CN107109826A - 封闭式高超声蒸发散发室以及提取水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明示出一种封闭式高超声蒸发散发(COHET)室以及通过密闭室内部的称为封闭式高超声蒸发散发作用的新技术，从地球的大气、空气或者其他气体中提取水的方法。本发明用于提取含量极低的，例如含量低至10ppm(百万分之十)的大气水分。本发明的应用包括但不限于，为了例如饮用和农业，快速分析低层和高层大气层中的污染物，研究封闭空间中雨水的形成，以及自然界中蒸发散发作用的过程的目的，从大气、空气或者其他气体中提取水。

Description

封闭式高超声蒸发散发室以及提取水的方法

技术背景

技术领域

本发明涉及一种从地球的大气中提取水的方法，该方法使用密室内部的封闭式高超声蒸散作用的新技术，其中，术语封闭式(含义为内部的或者被限制的)，高超声(含义为超高频率声波)，蒸散(含义为蒸发后散发)，以及室，所有这些发生的地方。

现有技术的讨论

水蒸气或者水汽是水的气态。它是水圈中的水的一种形态。水蒸气能够由液态水的蒸发或者沸腾生成，或者由冰升华生成。不同于其他形式的水，水蒸气是不可见的。在典型的大气条件下，水蒸气由蒸发作用持续地产生并由凝结作用消除。水蒸气比空气更轻，并触发对流气流形成云。

水存在于大气中。云，当然是大气中的水的最明显的可见形式，但是即便纯净的空气中也包含着小的无法被看见的水微粒。在任何特定的时刻，大气中水的体积估计为大约12,900立方千米(km³)(一立方千米的水相当于一百万升的水，所以大气中持续存在着12.9十亿升可用的水)。

空中漂浮的云包含水蒸气和云滴，其中，云滴为冷凝水的小水滴。这些水滴太小以致于不能作为降水落下，但对于形成可见的云来说，他们是足够大的。水在空中持续地蒸发和凝结。如果仔细地观察云，会发现一些部分在消失(蒸发)的同时另一些部分正在生成(凝结)。云中的大多数冷凝水不会作为降水落下，因为它们的下落速度不足以大到克服支撑云的上升气流。

当降水发生时，首先，微小的水滴必须凝结在作为核的更微小的尘埃、盐或者烟尘颗粒上。当水微粒发生碰撞时，由于额外的水滴凝结的结果，水滴可以变大。如果足够多的碰撞发生，将会产生出下落速度超过云的上升气流速度的水滴，此时，该水滴将作为降水从云中落下。因为一个雨滴的形成就需要数百万云滴，所以这并不是一个微不足道的工作。伯杰龙-芬德森(Bergeron-Findeisen)过程作为一个更有效的机制，通过自然过程产生尺寸适合降水的雨滴，该自然过程消耗云中存在少量的水蒸气，通过气相沉积生成快速生长的冰晶。取决于温度和其他有利条件，这些冰晶可能会作为降雪落下，或者融化，作为降雨落下。

现有技术中有很多从大气中生产水的方法，但是所有这些方法都使用了除湿机的原理，仅仅通过冷却空气使水凝结。通过除湿作用或者凝结作用收集大气中的水是已知的，也是存在的。这些技术需要大量的能量，并且在高度湿润的条件下才能成功。

US1931347A，标题《制备饮用水的装置》(Apparatus for preparing potablewater)描述了一种通过冻结过程制备饮用水的装置和过程，其中，通过两个接收被压缩的气态制冷剂的冷凝器对气态制冷剂进行压缩和液化。该装置还包括与上述冷凝器的其中一个连接的蒸发器，用于提供冷却表面以形成纯冰。该装置还通过对在冷凝阶段和蒸发阶段循环流通的制冷剂介质的使用，以及对冷凝阶段的制冷剂介质所产生的用于溶解冻结的水的热量的使用，来排除杂质。

US2409624A，标题《从大气中提取水的装置》描述了一种用于从大气中提取水的装置，提供了直接从大气中获取用于饮用或其他目的的水的设备，并且提供了减少从大气中获取的空气的水分含量的设备。该装置包括收集水的水箱，延伸通过以导热材料作为水箱壁的水箱的多个气流通路，以及通过该水箱中蒸发部分的水去冷却水箱中剩余部分的水的设备。该装置还包括推动空气从周围大气经过该空气通路的设备以及收集从冷气流中被凝结的水的设备。

US3675442A，标题《大气水收集器》描述了一种包含用于从水分饱和的空气中获取饮用水的具有淡水冷却槽的装置。该装置包括被放置于外壳内部、垂直对齐的冷凝器细丝，该冷凝器细丝与导管设备相连，以在温度低于空气中的露点的情况下，在外壳上提供冷凝表面。该装置更进一步的分配设备既可以用于根据温度将冷凝水指引至水槽，也可以用于指引装置中的冷凝水排出。

本发明着重使用高超声结水珠(perspiration)以及创建从空气、大气或者任何其他气体中封闭地提取水。

发明内容

目前，该整个过程能够在非常受控的条件下，在一个封闭室的内部完成。本新发明运用了基于上述Bergeron-Findeisen原理的名为封闭式高超声蒸发散发作用(COHET)的技术，已经在上述准确地进行了阐述，其涉及在室内制造降雨，并收集、过滤以及饮用该雨水或者将该雨水用于其他科学应用。

太阳持续帮助于从地球表面蒸发水分，我们周围的空气运载着这些水分向天空移动，在这个过程中，能够捕获这些水分并引导该水分进入特殊建造的室，如上所述，该室被称为封闭式高超声蒸发散发室。该室首先将空气加热，再将该空气传递通过辐射式蒸发系统；在这里，我们加速雾或者云的形成，正如自然界所发生的那样，其中，压缩或者吸收制冷技术被使用以完成辐射式蒸发。之后，上述形成的云或者雾通过名为高超声渗出或者HSP的特殊技术被散播。

本说明书中使用的术语“高超声结水珠”用来表示产生纳米水微粒的过程，该纳米水微粒小于20纳米，能够通过每秒几百万周期范围内的高频率声波，在高至10摄氏度的温度下冻结。

发明人所开发的名为高超声结水珠器的设备用于高超声结水珠的散播目的。高超声结水珠，如上所述，是一种使用每秒几百万周期范围内的极度高频率的声波产生小于20纳米的纳米水微粒的技术。纳米尺寸的水微粒能够在高至10摄氏度的温度下冻结，这将导致纳米冰晶快速生成，其条件是损失在室内部形成的云或者雾中的很少的水，沉降和降雨在密封的高超声蒸发散发室(我们也可称之为活跃云室)的内部开始进行。

接下来，该降雨被收集在食品级的水箱中，并通过多阶段的过滤过程进行处理，进而作为饮用水使用，或者直接用作温室中的滴流灌溉，或者其他科研目的。

附图说明

图1示出所述封闭式高超声蒸发散发室。

图2a示出所述封闭式高超声蒸发散发室的右侧视图。

图2b示出所述封闭式高超声蒸发散发室的正视图。

图2c示出所述封闭式高超声蒸发散发室的左侧视图。

图2d示出所述封闭式高超声蒸发散发室的俯视图。

技术规格

具体实施方式

该封闭式高超声蒸发散发室由以下几个部分组成：

1、辐射式蒸发器：

辐射式蒸发器1由一系列的管17组成，该管17被维持在最低温度和最高温度之间的特定的温度梯度。该辐射式蒸发器1的一端与红外辐射(IR)预加热器6以及硬紫外线(UV)源5相连，另一端与吸气扇12相连。当预加热的空气进入该室中并突然受到蒸发作用时，该预加热的空气通过辐射损耗热量，由此，空气中多分散的(分散的)液滴转变为蒸汽。之后，该蒸汽被吸收至纳米冰晶，该纳米冰晶由高超声结水珠形成，从而生成大的且重的水滴以开始在滴水盘中降水。辐射物与水滴的相互作用通过分散和吸收导致辐射能量的衰减。被吸收的能量以此增加水滴的温度。如果温度急剧变化，带有水滴的水蒸气的平衡被打破，水滴开始蒸发。同时，水滴体积的变化也改变了辐射物的传递参数。这些过程由能量所管理并且蒸汽在室内部的液滴和环境之间传输。

2、高超声沉降器：

沉降器2由电气石晶体(与铁或者铝混合的水晶硼硅酸盐材料)制成的设备，所述电气石晶体被放置于两个不锈钢薄膜之间。当该沉降器2与谐振电路连接时，该沉降器以高超声频率震动。该高超声沉降器2被放置于滴水盘底部，并与谐振电子电路相连。除滴水盘中小部分的水可用于该高超声沉降器2，以生成纳米尺寸的水滴。这些水滴上升至室以完成该过程。该过程耗费小部分的水，并通过极高频率声波的高超声振动将其转变为尺寸在15到20纳米之间的水滴。纳米级的水滴将会冻结成为纳米冰晶，并通过吸收该辐射式蒸发器1中的蒸汽增加尺寸，产出大的水珠。

3、水滴收集器：

水滴收集器3收集从云室中落下的水滴。该水滴收集器3为不锈钢材料的托盘，该材料并不是市场中所能采购到的标准材料，但能够通过锻造获得。

4、微粒过滤器：

微粒过滤器4为空气过滤器，能够过滤空气中潜在有害的致癌物质。该微粒过滤器4被用于测量空气中的颗粒物引起的污染。尺寸为2.5到10微米的过滤器被用于去除被吸入室的空气中的微颗粒物。

5、紫外线空气消毒器：

紫外线空气消毒器5为硬紫外线源，被用于对被引入室的空气进行消毒。硬紫外线辐射杀死所有有害的细菌病毒和真菌孢子。这里的紫外线源为辐射出高强度紫外线的硬紫外线管，用于保持进入的空气的卫生，该硬紫外线管被放置于空气吸入点之前。

6、空气预热器：

空气预热器6为红外设备，用于在空气进入室之前通过红外辐射对空气进行预加热。空气吸入装置为轴流式通风机，用于吸收空气通过室并将其排出。

7、蒸汽传感器：

蒸汽传感器7为检测该辐射式蒸发器1中的蒸汽浓度的设备。

8、入口空气温度传感器：

入口空气温度传感器8为测量经过该空气预热器6预加热的空气的温度的设备。

9、过程空气温度传感器：

过程空气温度传感器9为测量云室内部温度的设备。

10、大气压传感器：

大气压传感器10为测量室周围大气压的设备。

11、挡板：

挡板11用于支撑辐射式蒸发器1和吸气扇12。

12、吸气扇：

吸气扇12将适量空气吸进室14。

13、防护装置：

防护装置13为阻止人手进入旋转环境的安全设备。

14、云室：

上述所有子组件被布置在云室14中。

15、基于微处理器的过程控制：

基于微处理器的过程控制15为电子控制单元，用于控制本发明中所有的操作。任意类型或者样式的微处理器或者甚至微控制器被使用以实现控制功能自动化。

16、控制显示器：

控制显示器16通过显示所有的重要操作参数与人类用户沟通。该控制显示器16陈列功能性参数，诸如大气温度、大气相对湿度、大气中水含量以及机器在目前的大气条件下生成的水的总量。

因此，本发明包括下列设备，辐射式蒸发器1被放置于装备有高超声沉降器2的水滴收集器3上。微粒过滤器4被放置于辐射式蒸发器1的一侧，该过滤器的水平顶端和底侧放置有紫外线空气消毒器5。空气预热器6被放置于该过滤器4的垂直侧。该辐射式蒸发器1的顶端由第二微粒过滤器4密封，在它的一侧由挡板11密封。该挡板11与具有防护装置13的吸气扇12固定。在该辐射式蒸发器1的一侧，蒸汽传感器7、入口温度传感器8、过程空气温度传感器9以及大气压传感器10被放置在该微粒过滤器4周围。上述所有子组件被放置在活跃云室14中。基于微处理器的过程控制15控制该紫外线空气消毒器5、该空气预热器6、该传感器7-10以及该吸气扇12，并且LCD显示单元16被用于显示所有重要的操作参数。

下列为由封闭式高超声蒸发散发技术生成的水的综合性测试报告的节选(无补充矿质)。

附录

测试报告

说明书中给出的表格为本发明的设备生成的水的测试报告。

该表格为该设备生成的水的测试报告。通过多个方面对水进行测试，诸如物理和化学属性、重金属、农药残留等。报告表格的最后一栏列出了测试所引用的相关标准和文献。

表1：

三卤甲烷：

微生物

总大肠菌类	MPN/100ml	未检出	不可检测	IS:1622-2003
					大肠杆菌	MPN/100ml	未检出	不可检测	IS:1622-2003

*BDL-低于检测下限(Below Detection Limit)

附注:上述测试参数符合根据IS 10500:2012的要求。

Claims (10)

1.一种用于从地球的大气、空气或者其他气体中提取水的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，该封闭式高超声蒸散室使用了基于伯杰龙-芬德森原理的封闭式高超声蒸发散发的新技术，该封闭式高超声蒸散室包括(a)辐射式蒸发器1、(b)高超声沉降器2、(c)水滴收集器3、(d)微粒过滤器4、(e)紫外线空气消毒器5、(f)空气预热器6、(g)蒸汽传感器7、(h)入口温度传感器8、(i)过程空气温度传感器9、(j)大气压传感器10、(k)挡板11、(l)吸气扇12、(m)防护装置13、(n)活跃的云室14、(o)基于微处理器的过程控制器15、以及(p)控制显示单元16，其中：

a、所述辐射式蒸发器1被放置于装备有所述高超声沉降器2的所述水滴收集器3上；

b、所述微粒过滤器4被放置于所述辐射式蒸发器1的一侧，所述过滤器的水平顶端和底侧放置有所述紫外线空气消毒器5；

c、所述空气预热器6被放置于所述微粒过滤器4的垂直侧；

d、在所述辐射式蒸发器1的一侧，所述蒸汽传感器7的一个或多个传感器、所述入口温度传感器8、所述过程空气温度传感器9以及所述大气压传感器10被放置在所述微粒过滤器4周围；

e、所述挡板11与具有所述防护装置13的所述吸气扇12固定；

f、前述所有子组件被布置在所述云室14中；

g、所述基于微处理器的过程控制15为电子控制单元，所述电子控制单元能够控制紫外线空气消毒器5、空气预热器6、传感器7、8、9、10、该吸气扇12以及所有操作；

h、所述LCD显示单元16被用于显示所有重要的操作参数。

2.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，所述辐射式蒸发器1由一系列管17构成，热交换通过所述管发生，所述管被维持在最低温度和最高温度之间的特定的温度梯度，并且所述辐射式蒸发器1的一端与红外辐射预加热器6以及硬紫外线源5相连，另一端与吸气扇12相连。

3.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，所述高超声沉降器2由陶瓷材料制成，所述陶瓷材料被放置于两个不锈钢薄膜之间，并被安装在水滴托盘3的底部，当与谐振电路连接时，通过以每秒数百万周期的高超声频率声波震动施行高超声沉降以生成小于20纳米的纳米水微粒。

4.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，所述水滴收集器3收集从所述云室14中落下的水滴。

5.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，所述微粒过滤器4具有10微米和/或2.5微米的过滤尺寸以从空气中过滤潜在的有害致癌物，测量大气中的颗粒物引起的污染以及去除被引入室的空气中的微颗粒物。

6.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，紫外线空气消毒器5通过具有辐射出高强度紫外线的硬紫外线管的紫外线源引入的硬紫外线辐射，以对被引入室中的空气进行消毒。

7.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，空气预热器6在空气进入室之前通过红外辐射对空气进行预加热。

8.根据权利要求1所述的封闭式高超声蒸发散发(COHET)室，其中，所使用的一个或多个传感器包括：(a)用于感应所述辐射式蒸发器1中的蒸汽浓度的蒸汽传感器7，(b)用于测量经过所述空气预热器6预加热的空气的温度的入口空气温度传感器8，(c)用于测量云室内部温度的过程空气温度传感器9，以及(d)用于测量室周围大气压强的大气压传感器10。

9.一种从地球的大气、空气或者其他气体中提取水的方法，该方法运用了基于伯杰龙-芬德森原理的封闭式高超声蒸发散发作用的新技术，在权利要求1中所述的室中制造降雨的受控条件下，该方法包括如下步骤：

a、将空气加热，再将该空气传递通过辐射式蒸发系统，在所述辐射式蒸发系统中加速室中雾或者云的形成；

b、凭借辐射式蒸发器1施行的辐射性蒸发，通过：

i、使得辐射与水滴相互作用通过分散和吸收以导致辐射能量的衰减，

ii、通过被吸收的能量增加水滴的温度，是的如果温度急剧变化，水滴和水蒸气的平衡被打破，水滴开始蒸发，以及

iii、根据室中水滴大小的变化变更辐射的传递参数；

将空气中多分散的水滴转化为蒸汽；

c、凭借高超声沉降器2通过极高频率的声波对水进行高超声振动，生成大小在15到20纳米之间的纳米水滴；

d、将这些纳米微粒向上移动至室并冻结为纳米冰晶，并通过吸收该辐射式蒸发器1中的蒸汽增加所述冰晶的尺寸，产生大的水珠；

e、室内部已经形成的云或者雾进一步形成，以致使沉降开始，并在所述封闭式高超声蒸发散发室内部造成降雨；以及

f、在食品级的水箱中收集降雨，并进行用于一种或多种目的的多阶段的过滤过程。

10.根据权利要求9中所述的方法，其中，纳米尺寸的水微粒能够在高至10摄氏度的温度下冻结，在消耗室内部形成的云或者雾中的很少量的水的情况下导致纳米冰晶快速生成，以致使在所述封闭式高超声蒸发散发室内部沉降开始，并造成降雨。