CN1218769A - 一种机电一体化淡水收集器 - Google Patents

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冯晋臣
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冯征
华菁
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一种机电一体化淡水收集器,是一种主要用于干旱缺水地区获取淡水资源的机电一体化新设备,它是利用暖湿水汽遇冷会凝结为液态水的物理原理设计而成的,主要由空气吸入压缩机、螺旋形冷凝管、致冷降温室与储水箱等部件组成。属国际首创。由于其结构简单,可降低制造成本,并可小型化,便于旅行者携带。该淡水收集器,特适合于海岛、滨海或盐湖沿岸的缺水地区使用,尤其对于长年驻守在海中小岛上的部队,更有很大实用价值。

Description

一种机电一体化淡水收集器
本专利属于机电一体化的新设备，是主要用于干旱缺水地区获取淡水资源的一种新技术，特别对于海岛、滨海或盐湖沿岸的干旱缺水地区，更有实用价值。
众所周知，除自然降水与挖井汲水外，目前国际上获取淡水的主要途径有两：一是海水淡化，如海湾国家用昂贵的石油来蒸馏淡化海水；另外是从南极搬冰山，用远水解近渴。据联合国有关组织统计，在西亚的沙特阿拉伯，淡水价格超过原油价格的几十倍，已不是“水贵如油”的概念了。[1]本专利是利用暖湿水汽遇冷会凝结成液态水(以下简称“水”)的物理原理设计而成的，用这种方式来获取淡水的机电一体化设备，目前在国际上尚属首例。
早在70年代，联合国已经发出了水情警报，然而近30年来全球缺水的情况越演越烈，目前全球有100多个国家缺水，23亿人缺少饮用水或饮用水不合卫生标准。尤其严重的，除历来缺水的中东与非洲地区外，现在连原本水资源充足的地区也闹起了水荒，并且范围在扩大。我国人均淡水占有量排名世界第109位(1996年)，也是个水资源非常短缺的国家。可见缺水的形势十分逼人，因此开辟汲取淡水的新途径、新技术，是本专利希达到的首要目的。
另外，简化淡水获取设备的构造，一方面可降低制造成本，二方面能使设备小型化，便于旅行者携带。这是本发明的第二个重要目的。
下面我们来介绍本专利的理论依据、技术方案的关键内容、具体指标与几种实施途径：
不少海岛、滨海或盐湖沿岸地区，往往十分缺乏淡水而相当干、热。我们知道空气(大气)温度越高，海水或湖水的蒸发越大，而空气也越难达到饱和，这因为热空气的饱和水汽压比冷空气的高，换言之热空气能承载的水汽量或称绝对湿度a(克/米3)比较大，对应的水汽分压力即水汽压e(毫米汞柱)也较大。但当该处气温从t℃降低到t0℃时，若原来的水汽压e=E0时，E0为t0℃所对应的饱和水汽压，则此时t0℃即称为该时刻下的空气露点温度(简称露点)td℃。如果气温再继续下降到t1℃,t1∈(0,td)时，则有e＞E1,E1为t1℃温度下空气的饱和水汽压；此时空气承载不了那么多的水汽，便有多余的水气凝(结)液化成露水，从空气中析出，直到使此时空气的水汽压降至e1≤E1为止。而空气中析出的这些露水，正是我们要集取的“淡水”。本专利就是利用上述一系列物理原理设计成的一种机电一体化淡水收集器，见图1所示框图。图1中1是空气吸入压缩机；2是螺旋形冷凝管，置于降温室之中；3是致冷器或用碎冰块放置于降温室内，使降温室的温度降至露点以下，但大于0℃；4是降温室；5是储水箱，用于收集由螺旋形冷凝管流出的“露水”；6是隔板，减少收集的淡水蒸发，隔板上层是储水箱的气室；7是气室中的排气孔；8是水笼头，取所集淡水之用。其运作程序为，空气吸入压缩机先将湿热空气吸入、压送到螺旋形冷凝管的喇叭口，由于风压的作用，湿热空气便沿着冷凝管往下走，边走边冷却至0+℃；从而使空气中多余的水汽结成露水，顺螺旋形冷凝管下端出水口流入储水箱，而压缩空气则从储水箱上半部的气室侧壁上的排气孔溢散出去。可见，空气吸入压缩机的排风口与螺旋形冷凝管的喇叭口须密封相连，而整个螺旋形冷凝管又得置于密封的降温室之中；降温室上下、左右、前后诸壁，宜带夹层，夹层间应填充绝热(保温)材料，如岩棉(石棉)、膨胀珍珠岩，绝热性能越好，获取淡水的能量损耗越小。有条件，储水箱周围诸壁亦可设置保温夹层，使所储淡水处于低温状态，减少蒸发。
一种简化型的机电一体化淡水收集器之实施方式，见图2所示结构。图2中1是反置的排风扇，这里就成为吸风扇了；2是风扇支架；3是降温室，其左右前后及底壁，宜带夹层，夹层间填充绝热材料；4是凹形集流面(凹面的饱和水汽压比平面或凸面小)，最好用不锈钢铁皮制成，表面宜抹一层石蜡，使之不浸润，便于集流；5是储水箱，上面有个四周高中间低的盖板，盖板中央有个漏水孔，盖板表面也要求对水不浸润；6是致冷器，若有足量冰块置于降温室内，则该淡水收集器工作时，致冷器可不开启，暂停工作；7是冷气输送管道；8是水笼头，取所集淡水之用。图2亦是一种机电一体化淡水收集器的刍型，能量利用率虽不十分高，但可以自已动手制造。为节省能源，这种机电一体化淡水收集器宜放在海或盐湖旁边，四面通风上有屋顶的遮荫棚里；能源可用太阳能电池。
若以毫米汞柱(mmHg)作为压强单位来表示水汽压e时，则它与绝对湿度a(克/米3)有下列数量关系：
a=289.e/T(克/米3)    (1)其中，绝对温度T=(273+t),t为此时气温摄氏温度值。并据由clapeyron方程经积分导得的饱和水汽(蒸气)压方程：
Pw=Coexp[-μLv/(RT)]    (2)Co为积分常数，则对应于T1°K与T2°K的饱和水汽压Pw1与Pw2之比为：
ln(Pw1/Pw2)=-(μLv/R)[(1/T1)-(1/T2)]    (3)式中μ为水的摩尔质量，Lv为水的汽化热，R为气体普适常数。[2]便有表1数据。表1.                    t=15℃-35℃时的有关湿度数据表
空气温度(t℃)  相对湿度(％) 绝对湿度(克/米3) 露点温度(td℃) 空气温度(t℃) 相对湿度(％) 绝对湿度(克/米3) 露点温度(td℃)
15     80  10.37  11.6 26     85 20.94 23.2
    90  11.67  13.3     92 22.77 24.6
16 81 11.10 12.7 27 85 22.18 24.3
    90  12.46  14.4     92 24.09 25.7
17     81  11.89  13.7 28     85 23.57 25.3
    90  13.25  15.4     98 25.54 26.7
18     82  12.68  14.8 29     86 24.96 26.4
    91  14.11  16.4     93 26.98 27.7
19     82  13.54  15.9 90     86 26.46 27.4
    91  15.04  17.5     98 28.56 28.7
20     83  14.47  16.9 31     80 25.87 27.1
    91  15.97  18.5     86 27.96 28.4
    93 30.20 29.7
21     83  15.39  18.0 32     80 27.44 28.1
    91  16.96  19.5     86 29.60 29.4
    98 31.90 30.7
22     83  16.38  19.1 33     80 29.00 29.2
    92  18.02  20.6     87 31.30 30.5
    93 33.66 31.8
23     84  17.44  20.1 34     81 30.69 30.2
    92  19.14  21.6     87 33.05 31.5
    93 35.49 32.8
24     84  18.56  21.2 35     81 32.45 31.2
    92  20.26  22.6     87 34.94 32.5
    93 37.44 33.8
25     84  19.68  22.2 0+     82 4.02 -2.7
    92  21.52  23.6    100 4.91 0.0
             (湿球未结冰)
效果与优点：
1、使用面广。海水淡化只能在有海或盐湖的地方能施行；而本专利淡水收集器，只要有空气的地方均可使用。因此，不但地球上可用，其他星球只要有空气，照样可以应用本专利淡水收集器。
2、集水量可观。若本专利的一种小型化淡水收集器，设置在空气温度t=33℃，相对湿度为87％的海边，设其“空气吸入压缩机”每分钟能压缩、吸入1米3的湿热空气，并经一定长度的螺旋形冷凝管后，冷却到0+℃，则每小时可产生“露水”：
W=60米3/时，(31.30-4.91)克/米3=1.5834公斤/时，该淡水收集器按每天工作16小时计，则一天可收集淡水25.334公斤，可供几个人一天生活的需要。这对于驻守在海中小岛上的解放军部队，有很大的实用价值。
3、为节约比能(焦耳/公斤)，本专利淡水收集器的工作时间，宜安排在17:00至次日9:00。若能源丰富，则可全日工作，集水量会更多。
                          参考文献
[1]罗祖德，珍惜水，就是珍惜我们自己，文汇报，1998年3月27日第10版。
[2]俞维诚主编，热学，华东师范大学出版社，1994年2月第一版(第三次印刷)，P.340-355。

Claims (3)

1、一种机电一体化淡水收集器
一种机电一体化淡水收集器，是一种主要用于干旱缺水地区获取淡水资源的机电一体化新设备，特别对于海岛、滨海或盐湖沿岸的干旱缺水地区，更有实用价值。其特征是利用暖湿水汽遇冷会凝结成液态水(以下简称“水”)的物理原理设计而成的，用这种方式来获取淡水的机电一体化设备，目前在国际上尚属首例。还由于本专利淡水收集器构造简单，因而可降低制造成本；另方面能使设备小型化，便于旅行者携带。
2、本专利的理论依据与技术方案
下面我们来阐述权利要求“1．一种机电一体化淡水收集器”的理论依据与技术方案。不少海岛、滨海或盐湖沿岸地区，往往十分缺乏淡水而相当干、热。我们知道空气(大气)温度越高，海水或湖水的蒸发越大，而空气也越难达到饱和，这因为热空气的饱和水汽压比冷空气的高，换言之热空气能承载的水汽量或称绝对湿度a(克/米3)比较大，对应的水汽分压力即水汽压e(毫米汞柱)也较大。但当该处气温从t℃降低到t0℃时，若原来的水汽压e=E0时，E0为t0℃所对应的饱和水汽压，则此时t0℃即称为该时刻下的空气露点温度(简称露点)td℃。如果气温再继续下降到t1℃,t1∈(0,td)时，则有e＞E1,E1为t1℃温度下空气的饱和水汽压；此时空气承载不了那么多的水汽，便有多余的水汽凝(结)液化成露水，从空气中析出，直到使此时空气的水汽压降至e1≤E1为止。而空气中析出的这些露水，正是我们要集取的“淡水”。本专利就是利用上述一系列物理原理设计而成的一种机电一体化淡水收集器，它由下列部件组成：(1)空气吸入压缩机；(2)螺旋形冷凝管，置于降温室之中；(3)致冷器或用足量的碎冰块放置于降温室内，使降温室的温度降至露点以下，但大于0℃；(4)降温室；(5)储水箱，用于收集由螺旋形冷凝管流出的“露水”；(6)储水箱的隔板，盖住收集的淡水，减少水份蒸发，隔板上层是储水箱的气室；(7)气室中的排气孔；(8)水笼头，取所集淡水之用。其运作程序为，空气吸入压缩机先将湿热空气吸入、压缩，并送到螺旋形冷凝管的喇叭口，由于空气吸入压缩机的压力，湿热空气便沿着冷凝管往下走，边走边冷却至0+℃；从而使空气中多余的水汽结成露水，顺螺旋形冷凝管下端出水口流入储水箱，而压缩空气则从储水箱上半部的气室侧壁上的排气孔溢散出去。可见，空气吸入压缩机的排风口与螺旋形冷凝管的喇叭口，必须是密封相连的，而整个螺旋形冷凝管又得置于密封的降温室之中；降温室上下、左右、前后诸壁，宜带夹层，夹层间应填充绝热(保温)材料，如岩棉(石棉)、膨胀珍珠岩，绝热性能越好，获取淡水的能量损耗越小。有条件，储水箱周围诸壁亦可设置保温夹层，使所储淡水处于低温状态，减少蒸发。为节约能源，这种机电一体化淡水收集器宜放在海或盐湖边，四面通风上有屋顶的遮荫棚里；能源可用太阳能电池，最好就放在遮荫棚的顶上。另外，若有足量冰块置于降温室内，则本专利淡水收集器工作时致冷器可暂停工作。
若以毫米汞柱(mmHg)作为压强单位来表示水汽压e时，则它与绝对湿度a(克/米3)有下列数量关系：
a=289.e/T(克/米3)      (1)其中，绝对温度T=(273+t),t为此时气温摄氏温度值。并据由clapeyron方程经积分导得的饱和水汽(蒸气)压方程：
Pw=Coexp[-μLv/(RT)]   (2)Co为积分常数，则对应于T1°K与T2°K的饱和水汽压Pw1与Pw2之比为：
ln(Pw1/Pw2)=-(μLv/R)[(1/T1)-(1/T2)]    (3)式中μ为水的摩尔质量，Lv为水的汽化热，R为气体普适常数。便有表1数据。表1.                  t=15℃-35℃时的有关湿度数据表   空气温度(t℃)   相对湿度(％) 绝对湿度(克/米3) 露点温度(td℃) 空气温度(t℃)   相对湿度(％) 绝对湿度(克/米3) 露点温度(td℃) 15  90 10.37 11.6 26     35 20.94 23.2  90 11.67 13.3     92 22.77 24.6 16  81 11.10 12.7 27     85 22.18 24.3  90 12.46 14.4     92 24.09 25.7 17  81 11.89 13.7 28     85 23.57 25.3  90 13.25 15.4     83 25.54 26.7 18  82 12.68 14.3 29     86 24.96 26.4  91 14.11 16.4     83 26.98 27.7 19  82 13.54 15.9 30     86 26.46 27.4  91 15.04 17.5     93 28.56 28.7 20  83 14.47 16.9 31     80 25.87 27.1  81 15.97 18.5     86 27.96 28.4     93 30.20 29.7 21  83 15.39 18.0 32     80 27.44 28.1  91 16.96 19.5     86 29.60 29.4     93 31.90 30.7 22  83 16.38 19.1 33     80 29.00 29.2  82 18.02 20.6     87 31.30 30.5     93 33.66 31.8 23  84 17.44 20.1 34     81 30.69 30.2  82 19.14 21.6     87 33.05 31.5     93 35.49 32.3 24  84 18.56 21.2 35     81 32.45 31.2  82 20.26 22.6     87 34.94 32.5     93 37.44 33.8 25  84 19.68 22.2 0+     82 4.02 -2.7  92 21.52 23.6    100 4.91 0.0                   (湿球未结冰)
借助于表1数据，可计算出在一定的气温与湿度条件下，此种机电一体化淡水收集器的相应集水指标。
3、一种机电一体化淡水收集器的刍型
据权利要求“2．本专利的理论依据与技术方案”，我们可自制一种简化型的机电一体化淡水收集器。它由下列部件组成：(1)反置的排风扇，这里就成为吸风扇了；(2)与集流面相固定的风扇支架；(3)降温室，其左右前后及底壁，宜带夹层，夹层间填充绝热材料；(4)凹形集流面(凹面的饱和水汽压比平面或凸面小)，它又是降温室上方斜置的面板，其下端搁置在储水箱的盖板内，集流面最好用不锈钢铁皮制成，表面宜抹一层石蜡，使之不浸润，便于集流；(5)储水箱，上面有个四周高中间低的盖板，盖板中央有个漏水孔，盖板表面要求对水不浸润；(6)致冷器，若有足量冰块置于降温室内，则该淡水收集器工作时，致冷器可不开启，暂停工作；(7)冷气输送管道，将冷气由致冷器输到降温室，使之降温；(8)水笼头，取所集淡水之用。这亦是该种机电一体化淡水收集器的刍型，能量利用率虽不十分高，但可以自己动手制造。其运作程序是，吸风扇将湿热空气吸入、压向集流面，由于集流面被致冷至接近0+℃，显然大大小于该时刻空气的露点温度td℃，于是就会有很多“露水”凝结在集流面上，因集流面对水是不浸润的，露(水)珠便会迅速沿着倾斜的集流面，滚落到储水箱盖板上，因盖板也是外高中低，又对水不浸润，故滚落到盖板上的露水，会很快经盖板的中孔汇入储水箱里。
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