CN107940424A - 一种基于光热效应的蒸汽驱动装置 - Google Patents

一种基于光热效应的蒸汽驱动装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107940424A
CN107940424A CN201710958747.1A CN201710958747A CN107940424A CN 107940424 A CN107940424 A CN 107940424A CN 201710958747 A CN201710958747 A CN 201710958747A CN 107940424 A CN107940424 A CN 107940424A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photo
housing
drive apparatus
steam drive
thermal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710958747.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107940424B (zh
Inventor
孟凡臣
宋成轶
俞圣韬
郝伟
闵梦蝶
尚文
陶鹏
邓涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN201710958747.1A priority Critical patent/CN107940424B/zh
Publication of CN107940424A publication Critical patent/CN107940424A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107940424B publication Critical patent/CN107940424B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，包括由透光材料制成的封闭的壳体，该壳体的一端加工有开孔，所述壳体的内壁或壳体内部还设有光热转换材料。与现有技术相比，本发明实现了基于光热效应的蒸汽驱动，实现了光能到动能的转换，以光源作为驱动力，不会对环境造成污染，是一种环保的清洁的驱动方式，并且此方法具有广泛的适用范围，能够在水及其他有机物液体表面以及液体中推动等，也可以应用于物体推动，污染物降解和药物输运和释放等，同时，为液体中物体的运动研究开辟了新方法。

Description

一种基于光热效应的蒸汽驱动装置
技术领域
本发明涉及一种驱动装置，尤其是涉及一种基于光热效应的蒸汽驱动装置。
背景技术
蒸发作为一种常见的基本相变过程，被广泛地应用于发电，海水淡化，化工等领域。一方面，在现有的蒸汽驱动方式中，主要是通过蒸发产生的蒸汽推动蒸汽机的运转实现物体的运动后者推动汽轮机运动产生电能，依靠电能驱动机械运动实现驱动。在这些转化过程中，大量能量耗散，利用效率低下。另外一方面，基于光热效应的蒸发产生的蒸汽大多消散于空气中，难以收集，限制了蒸汽的其他应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光热效应的蒸汽驱动装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，包括由透光材料制成的封闭的壳体，该壳体的一端加工有开孔，所述壳体的内壁或壳体内部还设有光热转换材料。
优选的，所述的透光材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料选自聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃等中的一种或几种，无机材料选自石英，玻璃或陶瓷等中的一种或几种。
优选的，所述的透光材料制成的壳体满足其可承受光热转换材料产生的温度，并保证在工作时壳体不变形或破裂。本发明中，壳体有一定的强度，可作为整个装置的外壳和蒸汽集聚容器，也能减少蒸汽热量的散失，起到保温隔热的作用。
优选的，所述的壳体呈管状、圆锥状、球状或柱状等。
优选的，所述的光热转换材料具有高效电磁波吸收特性，其为金属、合金或非金属无机物的颗粒中的一种或几种的复合材料等。
优选的，所述的壳体上的开孔通过在端部直接钻孔或插入细管等方式形成。
优选的，所述的光热转换材料的设置位置满足其可与进入壳体内部的液体直接接触。
优选的，蒸汽驱动装置采用入射电磁波照射驱动，其中，所述的入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波等，其被光热转换材料的吸收方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。
优选的，所述的光热转换材料采用化学或物理吸附、自组装后沉积或原位合成的方式置于壳体内壁上，其中，化学或物理吸附包括浸泡、浸渍或雾化喷涂等，自组装后沉积包括化学气相沉积或物理气相沉积等。
优选的，壳体中光热转换材料的置入后的密封方法包括使用固体密封如尺寸配合的盖子密封，柔性体密封如封口膜，胶带等和液态胶体密封，如胶水，PDMS等。开孔的加工包括预先加工和后期处理。预先加工是指在制作壳体时一体化加工出小孔。后期处理是指在放入光热转换材料之后，密封壳体在密封材料上加工小孔包括在密封处直接钻孔和或插入合适长度的细管等。
本发明的蒸汽驱动装置的工作原理为：将上述装置置于液体界面或者液体中，入射电磁波被高效电磁波吸收特性的材料吸收，并被转化为热量，使光热转换材料表面温度迅速升高，由于该升温过程效率高，速度快，能够加热壳体内部液体，使液体快速蒸发，同时在壳体内部不断积聚。随着壳体内部压力的升高，高压蒸汽在壳体开孔处喷射至外部，推动整个装置向前移动。同时，在蒸汽喷射后，壳体内部温度降低，气压减小，与外界形成气压差，又不断促使壳体开孔周围液体从开孔进入壳体内部。从而在推动过程中，壳体内部的液体在蒸发喷射后能够得到有效补充，保证了壳体内部液体不会被完全消耗，驱动过程持续进行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用光热转化材料将光能高效转化为热量，加热并汽化壳体内部液体，同时通过蒸汽在壳体内部积聚和快速喷射推动装置的运动，同时，由于喷射时壳体内外的气压差促使外部液体重新进入壳体。在提高蒸发的利用效率的同时实现了物体的持续可控运动。
(2)使用本征吸收或等离激元共振效应吸收光能，直接转换为热能，提高了光热转化效率。
(3)本发明使用光能作为能量来源，清洁无污染，具有节能减排的作用。
(4)本发明中集中加热壳体内部液体，减少了热量损失，热量利用效率大幅度提高。
(5)本发明可通过特殊的结构设计，实现了高效蒸发过程的持续进行，可以实现该装置的连续运动。
(6)本发明不受液体表面张力，粘度和其他物理性能的影响，具有广泛的应用范围。
(7)本发明不仅可以实现自身的运动，也可以为其他物体在水中的运动提供推动力。
附图说明
图1为本发明的蒸汽驱动装置的结构示意图；
图2为本发明的蒸汽驱动装置连接被推动物体的示意图；
图3为本发明的装置在谁表面的运动速度随时间的变化图；
图中，1-蒸汽驱动装置，11-壳体，12-光热转换材料，13-开孔，2-被推动物体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种基于光热效应的蒸汽驱动装置1，其结构如图1所示，包括由透光材料制成的封闭的壳体11，该壳体11的一端加工有开孔13，所述壳体11的内壁或壳体11内部还设有光热转换材料12。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的透光材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料选自聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃中的一种或几种，无机材料选自石英，玻璃或陶瓷中的一种或几种。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的透光材料制成的壳体11满足其可承受光热转换材料12产生的温度，并保证在工作时壳体11不变形或破裂。本发明中，壳体11有一定的强度，可作为整个装置的外壳和蒸汽集聚容器，也能减少蒸汽热量的散失，起到保温隔热的作用。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的壳体11呈管状、圆锥状、球状或柱状。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的光热转换材料12具有高效电磁波吸收特性，其为金属、合金或非金属无机物的颗粒中的一种或几种的复合材料。光热转换材料12可以为金纳米颗粒或碳微纳米结构单元或碳纳米管等，其可以采用本领域常规方法制成，或者可以采用常规市售产品。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的壳体11上的开孔13通过在端部直接钻孔或插入细管形成。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的光热转换材料12的设置位置满足其可与进入壳体11内部的液体直接接触。
作为本发明的一种优选的实施方式，蒸汽驱动装置1采用入射电磁波照射驱动，其中，所述的入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，其被光热转换材料12的吸收方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的光热转换材料12采用化学或物理吸附、自组装后沉积或原位合成的方式置于壳体11内壁上，其中，化学或物理吸附包括浸泡、浸渍或雾化喷涂，自组装后沉积包括化学气相沉积或物理气相沉积。
作为本发明的一种优选的实施方式，壳体11中光热转换材料12的置入后的密封方法包括使用固体密封如尺寸配合的盖子密封，柔性体密封如封口膜，胶带等和液态胶体密封，如胶水，PDMS等。开孔13的加工包括预先加工和后期处理。预先加工是指在制作壳体11时一体化加工出开孔13。后期处理是指在放入光热转换材料12之后，密封壳体11在密封材料上加工开孔13包括在密封处直接钻孔和或插入合适长度的细管等。
实施例1
本实施例的光热材料采用金纳米颗粒，蒸汽驱动装置1的具体制备方法如下：
(1)金纳米颗粒制备：按比例要求将一定浓度(优选1mM)的氯金酸(HAuCl4)溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌均匀后立即按照体积比10:1加入一定浓度(优选38.8mM)的柠檬酸三钠溶液，在加热条件下搅拌20分钟后再去掉热源，继续搅拌15分钟，便得到粒径为10nm的金纳米颗粒。
(2)纸基复合膜制备：使用步骤(1)中所述得到的金纳米颗粒溶液，将稀释3倍的约30mL金纳米颗粒溶液装入底部置有剪裁过的无尘纸的烧杯，放入有甲酸范围的干燥器内静置。约12小时后，将液面以下的清液小心去除，使表面自组装的颗粒膜沉积在纸纤维上；然后取出复合膜并烘干。
(3)将纸基复合膜裁剪成合适大小，放入长度为1cm左右的聚丙烯锥形壳体11中。两端分别用封口膜密封。然后在锥形底端封口膜上钻上直径约为1mm的圆型开孔13，即制成所述蒸汽驱动装置1。
(4)将该装置置于水表面，用波长532nm激光照射该装置，复合膜上面的金纳米颗粒吸收入射的光能并转换成热能。同时壳体11内部的液体不断被加热，快速蒸发，并且在内部不断积聚。当内部压力足够大时，内部高压蒸汽在开孔13处喷射至外部，推动整个装置的移动。在蒸汽喷射后，壳体11内部温度降低，压力减小，与外界大气压形成压力差。壳体11开孔13周围的水在该压力差的作用下从开孔13处重新进入壳体11。光照后，该装置继续移动，其速度变化趋势如图3所示。
实施例2
所述的具有电磁波吸收特性物质(即光热转换材料12)为碳；基于光热效应的蒸汽驱动的装置的制备：将具有电磁波吸收特性的碳的微纳米结构单元均匀分散至乙醇中(重量浓度0.1％-20％)。将壳体11外部覆盖一层薄膜，通过喷涂法，在壳体11内部喷涂碳颗粒。喷涂完成后，去除壳体11外部的薄膜。其余同实施例1。
实施例3
所述的具有电磁波吸收特性物质(即光热转换材料12)为碳纳米管；基于光热效应的蒸汽驱动的装置的制备：以圆柱状石英薄壁管作为壳体11，用薄膜包覆石英薄壁管外壁，在石英管内壁生长碳纳米管。碳纳米管直径约为20-40nm。生长完成后去除外表面的薄膜。其余同实施例1。
实施例4
将实施例1中的蒸汽驱动装置1与其他被推动物体2结合，例如，有机物泡沫，金属泡沫和其他特定的物体等。将其置于液体表面或者液体中，使其能够在表面或者液体中保持一定的稳定状态。实施例1中的蒸汽驱动装置1可以作为动力来源，推动其他被推动物体2的运动，如图2所示。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，包括由透光材料制成的封闭的壳体，该壳体的一端加工有开孔，所述壳体的内壁或壳体内部还设有光热转换材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的透光材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料选自聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃中的一种或几种，无机材料选自石英，玻璃或陶瓷中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的透光材料制成的壳体满足其可承受光热转换材料产生的温度，并保证在工作时壳体不变形或破裂。
4.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的壳体呈管状、圆锥状、球状或柱状。
5.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的光热转换材料具有高效电磁波吸收特性，其为金属、合金或非金属无机物的颗粒中的一种或几种的复合材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的壳体上的开孔通过在端部直接钻孔或插入细管形成。
7.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的光热转换材料的设置位置满足其可与进入壳体内部的液体直接接触。
8.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，蒸汽驱动装置采用入射电磁波照射驱动，其中，所述的入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，其被光热转换材料的吸收方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。
9.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动装置，其特征在于，所述的光热转换材料采用化学或物理吸附、自组装后沉积或原位合成的方式置于壳体内壁上，其中，化学或物理吸附包括浸泡、浸渍或雾化喷涂，自组装后沉积包括化学气相沉积或物理气相沉积。
CN201710958747.1A 2017-10-16 2017-10-16 一种基于光热效应的蒸汽驱动装置 Active CN107940424B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710958747.1A CN107940424B (zh) 2017-10-16 2017-10-16 一种基于光热效应的蒸汽驱动装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710958747.1A CN107940424B (zh) 2017-10-16 2017-10-16 一种基于光热效应的蒸汽驱动装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107940424A true CN107940424A (zh) 2018-04-20
CN107940424B CN107940424B (zh) 2019-05-07

Family

ID=61935341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710958747.1A Active CN107940424B (zh) 2017-10-16 2017-10-16 一种基于光热效应的蒸汽驱动装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107940424B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109958487A (zh) * 2019-03-13 2019-07-02 华北电力大学 一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器
CN111204417A (zh) * 2020-02-27 2020-05-29 北京大学 一种微型光控漂浮载具及其光控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2622623Y (zh) * 2002-12-26 2004-06-30 杨莉 太阳能蒸汽锅炉
CN103566604A (zh) * 2013-11-21 2014-02-12 上海交通大学 基于液体表面电磁波吸收结构膜的高效液体蒸发方法
CN104613659A (zh) * 2015-01-28 2015-05-13 上海交通大学 一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备
WO2015161753A1 (zh) * 2014-04-21 2015-10-29 北京兆阳光热技术有限公司 用于循环液态的传热介质的方法和太阳能光热电站系统
US20150353385A1 (en) * 2014-06-09 2015-12-10 King Abdullah University Of Science And Technology Hydrophobic photothermal membranes, devices including the hydrophobic photothermal membranes, and methods for solar desalination
CN106825606A (zh) * 2017-01-23 2017-06-13 湖北大学 一种多尺寸单分散金纳米颗粒的制备方法及应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2622623Y (zh) * 2002-12-26 2004-06-30 杨莉 太阳能蒸汽锅炉
CN103566604A (zh) * 2013-11-21 2014-02-12 上海交通大学 基于液体表面电磁波吸收结构膜的高效液体蒸发方法
WO2015161753A1 (zh) * 2014-04-21 2015-10-29 北京兆阳光热技术有限公司 用于循环液态的传热介质的方法和太阳能光热电站系统
US20150353385A1 (en) * 2014-06-09 2015-12-10 King Abdullah University Of Science And Technology Hydrophobic photothermal membranes, devices including the hydrophobic photothermal membranes, and methods for solar desalination
CN104613659A (zh) * 2015-01-28 2015-05-13 上海交通大学 一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备
CN106825606A (zh) * 2017-01-23 2017-06-13 湖北大学 一种多尺寸单分散金纳米颗粒的制备方法及应用

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109958487A (zh) * 2019-03-13 2019-07-02 华北电力大学 一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器
CN109958487B (zh) * 2019-03-13 2024-05-28 华北电力大学 一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器
CN111204417A (zh) * 2020-02-27 2020-05-29 北京大学 一种微型光控漂浮载具及其光控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107940424B (zh) 2019-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jiang et al. Lightweight, mesoporous, and highly absorptive all-nanofiber aerogel for efficient solar steam generation
Wang et al. All natural, high efficient groundwater extraction via solar steam/vapor generation
CN107805488B (zh) 一种基于光热效应的气泡可控驱动装置和方法
CN107178772A (zh) 一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置及其应用
Akkala et al. Progress on suspended nanostructured engineering materials powered solar distillation-a review
Li et al. A 3D porous PDMS sponge embedded with carbon nanoparticles for solar driven interfacial evaporation
CN107940424B (zh) 一种基于光热效应的蒸汽驱动装置
CN107235591B (zh) 一种光热转换硫化铜复合薄膜在水处理中的应用
WO2022267258A1 (zh) 一种具有Janus特性的复合气凝胶及其制备方法与应用
CN104613659A (zh) 一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备
CN107338642A (zh) 一种功能化非织造布海水淡化材料及其制备方法和应用
CN2758657Y (zh) 腔式太阳能接收器
CN106563472B (zh) 金-氯氧铋纳米复合材料及其制备方法
Zhang et al. Boosting the photothermal conversion efficiency of MXene film by porous wood for light-driven soft actuators
AU2014317914A1 (en) Localized solar collectors
CN110330067B (zh) 一种基于泡沫金属体吸收太阳能的蒸发系统
CN104906816B (zh) 一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法
Zhu et al. Wood nanotechnology: a more promising solution toward energy issues: a mini-review
Wang et al. Bio-inspired MXene coated wood-like ordered chitosan aerogels for efficient solar steam generating devices
Nawaz et al. Can the Interfacial Solar Vapor Generation Performance Be Really “Beyond” Theoretical Limit?
CN111322570A (zh) 一种自清洁式太阳能草坪灯
CN109611298A (zh) 一种基于气泡的光驱浮潜运动装置
KR102563466B1 (ko) 사전 리튬화 및 탄소 캡슐화된 실리콘 기반 애노드 재료 및 광전자기 에너지 조사를 이용한 제조 방법
CN109958487B (zh) 一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器
EP2775230B1 (en) Enhanced photo-thermal energy conversion

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant