CN110565741A - 一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，它解决了现有技术中存在水资源不能高效利用的问题，具有通过自然风力和温差实现水分的捕捉，成本低、无污染且效率高的效果；其技术方案为：包括风力循环装置、水能捕获装置，风力循环装置包括升力型叶片组；水能捕获装置包括与升力型叶片组相连且安装于壳体内部的风力循环叶片，所述风力循环叶片下方连接冷凝管道；所述壳体具有若干气体流通孔，升力型叶片组在风力作用下能够带动风力循环叶片旋转，在压强差和风力循环叶片旋转的双重动力下空气进入壳体中；空气中的水蒸气经冷凝管道冷凝后能够通过固定于冷凝管道下端的收集水箱收集。

Description

一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置

技术领域

本发明涉及节水灌溉技术领域，尤其涉及一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置。

背景技术

空气捕水装置是解决特殊场所淡水资源短缺问题的有效方法之一，我国拥有广阔的海洋领土和众多岛屿。然而，许多岛屿远离陆地和缺乏淡水资源，很难生存。发明人发现，现有的补水装置有一些缺点，如成本高、能耗高、温室气体排放增加，加速供水系统老化等。表面冷却空气冷凝法是生产淡水的可行方法，但目前的进水装置仍存在应用范围有限，出水量小，能耗高等问题，尚未得到广泛应用。在沿海地区海水淡化设备的体积巨大且成本高且难以建造。同时，在干旱地区地表温度高，清晨和夜间的空气湿度较大，但是植被吸收率过低，大部分蒸发造成而水分流失。在淡水缺乏的海岛地区，空气湿度大(约为80％)，但是淡水资源贫乏。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其具有通过自然风力和温差实现水分的捕捉，成本低、无污染且效率高的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，包括：

风力循环装置，包括升力型叶片组；

水能捕获装置，包括与升力型叶片组相连且安装于壳体内部的风力循环叶片，所述风力循环叶片下方连接冷凝管道；

所述壳体具有若干气体流通孔，升力型叶片组在风力作用下能够带动风力循环叶片旋转，在压强差和风力循环叶片旋转的双重动力下空气进入壳体中；空气中的水蒸气经冷凝管道冷凝后能够通过固定于冷凝管道下端的收集水箱收集。

进一步的，所述气体流通孔内部设置可拆卸的防尘网，气体流通孔外侧安装阻尘挡板，且所述阻尘挡板具有向靠近气体流通孔一侧弯曲的弧度。

进一步的，所述防尘网侧面设置卡槽，卡槽与壳体固定一体，壳体开设气体流通孔位置设有卡销，所述防尘网通过卡槽与卡销相连。

进一步的，所述壳体包括分别具有圆弧面的上壳体和下壳体，所述上壳体的圆弧面弧度大于下壳体圆弧面的弧度。

进一步的，所述升力型叶片组固定于主轴一端，主轴另一端安装风力循环叶片；所述主轴穿过上壳体并与上壳体转动连接。

进一步的，所述上壳体顶部安装轴承座，所述主轴通过轴承与轴承座相连。

进一步的，所述壳体下方安装有内部中空的支撑主体，冷凝管道设于支撑主体内部；所述支撑主体沿其长度方向设定距离安装法兰盘。

进一步的，所述冷凝管道沿其长度方向均布若干组栅片，且相邻组栅片之间交叉排列呈螺旋状。

进一步的，所述收集水箱上设定高度位置布设若干出水孔。

进一步的，所述升力型叶片组包括多片H型叶片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的升力型叶片组在自然风的驱动下带动风力循环叶片旋转，根据伯努利原理产生的压强差空气自动进入，风力循环叶片旋转将空气吸入，两重吸气，大大提高的捕水的效率；

(2)本发明具有冷凝管道，在水汽流过冷凝管道时，水分有一部分会被栅片挡下，还有一大部分由于地表与地下的温差，空气中的水分液化，最后沿着冷凝管道流入收集水箱；收集水箱中的水分可以注入到土壤中，提高土壤湿度，提高植被生存率，也可取出用于日常生活；

(3)本发明使用时只需埋在地下，并采用自然温差和机械结构实现冷凝，成本低，维护方便，放置更自由；在灌溉土壤时能够实现实时和不间断的补水；本发明利用自然风作为动力，独立完成空气循环。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的轴测图；

图2为本发明实施例一的剖视图；

图3为本发明实施例一的风力循环装置结构示意图；

图4为本发明实施例一的壳体结构示意图；

图5为本发明实施例一的风力循环叶片结构示意图；

其中，1、升力型叶片组，2、轮毂，3、主轴，4、轴承座，5、轴承，6、上壳体，7、风力循环叶片，8、下壳体，9、冷凝管道，10、法兰盘，11、收集水箱，12、气体流通孔，13、阻尘挡板，14、栅片，15、支撑主体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

气体流通孔为一般通孔，用于气体流通。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水资源不能高效利用的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置。

实施例一：

下面结合附图1-图5对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，包括风力循环装置、水能捕获装置、壳体和支撑主体15，其中，壳体安装于支撑主体15上方，水能捕获装置安装于壳体内部，风力循环装置转动连接于壳体上方。使用时将装置下半部分埋入地下，由自然风驱动风力循环装置工作，在自然风力的作用下，水汽进入水能捕获装置，在水汽捕获装置内转化为液态水。

壳体包括上壳体6和下壳体8，上壳体6安装于下壳体8上方，上壳体6和下壳体8的周向均具有圆弧面，且上壳体6的圆弧面弧度大于下壳体8圆弧面的弧度。上壳体6和下壳体8均开设若干气体流通孔12，所述气体流通孔12内部设置可拆卸的防尘网，防尘网能够有效的阻挡灰尘进入壳体内部，有一定的除尘效果。气体流通孔12外侧安装阻尘挡板，阻尘挡板与壳体集成为一体，具有向靠近气体流通孔一侧弯曲的弧度，可以防止异物进入壳体内部，防止堵塞。

在本实施例中，所述防尘网侧面设置卡槽，卡槽与壳体固定一体，壳体开设气体流通孔12位置设有卡销，所述防尘网通过卡销可拆卸的插入到卡槽中，使防尘网可以定期进行清理，降低循环空气中的粉尘颗粒。可以理解的，在其他实施例中，防尘网与壳体还可以采用其他可拆卸方式，例如螺栓连接。

所述风力循环装置包括升力型叶片组1、轮毂2，升力型叶片组1安装于主轴3的一端，且位于轮毂2上方；所述主轴3与上壳体6转动连接。在本实施例中，主轴3上安装轴承5，所述轴承5安装于轴承座4上，轴承座4固定于上壳体6上表面。升力型叶片组1由若干H型叶片组成。在本实施例中，H型叶片为里厄风力机的叶片，其低速性能更好、噪声更低、安全性更高、对环境破坏更小。

所述风力循环装置包括风力循环叶片7、冷凝管道9、收集水箱11，风力循环叶片7安装于主轴3另一端，收集水箱11固定于冷凝管道9末端，且收集水箱11设定高度位置开设若干出水孔。收集水箱11可以为任意形状，只要能够存储水分即可。在本实施例中，收集水箱11为方形不锈钢水箱，方形便于装置的稳定固定。收集水箱11外部可连接按压式抽水机，抽水机进水管与收集水箱箱底密封连通，当箱内蓄水量淹没进水管并达到一定高度时，进水管底部被水封闭，抽水机内形成真空密闭空间，即可抽水；也可直接灌溉到土壤中，增加土壤湿度。使用时，冷凝管道9随支撑主体15将2/3部分插入地下。

当空气吹过壳体圆弧面时，由于伯努利原理，在流体系统中，流速越快，流体产生的压力就越小，因此上下两面产生压强差，将空气压入空气流通管道内。其中根据原理的不同可分为利用机翼原理的升力型风力捕获循环和利用伯努利原理完成的空气循环。两者相互配合补充形成气体循环。

采用立式升力型叶片组1，顶部的H型叶片在自然风的带动下，利用两侧面形成的压强差，形成差动力，实现转动。升力型叶片组1运转过程，H型叶片不断的旋转而形成扭矩，从而带动下方的风力循环叶片7一起转动，旋转的风力循环叶片7对周围空间内的空气产生压强差，产生差动力，周围的空气通过气体流通孔12进入冷凝管道9中，空间中缺少的气体又由周围空间内的气体源源不断的补充，把空气“吹”出装置完成换气。

利用伯努利原理完成的空气循环原理为：在当自然风吹过上壳体6的弧形面时，由于弧形表面的弧度较大，导致空气流动速度加快，表面的空气与装置内部的空气形成压强差，导致装置内部空气被“吸”出去，实现空气的循环。气体流通孔12在下壳体8也会形成压强差，不过其弧度较小，形成的压强差小于上表面，其趋势还是气体的“上进下出”。

支撑主体15为内部中空的钢管，其抗锈能力强；所述支撑主体15沿其长度方向设定距离安装法兰盘10，通过设置法兰盘10使装置能够稳定置于土壤中。支撑主体15的长度可以根据实际要求设计。冷凝管道9设于支撑主体15内部，其为金属管，冷凝管道9沿其长度方向均布若干组栅片14，且相邻组栅片14之间交叉排列呈螺旋状。在本实施例中，所述冷凝管道9为不锈钢管，每组栅片14有三个，间隔均匀布置，且栅片14为1/4圆弧片状不锈钢片。

由于地下温度较低的土壤会让冷凝管道9冷却，被冷却的冷凝管道9段不断将空气中的水蒸气液化凝结；空气中的水蒸气也会被栅片14阻挡，二者同时进行将空气中的水蒸气捕获量达到最大。水能捕获装置分别依靠地表与地下的温度差以及冷凝管道9的栅片14拦截作用捕获水汽，并在收集水箱11中储存。

进一步的，温度差捕获水原理为：地表和地下会自然生成温差，因为沙土石头的比热容比空气低，由Q＝cmΔt，夜晚在两者释放相同的热量时，土地下降的温度比空气大，降温快，因此具有较好的冷凝效果。冷凝管道9插入地下约一米处，法兰盘10以上部分的冷凝管道9温度高，下端插入土壤中的冷凝管道9温度低，从而形成温差；土壤深处的冷凝管道9表面温度低于进气气流的温度时，水汽凝结就会发生在冷凝管道9表面，这部分冷凝水在重力的作用下落入土壤中，且空气中含湿量越高，产生的冷凝水越多。

在本实施例中，本装置部分处于地下1.5m，利用地表与地下之间的自然温差，将空气中的水分子进行冷凝成水滴，不需要安装制冷片、耗费电能来进行冷凝。

产冷量：Q_C＝Q_Π-Q_J-Q_K

式中，Q_C—制冷片的产冷量，Q_Π—制冷片的冷端从周围吸收的热，Q_J—焦耳热。Q_K—传导热。

热端散热：Q_h＝Q_Π+Q_j-Q_k

式中，Q_h—制冷片的热端散热量，Q_Π—制冷片的冷端从周围吸收的热，Q_j—焦耳热，Q_k——传导热。

损耗的电功率：P＝Q_h-Q_C

若要达到所需的温度，每天24小时运转，每天就需要消耗400W的能量，并且制冷片的散热问题也需要解决，这样不仅能耗高，效率低，还会有新的干扰产生；而本装置利用自然的温差来进行制冷，不会产生能耗，并且效率高，具有较高的凝水效率。

栅片拦截水汽原理为：从气体流通孔12进入的流动空气通过栅片14，气体流动方向受阻，部分水汽凝结在栅片14上，形成液滴流下进行收集；还有部分水汽随着气体流向的改变，靠离心力的将水汽甩出甩到支撑主体15侧壁上，形成液滴流下进行收集。当水分子在经过冷凝管道12时，两个相邻栅片14之间的螺距为3mm左右，水分子在经由冷凝管道12从一端进口到另一端出口的过程中，不断地撞击到栅片14，并附着在上面，最终凝结成水滴，随着越向下温度低，水分子越容易抱团附着于栅片上，最终凝结水进入下端汇集。

本装置可应用于空气湿度30％左右的缺水地区、孤立的缺乏淡水的岛屿、水资源缺乏且交通不便的山区，可将捕获的水分用来植被的生长，人们的生活日用户水，牲畜用水等各种需要用水的地方，尤其适用于像秘鲁沙漠那种空气水分大但是土壤干燥的地区植被的灌溉；长期不与外界联系的孤立小岛的生活用水等地区。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，包括：

风力循环装置，包括升力型叶片组；

水能捕获装置，包括与升力型叶片组相连且安装于壳体内部的风力循环叶片，所述风力循环叶片下方连接冷凝管道；

所述壳体具有若干气体流通孔，升力型叶片组在风力作用下能够带动风力循环叶片旋转，在压强差和风力循环叶片旋转的双重动力下空气进入壳体中；空气中的水蒸气经冷凝管道冷凝后能够通过固定于冷凝管道下端的收集水箱收集。

2.根据权利要求1所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述气体流通孔内部设置可拆卸的防尘网，气体流通孔外侧安装阻尘挡板，且所述阻尘挡板具有向靠近气体流通孔一侧弯曲的弧度。

3.根据权利要求2所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述防尘网侧面设置卡槽，壳体开设气体流通孔位置设有卡销，所述防尘网通过卡槽与卡销相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述壳体包括分别具有圆弧面的上壳体和下壳体，所述上壳体的圆弧面弧度大于下壳体圆弧面的弧度。

5.根据权利要求4所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述升力型叶片组固定于主轴一端，主轴另一端安装风力循环叶片；所述主轴穿过上壳体并与上壳体转动连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述上壳体顶部安装轴承座，所述主轴通过轴承与轴承座相连。

7.根据权利要求1所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述壳体下方安装有内部中空的支撑主体，冷凝管道设于支撑主体内部；所述支撑主体沿其长度方向设定距离安装法兰盘。

8.根据权利要求1所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述冷凝管道沿其长度方向均布若干组栅片，且相邻组栅片之间交叉排列呈螺旋状。

9.根据权利要求1所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述收集水箱上设定高度位置布设若干出水孔。

10.根据权利要求1所述的一种基于空气动力学的自发式空气捕水装置，其特征在于，所述升力型叶片组包括多片H型叶片。