CN109594612B - 基于吸附的外热式小型空气取水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于吸附的外热式小型空气取水装置。该小型空气取水装置适用于博物馆的小型恒温恒湿空调展柜中，为文物保护提供保障。该小型空气取水装置包括加热带、吸附床、蓄水池、散热风机、吸附床外壁、底座等。吸附阶段，进风风机工作，空气通过进风口进入吸附床外壁与外多孔筒之间的环形流道，进入吸附床内，经吸附剂后由中心流道排出；在脱附取水阶段，空气被加热带加热后，流经吸附床加热吸附剂，从而带走吸附阶段聚集的水分，高湿度的空气遇冷表面冷凝出水珠，散热风机带走多余的热量，水珠凝聚后沿着壁面流至蓄水池，实现取水的功能。该发明具有体积小、结构简单、部件紧凑、无阀门等易损部件、在低露点温度下仍能取水等优点。

Description

基于吸附的外热式小型空气取水装置及方法

技术领域

本发明属于空气取水领域，具体涉及一种基于吸附的外热式小型空气取水装置及其方法。

背景技术

环境的温湿度对于文物的保存有着至关重要的影响，博物馆作为珍贵文物存储和展览的场所，它的温湿度应当维持在适宜保存文物的范围内。针对博物馆这一特殊要求，馆内不仅有承担日常热湿负荷的中央空调系统，也会配备专门用于库房和展厅的恒温恒湿空调系统。

博物馆中的文物有外出展出及独立展出的需求，因此在博物馆展厅中常常会使用小型恒湿温度展柜，此类展柜的加湿过程是通过空气与水直接接触热湿交换实现的，因此需要配备水箱。现有的人工加水费时费力，因此需要自动补水装置。小型展柜体积一般在0.5～1.5m3范围内且经常移动，因此自动补水装置必须结构紧凑。

空气中含有大量水分，因此空气中的水气可以成为自动补水装置的取之不尽用之不竭的水源，且取水过程不受时间和空间的限制，具有很大的灵活性与可靠性。以往的空气取水方法有以下不足和缺陷：制冷结露法的初投资和耗能较大，不适用于博物馆小型展柜中；聚雾取水法对环境湿度要求较高；吸收式取水设备体积庞大。现有的吸附取水系统存在取水周期长、体积不小、结构复杂、不适用于低露点温度工况等问题，因此，当前尚无可解决博物馆小型恒湿展柜补水问题的自动空气取水解决方案。所以研发能够在较宽环境湿度范围下尤其是低露点情况下空气取水装置，对文物保护具有很高的实用价值和实际意义。小型空气取水装置还需要满足结构紧凑、移动便捷、高效可靠、适用性广的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构紧凑、移动便捷、高效可靠、适用性广的基于吸附的外热式小型空气取水装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，具有吸附工况和脱附工况；所述空气取水装置包括散热器、冷凝取水部分、吸附床、加热保温部分和进口部分；

所述吸附床为一筒体，包括内多孔筒、外多孔筒、吸附床外壁、吸附床顶面、吸附床底面及外多孔筒底面；吸附床外壁顶部与底部分别连接吸附床顶面及吸附床底面；外多孔筒和内多孔筒为薄圆柱形壳体，壳体均匀分布圆孔；外多孔筒同轴嵌套于吸附床外壁内；外多孔筒上端与吸附床顶面相连，外多孔筒底部连接外多孔筒底面；内多孔筒同轴嵌套于外多孔筒内；内多孔筒上端与下端分别与吸附床顶面与外多孔筒底面相连；内多孔筒内为中心流道；内多孔筒与外多孔筒之间的夹层为吸附剂填充空间，吸附剂填充空间内填充吸附剂；外多孔筒与吸附床外壁之间的夹层为环形流道；

所述进口部分包括进风口、进风风机和底座；所述进风口位于吸附床底面下方，进风口通过吸附床底面的孔洞，经吸附床底面与外多孔筒底面间的夹层与环形流道连通；进风口下方为进风风机；底座位于吸附床底面下方，并与吸附床底面连接；

加热保温部分包括加热带；所述加热带包覆于吸附床外壁；

所述冷凝取水部分包括均匀分布的蓄水池及支撑蓄水池的上支撑圆筒；上支撑圆筒位于吸附床上方，且与吸附床外壁相连；上支撑圆筒上端连有散热器；上支撑圆筒内部上方放置蓄水池，下方与吸附床顶面形成一静压舱，静压舱通过吸附床顶面的孔洞与中心流道连通；上支撑圆筒内还设有一竖直向上风道；风道下端与静压舱相通；上支撑圆筒侧壁上均匀分布若干出风口及一个出水口；

所述散热器包括散热风机、散热肋片及环形肋片；环形肋片围绕于上支撑圆筒的风道上端出口，且位于所述蓄水池上方；环形肋片上端还连有若干散热肋片；散热肋片上端设有散热风机。

作为优选，所述环形肋片共有三个同轴圆环组成，所述圆环还设有留有空气流通孔。空气流经所述环形肋片后经所述出风口排出。

作为优选，所述散热风机在散热肋片正上方，且二者通过螺钉连接在一起。

作为优选，所述进风风机通过螺钉与底座连接。

作为优选，加热保温部分还包括保温棉；所述保温棉包覆于加热带外防止热量散发。

作为优选，所述吸附剂为硅胶。

本发明还提供了一种基于上述装置的空气取水方法。具体为：

在吸附工况下，进风风机打开，加热带及散热风机关闭；空气在所述进风风机的作用下，通过所述进风口进入所述环形流道，进而通过外多孔筒的圆孔，空气中的水蒸气被所述吸附剂填充空间中的吸附剂吸附，接着通过内多孔筒的圆孔进入中心流道，最终经由出风口排出；

在脱附工况下，所述进风风机关闭，所述加热带及散热风机开启；吸附床外壁被加热后，将环境中通过自然对流进入环形流道的空气加热；空气被加热过后经过外多孔筒进入吸附剂填充空间，高温空气加热其中的吸附剂，致使吸附剂内的水分释放实现脱附；随后经过内多孔筒流经中心流道，在上支撑圆筒与吸附床外壁形成的静压舱内均流；然后高温高湿的空气遇到冰冷的环形肋片，随即冷凝出水珠流至蓄水池，凝结出的水经过出水口排出，同时换热之后的高温空气经由出风口排出；散热风机通过强制对流增强散热肋片的换热，降低环形肋片的温度。

本发明具有以下有益效果：

在吸附工况和脱附工况下，本装置的空气流道相同，共用进风口、出风口、环形流道和中心流道，且无阀门等切换部件，避免了阀门带来的系统复杂性和不确定性，不易损坏。本装置结构紧凑，空间利用率高，装置中的吸附床采用了立式径向吸附床，既保证了空气在吸附床内的均匀流动，又减小了空气的流动阻力，从而减小了进风风机能耗。该装置移动便捷，总重量不足1.5kg，通过5cm高的支架支撑，所用风机和加热带都可通过小型恒湿文物展柜原有变压器供电，无须另外配备其他设备。装置外围包裹了一定厚度的保温棉，避免了吸附床内部高温对于小型文物展柜其他设备的影响。装置只需12V电压供电，避免了使用过程中的安全隐患。而在吸附剂选择方面，该装置使用普通硅胶作为其吸附材料。该装置适用性广，因其基于吸附式的工作原理，装置在较宽环境湿度范围内亦可正常工作。

综合以上分析，与现有技术相比，本发明的基于吸附的外热式小型空气取水装置具有结构紧凑、移动便捷、高效可靠、适用性广的优点，满足博物馆小型展柜的取水需求。

附图说明

图1为基于吸附的外热式小型空气取水装置的结构示意图。

图2是基于吸附的外热式小型空气取水装置在脱附工况下的工作流程图。

图中：散热风机1、散热肋片2、环形肋3、出风口4、出水口5、蓄水池6、上支撑圆筒7、中心流道8、内多孔筒9、吸附剂填充空间10、外多孔筒11、环形流道12、吸附床外壁13、加热带14、保温棉15、进风口16、进风风机17、底座18。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及其具体实施例进行详细描述。

图1所示为本发明一较佳实施例。基于吸附的外热式小型空气取水装置，具有吸附工况和脱附工况。其主要可以分为散热器、冷凝取水部分、吸附床、加热保温部分和进口部分。

吸附床为一筒体，包括内多孔筒9、外多孔筒11、吸附床外壁13、吸附床顶面、吸附床底面及外多孔筒底面。吸附床外壁13顶部与底部分别焊接吸附床顶面及吸附床底面。外多孔筒11和内多孔筒9为薄圆柱形壳体，壳体均匀分布圆孔。外多孔筒11同轴嵌套于吸附床外壁13内。外多孔筒11上端与吸附床顶面相连，外多孔筒11底部焊接外多孔筒底面。内多孔筒9同轴嵌套于外多孔筒11内。内多孔筒9上端与下端分别与吸附床顶面与外多孔筒底面相连。内多孔筒9内为中心流道8。内多孔筒9与外多孔筒11之间的夹层为吸附剂填充空间10，吸附剂填充空间10内填充吸附剂。吸附剂可选为硅胶。外多孔筒11与吸附床外壁13之间的夹层为环形流道12。同轴嵌套可以保证吸附床的对称性，提高吸附和脱附效率。吸附床底面与外多孔筒底面之间的夹层为预留的进风通道，保证气流的稳定，同时连通环形流道12。加热保温部分包括加热带14。加热带14包覆于吸附床外壁13。加热带14外部包裹一定厚度的保温棉，以减少装置与空气的换热，减少能量损失，降低装置的危险系数。

进口部分包括进风口16、进风风机17和底座18。进风口16位于吸附床底面下方，进风口16通过吸附床底面的孔洞，经吸附床底面与外多孔筒底面间的夹层与环形流道12连通。进风口16下方为进风风机17，进风风机17通过螺钉与底座18上的螺纹孔连接。底座18底座18支撑整个装置，位于吸附床底面下方，并与吸附床底面焊接。

冷凝取水部分包括均匀分布的蓄水池6及支撑蓄水池的上支撑圆筒7。上支撑圆筒7为薄壁结构体，位于吸附床上方，且与吸附床外壁13相连。上支撑圆筒7一侧开有出水口5，用于冷凝水的排出，上支撑圆筒7侧壁上部均匀分布的圆孔作为空气通道。上支撑圆筒7上端连有散热器。上支撑圆筒7内部下方与吸附床顶面形成一静压舱，从中心流道流出的空气在此空间达到稳流的作用。静压舱通过吸附床顶面的孔洞与中心流道8连通。上支撑圆筒7内还设有一竖直向上风道，风道与内多孔筒9内径相同。风道下端与静压舱相通。上支撑圆筒7内竖直向上的风道与静压舱顶部通过过盈配合同轴连接。风道上设有有突出平台，用于支撑蓄水池6。蓄水池6的一侧开有出水口，与上支撑圆筒7的出水口5通过管道连接在一起。突出平台与静压舱间留有一段空隙，用于放置保温棉、云母片等保温材料，以减少热量的损失。

散热器包括散热风机1、散热肋片2及环形肋片3，散热器均由导热率高的材料制成。环形肋片3围绕于上支撑圆筒7的风道上端出口，且位于蓄水池6上方。环形肋片3共有三个同轴圆环组成，圆环还设有留有空气流通孔。空气流经环形肋片后经出风口排出。蓄水池6的上端与环形肋片3下端齐平，且蓄水池6的直径大于环形肋片3的最大圆环直径。环形肋片3上端还连有若干散热肋片2。若干散热肋片2均匀竖直分布，并排成阵列，用于增大换热面积、增强换热效果。散热风机1在散热肋片2正上方，且二者通过螺钉连接在一起。

本实施例的装置在吸附工况和脱附工况下的空气流道相同，且均由立式径向向心流动，依次经过环形流道12与中心流道8。所述进风风机17，在吸附工况工作，在脱附工况不工作。加热带14、及散热风机1在脱附工况工作，在吸附工况不工作。进风风机17和散热风机1可以为轴流式风机。加热带14可以为一片式带状，缠绕在外吸附床外壁面13上，可以使用扎带固定。保温棉15还可以替换为有机材料和无机材料的组合，尽量选择使用导热系数小的材料，以保证保温效果和减小装置横向体积。

本装置的空气取水方法具体如下：

在吸附工况下，进风风机17打开，加热带14及散热风机1关闭；空气在所述进风风机17的作用下，通过所述进风口16进入所述环形流道12，进而通过外多孔筒11的圆孔，空气中的水蒸气被所述吸附剂填充空间10中的吸附剂吸附，接着通过内多孔筒9的圆孔进入中心流道8，最终经由出风口4排出；

在脱附工况下，所述进风风机17关闭，所述加热带14及散热风机1开启；吸附床外壁13被加热后，将环境中通过自然对流进入环形流道的空气加热；空气被加热过后经过外多孔筒11进入吸附剂填充空间10，高温空气加热其中的吸附剂，致使吸附剂内的水分释放实现脱附；随后经过内多孔筒9流经中心流道8，在上支撑圆筒7与吸附床外壁13形成的静压舱内均流；然后高温高湿的空气遇到冰冷的环形肋片3，随即冷凝出水珠流至蓄水池6，凝结出的水经过出水口5排出，同时换热之后的高温空气经由出风口4排出；散热风机1通过强制对流增强散热肋片2的换热，降低环形肋片3的温度。

本发明通过控制加热带、进风风机、散热风机的工作与否实现吸附工况和脱附工况的转变。根据环境温湿度来确定吸附和脱附时间，通过使用时间继电器或开关转换电器等来控制加热带、进风风机、散热风机的工作从而控制装置的工作工况。在吸附工况和脱附工况下，装置共用同一空气流道，无阀门等结构，装置结构简单紧凑，减少了由于阀门等切换结构带来的不确定性和损坏。装置中的用电设备，例如加热带、进风风机、散热风机等，只需12V电压供电，避免了使用过程中的安全隐患。而在吸附剂选择方面，该装置使用普通硅胶作为其吸附材料。该装置适用性广，因其基于吸附式的工作原理，装置在较宽环境湿度范围内亦可正常工作。

综合以上分析，与现有技术相比，本发明的基于吸附的外热式小型空气取水装置具有结构紧凑、移动便捷、高效可靠、适用性广的优点，满足博物馆小型展柜的取水需求。

Claims (7)

1.一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，其特征在于：具有吸附工况和脱附工况；所述空气取水装置包括散热器、冷凝取水部分、吸附床、加热保温部分和进口部分；

所述吸附床为一筒体，包括内多孔筒(9)、外多孔筒(11)、吸附床外壁(13)、吸附床顶面、吸附床底面及外多孔筒底面；吸附床外壁(13)顶部与底部分别连接吸附床顶面及吸附床底面；外多孔筒(11)和内多孔筒(9)为薄圆柱形壳体，壳体均匀分布圆孔；外多孔筒(11)同轴嵌套于吸附床外壁(13)内；外多孔筒(11)上端与吸附床顶面相连，外多孔筒(11)底部连接外多孔筒底面；内多孔筒(9)同轴嵌套于外多孔筒(11)内；内多孔筒(9)上端与下端分别与吸附床顶面与外多孔筒底面相连；内多孔筒(9)内为中心流道(8)；内多孔筒(9)与外多孔筒(11)之间的夹层为吸附剂填充空间(10)，吸附剂填充空间(10)内填充吸附剂；外多孔筒(11)与吸附床外壁(13)之间的夹层为环形流道(12)；

所述进口部分包括进风口(16)、进风风机(17)和底座(18)；所述进风口(16)位于吸附床底面下方，进风口(16)通过吸附床底面的孔洞，经吸附床底面与外多孔筒底面间的夹层与环形流道(12)连通；进风口(16)下方为进风风机(17)；底座(18)位于吸附床底面下方，并与吸附床底面连接；

加热保温部分包括加热带(14)；所述加热带(14)包覆于吸附床外壁(13)；

所述冷凝取水部分包括均匀分布的蓄水池(6)及支撑蓄水池的上支撑圆筒(7)；上支撑圆筒(7)位于吸附床上方，且与吸附床外壁(13)相连；上支撑圆筒(7)上端连有散热器；上支撑圆筒(7)内部上方放置蓄水池(6)，下方与吸附床顶面形成一静压舱，静压舱通过吸附床顶面的孔洞与中心流道(8)连通；上支撑圆筒(7)内还设有一竖直向上风道；风道下端与静压舱相通；上支撑圆筒(7)侧壁上均匀分布若干出风口(4)及一个出水口(5)；

所述散热器包括散热风机(1)、散热肋片(2)及环形肋片(3)；环形肋片(3)围绕于上支撑圆筒(7)的风道上端出口，且位于所述蓄水池(6)上方；环形肋片(3)上端还连有若干散热肋片(2)；散热肋片(2)上端设有散热风机。

2.根据权利要求1所述的一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，其特征在于：所述环形肋片(3)共有三个同轴圆环组成，所述圆环还设有留有空气流通孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，其特征在于：所述散热风机(1)在散热肋片(2)正上方，且二者通过螺钉连接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，其特征在于：所述进风风机(17)通过螺钉与底座(18)连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，其特征在于：加热保温部分还包括保温棉(15)；所述保温棉(15)包覆于加热带(14)外防止热量散发。

6.根据权利要求1所述的一种基于吸附的外热式小型空气取水装置，其特征在于：所述吸附剂为硅胶。

7.一种如权利要求1～6任一所述的基于吸附的外热式小型空气取水装置的空气取水方法，其特征在于：

在吸附工况下，进风风机(17)打开，加热带(14)及散热风机(1)关闭；空气在所述进风风机(17)的作用下，通过所述进风口(16)进入所述环形流道(12)，进而通过外多孔筒(11)的圆孔，空气中的水蒸气被所述吸附剂填充空间(10)中的吸附剂吸附，接着通过内多孔筒(9)的圆孔进入中心流道(8)，最终经由出风口(4)排出；

在脱附工况下，所述进风风机(17)关闭，所述加热带(14)及散热风机(1)开启；吸附床外壁(13)被加热后，将环境中通过自然对流进入环形流道的空气加热；空气被加热过后经过外多孔筒(11)进入吸附剂填充空间(10)，高温空气加热其中的吸附剂，致使吸附剂内的水分释放实现脱附；随后经过内多孔筒(9)流经中心流道(8)，在上支撑圆筒(7)与吸附床外壁(13)形成的静压舱内均流；然后高温高湿的空气遇到冰冷的环形肋片(3)，随即冷凝出水珠流至蓄水池(6)，凝结出的水经过出水口(5)排出，同时换热之后的高温空气经由出风口(4)排出；散热风机(1)通过强制对流增强散热肋片(2)的换热，降低环形肋片(3)的温度。

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