等。制冷机也可以选用半导体制冷器作为冷源来替代压缩机，同时能耗得到了下降。使用半导体冷凝片时，要求半导体冷凝片最低工作温度在-25～+50℃，以满足沙漠地区工作环境需求，且制冷温度要低于-1℃。

冷凝片（6）利用铜或铝管组成，使空气中的水汽在冷凝片上处于冰点以下进行结霜。冷凝片（6）也可以选用其他的材料，比如聚合物材料、不和制冷剂作用且导热性能好的金属材料等，这些材料均应该具有良好的导热性，并且为了便于收集水分，表面还可以涂抹其他材料，使其变为疏水表面。制冷机工作时，可以使冷凝片温度降低到水的凝固点以下，以可以水蒸气在冷凝片表面结霜为宜，一般在-20～-1℃之间，过低则能耗比过大，而过高则起不到预期制水效果。此外，为了增大其接触的表面积，可以在冷凝片（6）上设置翅片状结构。

空气循环系统主要由进风管和出风管组成，进风管包括一进风口（5），一风扇和进风管路，出风管包括一出风管，包括一出风口（2）和出风管路；其利用风扇使空气进入到安装冷凝片（6）的箱体中，经冷凝片除水后经出风口（2）排出。进风口（5）和出风口（2）均为圆形的气孔，为了防止外界沙尘进入空气循环系统，可以在气孔处设置防尘装置，防止沙尘进入影响装置正常工作。风扇安装在进风口（5）后，并和进风口（5）的大小匹配。为了提高制水效率，本发明的空气均是通过管道引流的，优选的，进出风管道分别和进风口（5）、入风口（2）的截面积相等，并且保证出风和入风都不直接接触冷凝片，这不仅避免了冷凝片上霜被融化的情况，而且延长了空气和冷凝片的作用时间，提高了制水效果。为了保证空气不和冷凝片直接接触，可以将入风管的沿空气流向内端开口（位于箱体内的开口）向上原理冷凝片（6）或者任何远离冷凝片（6）的方向，将出风管的沿空气流向的入口端开口（位于箱体内的内端开口）向下远离冷凝片（6）或者任何远离冷凝片的方向。进风口（5）大小必须大于出风口（2）的大小，以有利于形成空气流动为宜，可选的其截面积比为2：1～5：1，优选截面积比为2：1～3：1。工作时，进风口（5）内侧空气流速以6～8m/s为宜。出风口（2）最好设置在箱体侧面偏下的位置，有利于制水后的干燥空气由此流出；当其设置在压缩机侧时，同时可以冷却压缩机。由于空气不直接接触冷凝片，出风口的设置方向灵活，甚至可以将出风管和入风管盘在一起，进行热交换回收冷量，降低进入的空气的温度，以降低能耗。

集水系统为此类装置常用部件，在本发明内，其包括一集水容器（9）和盛水槽（7）。盛水槽（7）和水平面有一定夹角，一般为0～20°,出水孔位于盛水槽（7）最低处,避免盛水槽（7）积水结冰。集水容器（9）为普通塑料容器，且其上可以设置一个阀门。当用于水的收集的时候，阀门打开，水可以经由阀门进入集水的容器；平时则保持阀门关闭状态，防止水的蒸发。

为了防止外界气温变化对于本装置的影响，本装置的外层和箱体上部可以使用传热率较低的材料，防止外部气温较高时，内部升温过快；同时，本装置的压缩机、集水容器（9）和冷凝片（6）均实现了良好的热隔离，防止由于导热导致的工作效率降低。

本装置工作原理是外界空气进入制水装置后，水蒸气结霜析出,附着于冷凝片（6）表面，之后再停止制冷，待霜融化后收集水，之后再继续冷却凝霜过程。

为了最优化制水效果，本装置还可以设置一控制系统，用于风扇转速的调节和压缩机（3）等的控制，进而调节进入的空气流量和制冷效果。由进风口处进入装置的空气量由风扇转速决定，在工作时，风扇可以产生具有一定风速的空气流动，比如具有6～8m/s的空气流速。空气流量根据空气温度、湿度和冷凝片（6）的温度进行调节，既保证足够的空气输入量，同时不能使冷凝片（6）的温度上升到冰点以上。温度过高时，适当降低风扇的转速，防止结霜的水融化；而温度较低时则可以适当加快风扇转速，提高结霜效率。当制得的霜达到一定程度时，系统可以关闭风扇和压缩机（3）的电源，冷凝片上的霜自动融化，经管道流入集水容器（9），之后再进行新的制水循环，由于风扇停止时形成了一相对密闭空间，因此水的蒸发损失可以忽略不计。

为合理利用能源起见，当检测到冷凝片（6）的所有部分都远低于零度时，如-20℃以下，系统会关闭压缩机，启动节能模式；而当温度升到某一值时,如0℃，又会开启压缩机，开始制冷。

为了提高制水效果，可以在冷凝片(6)附近或间隙设置一融霜装置，用于水的融解；融霜装置的工作温度在10～20℃之间，其可以有效的缩短制冷工序中间停机的时间，尤其是当空气湿度大的时候，甚至可以加快风扇转速，快速制水并快速融水，这样有效提高了制水效率，同时防止了低温天气时由于水无法自然融化导致的制水效率降低。为了避免出现过低温时出现水无法霜化的问题，控制系统检测到温度、湿度低于设定值时，会停止装置工作，防止空转。

设置融霜装置会使装置变得复杂，出于成本方面的考虑，也可以去除融霜装置，通过使风扇反转或者正转，使其融化。

利用本装置，可以实现水的收集，在湿度普通的情况下，30℃，相对湿度50%的情况下，利用1度电可以制水1.0L；甚至在沙漠地区，温度30℃，相对湿度30%的情况下，利用1度电可以制水0.5L，这对于缺水地区具有重要的意义，且开放空间内能耗比高达32～64%。

和前述发明对比，本装置有原理上的区别：

1）前述发明制水装置通常情况下，是由高温非饱和湿度空气降温，导致在低温下水汽过饱和而析出；而本装置采用的是水汽分子在冷凝片上过冷直接成霜，水分子附着强，水汽收集效率高；

2）本发明为主动式的除湿和融霜相结合，在制水效率上具备有极大的优势，且空气的流动和其他除湿器或者制水装置有本质区别，提高了制水效率；

3）本发明的装置采用了非直接接触的方式，先预冷制霜后制水，相比其他装置明显提高了制水效率。

本发明具有如下的优点：

1、对环境要求低，沙漠地区的湿度就可以满足工作需求；

2、可以昼夜工作，夜间气温降低时也可以制水，且效率提高；

3、制水效率高，当提高产品的相关参数后，其制水量非常可观。

4、本装置的使用环境为空气温度高于0℃，极易满足。

本发明对于未来水资源开发利用以及对于一些地表环境的改善十分有效，配合高吸水树脂使用，可以解决干旱缺水地区植树造林以及绿化中缺水的问题，并且当规模化使用时，其产水量非常可观，可以用于解决人畜饮水问题。

附图说明

图1为本装置侧视角的示意图：

1、制冷剂循环系统；    2、出风口；    3、压缩机；

4、电源及控制系统；    5、进风口；    6、冷凝片；

7、盛水槽；            8、阀门；      9、集水容器。

具体实施方式

下面将结合图1和实施例详细说明本发明。

实施例1

图1为本装置的示意图。整体装置是一个体积为80×30×100cm的箱体，箱体的外层包裹有保温材料，防止由于外界气温变化影响制水效果，并且最大可能的保持箱体内的低温，防止由于热交换导致的不必要的能源浪费。装置分为左右两个部分，左部为由保温材料构成，大小为30×30×80cm。

箱体上部左侧为一圆形的进风口，其为一半径为12.5cm的圆孔，进风口外设置有防尘罩（未在图上标示出）。进风口连接一和进风口（5）等截面积的管道，且内端开口向上；进风口内侧设有风扇，转速可控。（6）为冷凝片，制冷工质（R22）流经冷凝片（6）后经粗细铜管和制冷剂循环系统（1）相连接。工作时，由于压缩机可以使得制冷工质先变为高温高压的气体，之后在冷凝管（6）处变为低温中压的气体，从而降低冷凝片（6）的温度。冷凝片（6）为金属铜材质。本发明中，铜材质的冷凝片大小是30×55cm，形状呈多层竖直排列，也可以灵活的采用其他的排布方式，其他的排布方式可以参见冰箱以及空调中元件的排布方式，但要求管的竖直方向具有一定长度，以保证管壁融霜得到的水能流下。在各冷凝片的间隙还设有融霜装置，用于低温时霜的融解；融霜装置为一电阻丝，分散于铜管内，电阻丝工作时，温度可以达到10～20℃，铜管按下述方式排布：直径为10mm、8mm和6mm的细铜管（如图1示意的形状）平行排列，管间距间隔为3mm，总体积为20×30×55cm。

冷凝片的下部设置有盛水槽（7），其主要起到收集和水的引流。盛水槽为聚乙烯材质。盛水槽（7）和水平面成5°的夹角，方便水流到集水容器（9）内，避免盛水槽中的积水结冰。

除湿后空气经由一内端开口向下的管道流出，其外端位于箱体下部左侧，即为出风口（2），其形状为圆形，半径为2.5cm，其位于左侧的下部，最大程度利用空气冷却压缩机出风口（2）处也设置防尘罩。

箱体左下部是集水容器（9），其体积大小35×50×20cm，实际操作可以根据实际情况选用更大的集水容器或连接外界储水装置，集水容器（9）材料为普通塑料，耐用且造价便宜。集水容器上方的进水口为直径12mm的小口，防止水分的蒸发。在集水容器（9）上设置有阀门，用于控制水的收集，以最大程度减少水的挥发。

箱体右侧中部为压缩机（3）和制冷剂循环系统（1），此处采用最普通的家用空调的制冷系统，制冷功率为1匹，型号为松下2P17S，功率为750W，制冷剂为R22。压缩机的风扇和进风孔不在同一侧，位于垂直侧面上。

为了控制制水过程，实现最大的能耗比，本装置还配置有一控制装置，通过检测湿度、温度，自动控制制水过程，并且所有的阀门和电子元件，都可以通过控制系统进行调节。

本装置工作过程如下：

控制系统开启风扇、压缩机（3）和制冷剂循环系统（1），并测量进口处的空气湿度和冷凝片中末端管壁湿度，调节风扇转速到一个合适的转速，该转速可以在进风口（5）内侧形成6m/s左右的空气流，并且保证外界的空气不会经由出风口而进入；并调节制冷系统功率，使得冷凝片（6）的表面温度降低到-20～1℃。进入的空气在冷凝片（6）表面降低到露点以下，水会在冷凝片的表面结霜析出。当经过一段时间T后，控制系统会关闭风扇、压缩机和控制系统，并且打开加热装置，待水溶解后，打开集水容器（9）的阀门（8），收集水，此过程持续时间t。之后再关闭制热系统，打开风扇、压缩机和制冷剂循环系统，开始新的制冷循环。时间T、t可以事先通过试验确定，也可以设置为某一固定的数值。本实施例中，于北京测试，室外温度30℃，湿度50%时T为30min，融霜时间4min；室外温度30℃，湿度50%时T为40min，t为5min。另外，为了节约电力资源，当控制系统检测到冷凝片（1）温度低于-20℃后，会关闭压缩机和风扇等电源，待其温度升高到-1℃后再开启。

本发明的制水效果如下

表1不同条件下本装置的制水效果列表

条件 1	温度（℃）	湿度（%）	制水量（升水/度电）
				1	30	50	1
2	30	30	0.5
				3	28	40	0.6

4

26

35

0.3

实施例2

和实施例1不同的是，实施例2为实施例1的简略版，成本较实施例1得到了控制。和实施例1相比，实施例2去掉了融霜装置，并且盛水槽（8）和水平面成5°角，且其为表面做疏水处理的铝板，其相应的工作程序也发生了变化。

当T、t采用设定的固定值时，仅通过调节风扇的转速来调节制水效果，此时，在湿度较大时，需要调小风扇的转速，防止当冷凝片（6）上积霜过多时，制霜效果变差带来电力浪费；当湿度较小时，需要调大风扇的转速，便于快速积霜。

当T、t采用程序自动根据环境温度和湿度自动设定值时，通过调节风扇的转速来调节制水效果，此时，在湿度较大时，需要调大风扇的转速，并减少T、t值，以进行快速制水；当湿度较小时，需要调大风扇的转速，便于快速积霜。

上述实施例是对本发明的说明而不是限制，本领域的技术人员可以根据需要而作出灵活的改动，这些改动包括：

1)去除或改进冷凝片上的融霜装置；

2)将箱体的左右式结构改变为上下式结构；

3)变换压缩机系统，采用直流变频，以适应直流工作。

4)根据压缩机功率，改变整体装置大小，在保证能获得低温的情况下，利用小功率电源获取水。

Claims (9)

1.一种收集空气中水分的制水装置，其特征在于，该装置包括：

一进风管，包括一进风口(5)、一风扇和进风管路，所述进风口(5)设置在机壳上部；且进风管路的内端管路开口向上，背离冷凝片方向；

一出风管，包括一出风口(2)和出风管路，设置在机壳下部，且出风管路的内端管路开口向下，背离冷凝片方向；

一冷凝片(6)，该冷凝片为良导热材料管道盘成竖直排列的管路，置于盛水槽(7)上方；

一制冷系统，包括一压缩机(3)和制冷剂循环系统(1)，用作冷凝片(6)的降温；

所述冷凝片(6)的工作温度为-20～-1℃；

所述的制冷系统工作时，进风口(5)内侧空气流速为6～8m/s。

2.根据权利要求1所述的制水装置，其特征在于：所述的进风口(5)的截面积大于出风口(2)的面积，且面积比为2：1～5：1。

3.根据权利要求1所述的制水装置，其特征在于：所述进风口和进风管路截面积相等，所述出风口和出风管路截面积相等。

4.根据权利要求1所述的制水装置，其特征在于：所述的冷凝片(6)外部有翅片结构，用于增大和空气的接触面积。

5.根据权利要求1所述的制水装置，其特征在于：所述的制水装置还包括一融霜装置，位于冷凝片(6)的间隙。

6.根据权利要求1所述的制水装置，其特征在于：所述的制水装置还包括一控制系统，用于调节风扇的开关和转速，以及制冷系统的工作。

7.根据权利要求1所述的制水装置，其特征在于：所述的制水装置还包括一集水系统(9)，用于收集制得的水。

8.一种利用权利要求1所述的装置收集空气中水分的方法，步骤包括：

1)开启风扇、制冷系统，将空气由风扇鼓入制水装置腔室，空气流经冷凝片(6)时，附着在冷凝片上的水气凝霜析出；

2)关闭风扇、制冷系统，冷凝片(6)上的凝霜融化得到的水沿冷凝片向下流入盛水槽(7)。

9.根据权利要求8所述的收集水分的方法，其特征在于：所述的步骤2)通过融霜装置融霜，或将风扇启动，使外界空气流入而使积霜融化。