CN109653297B - 基于吸附的内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内热式小型空气取水装置及方法。该小型空气取水装置具有吸附工况和脱附工况。吸附工况下，进风风机工作，空气通过进风口进入内多孔筒中的中心流道，径向进入吸附床内，被吸附剂吸湿后经由环形流道、稳流静压腔，随后排出；脱附工况下，空气由进风口进入中心流道，被置于中心流道的加热棒加热后，流经吸附床加热吸附剂，从而带走吸附聚集的水分，高湿度的空气遇环形肋片冷凝出水珠，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，实现空气取水。吸附工况及脱附工况下，空气共用同一个流道，且都是离心径向流动。该发明具有体积小、结构简单、在低露点温度下仍能取水、节约能量等优点。

Description

基于吸附的内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，尤其涉及一种基于吸附的内热式小型空气取水装置及方法。

背景技术

博物馆作为字画等珍贵文物收藏和展览的文化场所，为了文物保护以及异地展出的需要，往往需要配置小型恒湿文物展柜。这类小型恒湿文物展柜采用直接接触式恒湿设备，通过调节内部水箱中空气与水接触的质传递过程，实现对展柜内空气湿度的高精度控制。其中，加湿过程持续性地消耗水分，需要不断地向恒湿设备的蓄水箱补水。小型文物展柜需要经常移动，且体积一般在0.5～1.5m³范围内，因此需采用自动补水装置，减少人工补水的繁琐及降低因未能及时补水带来的风险。且自动补水装置必须满足结构简单紧凑、移动便捷、体积小、取水量充足等要求。

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。现有的吸附取水系统存在取水周期长、体积大无法适用于小型恒温恒湿展柜等问题，因此，所以研发结构紧凑、取水周期短，取水便捷的下空气取水装置，对文物保护具有很高的实用价值和实际意义。

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更加紧凑、安全可靠、节约能量的基于吸附的内热式小型空气取水装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于吸附的内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底座、吸附床、蓄水池和散热器；

所述吸附床包括内多孔筒、外多孔筒、吸附床外壁、吸附床底盖、加热棒和吸附床顶盖；所述吸附床外壁内依次为同轴嵌套的外多孔筒及内多孔筒；且所述外多孔筒及吸附床外壁下端连接吸附床底盖；所述外多孔筒上端连接吸附床顶盖；所述吸附床底盖及吸附床顶盖上分别设有凸起固定装置，通过间隙配合固定内多孔筒；内多孔筒内为中心流道，且中心流道中设有加热棒；内多孔筒和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空腔为环形流道；内多孔筒及外多孔筒上均匀分布圆孔；

所述底座位于吸附床下；底座上设置有环状凸起，且环状凸起与吸附床底盖相连；环状凸起形成的空腔即为进风口；进风口通过吸附床底盖上的孔洞与中心流道相通；进风口下设有进风风机；

蓄水池位于吸附床上方且与吸附床外壁相连；蓄水池底面与吸附床顶盖间设有与环形流道连通的稳流静压腔；蓄水池的壁面上部均匀分布若干出风口，蓄水池的壁面下部还设有一个出水口；蓄水池底面上设有与稳流静压腔连通的风道；风道上端出口高于蓄水池底面；蓄水池侧壁上端连接散热器平面；

所述散热器包括散热风机、散热肋片、散热器平面和冷凝环形肋片；散热器平面下方设有环形肋片，所述环形肋片环围于蓄水池的风道上端出口；环形肋片上还设有出风孔；散热器平面上方设有若干散热肋片，而且散热肋片下端穿过散热器平面与环形肋片连接；散热肋片上端连接散热风机。

底座的支撑腿与地面保持一定距离，以保证进口风的风量。底座与吸附床外壁连接成整体，进风风机通过螺钉与底座连接。

作为优选，所述散热肋片为2mm*3mm的柱状结构；散热肋片成矩阵排列，其数量为12*12个，相邻散热肋片相距2mm。所述散热风机仅在脱附阶段开启，利用环境空气进行对流换热；所述散热肋片为柱状结构，肋片等距离分布在散热器表面，所述散热肋片增大了换热面积，扰乱了空气流动，增强换热效果。

作为优选，所述环形肋片由三个同轴圆环组成；每个圆环上设有两排出风孔，每排均匀分布20个出风孔。

作为优选，所述底座上放置隔热云母片；所述隔热云母片位于进风口及进风风机之间。隔热云母片用于防止位于中心流道的加热棒烧毁进风风机；

作为优选，所述吸附剂为硅胶。根据情况亦可填充其他固体吸附剂或复合吸附剂作为吸附材料。

作为优选，所述吸附床外壁包裹保温棉；吸附床顶盖上方放置保温隔热材料。保温棉及保温隔热材料用于脱附阶段减少散热。

本发明还提供了一种空气取水方法，包括以下两种步骤：

在吸附工况下，进风风机开启，散热风机及加热棒关闭；空气在所述进风风机的作用下，通过所述进风口进入所述中心流道，进而通过内多孔筒的圆孔进入吸附剂填充空间；空气中的水蒸气被所述吸附剂填充空间中的吸附剂吸附干燥，接着通过外多孔筒的圆孔进入环形流道，最终经由出风孔排出；

在脱附工况下，进风风机关闭，散热风机及加热棒开启；加热棒通过对流和辐射加热吸附剂；环境中的空气通过自然对流进入中心流道，被所述加热棒加热后经过内多孔筒进入吸附剂填充空间；高温空气再次加热其中的吸附剂，致使吸附剂内的水分释放实现脱附，随后经过外多孔筒流经环形流道进入稳流静压腔；在稳流静压腔内，空气流速达到稳定均匀，稳流后的高温高湿的空气沿着蓄水池的风道上升，遇到环形肋片冷凝出水珠流至蓄水池，凝结出的水经过出水口排出；同时换热之后的空气经由出风孔排出；散热肋片及散热风机用于降低环形肋片的温度。散热风机的强制对流可以增强换热效果，提高取水效率。

在吸附工况和脱附工况下，空气流道相同，共同一个所述进风口、出风口、环形流道和中心流道，所述进风风机在吸附工况工作，在脱附工况不工作；所述散热风机和加热棒在脱附工况工作，在吸附工况不工作。本发明无阀门等切换部件，不易损坏。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本装置结构紧凑，空间利用率高，装置主体为圆柱体，其中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。本发明所设计的装置高效节能，加热棒放置在吸附床内部的方法使得装置的热量损失降到最低，直接加热吸附剂更加高效。所设计的装置安全可靠，所用风机和加热棒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；该装置使用普通硅胶作为其吸附材料，硅胶吸附量较高且再生温度较低；吸附和解吸过程共用同一条空气流道，不需要阀门便可实现吸附和脱附过程的切换，避免了阀门带来的系统复杂性和不确定性；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。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内热式小型空气取水装置具有结构更加紧凑、高效节能、安全可靠、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为基于吸附的内热式小型空气取水装置的结构示意图。

图2为基于吸附的内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、散热器平面3、环形肋片4、出风孔5、出水口6、蓄水池7、稳流静压腔8、外多孔筒9、环形流道10、吸附床外壁11、保温棉12、吸附床底盖13、进风口14、隔热云母片15、进风风机16、底座17、吸附剂填充空间18、内多孔筒19、中心流道20、加热棒21、吸附床顶盖22、隔热保温材料23。

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。该实施例中，本装置具有吸附工况和脱附工况，主要可分为底座17、吸附床、蓄水池7和散热器四个组成部分。其中具体包括散热风机1、散热肋片2、散热器平面3、冷凝环形肋片4、出风孔5、出水口6、蓄水池7、稳流静压腔8、外多孔筒9、环形流道10、吸附床外壁11、保温棉12、吸附床底盖13、进风口14、隔热云母片15、进风风机16、底座17、吸附剂填充空间18、内多孔筒19、中心流道20、加热棒21、吸附床顶盖22、隔热保温材料23。

内多孔筒19和外多孔筒9为薄圆柱形壳体，壳体均匀分布小圆孔作为空气通道。内多孔筒19内为中心流道20，且中心流道20中设有加热棒21。内多孔筒19同轴嵌套于外多孔筒9内，形成的夹层则为吸附剂填充空间18。吸附剂填充空间18内填充吸附剂。外多孔筒9同轴嵌套于吸附床外壁11内，形成的夹层空腔为环形流道10。吸附床外壁11包裹着保温棉12。吸附床底盖13与吸附床外壁11下端焊接在一起，吸附床顶盖22与外多孔筒9上端焊接在一起。吸附床底盖13及吸附床顶盖22上均设有有圆形突出，用于固定内多孔筒19。吸附床底盖13及吸附床顶盖22与内多孔筒19采用间隙配合。顶盖22顶部放置保温隔热材料23，用于脱附阶段减少散热。

所述底座17位于吸附床下，底座17与吸附床外壁11焊接成整体。底座17上设置有环状凸起。环状凸起与吸附床底盖13焊接，并支撑了吸附床和散热器。圆环形成的空腔即为进风口14，进风口14通过位于吸附床底盖13中间的孔洞与中心流道20相通。进风口14下设有进风风机16，进风风机16通过螺钉与底座17连接。底座17的平面上放置若干隔热云母片15，且隔热云母片15位于进风口14与进风风机16之间，尽量减少热量向进风风机16传递，防止脱附工况下位于中心流道20的加热棒21烧毁进风风机16。底座17的支撑腿与地面保持一定距离，以保证进口风的风量。

蓄水池7置于吸附床外壁11上方，其圆筒壁面均匀分布若干出风口、一个出水口6。蓄水池7底面与吸附床顶盖22间设有与环形流道10连通的稳流静压腔8。蓄水池7底面上还设有与稳流静压腔8连通的风道；风道上端出口高于蓄水池7底面。蓄水池7顶部焊接圆环法兰。

散热器平面上均匀开若干个螺纹孔，用于与蓄水池的圆环法兰连接。圆环法兰通过螺栓连接散热器平面3。环形肋片4位于散热器平面3下，且将蓄水池7地面上的风道上端出口围住。环形肋片4共有三圈，由同轴圆环组成，环形肋片4上留有两排空气流通孔，每排均匀分布20个空气流通孔。高湿空气从风道上端出口流出后，与环形肋片4充分接触，使水蒸气冷凝成珠并滑落至蓄水池7。蓄水池7中的冷凝水经过出水口6流出。空气经换热后通过圆形出风孔5排出。工作时，需不断将环形肋片4上积累的热量散去，以保证环形肋片4处于相对较低的温度。因此在散热器平面3上设置与环形肋片4相连的散热肋片2增大换热面积辅助散热。散热肋片2为2mm*3mm的柱状结构，共有12*12个矩阵排列的散热肋片，散热肋片2等距离分布在散热器平面3，散热肋片2之间距离为2mm。散热风机1位于散热肋片2正上方，通过螺钉连接。散热肋片2可有效扰乱空气流动。散热风机1仅在脱附工况时开启，利用环境空气进行对流换热，增强换热效果。

本装置在吸附工况和脱附工况下，空气流道相同，均为立式径向离心流动，先经过中心流道再经由环形流道排出。所述进风风机16，在吸附工况工作，在脱附工况不工作。加热棒21、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16和散热风机1可以为轴流式风机。加热棒14可以为12V电压供电，采用弹簧和铁丝固定在中心流道中。吸附床外壁11包裹的保温棉12确保装置不对小型展柜的其他部件造成影响且可以节约能量。保温隔热材料可以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。

本装置的基本原理为：吸附工况下，打开进风风及16，使空气中大量的水分在吸附剂填充空间18富集；脱附工况下，加热棒21加热空气，并通过高温空气带走吸附剂中富集的水分。之后，高温高湿空气中的水蒸气经环形肋片4冷却凝结，并滴入至蓄水池7，从而完成空气取水。

使用上述装置进行基空气取水的具体方法如下：

1吸附工况：空气在所述进风风机16的作用下，通过所述进风口14进入所述中心流道20，进而通过内多孔筒19的圆孔。空气中的水蒸气被所述吸附剂填充空间18中的吸附剂吸附，接着通过外多孔筒9的圆孔进入环形流道10，最终经由圆形出风孔5排出。该过程持续时间与环境的温湿度相关，可以根据环境温湿度的不同调整进风风机工作时间。

2脱附工况：当吸附剂中富集了足够的水分后，所述进风风机16关闭，所述加热棒21开启。通过对流和辐射加热吸附剂，环境中的空气通过自然对流进入中心流道20，被所述加热棒21加热后经过内多孔筒19进入吸附剂填充空间18。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。随后高温高湿空气经过外多孔筒9流经环形流道10，在蓄水池7与吸附床外壁11形成的稳流静压舱内，空气流速达到稳定均匀。稳流后的高温高湿的空气沿着蓄水池7的风道上升，并遇到冰冷的环形肋片4。之后空气中的水蒸气冷凝出水珠流至蓄水池7，凝结出的水经过出水口6排出，沿着管道到达小型恒温恒湿展柜的水箱中。同时换热之后的高温空气经由圆形出风孔5排出。与此同时，散热风机1一直开启，通过强制对流及散热肋片2的辅助散热增强换热效果，提高取水效率。该过程持续时间同样与环境的温湿度相关，可以根据环境温湿度的不同调整散热风机和加热棒的工作时间。

在本实施例中，可根据实际取水需求来调整加热棒的功率和填充吸附剂的类型。基于吸附的内热式小型空气取水装置的设置方法减少了空间体积的占用，装置更加紧凑，蓄水池7既能蓄水，也能承上启下，连接散热器和吸附床。加热棒内置的方法减少了能源的消耗，同时能保证吸附床周边空气温度不至于过高，降低失火的危险性。

本发明通过控制加热棒、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，从而使用时间继电器或开关转换电器等来控制加热棒、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，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——加热棒、进风风机、散热风机只需12V电压供电，避免了使用过程中的安全隐患。

综合以上分析，与现有技术相比，本发明的基于吸附的内热式小型空气取水装置具有结构更加紧凑、高效节能、安全可靠的优点，同时通过计算得到取水量满足博物馆小型展柜的取水需求。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于吸附的内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底座（17）、吸附床、蓄水池（7）和散热器；

所述吸附床包括内多孔筒（19）、外多孔筒（9）、吸附床外壁（11）、吸附床底盖（13）、加热棒（21）和吸附床顶盖（22）；所述吸附床外壁（11）内依次为同轴嵌套的外多孔筒（9）及内多孔筒（19）；且所述外多孔筒（9）及吸附床外壁（11）下端连接吸附床底盖（13）；所述外多孔筒（9）上端连接吸附床顶盖（22）；所述吸附床底盖（13）及吸附床顶盖（22）上分别设有凸起固定装置，通过间隙配合固定内多孔筒（19）；内多孔筒（19）内为中心流道（20），且中心流道（20）中设有加热棒（21）；内多孔筒（19）和外多孔筒（9）之间的夹层为吸附剂填充空间（18），吸附剂填充空间（18）内填充吸附剂；外多孔筒（9）与吸附床外壁（11）之间的夹层空腔为环形流道（10）；内多孔筒（19）及外多孔筒（9）上均匀分布圆孔；

所述底座（17）位于吸附床下；底座（17）上设置有环状凸起，且环状凸起与吸附床底盖（13）相连；环状凸起形成的空腔即为进风口（14）；进风口（14）通过吸附床底盖（13）上的孔洞与中心流道（20）相通；进风口（14）下设有进风风机（16）；

蓄水池（7）位于吸附床上方且与吸附床外壁（11）相连；蓄水池（7）底面与吸附床顶盖（22）间设有与环形流道（10）连通的稳流静压腔（8）；蓄水池（7）的壁面上部均匀分布若干出风口，蓄水池（7）的壁面下部还设有一个出水口（6）；蓄水池（7）底面上设有与稳流静压腔（8）连通的风道；风道上端出口高于蓄水池（7）底面；蓄水池（7）侧壁上端连接散热器平面（3）；

所述散热器包括散热风机（1）、散热肋片（2）、散热器平面（3）和冷凝环形肋片（4）；散热器平面（3）下方设有环形肋片（4），所述环形肋片（4）环围于蓄水池（7）的风道上端出口；环形肋片（4）上还设有出风孔（5）；散热器平面（3）上方设有若干散热肋片（2），而且散热肋片（2）下端穿过散热器平面（3）与环形肋片（4）连接；散热肋片（2）上端连接散热风机（1）。

2.根据权利要求1所述的一种基于吸附的内热式小型空气取水装置，其特征在于：所述环形肋片（4）由三个同轴圆环组成；每个圆环上设有两排出风孔（5），每排均匀分布20个出风孔（5）。

3.根据权利要求1所述的一种基于吸附的内热式小型空气取水装置，其特征在于：所述底座（17）上放置隔热云母片（15）；所述隔热云母片（15）位于进风口（14）及进风风机（16）之间。

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

5.根据权利要求1所述的一种基于吸附的内热式小型空气取水装置，其特征在于：所述吸附床外壁（11）包裹保温棉（12）；吸附床顶盖（22）上方放置保温隔热材料（23）。

6.一种如权利要求1~5任一所述装置的空气取水方法，其特征在于：

在吸附工况下，进风风机（16）开启，散热风机（1）及加热棒（21）关闭；空气在所述进风风机（16）的作用下，通过所述进风口（14）进入所述中心流道（20），进而通过内多孔筒（19）的圆孔进入吸附剂填充空间（18）；空气中的水蒸气被所述吸附剂填充空间（18）中的吸附剂吸附干燥，接着通过外多孔筒（9）的圆孔进入环形流道（10），最终经由出风孔（5）排出；

在脱附工况下，进风风机（16）关闭，散热风机（1）及加热棒（21）开启；加热棒（21）通过对流和辐射加热吸附剂；环境中的空气通过自然对流进入中心流道（20），被所述加热棒（21）加热后经过内多孔筒（19）进入吸附剂填充空间（18）；高温空气再次加热其中的吸附剂，致使吸附剂内的水分释放实现脱附，随后经过外多孔筒（9）流经环形流道（10）进入稳流静压腔（8）；在稳流静压腔（8）内，空气流速达到稳定均匀，稳流后的高温高湿的空气沿着蓄水池（7）的风道上升，遇到环形肋片（4）冷凝出水珠流至蓄水池（7），凝结出的水经过出水口（6）排出；同时换热之后的空气经由出风孔（5）排出；散热肋片（2）及散热风机（1）用于降低环形肋片（4）的温度。

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