CN107395066B - 一种用于高海拔地区的便携式制水与蓄电集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，包括加热模块、发电模块和制水模块，加热模块包括凹式油箱、燃烧装置、煤油防冻预热装置及平板热管，凹式油箱内凹部被隔成燃烧区和防冻预热区，燃烧装置安装于燃烧区，煤油防冻预热装置安装于防冻预热区；平板热管置于凹式油箱顶部；制水模块包括淡水制取箱，发电模块包括温差发电装置和蓄电池，平板热管和淡水制取箱形成温差发电装置的大温差两极，温差发电装置置于大温差两极之间。该装置解决了高海拔地区煤油防冻预热的问题，不仅能够便携式制取淡水，同时还能利用极地环境低温及煤油燃烧产生的高温进行温差发电，从而满足科考队员外出科考时的用水用电的需求。

Description

一种用于高海拔地区的便携式制水与蓄电集成装置

技术领域

本发明涉及一种制水及蓄电装置，具体涉及的是一种为在高海拔地区工作的科研人员提供淡水及电能而设计的具有加热、制水、发电模块化结构特征的便携式制水与蓄电集成装置。

背景技术

高海拔地区一般降水量少，水汽低，空气稀薄，这些条件使得科考队员进行天文观测时能够获得很好的视野。此外，高海拔地区人口稀疏，经济活动少，能够避免人类活动产生的光污染对天文观测的影响。这些优异的条件使得高海拔地区成为科考队员理想的去处。然而高海拔地区的环境比较艰苦，科考队员需要不但需要携带食物，还要携带仪器设备。

在高海拔地区进行天文观测和地质考察时，科考队员离开科考基地外出科考过程中有获取淡水和电能的需求。一般，科考人员在外出科考时都会携带笨重的制水设备及用以供电的蓄电池。蓄电池能量密度低，并且比较笨重，电能的短缺是困扰科考工作的一个严重的问题。另外，在高海拔地区常年积雪，气温低，有大量的冰雪资源，因此目前科考队员获取淡水的主要途径是通过煤油燃烧将冰加热融化生成淡水，制水设备笨重。此外，煤油在低温环境下会凝固，用于低海拔地区的普通燃烧器无法使用。为此，迫切需要寻求一种用于高海拔地区的便携制水及蓄电设备，为科考工作保驾护航。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是上述现有技术的不足，而提供了一种在高海拔地区，具有模块化加热、发电、制水结构特征的便携式制水与蓄电集成装置。该装置解决了高海拔地区煤油防冻预热的问题，不仅能够便携式制取淡水，同时还能利用极地环境低温及煤油燃烧产生的高温进行温差发电，从而满足科考队员外出科考时的用水用电的需求。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：包括加热模块、发电模块和制水模块，所述加热模块包括凹式油箱、燃烧装置、煤油防冻预热装置及平板热管，所述凹式油箱内凹部被隔成燃烧区和防冻预热区，所述燃烧装置安装于燃烧区，所述煤油防冻预热装置安装于防冻预热区；所述平板热管置于所述凹式油箱顶部；所述燃烧装置包括雾化喷头；所述制水模块包括淡水制取箱及设置在淡水制取箱内的水位计和温度计，在所述淡水制取箱放置用于制水的冰块；所述发电模块包括温差发电装置和蓄电池，所述温差发电装置通过导线连接至所述蓄电池；所述平板热管和淡水制取箱形成温差发电装置的大温差两极，所述温差发电装置置于大温差两极之间；所述煤油防冻预热装置包括酒精箱、阀门、输运管及点火装置，所述运输管的下端位于所述凹式油箱内，所述运输管的上端位于所述燃烧区内，所述点火装置连接所述燃烧区和防冻预热区并向所述燃烧区输出酒精并点燃对煤油预热防冻；所述淡水制取箱具有制取低温淡水和第一工作状态和制取高温开水的第二工作状态，当淡水制取箱工作在第一工作状态时，根据淡水制取箱内温度计获取的温度值往淡水制取箱内添加冰块。

所述平板热管长为a，宽为b，高为c，1000mm＞a＞100mm，1000mm＞b＞100mm，50mm＞c＞2mm；在所述平板热管中沿着横向、纵向的中心线各平行布置d(100＞d＞10)个直径为c的圆形通道，在圆形通道内充注有气液两相工质，利用气液相变进行高效率传热。

所述淡水制取箱四壁为真空保温壁；所述凹式油箱内壁顶部设有一超声波油箱液位计。

所述淡水制取箱底部设有一排水阀门，所述水位计和温度计均安装在所述淡水制取箱内部。

所述温差发电装置分成p(10＞p＞1)组，每组包含q(50＞q＞10)个温差发电片，每组内的q个温差发电片串联连接，组与组之间并联连接。

本发明一种用于高海拔地区的便携式制水与蓄电集成装置，是由加热模块、发电模块和制水模块组成。加热模块、发电模块及制水模块均独立构建，可拆分组合；凹式油箱具备分隔管理结构；加热模块整合雾化燃烧及煤油防冻预热，并利用平板热管的气液相变换热创造均温环境；利用高海拔地区的低温环境及煤油燃烧产生的高温环境，构造温差发电装置的大温差两极，不仅可以提高发电效率，同时可以制取淡水。

平板热管属于热管的一种类型，并且比一般热管具有更加突出的优点，非常有利于对局部热源进行热扩散，将热量有效地传播到整个受热面上，从而使得被加热均温装置受热均匀。平板热管与传统热管相比具有以下优点：1、能有效解决散热和减小温度梯度；2、平板热管通过降低热阻而达到高热导率，保证热量快速及时传递。本装置中使用的平板热管内部加工有许多纵横交错相通的圆形通道，通道中充注有气液两相工质，当平板热管受热时，圆形通道下部的工质受热蒸发，蒸气携带者热量，在圆形通道中向四面八方扩散，将热量均匀地散播到整个平板热管中，最终蒸气在平板热管的上部凝结放热后在重力的驱动下，沿着通道壁面流回通道下部。如此循环，将热量从平板热管下部的一个点扩散到整个上部平面上。平板热管利用工质的相变过程进行传热，由于工质的相变潜热大大高于显热，并且在相变过程中，工质的温度保持恒定，故平板热管的主要优点为有效导热系数高和均温性好。从而使得平板热管的上表面能够均匀地加热温差发电片。因此，本发明设计了一种利用平板热管的加热模块，实现高效换热。

温差发电装置是一种利用温差发电材料发电的仪器，温差发电材料可以利用温差来产生电能，温差发电的原理是塞贝克效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象，温差发电的效率与温差发电材料的“优值”有关，“优值”越高，发电的效率越高。因此，选用高“优值”的温差发电材料，可以提高装置的发电效率。温差发电装置体积小，重量轻，可靠性高，便于携带，非常适用于高海拔地区科考活动。

在采用煤油燃烧将冰加热融化制备淡水的这一能源热转换过程中，加热设备内部存在大的温差。根据“温度对口，梯级利用”的能量梯级利用原理，本发明提供了一种便携式制水与蓄电的集成装置，在高海拔地区制取淡水的同时，还利用温差发电进行蓄电，达到能源的高效优化利用，并解决科考人员外出科考过程中用水用电的需求。

凹式油箱外壁处设有一进气口，同时燃烧区壁面有多个通孔，为燃烧区提供足够的空气，同时外壁处还设有一进油口，顶部内壁设有一超声波油箱液位计，用以检测油箱煤油存，并实现油量补充。超声波液位计利用超声波来确定油箱中油液面的位置，无论油箱中的油是固体还是液体，都能够准确的测量出油量。

燃烧装置包括进油阀门、雾化喷头、油管，所述的雾化喷头安装于所述的燃烧区，通过油管与凹式油箱内部连接，进油阀门安装在所述的油管上，实现煤油流量控制，油管插入凹式油箱内部，其深度达到的凹式油箱高度的3/4。

煤油防冻预热装置包括酒精箱、阀门、输运管及点火装置，酒精箱通过输运管连接至燃烧区内部，输运管上设置有阀门，点火装置安装于燃烧区内壁面。在点燃煤油前，通过煤油防冻预热装置在燃烧区内注入一定量的酒精，当酒精注入燃烧区后，通过点火装置点火，利用酒精燃烧的热量将内凹式油箱内的煤油解冻，同时辅助点燃煤油。

温差发电模块包括了所述的温差发电片和所述的蓄电池，所述的温差发电片按照设备对电源的需求，分成p(10＞p＞1)组，每组包含q(50＞q＞10)个温差发电片，每组内的q个温差发电片串联连接，组与组之间并联连接。温差发电片发出的电能经过所述的蓄电池进行储存，用于解决科考队员外出科考的电能的需求。

淡水制取箱底部设有一排水阀门，水位计和温度计均安装与淡水制取箱内部，用以监控制取箱内部制水情况。在淡水制取箱上设置液位计，通过液位计观测淡水制取箱的液位。当液位过高时，打开排水用阀门排水；当液位过低时，打开淡水制取箱的盖子，加入冰块。淡水制取箱有两种工作模式，一种是高效率发电模式，此时淡水制取箱中是冰水混合物，温度为0℃，这样可以保证温差发电片两端的温差达到最大，从而达到最大的发电功率和发电效率。另一种模式为加热模式，淡水制取箱中没有冰块，通过平板热管对淡水制取箱中的水进行加热，最终可以把水烧开。通过淡水制取箱壁面上的温度传感器可以监测水温。此时，由于淡水制取箱中水温上升，温差发电片冷端的温度上升，因此发电的功率和效率会有所下降。

平板热管材料可选为铜、铝等导热系数大的金属材料；热管工质可为水、酒精、甲醇等工质。

有益效果

本发明装置是模块化设计，分为加热模块、发电模块和制水模块，这三个模块可以方便地进行拆分，每个模块体积小重量轻，便于携带，工作时能够迅速组装起来。加热模块有效适应高海拔地区的环境，煤油防冻预热装置能够解决低温环境下煤油凝固的问题，使得煤油能够更好地雾化，进而充分燃烧，提高燃烧效率。加热模块中的平板热管能够有效地将点热源的热量扩散到整个面上，提高温度分布的均匀性，提高热量传播效果。温差发电装置利用了冰水混合物的低温和煤油燃烧的高温之间的巨大温差，能够高效率的进行发电，产生的电能可以存储到蓄电池中。该装置还集成了制水装置，利用温差发电的余热制取淡水，并且能够根据需要，对淡水进行加热，满足了高海拔地区科考活动时用水用电的需求。

附图说明

图1用于高海拔地区的便携式制水与蓄电的集成装置结构示意图；

图2本发明煤油防冻预热装置结构示意图；

图3凹式油箱结构示意图；

图4本发明温差发电模块结构示意图；

图5本发明平板热管三维结构示意图。

图6本发明平板热管原理示意图。

图7为拟合出的平板温度分布图。

图中1.水位计；2.温度计；3.淡水制取箱；4.排水阀门；5.进风口；6.油箱液位计；7.雾化喷头；8.油管；9.煤油防冻预热装置；10.温差发电片；11.平板热管；12.加油口；13.进油阀门；14.凹式油箱；15.蓄电池；16.酒精点火开关；17.燃烧喷头；18.燃烧区；19防冻预热区。

具体实施方式：

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了本装置的系统图，一种用于高海拔地区的便携式制水与蓄电的集成装置，包括加热模块、发电模块和制水模块三大模块。具体结构包括：水位计1；温度计2；淡水制取箱3；排水阀门4；进风口5；油箱液位计6；雾化喷头7；油管8；煤油防冻预热装置9；温差发电片10；平板热管11；加油口12；进油阀门13；凹式油箱14；蓄电池15；酒精点火开关16；燃烧喷头17；燃烧区18；防冻预热区19等主要组成部分。

当该装置进行工作时，首先往淡水制取箱3中加入适量的冰雪。开启煤油预热装置9，打开酒精点火开关16，酒精燃烧产生热量解冻煤油，煤油通过油管8进入雾化喷头7雾化，煤油雾化后燃烧，整个装置进入正常工作状态。加热均温装置中煤油燃烧时所需的空气从进风口5进入。煤油燃烧加热平板热管11，使得平板热管11上的温差发电片10均匀受热，温差发电模块的另一端是淡水制取箱3，淡水制取箱3中放置的是冰水混合物，温度为0℃，在温差发电模块的两端会形成一个几百度的温差，在塞贝克效应的作用下，温差发电模块能够持续地发出电能，发出的电能储存在蓄电池15中，供给科考队员使用。当淡水制取箱3中冰块融化完以后，打开盖子补充冰雪。淡水制取箱壁面上嵌有水位计1，通过水位计1可以观察淡水制取箱中的水位，当水位过高时，打开淡水制取箱底部的排水用阀门4，放出部分的水。淡水制取箱中有温度计2，温度计2的显示屏嵌在淡水制取箱外壁上，可以观察箱中的水温。淡水制取箱的外壁是真空保温层，可以减少热量向环境的损失。油箱中有液位计6，液位计6是通过超声波来确定油箱内的液位，当油箱中的油量少时，打开加油口12往油箱里注入煤油。

图2给出了煤油防冻预热装置的示意图，具体包括：酒精点火开关16和燃烧喷头17等组成部分。煤油防冻预热装置的工作时，首先需要打开酒精点火开关16，酒精被点燃后，燃烧喷头17喷出火焰，酒精燃烧时产生的热量将油箱中的煤油解冻，并起到点燃煤油的作用。

图3给出了凹式油箱结构示意图，具体包括燃烧区18和防冻预热区19等组成部分，燃烧区18是煤油燃烧的区域，煤油的燃烧器布置在燃烧区18内部，防冻预热区19放置煤油防冻预热装置8，防冻预热区19与燃烧区18相邻布置。

图4给出了温差发电模块结构示意图，具体包括温差发电片10和蓄电池15等组成部分。大量的温差发电片10紧密地布置在平板热管上，通过合理的串联并联，从而得到期望的输出电压和输出电流。温差发电片产生的电能通过蓄电池15储存，供给科考使用。

图5给出了平板热管三维结构示意图，该装置的材料选用铜，工质选用水。平板热管加工时在平板中挖出若干个纵横相通的圆柱形通道，平板的四周用内部有圆柱形通道的长方体进行封装，使得整个平板热管内部的圆柱形通道形成一个封闭互通的整体。在圆柱形通道中注入液体工质，当平板热管下壁面被加热时，通道中的工质气化，随后在圆柱形通道的上部凝结放热，从而使得整个平板热管具有均匀的温度场。

图6给出了平板热管原理示意图，平板热管内部加工有若干纵横交错的圆型通道，通道内部充有液体工质，当平板热管受到局部热源的加热时，内部的工质受热蒸发成气体，在通道内向四面八方扩散，从而实现将热量高效地从点到面地进行传播。

实施案例：

为了验证平板热管均温性好的特点，进行了局部热源加热平板热管实验，在平板热管上布置若干个测温点，利用这些测温点来拟合出整块板上的温度，从而直观地看出其上的温度分布。本次实验所使用的平板热管的尺寸为300*300*10mm，材质为黄铜，内部工质为水，点热源为直径80mm加热功率为1000W的铜棒，点热源加热平板热管底面的中心，平板热管采用自然对流方式冷却。在平板热管的顶面布置有13个测温点，当这些测温点的温度达到稳定时，记录这些点的温度，通过三次多项式插值的方式，拟合出整块平板上的温度，拟合出的温度分布如图7所示，从图中可以看出，平板热管中心处温度比四周要高，形成一个峰值区域。而平板热管上温度分布较为平坦，温度的最高值和最低值相差不大，整个温度分布近似一块略微凸起的平面，体现出其均温性好的特征。

Claims (6)

1.一种用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：包括加热模块、发电模块和制水模块，所述加热模块包括凹式油箱、燃烧装置、煤油防冻预热装置及平板热管，所述凹式油箱内凹部被隔成燃烧区和防冻预热区，所述燃烧装置安装于燃烧区，所述煤油防冻预热装置安装于防冻预热区；所述平板热管置于所述凹式油箱顶部；所述燃烧装置包括雾化喷头；所述制水模块包括淡水制取箱及设置在淡水制取箱内的水位计和温度计，在所述淡水制取箱放置用于制水的冰和或雪；所述发电模块包括温差发电装置和蓄电池，所述温差发电装置通过导线连接至所述蓄电池；所述平板热管和淡水制取箱形成温差发电装置的大温差两极，所述温差发电装置置于大温差两极之间；所述煤油防冻预热装置包括酒精箱、阀门、输运管及点火装置，所述输运管的下端位于所述凹式油箱内，所述输运管的上端位于所述燃烧区内，所述点火装置连接所述燃烧区和防冻预热区并向所述燃烧区输出酒精并点燃对煤油预热防冻；所述淡水制取箱具有制取低温淡水的 第一工作状态和制取高温开水的第二工作状态，当淡水制取箱工作在第一工作状态时，根据淡水制取箱内温度计获取的温度值往淡水制取箱内添加冰和或雪。

2.根据权利要求1所述的用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：所述平板热管长为a，宽为b，高为c， 1000mm>a>100mm，1000mm>b>100mm， 50mm>c>2mm；在所述平板热管中沿着横向、纵向的中心线挖出d个纵横交错贯通的圆形通道， 100>d>10；在所述的圆形通道内充注有一定量的气液两相工质，所述的平板热管的四周用长方体型金属条进行焊接密封。

3.根据权利要求1所述的用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：所述淡水制取箱四壁为真空保温壁；所述凹式油箱内壁顶部设有一超声波油箱液位计。

4.根据权利要求1所述的用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：所述淡水制取箱底部设有一排水阀门，所述水位计和温度计均安装在所述淡水制取箱内部。

5.根据权利要求1所述的用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：所述温差发电装置分成p组，每组包含q个温差发电片，每组内的q个温差发电片串联连接，组与组之间并联连接，10>p>1，50>q>10。

6.根据权利要求2所述的用于高海拔地区的制水与蓄电集成装置，其特征在于：所述平板热管材料为铜或铝导热系数大的金属材料；所述工质为水、酒精或甲醇。