CN114673218A - 一种远洋舰风能空气制水机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种远洋舰风能空气制水机，包括风轮、机械传动机构和空气制水机构；空气制水机构包括压缩机构、冷凝器和蒸发器，蒸发器下方设有水箱。本发明结构设计合理，利用海洋上的风力资源作为主动送风系统，为空气制水机提供能源，可直接利用海洋上的风能，即使远洋舰静止在海面上，海洋上也有较大的风力资源可以直接利用。同时风能系统不用转化电能即可直接利用，直接利用风能转换的机械能，作为压缩机构的能源供应，极大的减少的能量转换的损失，对应设计的压缩机构利用风能传动的机械结构即可正常运行，压缩效率高，为制冷剂在整个制冷系统中提供了足够的动力，使制冷剂流动的更快，冷却制水效果好，制水效率高。
Description
技术领域
本发明涉及风能利用技术领域，尤其涉及一种远洋舰风能空气制水机。
背景技术
远洋舰长期行驶在海洋之上，很长时间难以得到食物以及饮用水的供应，远洋舰上的船员不但要面临用水和饮用水缺乏问题，有时候还要面对饮用水的质量问题。现在的远洋舰供水方法一般有两种，一是到陆地补水，但如果是长期行驶在海洋上，那就需要大量的水资源，这些水资源不但占据远洋舰一定的体积，还具有较大的质量。二是海水淡化装置，这种装置不但成本高，还要耗费远洋舰上的能源。但是海洋之上的空气中本就存有较多的淡水资源，海洋上的空气湿度高，这对空气取水装置的应用提供了依据。海洋上具有较大的风能，加上远洋舰的行驶可以形成风能空气取水的相对风，这对风能空气取水机的应用提供了依据。
海面长期受太阳光的照射，将海水蒸发为水蒸气，所以海面上的空气湿度较高，当空气湿度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会液化成水，所谓空气取水技术，就是通过某一种方式或者方法把空气中的水蒸气提取出来，再经过化学消毒法以及物理过滤法就可以将液化的水净化为可以饮用的纯净水。
目前，空气取水技术主要分为:引导-控制流动式空气制水、干燥剂吸附法、聚雾取水法和表面冷却法。
引导-控制流动式空气制水装置的原理：让空气在流动过程中扩张，把这一过程中一部分能量用来冷却空气，将空气的温度降低到露点温度以下，冷凝成水滴，收集净化后得到饮用水。1972年Starr等人进行了高空加速器用于空气制水装置的可行性研究。高空加速器利用经典流体力学的动量定理，控制一个高度和直径很大的垂直管内的空气流动，管内的热力学过程简化为湿绝热过程 (需要考虑此过程中的误差)。冷凝过程和随之而来的潜热释放过程不需要任何的外界驱动力，即湿空气冷凝过程不消耗能源，该装置的主要用途是空气制水。研究人员利用这种装置在德克萨斯州布朗斯维尔气象站进行了一年的实验研究，实验结果证明：虽然实际实验过程中存在一些问题，但是这种空气取水方法是可行的。这种方法存在的最大问题是：垂直管子需要建造100m甚至更高、直径也需要很大，实际建造困难，成本高。
吸附-解析式空气取水技术的优点：利用可再生能源时，不需要消耗电能；结构简单；成本低。但是这种太阳能动力的系统必须在低温下进行吸附，并且需要有能够储备电能的的太阳能电池板。2006年上海交通大学的J.G.Ji研究了使用新型复合吸附剂的空气制水装置的性能。装置的新型复合吸附剂采用具有专利技术的超大空结晶材料MCM-41作为宿主基质、氯化钙溶液作为吸湿盐。新型复合吸附剂制造过程：分别用质量分数为20％、25％、30％，35％的氯化钙溶液浸泡MCM-41材料48小时，再用纯净水冲洗快速冲洗样品，然后在200℃的高温下干燥两个小时，最后储存在真空容器中。太阳能驱动的空气取，夜间湿空气流经吸附床进行吸附过程，白天吸附床在太阳能辐射作用下进行再生过程，得到冷凝水。实验过程中测试不同样品的制水能力，并与浸泡氯化钙溶液的硅胶进行对比试验。Abualhamayel(1997)、ARISTOV(1999)、Gad(2001)、 Kabeel(2007)、Hamed(2011)等人也对吸附-解析式空气制水装置进行了实验研究。
大雾天空气中含有很多水蒸气，通过一定的方式，将雾中小水滴分离出来，进而获得淡水，该方法称为聚雾取水法。该法一般采用巨幅尼龙屏障，吸附雾中的小液滴，使之聚合长大，然后大水珠就会沿着倾斜的尼龙线流到集水器中。聚雾取水法成本低、效率高，在多个领域都有应用，但其受环境限制，只适宜在缺水且多雾的地方推广。
现有的空气取水制水方法及装置和对空气条件的要求，并不能满足远洋舰的制水需求，因此如何利用海上风能空气进行冷凝制水，成为设计的重点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种远洋舰风能空气制水机，利用海洋之上的空气资源，并有效利用风能系统解决空气制水机的能源供应问题，可有效利用风能空气为远洋舰提供用水。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种远洋舰风能空气制水机，包括风轮、机械传动机构和空气制水机构；所述的空气制水机构包括压缩机构、冷凝器和蒸发器，所述的压缩机构的制冷剂输出端与冷凝器的输入端管路连接，所述冷凝器的输出端与蒸发器的输入端管路连接，所述的蒸发器的输出端与压缩机构的制冷剂输入端管路连接，制冷剂在压缩机构、冷凝器和蒸发器之间构成循环回路；所述的风轮转动设置在机械传动机构上，所述的机械传动机构传动输出具有连杆，所述的连杆与压缩机构传动连接并为压缩机构的制冷剂的循环供能；所述的风轮前侧具有进风口，所述的蒸发器则设置在风轮后侧，所述的蒸发器下方设有水箱。
在上述方案中，通过风能为空气制水提供能源供应，风能可通过机械传动机构直接为压缩机构功能，直接利用风能转化的机械能，有效减少能量转换带来的损失。利用冷凝器和蒸发器在压缩机构作用下的制冷剂循环，可有效将海洋风力带来的富含水气的空气，冷凝形成冷凝水后收集利用，将海洋中空气的动力和空气内富含的水气进行有效结合利用，可有效适用于船舶及海岛的制水需求。
优选的，为了对水箱内收集到的冷凝水进行过滤净化，所述的水箱内设有臭氧发生器；所述的水箱管路连接有水泵，所述的水泵则管路连接有物理过滤系统。臭氧发生器可对水箱内冷凝水进行消毒杀菌，通过物理过滤系统过滤后，可满足生活用水和饮水需求。
优选的，该远洋舰风能空气制水机包括机壳，所述的机壳一侧侧并开有进风口，另一侧则开有出风口，所述的机壳对应进风口位置处设有静电空气过滤器，所述的风轮、机械传动机构和空气制水机构则设置在机壳内，所述的机壳内对应出风口位置处则设有排风风轮。
优选的，所述的机械传动机构包括传动杆和齿轮组，所述的齿轮组包括两个呈90°设置并啮合的齿轮，其中一齿轮通过传动杆与风轮传动同步转动，另一齿轮则通过连杆与压缩机构传动连接。
进一步的，所述的压缩机构包括转动圆盘，所述的转动圆盘上分布有传动杆组，每组传动杆组内包括若干传动杆，所述的转动圆盘下方则对应传动杆组分别固定有气缸组，所述的气缸组对应传动杆组内传动杆数量对应具有气缸，所述的气缸包括缸体、活塞和弹簧控制结构，所述的缸体包括有杆腔和无杆腔，所述的活塞设置在缸体的有杆腔内，所述的传动杆与对应的活塞接触面为顺应转动圆盘转动方向的斜切面，传动杆的斜切面与活塞接触面呈斜切面接触，所述的弹簧控制结构则弹性连接在缸体与活塞之间，所述的缸体的无杆腔上则分别开有进气口和出气口，所述的缸体的进气口与蒸发器的输出端连接，出气口则与冷凝器的输入端连接。当转动圆盘在机械传动机构带动下发生旋转时，传动杆转动，传动杆的斜切面与活塞的斜切面配合，在转动时，向下挤压活塞，造成活塞无杆腔内发生压力变化，实现对制冷剂的压缩供能。当传动杆转过活塞后，活塞在弹簧控制结构的弹力作用下复位，等待下一次的压缩过程。
更进一步的，为了更好的提高压缩机构的压缩效果，提高制水效率，所述的压缩机构包括两组传动杆组和对应传动杆组数量设置的气缸组，其中传动杆组一内包含N个传动杆一，传动杆组二内包含N个传动杆二，气缸组一包括N 个气缸一，气缸一的活塞一与传动杆一对应接触，气缸组二包括N个气缸二，气缸二的活塞二与传动杆二对应接触；所述的气缸一具有进气口一和出气口一；传动杆组一内的传动杆一与传动杆组二内的传动杆二一一对应设置，气缸组一内的气缸与气缸组二内的气缸也一一对应设置，气缸二容积与气缸一气体压缩后的体积相适配，所述的蒸发器的输出端与进气口一管路连接，出气口一则通过通气管与进气口二管路连接，出气口二则与冷凝器的输入端连接，蒸发器输出的制冷剂经过气缸一压缩后进入气缸二被二次压缩后通入冷凝器。采用二次压缩，可以使制冷剂处于一个更好的压缩状态，也为制冷剂在整个制冷系统中提供了足够的动力，使制冷剂流动的更快，冷却水的效果更好，效率更高。
优选的，为了更加合理利用有限空间，所述的传动杆组一内的传动杆一和与传动杆组二内的传动杆二以连杆中心为中心，呈同心圆分布。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种远洋舰风能空气制水机，结构设计合理，利用海洋上的风力资源作为主动送风系统为空气制水机提供能源，可直接利用海洋上的风能，即使远洋舰静止在海面上，海洋上也有较大的风力资源可以直接利用。同时风能系统不用转化电能即可直接利用，直接利用风能转换的机械能，作为压缩机构的能源供应，极大的减少的能量转换的损失，对应设计的压缩机构利用风能传动的机械结构即可正常运行，压缩效率高，为制冷剂在整个制冷系统中提供了足够的动力，使制冷剂流动的更快，冷却制水效果好，制水效率高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明最优实施例的结构示意图。
图2是本发明最优实施例中压缩机构的结构示意图。
图3是本发明最优实施例中压缩机构的俯视图。
图中1、机壳 2、进风口 3、风轮 4、机械传动机构 5、连杆 6、压缩机构 7、蒸发器8、冷凝器 9、膨胀阀 10、水箱 11、臭氧发生器 12、水泵 13、物理过滤系统 14、转动圆盘15、传动杆一 16、传动杆二 17、活塞一 18、气缸一 19、活塞二 20、气缸二 21、进气口一22、出气口一 23、通气管 24、进气口二 25出气口二 26、弹簧控制结构
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
如图1所示一种远洋舰风能空气制水机，是本发明最优实施例。该远洋舰风能空气制水机包括机壳1、风轮3、机械传动机构4和空气制水机构。所述的机壳1一侧侧并开有进风口2，另一侧则开有出风口，所述的机壳1对应进风口 2位置处设有静电空气过滤器，所述的风轮3、机械传动机构4和空气制水机构则设置在机壳1内，所述的机壳1内对应出风口位置处则设有排风风轮。
所述的空气制水机构包括压缩机构6、冷凝器8和蒸发器7。所述的风轮3 转动设置在机械传动机构4上，所述的机械传动机构4传动输出具有连杆5，所述的连杆5与压缩机构6传动连接并为压缩机构6的制冷剂的循环供能。冷凝器8与蒸发器7之间的管路上设有膨胀阀9。所述的风轮3前侧具有进风口2，所述的蒸发器7则设置在风轮3后侧，所述的蒸发器7下方设有水箱10。为了对水箱10内收集到的冷凝水进行过滤净化，所述的水箱10内设有臭氧发生器 11；所述的水箱10管路连接有水泵12，所述的水泵12则管路连接有物理过滤系统13。臭氧发生器11可对水箱10内冷凝水进行消毒杀菌，通过物理过滤系统13过滤后，可满足生活用水和饮水需求。
远洋舰行驶时，启动系统开关，进风口2面向远洋舰行驶方向，远洋舰停止行驶或者行驶速度较慢时，进风口2面向迎风方向，风力使风轮3转动，风轮3转动带动连杆5以及机械传动结构传动，此时风轮3的转动可作为压缩机的电机带动压缩机运行。压缩机构6、蒸发器7、冷凝器8和膨胀阀9为制冷冷却水系统。空气通过通风口后从制冷冷却水系统经过后通过排风风轮从出风口排除。湿空气先经过静电空气过滤器对空气中颗粒物、气体污染物的过滤，然后洁净后的湿空气通过蒸发器7外侧低温的翅片束后，湿空气中水蒸汽会凝结到蒸发器7表面，而后由水箱10收集，通过蒸发器7外侧翅片束的冷空气随后进入冷凝器8翅片侧，给冷凝器8内高温高压制冷剂降温。由于制冷剂的排热，从冷凝器8外侧出来的空气是低湿度但温度稍高的干暖空气。
为了得到纯净的饮用水，在水箱10中设有臭氧发生器11，水箱10收集的从蒸发器7凝结下来的冷凝水经过臭氧发生器11产生的臭氧进行消毒杀菌，随后由水泵12泵入水过滤器单元过滤，最后排出供人饮用。
具体的，风能通过机械传动机构4为制冷冷却水系统进行直接供能。如图2 所示，所述的机械传动机构4包括传动杆和齿轮组，所述的齿轮组包括两个呈90°设置并啮合的齿轮，其中一齿轮通过传动杆与风轮3传动同步转动，另一齿轮则通过连杆5与压缩机构6传动连接。所述的压缩机构6的制冷剂输出端与冷凝器8的输入端管路连接，所述冷凝器8的输出端与蒸发器7的输入端管路连接，所述的蒸发器7的输出端与压缩机构6的制冷剂输入端管路连接，制冷剂在压缩机构6、冷凝器8和蒸发器7之间构成循环回路。
为了更好的提高压缩机构6的压缩效果，提高制水效率，在压缩机构6中采用二次压缩的设计。如图2和图3所示，所述的压缩机构6包括转动圆盘14，所述的转动圆盘14上分布有两组传动杆组。压缩机构6还包括对应传动杆组数量设置的气缸组。气缸组对应传动杆组内传动杆数量对应具有气缸，所述的气缸包括缸体、活塞和弹簧控制结构26，所述的缸体包括有杆腔和无杆腔，所述的活塞设置在缸体的有杆腔内，所述的传动杆与对应的活塞接触面为顺应转动圆盘14转动方向的斜切面，传动杆的斜切面与活塞接触面呈斜切面接触，所述的弹簧控制结构26则弹性连接在缸体与活塞之间，所述的缸体的无杆腔上则分别开有进气口和出气口，
具体的，每组传动杆组内包括四个传动杆，传动杆组一内包含四个传动杆一15，传动杆组二内包含四个传动杆二16，气缸组一包括四个气缸一18，气缸一18的活塞一17与传动杆一15对应接触，气缸组二包括四个气缸二20，气缸二20的活塞二19与传动杆二16对应接触；所述的气缸一18具有进气口一21 和出气口一22；传动杆组一内的传动杆一15与传动杆组二内的传动杆二16一一对应设置，气缸组一内的气缸与气缸组二内的气缸也一一对应设置，所述的蒸发器7的输出端与进气口一21管路连接，出气口一22则通过通气管23与进气口二24管路连接，出气口二25则与冷凝器8的输入端连接。在实际设计中，传动杆组一内的传动杆一15和与传动杆组二内的传动杆二16以连杆5中心为中心，呈同心圆分布。
风机受风转动，通过机械传动机构4可带动整个转动圆盘14转动，压缩机构6开始工作，转动圆盘14带动传动杆一15开始转动，四组传动杆一15同时碰撞活塞一17，传动杆和活塞碰撞处为斜切圆柱设计，斜切面较为光滑，碰撞时四组活塞一17向下运动，压缩气缸一18中的制冷剂。压缩后的制冷剂通过出气口一22、通气管23、进气口一21进入到气缸二20后，此时四组传动杆二 16开始碰撞四组活塞二19。其中，气缸二20的容积大小优选为气缸一18气体压缩后的体积大小，开始对制冷剂进行二次压缩以及对制冷剂在整个系统中的流动提供动力，当传动杆碰撞活塞后，活塞通过弹簧控制结构26恢复到初始位置。活塞最后通过进气口流入气缸开始新的循环。
采用这种二次压缩的压缩机构6的好处在于，可在较小的空间和控制结构中可以设计多级多个气缸，活塞一17和活塞二19均匀分布，传动杆一15和传动杆二16间隔分布，气缸一18中的制冷剂被压缩后紧接着进入到气缸二20被二次压缩，二次压缩可以使制冷剂处于一个更好的压缩状态，也为制冷剂在整个制冷系统中提供了足够的动力，使制冷剂流动的更快，冷却水的效果更好，效率更高。同时，也可利用该压缩原理，根据实际的利用要求，还可设计三次四次等多次压缩，以进一步提高压缩效果，提高制水效率。
如此，采用上述的远洋舰风能空气制水机，解决了远洋舰上人们日常用水和饮用水短缺以及供应困难的问题；利用海洋上来源稳定的风能进行供能，有效解决了空气制水机上的能源供应问题。即使远洋舰静止在海面上，海洋上也有较大的风力资源可以直接利用。同时在上述方案中，风能系统不用转化电能可以直接利用，直接利用风能转换的机械能，作为压缩机构6的能源供应，极大的减少的能量转换的损失。
合理设计的压缩机构6，通过二次压缩的设计，能量利用效率高，可以只用于风能传动的机械能即可以带动蒸发器7和冷凝器8进行正常运行，因此该空气制水系统不但可以应用于远洋舰之上，也可以应用与海岛之上，用于解决海岛上人口饮用以及生活用水问题。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：包括风轮(3)、机械传动机构(4)和空气制水机构；所述的空气制水机构包括压缩机构(6)、冷凝器(8)和蒸发器(7)，所述的压缩机构(6)的制冷剂输出端与冷凝器(8)的输入端管路连接，所述冷凝器(8)的输出端与蒸发器(7)的输入端管路连接，所述的蒸发器(7)的输出端与压缩机构(6)的制冷剂输入端管路连接，制冷剂在压缩机构(6)、冷凝器(8)和蒸发器(7)之间构成循环回路；
所述的风轮(3)转动设置在机械传动机构(4)上，所述的机械传动机构(4)传动输出具有连杆(5)，所述的连杆(5)与压缩机构(6)传动连接并为压缩机构(6)的制冷剂的循环供能；
所述的风轮(3)前侧具有进风口(2)，所述的蒸发器(7)则设置在风轮(3)后侧，所述的蒸发器(7)下方设有水箱(10)。
2.如权利要求1所述的一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：所述的水箱(10)内设有臭氧发生器(11)；所述的水箱(10)管路连接有水泵(12)，所述的水泵(12)则管路连接有物理过滤系统(13)。
3.如权利要求1所述的一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：包括机壳(1)，所述的机壳(1)一侧侧并开有进风口(2)，另一侧则开有出风口，所述的机壳(1)对应进风口(2)位置处设有静电空气过滤器，所述的风轮(3)、机械传动机构(4)和空气制水机构则设置在机壳(1)内，所述的机壳(1)内对应出风口位置处则设有排风风轮。
4.如权利要求1所述的一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：所述的机械传动机构(4)包括传动杆和齿轮组，所述的齿轮组包括两个呈90°设置并啮合的齿轮，其中一齿轮通过传动杆与风轮(3)传动同步转动，另一齿轮则通过连杆(5)与压缩机构(6)传动连接。
5.如权利要求1所述的一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：所述的压缩机构(6)包括转动圆盘(14)，所述的转动圆盘(14)上分布有传动杆组，每组传动杆组内包括若干传动杆，所述的转动圆盘(14)下方则对应传动杆组分别固定有气缸组，所述的气缸组对应传动杆组内传动杆数量对应具有气缸，所述的气缸包括缸体、活塞和弹簧控制结构(26)，所述的缸体包括有杆腔和无杆腔，所述的活塞设置在缸体的有杆腔内，所述的传动杆与对应的活塞接触面为顺应转动圆盘(14)转动方向的斜切面，传动杆的斜切面与活塞接触面斜切面接触，所述的弹簧控制结构(26)则弹性连接在缸体与活塞之间，所述的缸体的无杆腔上则分别开有进气口和出气口，所述的缸体的进气口与蒸发器(7)的输出端连接，出气口则与冷凝器(8)的输入端连接。
6.如权利要求5所述的一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：所述的压缩机构(6)包括两组传动杆组和对应传动杆组数量设置的气缸组，其中传动杆组一内包含N个传动杆一(15)，传动杆组二内包含N个传动杆二(16)，气缸组一包括N个气缸一(18)，气缸一(18)的活塞一(17)与传动杆一(15)对应接触，气缸组二包括N个气缸二(20)，气缸二(20)的活塞二(19)与传动杆二(16)对应接触；所述的气缸一(18)具有进气口一(21)和出气口一(22)；传动杆组一内的传动杆一(15)与传动杆组二内的传动杆二(16)一一对应设置，气缸组一内的气缸与气缸组二内的气缸也一一对应设置，气缸二(20)容积与气缸一(18)气体压缩后的体积相适配，所述的蒸发器(7)的输出端与进气口一(21)管路连接，出气口一(22)则通过通气管(23)与进气口二(24)管路连接，出气口二(25)则与冷凝器(8)的输入端连接，蒸发器(7)输出的制冷剂经过气缸一(18)压缩后进入气缸二(20)被二次压缩后通入冷凝器(8)。
7.如权利要求6所述的一种远洋舰风能空气制水机，其特征在于：所述的传动杆组一内的传动杆一(15)和与传动杆组二内的传动杆二(16)以连杆(5)中心为中心，呈同心圆分布。
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