CN107476380A - 一种新型节能转轮空气取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型节能转轮空气取水装置，包括转轮集水单元、取水单元以及供能单元，所述转轮集水单元包括：吸湿转轮，设有吸湿区和再生区；冷凝器，低温进风端与外界空气连通；引风单元，提供将外界空气通过所述冷凝器和所述吸湿区的动力；所述取水单元包括：取水循环风机，为循环风提供动力；加热器，出风端与所述再生区的进风端相连；换热器，高温进风端与所述再生区的出风端相连，高温出风端与所述冷凝器的高温进风端连接，低温进风端与所述冷凝器的高温出风端连接，低温出风端与所述加热器的进风端连接；集水盘，布置在所述冷凝器下方；本发明具有结构简单，占地面积小，制造成本较低，能效比高，取水量随环境空气温湿度波动小等优点。

Description

一种新型节能转轮空气取水装置

技术领域

本发明属于空气取水技术领域，特别涉及一种新型节能转轮空气取水装置。

背景技术

海岛、沙漠及大量干旱或水污染严重地区淡水资源匮乏，从空气中制取淡水是解决该问题的一种重要途径。空气取水主要针对室外空气，将空气中的水蒸气尽可能地转化为更多的液态水，取水难度及效果与空气的含湿量息息相关。

为了解决上述问题，现有技术中从空气中制取淡水有多种方法，申请号为201420814868.0专利文献公开一种从干燥空气中取水的装置，包括除湿转轮与表面冷却器(蒸发器)。该装置充分利用除湿转轮在低湿度下的吸附水能力和表面冷却器在高湿度下的强析湿能力，充分利用这两者的长处，实现连续、高效、节能地从干燥空气中取水的目的。

然而，一来由于除湿转轮的解析效果与进入再生区的空气正相关，即进风温度越高解吸效果越好，充分将富集水分解吸，需要消耗大量的能量提高除湿转轮再生区进风温度，且压缩制冷系统也需消耗大量能量；二来最终取水效果与自然空气的温度与湿度有关，自然空气含湿量下降，取水效率也会有所降低。

因此，现有从空气中制取淡水的装置存在的问题是：结构复杂，能效比低，且取水量会随空气湿度产生较大变化。

发明内容

本发明公开了一种新型节能转轮空气取水装置，结构简单能耗低，可以在电力缺乏的情况下使用。

一种新型节能转轮空气取水装置，包括转轮集水单元、取水单元以及供能单元，所述转轮集水单元包括：

吸湿转轮，设有吸湿区和再生区；

冷凝器，低温进风端与外界空气连通；

引风单元，提供将外界空气通过所述冷凝器和所述吸湿区的动力；

所述取水单元包括：

取水循环风机，为循环风提供动力；

加热器，出风端与所述再生区的进风端相连；

换热器，高温进风端与所述再生区的出风端相连，高温出风端与所述冷凝器的高温进风端连接，低温进风端与所述冷凝器的高温出风端连接，低温出风端与所述加热器的进风端连接；

集水盘，布置在所述冷凝器下方。

本发明通过取水单元中再生风的循环，利用不同温度的再生风之间的相互换热，实现“一风多用”，充分利用了系统余热，有效地降低了再生风加热功耗。而采用自然冷却的取水方式，不仅使作品的结构更加简单，减小了装置的占地面积，也节省了传统空气取水装置中压缩制冷系统所需的制冷功耗，提高了装置的能效比。

为了减少引风单元的引风机的数量，简化结构，减小功耗，优选的，所述冷凝器的低温出风端与所述吸湿区的进风端连接。使用新风作为冷凝器的冷却工质。

为了充分利用能源，优选的，所述供能单元包括蓄电池以及向蓄电池充电的太阳能光伏发电板。所述太阳能光伏电池板提供装置所需电量，与蓄电池相连；所述蓄电池与吸湿转轮驱动电机、引风单元、加热器及取水循环风机相连，进行供电。从而使本装置可以在没有电源或者蓄电池电能耗尽的情况下使用。

为了进一步降低能耗，充分利用太阳能板的热量，优选的，所述太阳能光伏发电板的背板设有加热管道，所述加热管道连接在所述冷凝器的高温出风端和换热器的低温进风端之间。循环风的流向为从再生区的出风端进入所述换热器的高温进风端与相连，高温出风端与冷凝器的高温进风端相连，其低温进风端与太阳能光伏电池板背板管道出风端相连，低温出风端与取水循环风机的进风端相连。

优选的，所述新型节能转轮空气取水装置还包括控制引风单元转速的空气湿度传感器和温度传感器。配合反馈调速单元可根据自然空气的温度及湿度，经过单片机等模块的计算，控制引风单元，调节新风风速，使装置的每小时取水量不变。取水量随环境空气温湿度波动小，本发明通过反馈调速单元，根据新风的温度及湿度，经过计算后，对新风风量进行调节，保持装置每小时取水量(例如1L)不变。

所述的反馈调速单元包括数据采样电路与风机转速控制电路。所述数据采样电路包括：供电电源VCC、VDD、VSS，光敏电阻R，分压电阻R1、R2、R3，运放，新风温度、湿度传感器以及单片机；所述供电电源VCC分别和R1、R2、新风温湿度传感器供电口及单片机供电口相连；所述供电电源VDD与运放正电压供电相连、供电电源VSS与运放负电压供电相连；所述分压电阻R1另一侧分别和光敏电阻R、运放同相输入端相连；所述分压电阻R2另一侧分别与R3一侧、运放反相输入端相连；所述运放输出与单片机信号口相连；所述新风温湿度传感器输出口2端、3端和单片机的信号口相连；所述新风的温度传感器与新风湿度传感器置于连接过滤器与吸湿转轮的吸湿区的风道中；所述光敏电阻R另一侧、分压电阻R3另一侧、新风温湿度传感器接地端、单片机接地端4和低压侧电气地相连。

所述风机转速控制电路包括：供电电源Vac，分压电阻R4、R5、R6、R7，光耦元件，双向可控硅，电容C以及交流风机；所述供电电源Vac一端分别和R7一端、R5一端、双向可控硅一端相连，另一端与交流风机的一端相连；所述分压电阻R4一侧与单片机输出相连，一侧与光耦元件端口1相连；所述分压电阻R5另一端和光耦元件端口6相连；所述分压电阻R7另一端和电容C一端相连；所述光耦元件端口4分别和R6一端、双向可控硅门极相连；所述分压电阻R6另外一端分别与双向可控硅另一端、电容C另一端、交流风机另一端相连。

为了保证装置可以长时间使用，减少空气中的杂质污染，优选的，所述转轮集水单元还包括安装在所述冷凝器前的过滤器。

优选的，所述吸湿转轮的吸附剂采用分子筛。分子筛对于水分子具有超强的吸附能力，可将空气中的含水量降至0.01g/m³以下，这保证了本发明在低含湿量的环境下依旧具有吸水能力。而与转轮吸湿技术的结合，则避免了吸湿/解吸式取水方法中需频繁更换吸附剂的问题，实现了连续取水。

优选的，所述吸湿转轮的吸附剂采用硅胶与氯化锂。虽吸附能力下降，但价格更加低廉，硅胶材料的吸湿速率也较分子筛有所提升，因此在空气含湿量较高的地区，可选用硅胶或氯化锂作为吸附剂替换分子筛。

本发明的有益效果：

(1)结构简单，占地面积小，成本较低，本发明以自然冷却代替压缩制冷系统，有效地优化了取水装置流程，减少了装置的复杂结构。

(2)能效比高，本发明利用太阳能背板热量预热再生新风，再采用换热器，利用吸湿传轮再生区排出的高温空气对再生风进行二次预热，减少再生加热能耗，同时对高温空气自身起到预冷的作用，此外还使用自然冷却的方式，代替压缩制冷系统冷却再生风取水，降低了制冷功耗，使本发明的能效比较压缩制冷转轮取水装置提升了19％。

(3)取水量随环境空气温湿度波动小，可以通过设置反馈调速单元，根据新风的温度及湿度，对新风风量进行调节，保持装置每小时取水量不变。

附图说明

图1为本发明的新型节能转轮空气取水装置的结构示意图。

图2为本发明的反馈调速单元的原理框图。

图3为本发明的反馈调速单元的控制电路图。

图4为本发明的能效比随环境相对含湿量变化曲线。

图5为本发明与现有技术的直接压缩制冷取水装置和压缩制冷转轮取水装置的能效比的对比图。

图中：1过滤器，2转轮吸湿区，3引风机，4冷凝器，5换热器，6转轮再生区，7加热器，8取水循环风机，9蓄电池，10转轮电机，11太阳能光伏电池板，12集水盘。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的新型节能转轮空气取水装置，包括转轮集水单元、取水单元和反馈调速单元。转轮集水单元包括：吸湿转轮与引风机3；该吸湿转轮具有吸湿区2和再生区6，吸湿转轮由驱动电机10带动，整个转轮中充满干燥吸附剂，本实施例中采用分子筛为吸附剂，也可用硅胶与氯化锂代替，在吸湿转轮的进风端设有过滤器1，引风机3的进风端与吸湿转轮的吸湿区2的出风端相连。

新风经过过滤，并作为冷却工质流过冷凝器4后，进入吸湿转轮的吸湿区2，吸湿区2中干燥吸附剂吸收新风中的水分至饱和状态，完成水分的收集。

取水单元包括：加热器7、取水循环风机8、换热器5、冷凝器4、集水盘12、太阳能光伏电池板11及蓄电池9；加热器7的进风端与取水循环风机8的出风端相连，出风端与再生区6的进风端相连，吸湿转轮的再生区6的出风端经换热器5后与冷凝器4的高温进风端相连；集水盘在冷凝器4下方；太阳能光伏电池板11提供装置所需电量，与蓄电池9相连；蓄电池9与吸湿转轮驱动电机10、引风机3、加热器7及取水循环风机8相连，进行供电。

高温再生风从吸湿转轮的再生区6流过，带走转轮中水分，得到高含湿量热空气，经过换热器5预冷后，进入冷凝器4与自然空气换热进行自然冷却取水，液态水由冷凝器下方集水盘收集。经冷却取水后的低温再生风，经太阳能光伏电池板11背板的一次预热，及换热器5中较高温再生风的二次预热后，进入加热器7中加热，最终重新得到高温再生风。

如图2所示的反馈调速单元，通过温度传感器及湿度传感器对新风的温度与湿度进行记录，再使用单片机计算得到预期的新风风速，最后调节引风机3的交流供电时间，达到调节新风风速的目的。这种结构可以在外界环境发生改变，自然空气温度与湿度有所不同时，保证装置每小时取水量1L不变。

反馈调速单元的电路控制图如图3所示，包括数据采样电路与风机转速控制电路。

其中，数据采样电路包括：供电电源VCC、VDD、VSS，光敏电阻R，分压电阻R1、R2、R3，运放，新风温度、湿度传感器以及单片机；供电电源VCC分别和R1、R2、新风温湿度传感器供电口及单片机供电口相连；供电电源VDD与运放正电压供电相连、供电电源VSS与运放负电压供电相连；分压电阻R1另一侧分别和光敏电阻R、运放同相输入端相连；分压电阻R2另一侧分别与R3一侧、运放反相输入端相连；运放输出与单片机信号口相连；新风温湿度传感器输出口2端、3端和单片机的信号口相连；新风温度传感器与新风湿度传感器置于连接过滤器与转轮吸湿区的风道中；光敏电阻R另一侧、分压电阻R3另一侧、新风温湿度传感器接地端、单片机接地端4和低压侧电气地相连。

风机转速控制电路包括：供电电源Vac，分压电阻R4、R5、R6、R7，光耦元件，双向可控硅，电容C以及交流风机；供电电源Vac一端分别和R7一端、R5一端、双向可控硅一端相连，另一端与交流风机的一端相连；分压电阻R4一侧与单片机输出相连，一侧与光耦元件端口1相连；分压电阻R5另一端和光耦元件端口6相连；分压电阻R7另一端和电容C一端相连；光耦元件端口4分别和R6一端、双向可控硅门极相连；分压电阻R6另外一端分别与双向可控硅另一端、电容C另一端、交流风机另一端相连。

在交流风机的两侧，一侧存在光源，另一侧存在光敏电阻，当扇叶没有遮挡光源的时候，光敏电阻的阻值非常小，此时光敏电阻的分压特别小，运放的同相输入端的电压小于反向输入端的电压，导致运放输出低电平；当扇叶遮挡光源的时候，光敏电阻的阻值非常大，此时光敏电阻的分压特别大，运放的同相输入端的电压大于反相输入端的电压，导致运放输出高电平。单片机根据高低电平切换的频率可以得到此时交流风机的转速，同时根据温湿度传感器得到的自然空气中的温度和湿度计算出现在所需要的新风风速对应的交流风机的转速，进行PID的参数调节。

其中交流电机的转速由单片机输出相应的方波信号来控制。当单片机输出高电平时，光耦元件的1、2口有足够的电压供发光二极管发光，若此时光耦元件高压侧的交流电经过电压零点，就会使光耦元件4、6端导通，此时交流电经过零点，电压绝对值增大，当电压增大到可以给双向可控硅的门极信号提供足够多电流的时候，双向可控硅导通，此时相当于电源电压完全加在交流风机上，交流风机旋转；当单片机输出低电平时，光敏元件的1、2口没有电势差，发光二极管不发光，光敏元件的4、6端关断，进而导致双向可控硅关断，此时交流风机不工作。

为了能够更直观精确地说明本实施例的取水效果，采用了ees程序对装置的运行情况进行了模拟。本次模拟中，每小时的取水量保持1L不变。能效比COP的计算公式为：

图4所示的是其他条件不变时，改变环境空气的相对含湿量，能效比COP的变化曲线，可知本实施例的COP值与环境空气的相对含湿量呈正线性相关。而在环境空气相对含湿量为5％时，本实施例依旧可以保持能效比在0.47以上，可见本实施例在低含湿量环境下依旧可以取水。

图5所示的是环境空气温度为25℃、相对含湿量为20％时，采用直接使用压缩制冷系统冷凝取水的装置、压缩制冷转轮取水装置以及本装置(无压缩制冷系统，采用自然冷却)的COP对比图。

可见与传统空气取水装置相比，本实施例能效比较高，以自然冷却的形式代替压缩制冷系统，并辅以多样的换热设计，使本实施例的能效比较压缩制冷转轮取水装置提升了19％。

Claims (8)

1.一种新型节能转轮空气取水装置，包括转轮集水单元、取水单元以及供能单元，其特征在于，所述转轮集水单元包括：

吸湿转轮，设有吸湿区和再生区；

冷凝器，低温进风端与外界空气连通；

引风单元，提供将外界空气通过所述冷凝器和所述吸湿区的动力；

所述取水单元包括：

取水循环风机，为循环风提供动力；

加热器，出风端与所述再生区的进风端相连；

换热器，高温进风端与所述再生区的出风端相连，高温出风端与所述冷凝器的高温进风端连接，低温进风端与所述冷凝器的高温出风端连接，低温出风端与所述加热器的进风端连接；

集水盘，布置在所述冷凝器下方。

2.如权利要求1所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述冷凝器的低温出风端与所述吸湿区的进风端连接。

3.如权利要求1所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述供能单元包括蓄电池以及向蓄电池充电的太阳能光伏发电板。

4.如权利要求3所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述太阳能光伏发电板的背板设有加热管道，所述加热管道连接在所述冷凝器的高温出风端和换热器的低温进风端之间。

5.如权利要求1所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述新型节能转轮空气取水装置还包括控制引风单元转速的空气湿度传感器和温度传感器。

6.如权利要求2所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述转轮集水单元还包括安装在所述冷凝器前的过滤器。

7.如权利要求1所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述吸湿转轮的吸附剂采用分子筛。

8.如权利要求1所述的新型节能转轮空气取水装置，其特征在于，所述吸湿转轮的吸附剂采用硅胶与氯化锂。