CN108131962A - 基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，包括水汽输送管道、风兜、太阳能电池、散热网和集水管道；水汽输送管道为“U”型管道，“U”型管道两端分别为进气口和出气口；在进气口和出气口均安装有风兜；太阳能电池安装在水汽输送管道旁，通过电线与水汽输送管道进气口和出气口的风兜分别连接；散热网安装在“U”型管道底部的管道内部；集水管道安装在“U”型管道底部。本发明的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，利用土壤恒低温环境和气温温差，补集局部区域内高湿空气中的水分，能够为缺水或水质差的地区提供较优质的水资源，满足使用需求；本发明结构简单、安装维修方便，节省资金成本。

Description

基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置

技术领域

本发明涉及环境科学技术领域，特别涉及一种基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置。

背景技术

水循环通常也被称为“水分循环”或“水文循环”，是指水在地球上、地球中以及地球上空的存在及运动情况。地球的水处于不停地运动中，并且不停地变换着存在形式，从液体变成水蒸气再变成冰，然后再循环往复。

水污染是由有害化学物质造成水的使用价值降低或丧失，污染环境的水。污水中的酸、碱、氧化剂，以及铜、镉、汞、砷等化合物，苯、二氯乙烷、乙二醇等有机毒物，会毒死水生生物，影响饮用水源、风景区景观。

日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍；也是导致区域呈现水质型缺水问题的重要原因。

水资源是指可资利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的数量和合适的质量，并满足某一地方在一段时间内具体利用的需求。

蒸散发是指在特定区域内，各种不同的下垫面的气候要素影响下，区域水分蒸发和散发的总和。其中水面蒸发是江河湖库等自然水体水量损失的主要形式之一，尤其在干旱地区和干旱季节，由水面蒸发损失的水量所占比例较大。

通常由于蒸散发，水体上空水汽含量高于周围陆地，各月和年平均绝对湿度和相对湿度有所增大。水体对附近陆地上方湿度的影响，随离岸距离的增加而减小。

水体上空空气湿度与周围陆地空气湿度之差，随气候情况和水体大小而异。当空气中所含水蒸汽的量达到最大时就称这种空气为“饱和湿空气”,当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，并和容器壁以及液面发生碰撞，在和液面碰撞时，有的分子则被液体分子所吸引，而重新返回液体中成为液体分子。

目前，空气中水分的捕集和利用技术主要包括冷凝法、干燥剂法和膜法水捕集技术。干燥剂法是通过干燥剂回收水分；膜分离水蒸汽技术是利用某些高分子材料容易透过水蒸气的原理；冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一物理性质，采用降低系统温度或提高系统压力的方法，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并从废气中分离出来的过程。

在各个工业行业领域中，对于蒸汽的处理大多是利用冷凝的原理建立冷凝水回收系统，冷凝水回收系统回收蒸汽系统排出的高温冷凝水，可最大限度地利用冷凝水的热量，节约用水，节约燃料。对工厂的节能降耗，提高经济效益有显著的作用。冷凝水回收使锅炉进水温度提高，节约燃料耗量，但存在设备热能利用率低，初始投资相对大，操作不方便等。

由矿物质和腐殖质组成的固体土粒是土壤的主体，约占土壤体积的50％，固体颗粒间的孔隙由气体和水分占据。土壤矿物质是岩石经过风化作用形成的不同大小的矿物颗粒(砂粒、土粒和胶粒)。成土母质经长期风化形成具有一定厚度的土壤层。

白天阳光普照，大地接收热量后地面的温度逐渐升高；到太阳落山以后，近地面的气温渐渐降低，地表的温度也随之开始下降。可见，日出日落，地温表现出明显的日变化。同时随着四季变化，也存在明显的年际变化。

但是沿着土壤层向下，地温的变化一般随深度增加而减小，呈现出较为恒定的地温特征。浅层地温能是指在地球浅表层数百米内的土壤砂石和地下水中所蕴藏的低温热能，广泛存在于浅表地层的恒温带中，受四季气候的影响较小，土壤温度相对恒定。

浅层地温能分布广泛，储量巨大，再生迅速，开发利用投资少且价值大，符合循环经济发展需求。利用浅层地表温度与气温之间存在的温差，通过提取和释放地层中的能量，可以实现冬季供暖和夏季制冷。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置。所述技术方案如下：

一方面，一种基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，包括水汽输送管道、风兜、太阳能电池、散热网和集水管道；水汽输送管道为“U”型管道，“U”型管道两端分别为进气口和出气口；在进气口和出气口均安装有风兜；太阳能电池安装在水汽输送管道旁，通过电线与水汽输送管道进气口和出气口的风兜分别连接；散热网安装在“U”型管道底部的管道内部；集水管道安装在“U”型管道底部。

进一步的，散热网包括以管道横截面的中心点为中心，沿管道横截面向外发散状排列的多根棒状金属条。

进一步的，金属条在横截面内呈现叠加的“VVV”型线条分布。

进一步的，风兜为扇叶形状。

进一步的，扇叶表面有多孔镂空结构。

进一步的，“U”型管道底部的管道内部还安装有风兜。

进一步的，散热网安装在风兜前。

进一步的，所述集水管道安装在所述“U”型管道底部的所述散热网和所述风兜之间。

进一步的，“U”型管道底部的管道内部等间距安装多组散热网和风兜。

进一步的，风兜为硅藻土制成。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，利用土壤恒低温环境和气温温差，补集局部区域内高湿空气中的水分，能够为缺水或水质差的地区提供较优质的水资源，满足使用需求；本发明结构简单、安装维修方便，节省资金成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置实施例的整体结构示意图；

图2是本发明基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置实施例中风兜的结构图；

图3是本发明基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置实施例中散热网的结构图；

图4是本发明基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置实施例的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例

如图1-3所示，本发明的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置包括：水汽输送管道1、风兜2、太阳能电池3、散热网4和集水管道5。

水汽输送管道1为“U”型管道，“U”型管道两端分别为进气口和出气口，在进气口和出气口均安装有风兜2；“U”型管道底部的管道内部等间距安装多组散热网4和风兜2，散热网4安装在风兜2前。太阳能电池3安装在水汽输送管道1旁，通过电线与水汽输送管道1进气口和出气口的风兜2分别连接；集水管道5安装在“U”型管道底部，散热网4和风兜2之间。

散热网4由两部分组成，在水汽输送管道1外部设计成以散热网4所在处管道横截面的中心点为中心，沿管道横截面向外发散状排列的多根棒状金属条，其中大部分金属条的方向指向下方，向外用以与低层土壤进行热交换。而在水汽输送管道1内部，金属条延伸进入管道内部横截面内后，则呈现叠加的“VVV”型锯齿状分布，不再以棒状出现，用以凝聚水雾。需要说明的是，水汽输送管道1外部金属棒和水汽输送管道1内部“VVV”型锯齿状网是一体并连续的，共同组成了散热网4。

风兜2为扇叶形状，选材使用硅藻土制成，扇叶表面设计有多孔镂空结构。

水汽输送管道1一般采用铸铁管，抗外压能力强，密封效果好，安装简易，管与管之间采用柔性连接方式，具有良好的抗震性和密封性。水汽输送管道1成“U”型，埋在深层土壤中，埋设深度应以管道不受损坏为原则，一般大于0.7米，并应考虑当地土壤温度与土层的关系确定其具体的埋设深度。土壤表层温度变化大，底层变化小，再往下直至趋于稳定，埋在深层土壤中的水汽输送管道1，基于深层土壤温度较低且基本恒定，利用气温和地温温差，依照冷凝原理，分离高湿空气中的水分，为水汽输送管道1中水蒸气转化为液态水提供了条件。

风兜2是由扇叶、轴、轴承和风框等附属元件构成的引流装置，扇叶由硅藻土为主要材料预制制成，环保友好，材料本身亲水，是一种亲水性清洁材料，没有二次污染。区别于传统扇叶，本发明的扇叶表面设计多孔镂空结构，旋转后既能推进气流，同时也能最大限度增加气流通过有效截面，还能在旋转过程中，增加微小水滴碰撞凝聚效果。水汽输送管道1进气口和出气口各设置有一个风兜2，使用太阳能电池3提供动力，分别用于向水汽输送管道1内外的引风和排风，主要起到推进气流作用，捕集周围的高湿空气于水汽输送管道1。水汽输送管道1内部的风兜2则无动力，主要是起到透气并通过被动旋转提升碰撞凝微小水团的效果，一般设计在散热网4之后，散热网4一直由管道外部散热金属棒将热量导入地层土壤，而使内部锯齿形散热网保持较低温度，待被引入水汽输送管道1内部的高湿度水汽经过具有较低温度的锯齿形散热网后，高湿度水汽降温并形成微小水团(水雾)，微水团经过管内风兜2后，通过机械碰撞，使微小水团易于凝聚为更大水团，并吸附于扇叶，水团逐渐增大后并在重力作用下滴落，增强了装置的运作效率。水汽输送管道1内部设置的多组风兜2，依托水汽输送管道1，形成指向一致的导流系统，建立较为稳定的捕集空气中水分系统，使装置持续不断的处于工作状态。

太阳能电池3是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。与水汽输送管道1进气口和出气口的风兜2分别连接，为其提供动力，带动风兜2的扇叶转动，捕集更多的湿空气，成本低，无污染。

散热网4是由金属材料制成的冷凝装置，设置于水汽输送管道1的横截方向。散热网4在管道外侧的散热部分，是以水汽输送管道1横截面为中心向水汽输送管道1外发散状排列的多根棒状金属条；在散热网4的内部，金属条在横截面内呈现叠加的“VVV”型线条分布，通过金属良好的导热性能和结构设计，实现空气持续不断进入水汽输送管道1后，水蒸气分子与散热网4内部“VVV”金属线条碰撞，水分子凝聚并由“VVV”型尖端滴落至水汽输送管道1底部的集水管道5。散热网4整体向管道外侧深层土壤延伸，通过热传递降低管道内部环境温度，增大了装置的运作效率。土壤温度与土层深度成负相关，故散热网4外部向下延伸部分居多，安装方便，热传递有效面积大。

集水管道5为收集装置，一般由铸铁管组成，位于水汽输送管道1下方，通过多个连接管与水汽输送管道1相通，连接管为铸铁管材质并且垂直于管道，使得水汽输送管道1内部的水流在重力作用下流入集水管道5，集水管道5的水可以导向蓄水池6，集水，并进行后续利用。

图4是本发明的工作示意图，图中箭头表示空气流向。白天时，太阳能电池3通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能，向水汽输送管道1的进气口的风兜2和出气口的风兜2提供动力。水汽输送管道1的进气口和出气口的风兜2通过扇叶旋转推进气流，持续不断的搜集周围的高湿空气进入水汽输送管道1；当高湿空气进入水汽输送管道1内部，水蒸气分子与第一个散热网4内部的“VVV”型金属线条碰撞，水分子凝聚并由“VVV”型尖端滴落至水汽输送管道1底部的集水管道5；紧接着，高湿空气流通过第一个无动力的风兜2，带动风兜2的扇叶旋转，既能推进气流，同时也能最大限度增加气流通过有效截面，因风兜2扇叶表面设计多孔镂空结构，使微小水团易于凝聚为更大水团，并吸附于扇叶，水团逐渐增大后在重力作用下滴落，又提升了整个装置的冷凝效果；水汽输送管道1内部可等间距安装多组散热网4与风兜2，即多组散热网4与风兜2形成稳定的导流冷凝系统，将搜集的高湿空气依次通过直至到达水汽输送管道1出气口，增大了装置的运作效率；最后分离出水分子的空气由水汽输送管道1出气口的风兜2排出；多组风兜2建立较为稳定的捕集空气中水分系统，使装置持续不断的处于工作状态。

在夜晚，太阳能电池3无法运作，故风兜2通过风提供动力，扇叶旋转推进气流，持续不断的搜集周围的高湿空气进入水汽输送管道1；水汽输送管道1的运作方式与上述白天管道内部运行方式一致。

本发明的装置白天黑夜均能够正常运作，提高了积水量，整个捕集水分过程不产生任何能耗，经济实用。收集的水分可以导向一个蓄水池6，集水并进行后续利用。

本发明的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，利用土壤恒低温环境和气温温差，补集局部区域内高湿空气中的水分，能够为缺水或水质差的地区提供较优质的水资源，满足使用需求；本发明结构简单、安装维修方便，节省资金成本。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，包括水汽输送管道、风兜、太阳能电池、散热网和集水管道；所述水汽输送管道为“U”型管道，所述“U”型管道两端分别为进气口和出气口；在所述进气口和所述出气口均安装有风兜；所述太阳能电池安装在所述水汽输送管道旁，通过电线与所述水汽输送管道进气口和出气口的风兜分别连接；所述散热网安装在所述“U”型管道底部的管道内部；所述集水管道安装在所述“U”型管道底部。

2.如权利要求1所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述散热网包括以管道横截面的中心点为中心，沿管道横截面向外发散状排列的多根棒状金属条。

3.如权利要求2所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述金属条在横截面内呈现叠加的“VVV”型线条分布。

4.如权利要求3所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述风兜为扇叶形状。

5.如权利要求4所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述扇叶表面有多孔镂空结构。

6.如权利要求5所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述“U”型管道底部的管道内部还安装有风兜。

7.如权利要求6所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述散热网安装在所述风兜前。

8.如权利要求7所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述集水管道安装在所述“U”型管道底部的所述散热网和所述风兜之间。

9.如权利要求8所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述“U”型管道底部的管道内部等间距安装多组散热网和风兜。

10.如权利要求9所述的基于深层土壤恒低温捕集高湿空气中水分的装置，其特征在于，所述风兜为硅藻土制成。