CN114269662A - 使用漂浮格状结构的液体蒸发抑制器 - Google Patents
使用漂浮格状结构的液体蒸发抑制器 Download PDFInfo
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Abstract
一种漂浮组件，配置为抑制风流过液体的本体以抑制液体蒸发，所述漂浮组件包括一格状结构，配置为漂浮在液体的本体中，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
Description
相关应用的交叉引用
本申请与共同拥有的美国临时专利申请相关并要求其优先权：1)2019年7月11日提交的美国临时专利申请第62/872,711号，名称为：使用最小覆盖的水库蒸发抑制器(Evaporation suppression from water reservoirs using minimal cover)；以及2)2020年1月30日提交的美国临时专利申请第62/967,622号，名称为：使用最小覆盖的水库的蒸发抑制器(Evaporation suppression from water reservoirs using minimalcover)，其公开内容均通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及水分蒸发领域。
背景技术
淡水是人类生活、经济发展、粮食生产、卫生、健康和福利的关键要素。然而，全球淡水资源正在减少。大多数(如果不是全部)人类使用的淡水都以相对较短的时间储存在河流、湖泊、季节性降雪和土壤水分中。因此，通过建造人工地表水蓄水坝和水库来改变地表的天然淡水通量，从而改善灌溉、市政供水、水力发电和防洪等水资源管理活动。
为了满足不断增长的全球人口对食物的不断增长的需求，灌溉农业正在扩大。自1900年代初以来，全球灌溉农业面积增加了六倍。为了满足灌溉用水需求的这种快速增长，在过去的半个世纪里，全球建造了数以万计的水坝和数百万个水库。据估计，这些结构的累积蓄水能力为7000至8300立方千米，占地球上所有天然淡水湖蓄水量的近10％。
在大多数解决缺水问题的情景中，关键的第一步是减少水损失，尤其是由于水体蒸发造成的损失。蒸发损失的储存水量取决于许多因素，包括大气蒸发需求、水库大小和储存方法。已经进行了许多尝试以减少水库的蒸发损失，例如增加深度、安装防风林或覆盖水面。
发明内容
本发明涉及一种漂浮格状元件，用于抑制风流过液体的本体，从而抑制液体蒸发。本发明的漂浮组件漂浮在液体中，使液体的表面的风速显着降低，从而降低被覆盖的液体的蒸发率，同时允许光的自由传输和空气和液体之间的气体，尤其是氧气的充分交换。
本发明的实施例涉及一种漂浮组件，所述漂浮组件配置用于抑制穿过液体的本体的风，以抑制液体蒸发，所述漂浮组件包括一格状结构，所述格状结构配置为漂浮在液体的本体中，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
可选地，所述立方结构是方形体。
可选地，所述立方结构为矩形体。
可选地，所述多个子结构组件的形状为方形。
可选地，所述多个子结构部件的形状为三角形。
可选地，所述格状结构由可漂浮的材料制成。
可选地，所述格状结构与至少一浮力组件连通以漂浮在所述液体的本体中。
可选地，所述液体的本体是淡水。
本发明的实施例涉及一种用于抑制水分蒸发的系统，所述系统包括一水库，容装有一体积的液体；以及至少一漂浮组件，位于有所述体积的液体中，所述至少一漂浮组件包含一格状结构，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
可选地，所述至少一漂浮组件包含多个漂浮组件。
可选地，所述至少一漂浮组件覆盖所述液体的至少一部分。
可选地，所述立方结构是方形体。
可选地，所述立方结构为矩形体。
可选地，所述多个子结构组件的形状为方形。
可选地，所述多个子结构组件的形状为三角形。
可选地，所述格状结构由可漂浮的材料制成。
可选地，所述格状结构与至少一浮力组件连通以漂浮在所述液体的本体中。
可选地，所述格状结构具有多色配置，以驱赶吃鱼的鸟类。
可选地，所述格状结构为白色。
可选地，有所述体积的液体是淡水。
本发明的实施例涉及一种用于抑制水分蒸发的方法，所述方法包括将一体积的液体提供至一水库中；将至少一漂浮组件放置在有所述体积的液体中，所述至少一漂浮组件包含一格状结构，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
如本文所描述的，“格状(Lattice-like)结构”是指由形成格状图案的重复子单元组成的多维、优选为三维结构。
除非本文另有定义，本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管在本发明的实施例的实践或测试中可以使用与本文所述的那些方法和材料相似或等效的方法和材料，但下文描述了示例性方法和/或材料。如果发生冲突，以专利说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实施例仅是说明性的，并不旨在进行必要的限制。
附图说明
本发明的一些实施例在此仅通过示例并参考附图进行描述。具体详细参考附图，强调所显示的细节是通过示例的方式并且出于对本发明的实施例的说明性讨论的目的。在这点上，结合附图的描述使本领域技术人员清楚可以如何实践本发明的实施例。
现在关注附图，其中相同的附图标记或字符表示对应或相同的组件。在附图中：
图1A和1B是根据本发明不同实施例的漂浮组件的侧视图。
图2是根据本发明不同实施例的具有不同孔隙率的网格状结构的漂浮组件的左上视图。
图3是根据本发明实施例的抑制水分蒸发的系统的侧视图。
图4A-4C是根据本发明的实施例用于评估使用漂浮组件抑制蒸发的概念的实验装置的示意图。
图5A-5B是根据本发明的一实施例未覆盖的水库和覆盖有漂浮组件的水库的水面上方的水平风速分布图。
图6A-6C是表示不同风速下有盖和无盖水库的边界层的蒸发率、蒸发率之间的比率以及估计阻力之间的比率的图。
图7A-7B是显示与无风和风速为3.5m/s的空气温度相比的有盖和无盖水库的测量水面温度的图表。
图8是表示蒸发4天后的水温与初始水温之间的差异随覆盖和未覆盖水库深度变化的分布图。
图9A-9C是呈现蒸发速率、蒸发速率之间的比率以及覆盖有不透明黑球的储层和覆盖有漂浮组件的储层的边界层的估计阻力之间的比率的曲线图。不同风速下的发明。
图10A-10B是表示根据本发明的实施例的覆盖有不透明黑球的水库和覆盖有漂浮组件的水库在二种风速下的水面温度的曲线图。
具体实施方式
参考附图和所附描述可以更好地理解本发明的原理和操作。
在详细解释本发明的至少一实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用方面不一定限于在以下描述中阐述及/或在附图及/或示例中说明的构件及/或方法的构造和布置的细节。本发明能够有其他实施例或以各种方式实施。
作为介绍，用于覆盖水面和抑制蒸发损失的大多数漂浮组件是不透明的，提供水面的部分或全部覆盖。
由于自由水表面的蒸发以其潜在速率发生，人们预计蒸发损失与蒸发面积成正比，因此节水将与覆盖面积的百分比成正比。然而，自由水表面的部分或全部覆盖会影响热量和质量交换，从而导致覆盖表面部分与蒸发抑制之间的非线性关系。
在抑制蒸发的同时，组装在水库上的不透明漂浮组件还可以减少太阳辐射、光传输和气体交换，因为它们可以防止水与外部环境之间发生任何相互作用。温度、光照和氧气是影响生命和水质的关键因素。一些积极的影响可归因于缺乏光照(防止有毒藻类的生长)或由于防止太阳辐射而产生的较冷的水(较冷的水中溶解氧的增加)，然而，众所周知，减少光传输和氧气供应会影响化学反应的发生以及水中需氧生物的生命，从而导致水质下降(死藻会分泌藻类毒素)。
此外，许多储存灌溉用水的小型水库具有双重功能，因为它们还用于养鱼，直到放水灌溉。这种鱼类生长水库需要光和氧气。
从自由水表面蒸发可以被描述为一个传质过程，它通常是蒸汽通过涡流扩散穿过自由水表面上方的边界层的湍流传输。自由水面的蒸发率e代表大气吸收水蒸气的能力。因此，它取决于从蒸发表面去除水蒸气的有效性，用边界层对蒸气流的阻力rBL表示：
其中Pvs和Pva分别为饱和蒸气压和空气蒸气压。差值(Pvs-Pva)就是空气的蒸气压差(VPD)，它决定了蒸发的驱动力。当VPD以[Pa]表示，e以[W/m2]表示时，rBL的单位为[s/m]。根据菲克定律(Fick’s law)，等式(1)中的边界层电阻rBL,可以通过以下方式估算：
其中D是蒸汽扩散系数[m2/s]，δ是边界层的厚度[m]。变量δ与风速U有关：
(等式3)δ∝(U-0.5)
因此，降低风速会增加边界层的厚度(等式3)，从而增加其阻力(等式2)，从而降低给定VPD的蒸发率(等式1)。
本发明引入了一种漂浮组件，用于抑制穿过液体的本体的风的流动，从而抑制液体蒸发。本发明的漂浮组件漂浮在液体的本体中，使液面的风速显着降低，从而降低了被覆盖的液体的蒸发率，同时允许光的自由传输和空气和液体之间的气体，尤其是氧气的充分交换。
图1A是漂浮组件100的侧视图。所述漂浮组件100包括例如由多个细长部分104、接头106和内部连接件108制成的格状结构102。所述多个细长部分104、接头106和内部连接件108、例如，由轻金属、塑料、木材、泡沫聚苯乙烯等的可漂浮材料制成的多个子结构组件110形成彼此连接以形成例如立方结构的多个子结构组件110。
所述多个子结构组件110包括多个空隙112，并且可以是各种几何形状，例如三角形、矩形、八位组(图1B)、六边形等，以便对风速产生相同的影响而不受风向影响。
在另一实施例中，所述多个细长部分104、接头106和内部连接件108由铝等的非漂浮材料制成，而且连接至浮力组件，例如浮子等，以允许格状结构102漂浮在一定体积的液体中。
所述格状结构102的尺寸，例如接头半径、结构尺寸，尤其是其高度和孔隙率(受每个面中子结构组件的数量影响)，决定了它对抑制蒸发的影响，因为它们会影响蒸发水表面附近的边界层特性。具有不同孔隙率并因此具有不同特性的类似格状结构102的结构，如图2中最佳所示，适用于不同的气候和环境条件。因此，优化给定站点的适当结构以产生最佳性能。
图3是系统200的左前视图。所述系统200包括容纳一定体积的液体例如水的水库202和分散在水面上以覆盖部分水面的漂浮组件204。所述漂浮组件204在构造和操作上类似于漂浮组件100，如上面详述的，除非另有说明。
在操作中，所述漂浮组件204由于其格状结构而仅覆盖水面的一小部分。所述漂浮组件204的格状结构扰乱了水面处的风206的风流，导致风速降低，进而导致水的蒸发率降低。在蒸发率降低的同时，所述漂浮组件204的格状结构能够使空气和水之间的光自由传输和气体，尤其是氧气的充分交换，从而保持水质。
所述漂浮组件204还可以具有特定的颜色，例如白色，以起到抑制蒸发和阻止食鱼鸟类进入鱼类生长库的双重功能。特定的颜色排斥吃鱼的鸟类，因此阻止它们接近鱼类生长的水库。
示例
以下实施例无意以任何方式限制权利要求的范围。提出以下实施例是为了为本领域普通技术人员提供如何制作和使用所描述的发明的完整公开和描述，并不旨在限制本发明的范围，也不在表示以下实验是全部或唯一进行的实验。除非另有说明，份数为重量份数，分子量为重均分子量，温度为摄氏度，压力为大气压或接近大气压。
示例1–有盖和无盖水库在水库前、中和后风速方面的比较
在实验室条件下评估了使用具有非常高孔隙率的网格状结构的漂浮组件抑制蒸发的概念，所述结构仅覆盖水面的几个百分比，但显着降低风速并影响水的边界层的特性。由于实验是在实验室条件下进行的，在这种条件下，风由风扇产生并且具有垂直于结构孔隙率的恒定方向，因此可以在这种简单结构上研究所提出的概念。
图4A-4C是实验装置的示意图。图4A是前视图，图4B是侧视图，以及图4C是俯视图。
使用了二个面积为1平方米、深度为0.4米的装满水的水库。根据本发明的覆盖8.25％水表面积的漂浮组件位于一个水库上，而另一个水库未被覆盖。漂浮组件使用1.0米×1.0米高0.2米的长方体框架构成。一组11个矩形(0.2米x1.0米)的立方塑料网条，由二个网格(空隙的79％)和0.002米的厚度组成，沿框架的一个轴每0.1米垂直于水面放置。所述漂浮组件结构的所得孔隙率为99.3％。然后将每个水库暴露在二个并列的风扇(重型18英寸风扇，Briza，以色列)下，这些风扇连接到允许控制风速的电位计。风扇安装在距离水库前缘1.6m处。漂浮组件结构的方向是使网条垂直于风扇产生的风向。
图5A和5B描绘在未覆盖和覆盖的水库的前、中和后测量的水平风速剖面图。对于高度为20厘米的漂浮构件结构，水库中部(水面以上10厘米)结构内的水平风速为前缘风速的17％。在水库的后面，它在整个结构中几乎是空的。
应用不同风速的不同运行在二个重复中进行，其中覆盖和未覆盖的水库移动。风速是在每个水库的逆风边缘中心与漂浮组件结构的顶部相对应的高度使用风速计测量的。水库中的水位通过压力传感器进行监测。一个漂浮的热电偶链监测作为深度变化函数的水温分布，从水面到水库底部。在水库上方1.5m处监测环境空气和相对湿度。每小时对测量数据进行采样并存储在数据记录器上。
图5A和5B的数据展示了本发明的漂浮组件对水面以上风速分布的影响。
示例2–不同风速下有盖和无盖水库的比较
图6A中描绘了根据本发明的漂浮组件对蒸发速率的影响。
当风速为零时，漂浮组件对蒸发率没有任何影响，因为它只覆盖了水面的8％，其孔隙率为99.3％，允许蒸汽和气体从水中自由通过到空气中。因此，覆盖和未覆盖的水库的蒸发率是相同的(ec/e＝1；图6B)。
当风在吹时，漂浮组件降低了水面的风速(图5)，蒸发受到抑制，覆盖水库的蒸发率ec(蓝点)低于未覆盖水库的蒸发率e(红点)。
随着风速的增加，二种配置中的蒸发率都以非线性方式增加。由于漂浮组件结构引起的蒸发抑制，比值(ec/e)小于1(图6B)。这个比率在0.4到0.6之间变化，在2.5m/s的风速附近有一个明显的最小值(覆盖物的效率更高)，这符合图6A中描绘的风速的非线性。
图6C中描绘的边界层的电阻rBL是基于等程1估计的。使用e的实测数据和对应的VPD。覆盖和未覆盖条件(rBLc/rBL)的电阻之间的比率取决于风速，对于大约2.5m/s的风速，其最大值约为2(图6C)。漂浮组件降低了水面以上的风速，从而增加了边界层的厚度(等式3)，从而增加了其阻力(等式2)。
示例3–有盖水库和无盖水库水面温度随时间变化的比较
图7描绘了有盖(Twc)和未盖(Tw)水库的气温(Ta)和测得的水面温度随时间的变化。在无风条件下(图7A)和3.5m/s的风速(图7B)测量了水面温度的时间变化。
无风时，二个水库的蒸发率几乎相同(图6A)，因此水面温度也相似。随着风开始吹，本发明的漂浮组件降低蒸发率(图6A)，因此在整个实验过程中Twc>Tw(图7B)。
蒸发4天后的水温Tw(4)与初始水温Tw(0)之间的差异分布，图8描绘了二种风速下，0.8m/s和3.5m/s，覆盖和未覆盖水库深度的函数。
未覆盖水库中的水比有盖水库中的水冷，这与测得的较高蒸发率相对应(图6A)。对于较高的风速，冷却效果更为重要，因为它会加强蒸发过程。图7A-7B和8的结果表明，本发明的漂浮组件影响蒸发速率并影响从水中释放的潜热的量。
示例4–本发明的漂浮组件与标准不透明漂浮组件之间的比较
将本发明的漂浮组件的性能与标准不透明漂浮组件的性能进行比较，所述标准不透明漂浮组件由覆盖整个水库的直径为10厘米的黑色塑料球组成。如上所述，本发明的漂浮组件覆盖约8％的水面，留下约92％的水面未覆盖而且可接触空气和光线，而黑球覆盖约90％的水面。在不同的风速和相关变量下测量了二个水库的蒸发率(图9A和9C)。
在没有风的情况下，标准不透明漂浮组件的黑球几乎覆盖了整个水面，并且比本发明的漂浮组件更有效地抑制蒸发(因为本发明的漂浮组件几乎使整个水面与周围空气接触)(图9A)。这使得eball/ec比率为0.34(图9B)。
当风在吹时，黑球盖在抑制蒸发方面仍然更有效(蒸发率较低；图9A)，但是eball/ec比现在为0.75或更高(图9B)，表明本发明的漂浮组件作为蒸发抑制器的性能出人意料地好。这也反映在不同风况下接近1.0的阻力比(图9C)。
图10A-10B展示了标准不透明漂浮组件与本发明的漂浮组件的性能在它们对两个单独的水库中的水面温度(Tw)的影响方面的性能比较。气温(Ta)和测量的水面温度是在1.2m/s和4.1m/s的风速下测量的。
覆盖有不透明黑球的水库的水面温度Tw_ball系统性地高于覆盖有本发明的漂浮组件的相应水库的温度Tc，这对应于在所述储层中测得的较低蒸发速率(图9A)。然而，在风速为1.2m/s的情况下，二个水库的水面温度之间的差异约为0.4℃，在风速为4.1m/s的情况下，差异约为0.5℃，这与实测的较大差异相符。相同风速下的蒸发率(图9A)。
虽然本发明已针对有限数量的实施例进行了描述，应当理解的是，可以对本发明进行许多变化、修改和其他应用。因此，所附权利要求中记载的要求保护的发明不限于本文描述的实施例。
Claims (21)
1.一种漂浮组件，配置为抑制风流过液体的本体以抑制液体蒸发，其特征在于：所述漂浮组件包括：
一格状结构，配置为漂浮在液体的本体中，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
2.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述立方结构是方形体。
3.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述立方结构为矩形体。
4.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述多个子结构组件的形状为方形。
5.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述多个子结构组件的形状为三角形。
6.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述格状结构由可漂浮的材料制成。
7.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述格状结构与至少一浮力组件连通以漂浮在所述液体的本体中。
8.如权利要求1所述的漂浮组件，其特征在于：所述液体的本体是淡水。
9.一种用于抑制水分蒸发的系统，其特征在于：所述系统包括：
一水库，容装有一体积的液体；以及
至少一漂浮组件，位于有所述体积的液体中，所述至少一漂浮组件包含一格状结构，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述至少一漂浮组件包含多个漂浮组件。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述至少一漂浮组件覆盖所述液体的至少一部分。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述立方结构是方形体。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述立方结构为矩形体。
14.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述多个子结构组件的形状为方形。
15.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述多个子结构组件的形状为三角形。
16.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述格状结构由可漂浮的材料制成。
17.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述格状结构与至少一浮力组件连通以漂浮在所述液体的本体中。
18.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述格状结构具有多色配置，以驱赶吃鱼的鸟类。
19.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述格状结构为白色。
20.如权利要求9所述的系统，其特征在于：有所述体积的液体是淡水。
21.一种用于抑制水分蒸发的方法，其特征在于：所述方法包括：
将一体积的液体提供至一水库中；
将至少一漂浮组件放置在有所述体积的液体中，所述至少一漂浮组件包含一格状结构，所述格状结构包含多个细长部分与接头以及多个内部连接件，所述多个内部连接件配置用于产生多个相互连接的子结构组件，以至少形成一实质的立方结构。
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