CN115040996B - 一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置，包括：至少一个水雾回收模块，所述水雾回收模块包括若干结构相同且阵列排列的水雾回收子模块，每个水雾回收子模块包括模块主体，模块主体内设置有电极组件，所述电极组件通过外接电源形成静电场，并通过电动效应对进入模块主体内的水雾进行吸附回收。

Description

一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置

技术领域

本公开属于水雾回收利用技术领域，特别涉及一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置。

背景技术

许多干旱地区因为空气湿度低，空气热容小，昼夜温差大，导致雾气较易形成。如果能将这些雾气收集起来，不仅能改善环境，而且能在一定程度上缓解水资源的短缺，这是当下提倡节能环保、节约水资源的时代大背景下的必然趋势。

目前，对于水雾多采用被动收集：在干旱地区采用“干式”收集，即水雾在封闭管道内与外界换热工质(多为自然空气)进行换热进而冷凝收集，这种方法集水效率低，往往需要多次循环提升集水量；在湿润地区采用“湿式”收集，即水雾直接与自然空气接触而冷凝收集，这种方法会对水雾造成较大的浪费，而且收集的水雾含有较多的杂质。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置，该装置通过电动效应对水雾进行回收利用。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置，包括：至少一个水雾回收模块，所述水雾回收模块包括若干结构相同且阵列排列的水雾回收子模块，每个水雾回收子模块包括模块主体，模块主体内设置有电极组件，所述电极组件通过外接电源形成静电场，并通过电动效应对进入模块主体内的水雾进行吸附回收。

优选的，所述电极组件包括位于模块主体两侧对称设置的正电极和与正电极等间距设置的负电极。

优选的，所述正电极由绝缘支架固定在模块主体内侧，正电极与模块主体的内侧形成通道。

优选的，所述负电极为棱柱复合电极。

优选的，所述正电极的上方设置有干燥风入口。

优选的，所述模块主体的顶部设置有隔离栅栏。

优选的，所述模块主体的底部设置有水槽，用于收集水雾中的液滴。

优选的，所述模块主体的底部还设置有排液管，用于排出所述水槽内的液滴。

优选的，所述模块主体内还设置有湿度传感器和场强传感器。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开利用高压电离使得空间电荷被雾滴吸收从而带电进而被电场束缚捕捉收集的方法，采用电动效应主动除雾集水，具有高效、稳定、可控的优点；

2、本公开基于多层级模块化除雾，每个单元相互独立，又相互配合工作，根据具体工作的环境可以随意组装成最适合该环境下的工作整体以应对多种需求的除雾环境，有效提升了装卸效率，提升装置容错率的同时大幅降低运维成本，明显降低了极板极线间的电压，提升安全性，也提供了极大的使用灵活性和装置适应性。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置的结构示意图；

图2(a)是水雾回收模块中的一个子模块的正视图；

图2(b)是水雾回收模块中的一个子模块的侧视图；

图3是负电极的结构示意图；

图4是回水模块控制链路；

图5是水雾回收装置的控制程序流程图；

图6是纯金属导体电极的电场示意图；

图7(a)是复合电极含有10％金属导体的电场示意图；

图7(b)是复合电极含有5％金属导体的电场示意图；

图7(c)是复合电极含有20％金属导体的电场示意图；

附图中的标记说明如下：

1、绝缘外壳；2、正电极；3、绝缘支架；4、干燥风入口；5、干燥风；6、水雾；7、负电极；8、隔离栅栏；9、绝缘柱；10、导电金属材料或电极线；11、水槽；12、不朝向正电极的棱；13、场强传感器；14、排液管；15、湿度传感器。

具体实施方式

下面将参照附图1至图7(c)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置，包括：至少一个水雾回收模块，所述水雾回收模块包括若干结构相同且阵列排列的水雾回收子模块，每个水雾回收子模块包括模块主体，模块主体内设置有电极组件，所述电极组件通过外接电源形成静电场，并通过电动效应对进入模块主体内的水雾进行吸附回收。

本实施例通过在回收子模块内设置电极组件以形成静电场，从而能够使得水雾进入回收子模块后，吸附静电场中的空间电荷而带电，并在电动效应(即构成水雾的液滴在吸附了高压电场电离在空间中的空间电荷后带电，在电场的作用下运动至极板的效应)的作用下发生迁移并被束缚在电极上，从而实现水雾回收的目的。

为进一步理解何为电动效应，下面结合具体公式作详细说明：

将水雾中的液滴抽象成半径为r的球体，其流速为U，密度为ρ，空气粘度为η，极板的特征尺度为d，则表示液滴惯性与液滴受到粘性力之比的无量纲数流速越高液滴惯性越大，轨迹越不易受到干扰。水雾引入电场之后，液滴所受电场力和粘性力之比的无量纲数/>其中，q是液滴所带电荷，E是电场强度，电场E 越强，流速U越低，液滴受电场的影响越大，越容易被电场束缚。

此外，模块主体要求具有高的绝缘性，同时，为了防止表面因粗糙而导致灰尘、水等杂质滞留其上，以及为了减少阻抗而产生“闪络”这种极度不良的现象，模块主体的制备材料需要具有较高的光滑性。复合上述要求的材料包括但不限于陶瓷，玻璃，高压复合材料等。

上述实施例构成了本公开的完整技术方案。现有的水雾被动收集的回收效率随着温差、流量比的提高而上升，但是一般不超过50％，平均在35％左右；而本方案的回收效率虽然也受这些限制条件影响，但是它们已经不再是主要影响因素，主要影响因素是电场的强度和分布情况，能大大提升水雾回收效率，经实验，采用本实施例所述装置，可以达到75％左右的水雾回收效率。

另外，需要说明的是，本实施例所述装置还可以根据具体工作环境将水雾回收模块增加到2个或更多，从而实现多层级模块化水雾回收，以应对多种需求的除雾环境，且每层回收模块相互独立，又相互配合工作。当水雾回收装置包含2个或2个以上水雾回收模块时，各模块之间通过桁架结构隔离，即每个水雾回收子模块上都设置有桁架，从而使得下一层回收模块和上一层回收模块之间形成一定空间，当下一层回收模块没有实现对水雾的完全回收时，能够使得剩余水雾进入上一层回收模块继续进行回收处理。

另一个实施例中，如图2(a)所示，所述电极组件包括位于模块主体两侧对称设置的正电极2和与正电极等间距设置的负电极7。

本实施例中，正电极采用极板，其外表面为铝板或钛板，以防止因与水接触导致极板电解。负电极7为多边形棱柱复合电极(即由绝缘材料和导电金属材料复合)，如图3所示，该复合电极的主体为截面是菱形的绝缘柱9，该绝缘柱朝向正电极的棱上涂有导电金属材料或黏附有电极线(导电金属材料或电极线接负高压)，该导电金属材料或电极线10作为负极与正电极之间形成静电场，该绝缘柱不朝向正电极的棱12上则不涂有导电金属材料或黏附有电极线。需要说明的是，之所以在绝缘柱的尖端涂有导电金属材料或黏附有电极线，原因在于：尖端效应的存在能够使得同样的电势所产生的电场更强，电晕放电和电场束缚效应更明显，从而极大提升水雾回收效率。

图6至图7(c)分别是使用商用软件COMSOL5.6对复合电极和纯金属导体电极所产生的电场强度的模拟后的示意图。图6至图7 (c)中，复合电极和纯金属导体电极的截面总体几何形状相同，均为菱形(棱柱截面为菱形)，由于对称性，若以图中z轴方向的菱形对称轴将菱形分为两个对称的三角形，则只用展示其中一半即三角形的模拟结果即可，以节约计算资源。图6是纯金属导体电极(此处以铜为例)所产生的电场，其电场最大值为523000V/m；图7(a)是含有10％金属导体材料的多边形棱柱复合电极(只有尖端10％的部分是金属导体，其余为绝缘材料，此处以玻璃为例)产生的电场，其电场强度最大值为1350000V/m；图7(b)是含有5％金属导体材料的多边形棱柱复合电极产生的电场，其电场强度最大值为2330000 V/m；图7(c)是含有20％金属导体材料的多边形棱柱复合电极产生的电场，其电场强度最大值为827000V/m。可以看到，复合电极的电场强度均大于纯金属导体电极的电场强度，说明尖端放电的效应在构建电极时是可以考虑的，并且，由图7(a)至图7(c)可知，复合电极中的金属导体材料所占比例越低，其产生的电场强度就越大，而电场强度越大，则回水效果越好(将前文所给出的两个无量纲数做比，可以得到电场对液滴惯性运动的影响当物理性质一定，水雾流速一定时，电场对液滴的束缚作用与场强成正比，因此，场强越高，除雾效果越好，水雾回收效率越高)。需要说明的是，其中的金属导体材料不限于铜，绝缘材料也不限于玻璃。图6至图7(c) 仅展示其中一个具体的例子的计算模拟结果，使用其他的材料组合和尖端导体比例所产生的效果总体趋势是相同的，因此，相比纯金属导体电极，使用复合电极对于电场构建具有较大优势。同时，与传统的轻质尖端电极(例如，直径小于1mm的金属丝或剥除绝缘皮的导线) 相比，同尺度下复合电极的机械强度更高(复合电极的绝缘部分采用菱形截面的硬质材料棱柱，如玻璃等，而其导体部分是附着在其棱上的金属细线或直接在其棱上尖端部分涂抹导电材料，复合电极的尺度是轻质尖端电极的10到20倍，且质地为硬质材料，机械强度更高)，不易受到风吹、震动等环境因素的干扰，因而产生的电场更稳定和均匀。

当水雾经由进雾通道进入模块主体后，自下而上进入静电场，此时，正电极作为集电极，且接地处理，绝缘柱的尖端所涂有的导电金属材料或黏附的电极线作为发射极。示例性的，发射极接入-15kV的电压后，水雾中的带电液滴由于受到静电场的束缚而涌向正电极，在极板上聚集成簇状液滴后落入下方的水槽。

另一个实施例中，所述正电极2由绝缘支架3固定在模块主体内侧，正电极2与模块主体内侧形成通道。

本实施例中，正电极的上方设置有干燥风入口4，且干燥风入口 4处放置有干燥剂，外界的干燥风5从干燥风入口4吹入，并吹向正电极与模块主体内侧形成的通道中，使得正电极和模块主体之间形成干燥区，可以防止水雾在此形成水膜而发生短路、闪络等安全隐患。同时，干燥风顺着通道吹向模块主体的底部，触底后折返向上流动，从而可以辅助水雾自下而上加速进入静电场。

需要说明的是，绝缘支架表面涂抹有包括但不限于PRTV涂料、二甲基硅油和石蜡等憎水性涂料，以防止其表面积水而发生闪络。

另一个实施例中，所述模块主体的顶部设置有隔离栅栏8，用于对水雾进行向上隔离以及对水雾进行向下导流。

本实施例中，表面涂抹有憎水性涂料(是为了达到与绝缘支架一样的效果)的且由绝缘材料制备的隔离栅栏被固定在模块主体顶部的桁架上，其横截面为菱形(一半位于模块主体外侧，另一半位于模块主体内侧)，如图2(b)所示，由于位于模块主体外侧和内侧的部分均为三角形，水雾中的液滴难以顺着上三角面上升，以及在重力作用下，液滴容易沿下三角面向下被导流至顶点处汇聚，从而能够防止水雾中的液滴绕过桁架并在桁架上表面形成水通路，进而使得极线和正电极之间难以形成电通路而出现短路、闪络等安全隐患。

另一个实施例中，所述模块主体的底部设置有水槽11，用于收集水雾中的液滴。

另一个实施例中，所述模块主体的底部还设置有排液管14，用于排出所述水槽内的液滴。

另一个实施例中，所述模块主体内还设置有湿度传感器15和场强传感器13。

本实施例中，每个水雾回收模块中的各个子模块都有唯一的地址编码，每个子模块内都单独设置有湿度传感器和场强传感器，湿度传感器和场强传感器连接微处理器，分别用于监测模块主体内的环境湿度和电场强度。

具体的，如图5所示，操作人员应当在微处理器中对湿度与场强值进行预设，当湿度传感器采集的水雾湿度值高于预设值时，与传感器连接的微处理器驱动回收装置运行，水雾经由进雾通道进入装置，在辅助干燥风的吹动下自下而上进入静电场，则水雾中的带电液滴因电场束缚涌向正电极，在极板上聚集成簇状液滴后落入下方的水槽。当湿度传感器采集的水雾湿度值低于预设值时，微处理器指令回收装置停止运作，以实现系统自动化，节能环保且提高设备寿命的效果。而场强传感器向系统传递当前工作的电场强度，如果未达到预设工作场强，则有可能是电压设置较低或者出现短路的状况，系统报警，工作人员及时做出调整；高于预设则有可能是电压设置过大，工作人员可以适当降低电压以达到节能环保的作用。

此外，如图4所示，每个子模块通过现场总线彼此通信以及外接管理系统，管理系统周期性的对每一个子模块进行巡检，发现问题及时报警以警告工作人员。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (8)

1.一种基于电动效应的多层级模块化水雾回收装置，包括：至少一个水雾回收模块，所述水雾回收模块包括若干结构相同且阵列排列的水雾回收子模块，每个水雾回收子模块包括模块主体，模块主体内设置有电极组件，所述电极组件通过外接电源形成静电场，并通过电动效应对进入模块主体内的水雾进行吸附回收；所述电极组件包括位于模块主体两侧对称设置的正电极，所述正电极采用极板，所述正电极的上方设置有干燥风入口；所述正电极由绝缘支架固定在模块主体内侧，正电极与模块主体的内侧形成通道，干燥风从干燥风入口吹入，并吹向正电极与模块主体内侧形成的通道中，使得正电极和模块主体之间形成干燥区；所述电极组件还包括与正电极等间距设置的负电极，所述负电极为多边形棱柱复合电极，且复合电极的主体为截面是菱形的绝缘柱。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述绝缘柱朝向正电极的棱上涂有导电金属材料或黏附有电极线。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述导电金属材料或电极线作为负电极与正电极之间形成静电场。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述绝缘柱不朝向正电极的棱上不涂有导电金属材料或黏附有电极线。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模块主体的顶部设置有隔离栅栏。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述模块主体的底部设置有水槽，用于收集水雾中的液滴。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述模块主体的底部还设置有排液管，用于排出所述水槽内的液滴。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模块主体内还设置有湿度传感器和场强传感器。