CN108999242B - 联动式双效冷凝空气取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气取水设备技术领域，公开了一种联动式双效冷凝空气取水装置，包括：叶片、发电机组、送风组件、热泵机组和冷凝管；热泵机组包括：内部含有冷媒的盘管；盘管置于冷凝管内；叶片固连在发电机组的低速转轴上，叶片在风力的作用下驱使发电机组的低速转轴转动，使发电机组产生电能；发电机组与热泵机组电连接，以驱动热泵机组循环制冷，使盘管内的冷媒提供冷量；盘管内的冷媒提供的冷量、以及土壤与空气之间的温差产生的冷量共同使空气中的水蒸气冷凝形成水。本发明的联动式双效冷凝空气取水装置，能够实现装置送风与风力发电、热泵循环制冷联动，自然低温土壤与热泵循环双效冷凝，大幅提高能源利用效率与空气取水效率。

Description

联动式双效冷凝空气取水装置

技术领域

本发明涉及空气取水设备技术领域，特别是涉及一种联动式双效冷凝空气取水装置。

背景技术

缺水是世界性问题，它不仅影响到农业生产，而且关系到饮水问题。在我国西北沙漠干旱区、南海岛礁及其他缺水地区确保持续有效的淡水供应是迫切需要解决的问题。空气取水技术由于能够打破地域局限性，只要有空气的地方就有水源，是解决水资源短缺有效的途径。

空气取水技术主要包括压缩空气法、聚雾取水法、冷凝结露法以及吸附法等。其中，冷凝结露法是最常见的方法，有效且过程简单，原理是冷却湿空气使其达到露点以下从而制取冷凝水。在冷凝取水过程中，成本控制、能耗及取水效率是需要考虑的因素。

目前报道的空气冷凝取水设备通常引入太阳能、风能或风光互补作为冷凝取水的驱动能源，以此降低能耗；而制冷措施通常选择半导体制冷或包含压缩机、冷凝器及蒸发器等组件的热泵循环制冷等。为进一步降低空气取水能耗并控制设备投资成本，一些空气取水设备通过深埋地下利用湿热空气与温度较低的深层土壤的温差进行冷凝取水。例如，中国专利公告号CN203934432U公开的一种风光互补空气冷凝水自动灌溉装置，是利用自身配备的光伏电池组与风力发电机组联合发电，供风扇将空气源源不断地送入地下冷凝管，利用大气与土壤的温度差进行冷凝取水。然而大气与土壤的温差有限，且受气候变化影响稳定性差，仅在环境气温较高的季节才能实现冷凝取水，因此取水效率较低；同时该装置的风光互补产生的电能全部用在了驱动进气风扇上，然而增加进气风扇的能量投入并不能提高冷凝取水效率，能源利用效率低。实际上，对于此类利用土气温差进行空气取水的装置，更需要关注的是该如何提升大气与土壤及冷凝管壁的温差，即在尽可能长的时间范围内保证足够的冷凝取水温差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有技术中空气取水设备能源利用率低、取水效率低的技术问题，提供一种联动式双效冷凝空气取水装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种联动式双效冷凝空气取水装置，包括：叶片、发电机组、送风组件、热泵机组和冷凝管；

所述热泵机组包括：内部含有冷媒的盘管；所述盘管置于所述冷凝管内、且紧贴在所述冷凝管的内侧壁上；

所述叶片固连在所述发电机组的低速转轴上，所述叶片在风力的作用下驱使所述发电机组的低速转轴转动，使所述发电机组产生电能；

所述发电机组与所述热泵机组电连接，以驱动所述热泵机组循环制冷，使所述盘管内的冷媒提供冷量；

所述送风组件包括：风扇和风扇转轴，所述风扇设置在所述冷凝管的进气口处，并通过所述风扇转轴固连在所述发电机组的低速转轴远离所述叶片的一端，在所述低速转轴的带动下转动，以向所述冷凝管内输送空气，完成送风与发电、制冷联动；

所述冷凝管设置在地下土壤中，并设有供空气进入的进气口，所述盘管内的冷媒提供的冷量、以及所述土壤与所述空气之间的温差产生的冷量共同使所述空气中的水蒸气冷凝形成水，完成双效冷凝。

进一步地，所述送风组件还包括：送风管和回风管；

所述送风管的一端与所述冷凝管的进气口连通，另一端伸出地面；所述风扇设置在所述送风管另一端的进风口处；

当所述风扇正转时，所述风扇通过所述送风管向所述冷凝管输送空气，所述回风管排出所述冷凝管内的空气；

当所述风扇反转时，所述风扇通过所述送风管抽出所述冷凝管内的空气，所述回风管向所述冷凝管内输送空气。

进一步地，所述回风管的第一端伸入所述冷凝管内、且端部靠近所述冷凝管的底部；所述回风管的第二端伸入所述送风管内、且端部贯穿所述送风管伸出地面管段的管壁。

进一步地，所述送风管由PVC材质制成；所述冷凝管由不锈钢材质制成；所述回风管伸入所述冷凝管的部分由不锈钢材质制成；所述回风管伸入所述送风管的部分由PVC材质制成。

进一步地，所述送风组件还包括：风扇护圈和变径管；

所述风扇护圈围设在所述风扇外；所述风扇护圈通过所述变径管固定在所述送风管的远离所述冷凝管的一端端口处，其另一端为敞口端；

进一步地，所述风扇护圈的敞口端处设有过滤网；所述风扇转轴穿过所述过滤网与设置在所述风扇护圈内的所述风扇连接。

进一步地，所述联动式双效冷凝空气取水装置还包括：支撑台架；所述支撑台架的一端固连在所述风扇护圈的敞口端处，其另一端支撑固定所述发电机组。

进一步地，所述叶片为垂直轴风力叶片。

进一步地，所述发电机组通过逆变控制器与所述热泵机组电连接。

进一步地，所述联动式双效冷凝空气取水装置还包括：蓄水槽和水泵；所述蓄水槽设置在地下土壤中，且与所述冷凝管的底部连通；所述水泵安装于所述蓄水槽内，用于将所述蓄水槽内的冷凝水排出。

(三)有益效果

本发明的联动式双效冷凝空气取水装置，在风力的作用下驱使叶片带动发电机组的低速转轴转动，进而带动风扇转动，在将风能转化为电能的同时完成装置送风，并利用风力发电同步驱动热泵机组循环制冷，实现送风、发电、制冷联动；同时自然低温土壤与热泵循环双效冷凝保证了足够的冷凝制水温差；联动式双效冷凝空气取水最终大幅提高能源利用效率与空气取水效率。

与现有的利用大气与土壤温差进行空气冷凝取水的装置相比，本发明的装置优化了能源分配，风能不仅仅用于驱动风扇送风，它同时转化为装置送风的机械能及驱动热泵循环制冷的电能，可在一年中更长的时间范围内保证足够的冷凝制水温差，能源利用效率及空气取水效率均大幅提升；与现有的利用风力发电与热泵循环制冷相结合的联动式双效冷凝空气取水装置相比，本发明的装置额外利用了深层土壤的自然冷量，使得冷凝制水过程更加充分稳定，能源利用效率及空气取水效率均大幅提升。

附图说明

图1是本发明联动式双效冷凝空气取水装置一实施例的结构示意图。

图中包括：

1：叶片； 2：发电机组； 3：送风组件；

4：热泵机组； 5：冷凝管； 6：支撑台架；

7：逆变控制器； 8：蓄水槽； 9：水泵；

31：风扇； 32：风扇转轴； 33：送风管；

34：回风管； 35：风扇护圈； 36：变径管；

41：盘管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明根据工程与试验研究得知，利用大气与土壤温差进行冷凝取水的装置，其取水效率的提升不在于增加进气风扇的能量投入，反而应该适当的减缓进风速率以实现湿热空气与冷凝管壁的充分换热。为提高空气取水效率，关键在于如何在尽可能长的时间范围内保证足够的冷凝制水温差。鉴于此，本发明提供了一种联动式双效冷凝空气取水装置，图1是本发明联动式双效冷凝空气取水装置一实施例的结构示意图，如图1所示，该空气取水装置包括：叶片1、发电机组2、送风组件3、热泵机组4和冷凝管5；热泵机组4包括：内部含有冷媒的盘管41；盘管41置于所述冷凝管内、且紧贴在冷凝管5的内侧壁上；叶片1固连在发电机组2的低速转轴上，叶片1在风力的作用下驱使发电机组2的低速转轴转动，使发电机组2产生电能；发电机组2经过逆变控制器7与热泵机组4电连接，以驱动热泵机组4循环制冷，使盘管41内的冷媒提供冷量；送风组件3包括：风扇31和风扇转轴32，所述风扇31设置在所述冷凝管5的进气口处，并通过所述风扇转轴32固连在所述发电机组2的低速转轴远离所述叶片1的一端，在所述低速转轴的带动下转动，以向所述冷凝管内输送空气，实现送风与发电、制冷联动；冷凝管5设置在地下土壤中，盘管41提供的冷量、以及土壤与进入的空气之间的温差产生的冷量共同使进入的空气中的水蒸气冷凝形成水，实现双效制冷。

其中，热泵机组4为能够通电实现循环制冷的装置，例如，空气源热泵机组；热泵机组4按制冷工况运行，盘管41作蒸发器，低温低压液态冷媒进入盘管41气化变成低温低压气体吸收大量热量从而为进入冷凝管5内的湿热空气提供冷量，冷凝空气中的水蒸气形成水。

叶片1为垂直轴风力叶片，可由尼龙或其他塑料制作而成，叶片1的长度优选在60cm左右，宽12cm左右。当自然风力大于2m/s时，叶片1开始转动。

本实施例可设置多个叶片1，多个叶片1环形阵列固定在发电机组2的低速转轴上，可带动低速转轴同步转动，从而将机械能转化为电能。发电机组2可选用三相交流永磁同步发电机组，额定功率200W左右，输出电压12V左右，内设有齿轮增速机构。发电机组2外接有逆变控制器7，并通过逆变控制器7与热泵机组4电连接。逆变控制器7包含实现风力发电整流、蓄电及逆变等功能的组件，保证稳压供电。

在工作过程中，风扇转轴32的一端固连在发电机组2的低速转轴上，可随低速转轴转动，风扇转轴32的另一端与风扇31的中心轴固连，带动风扇31转动，低速转轴是由风能驱使叶片1带动，不仅能使发电机组2产生电能，还能传递机械能，使风扇31送风，即装置在产生电能驱使热泵机组4循环制冷的同时实现装置送风，充分利用了能源资源。风扇31优选为轴流风扇。

本发明实施例的联动式双效冷凝空气取水装置，在风力的作用下驱使叶片1带动发电机组2的低速转轴转动，进而带动风扇31转动，实现装置送风与风力发电驱动的热泵循环制冷联动，即装置能够利用风能同时进行装置送风与风力发电，并利用风力发电同步驱动热泵循环制冷，实现送风与发电、制冷联动；自然低温土壤与热泵机组4循环的双效制冷保证了进入冷凝管5的湿热空气与冷凝管壁在一年中较长时间内有足够的冷凝制水温差；总体上该装置能够实现：装置送风进入冷凝管会有更大几率获得有效冷凝取水温差或更大程度的冷凝析出水，因此大幅提高能源利用效率与空气取水效率。

考虑到根据自然风向的变化，风扇31会发生正转或反转，当正转时，风扇31向冷凝管5内送风，当反转时，风扇31会进行抽风操作，为了能够不受风向的限制及影响，基于上述实施例，本实施例中，送风组件3还包括：送风管33和回风管34。其中，送风管33的一端与冷凝管5的进气口连通，另一端伸出地面，送风管33优选PVC等导热性差的材料，以防止大气高温传递至冷凝管5。风扇31设置在送风管33另一端的进风口处。由于自然风的方向并不固定，叶片1会随着风向进行正转或反转，进而通过低速转轴带动风扇31正转或反转。当风扇31正转时，风扇31通过送风管33向冷凝管5输送空气，回风管34排出冷凝管5内的空气。当风扇31反转时，风扇31通过送风管33抽出冷凝管5内的空气，回风管34向冷凝管5内输送空气。

具体地，回风管34的第一端伸入所述冷凝管5内、且端部靠近所述冷凝管5的底部；回风管34的第二端伸入送风管33内、且端部贯穿送风管33伸出地面管段的管壁。

一般情况下，回风管34底端应距冷凝管5底端30cm左右。为了增加冷凝管5内下行的湿热空气与回风管34内上行的干冷空气之间的热交换，回风管34伸入冷凝管5的部分由不锈钢材质制成，回风管34伸入送风管33的部分由PVC材质制成。

需要说明的是，在其他实施例中，也可在低速转轴上设置限位装置，用于限制叶片1和风扇31的转动方向。

进一步地，该送风组件3还包括：风扇护圈35和变径管36。风扇护圈35围设在风扇31外，风扇护圈35的一端通过变径管36固定在送风管33远离冷凝管5的一端端口处，另一端为敞口端，与大气连通。其中，变径管36可以增大风扇31的送风量。此外，风扇护圈35的敞口端上还可覆盖过滤网，例如纱网，以防止杂物混入，风扇转轴32穿过过滤网与设置在风扇护圈35内的风扇31连接。

进一步地，联动式双效冷凝空气取水装置还包括：支撑台架6；支撑台架6的一端固连在风扇护圈35的敞口端处，其另一端支撑固定发电机组2，用于将叶片1、发电机组2及风扇31支撑固定在风扇护圈35的敞口端上方，使其悬空，风扇31在风扇护圈35内随叶片1转动，将空气从风扇护圈35的敞口端处吸入送风管33内或排出送风管33外。

此外，联动式双效冷凝空气取水装置还包括：蓄水槽8和水泵9。蓄水槽8设置在地下土壤中、且与冷凝管5的底部连通，水泵9安装于蓄水槽8内，用于将蓄水槽8内的冷凝水排出。为了避免蓄水槽8中水位过高，影响联动式双效冷凝空气取水装置的冷凝取水效果，蓄水槽8中还设有水位计，用于测量冷凝水量。

联动式双效冷凝空气取水装置在工作过程中，自然风带动叶片1旋转，发电机组2的低速转轴同步转动，从而使发电机组2发电，同步驱动热泵机组4循环制冷，盘管41内降温使冷凝管5壁形成低温，同时低速转轴带动风扇转轴32及风扇31转动，往冷凝管5内送风，进入冷凝管5内的湿热空气与冷凝管壁充分换热，冷凝管壁的冷量来自冷凝管外的自然低温土壤以及内侧壁的热泵机组盘管41，实现装置送风与风力发电驱动的热泵循环制冷联动、自然低温土壤与热泵制冷循环双效冷凝取水。冷凝管5内的湿热空气被冷却降至露点温度以下并在冷凝管5的内壁及盘管41表面凝结析出水珠，向下滑落至蓄水槽8，然后干冷空气通过回风管34重新回到大气环境，实现循环取水。

与现有的利用大气与土壤温差进行冷凝取水的装置相比，本发明的空气取水装置优化了能源分配，风能不仅仅用于驱动风扇送风，它同时转化为装置送风的机械能及驱动热泵循环制冷的电能，可在一年中更长的时间范围内保证足够的冷凝制水温差，能源利用效率及空气取水效率均大幅提升；与现有的利用风力发电与热泵循环制冷相结合的制水装置相比，本发明的装置额外利用了深层土壤的自然冷量，使得冷凝制水过程更加充分稳定，能源利用效率及空气取水效率均大幅提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)

1.一种联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，包括：叶片、发电机组、送风组件、热泵机组和冷凝管；

所述热泵机组包括：内部含有冷媒的盘管；所述盘管置于所述冷凝管内、且紧贴在所述冷凝管的内侧壁上；

所述叶片固连在所述发电机组的低速转轴上，所述叶片在风力的作用下驱使所述发电机组的低速转轴转动，使所述发电机组产生电能；

所述发电机组与所述热泵机组电连接，以驱动所述热泵机组循环制冷，使所述盘管内的冷媒提供冷量；

所述送风组件包括：风扇和风扇转轴，所述风扇设置在所述冷凝管的进气口处，并通过所述风扇转轴固连在所述发电机组的低速转轴远离所述叶片的一端，在所述低速转轴的带动下转动，以向所述冷凝管内输送空气；

所述冷凝管设置在地下土壤中，并设有供空气进入的进气口，所述盘管内的冷媒提供的冷量、以及所述土壤与所述空气之间的温差产生的冷量共同使所述空气中的水蒸气冷凝形成水；

所述送风组件还包括：送风管和回风管；

所述送风管的一端与所述冷凝管的进气口连通，另一端伸出地面；所述风扇设置在所述送风管另一端的进风口处；

当所述风扇正转时，所述风扇通过所述送风管向所述冷凝管输送空气，所述回风管排出所述冷凝管内的空气；

当所述风扇反转时，所述风扇通过所述送风管抽出所述冷凝管内的空气，所述回风管向所述冷凝管内输送空气；

所述回风管的第一端伸入所述冷凝管内、且端部靠近所述冷凝管的底部；所述回风管的第二端伸入所述送风管内、且端部贯穿所述送风管伸出地面管段的管壁。

2.根据权利要求1所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述送风管由PVC材质制成；所述冷凝管由不锈钢材质制成；所述回风管伸入所述冷凝管的部分由不锈钢材质制成；所述回风管伸入所述送风管的部分由PVC材质制成。

3.根据权利要求1所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述送风组件还包括：风扇护圈和变径管；

所述风扇护圈围设在所述风扇外；所述风扇护圈的一端通过所述变径管固定在所述送风管的远离所述冷凝管的一端端口处，其另一端为敞口端。

4.根据权利要求3所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述风扇护圈的敞口端处设有过滤网；所述风扇转轴穿过所述过滤网与设置在所述风扇护圈内的所述风扇连接。

5.根据权利要求3所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述联动式双效冷凝空气取水装置还包括：支撑台架；

所述支撑台架的一端固连在所述风扇护圈的敞口端处，其另一端支撑固定所述发电机组。

6.根据权利要求1所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述叶片为垂直轴风力叶片。

7.根据权利要求1所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述发电机组通过逆变控制器与所述热泵机组电连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的联动式双效冷凝空气取水装置，其特征在于，所述联动式双效冷凝空气取水装置还包括：蓄水槽和水泵；所述蓄水槽设置在地下土壤中，且与所述冷凝管的底部连通；所述水泵安装于所述蓄水槽内，用于将所述蓄水槽内的冷凝水排出。

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