基于制冷結(jié)露原理的空氣取水裝置設(shè)計(jì)

陳海淵

摘 要：針對(duì)干旱地區(qū)用水困難且修建大型引水工程往往耗費(fèi)高、收效低的問題，運(yùn)用制冷結(jié)露原理設(shè)計(jì)一種空氣取水裝置，實(shí)現(xiàn)從空氣中凝結(jié)水分獲取水資源，旨在解決干旱地區(qū)用水緊缺問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)溫度為20 ℃，濕度為80 %時(shí)，空氣取水裝置每小時(shí)可以制取水約382 g;即使溫度為15 ℃，在濕度為40 %的情況下，空氣取水裝置仍然能夠每小時(shí)制取水約35 g。

關(guān)鍵詞：干旱缺水;空氣取水裝置;實(shí)驗(yàn)結(jié)果

中圖分類號(hào)：TV213? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

近些年，隨著人們用水量的增長(zhǎng)，全球用水緊缺的問題已經(jīng)愈發(fā)嚴(yán)重，如今該問題已經(jīng)成為一個(gè)世界性的難題。在中國(guó)，300多個(gè)城市缺水，114個(gè)城市嚴(yán)重缺水。中國(guó)北方地區(qū)普遍缺水，其中西北地區(qū)是我國(guó)干旱最嚴(yán)重的地區(qū)，該地區(qū)人均水資源量只有全國(guó)人均的60 %。為了獲得充足的淡水資源，傳統(tǒng)方法主要有遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、海水淡化、開采地下水和引水調(diào)水工程等。由于上述技術(shù)受限于技術(shù)、成本、地形和環(huán)境等因素，并不是所有地區(qū)都適合采用這些方法來獲取水資源，因此應(yīng)該尋找新技術(shù)來解決這個(gè)難題。

空氣含有大量的水分，據(jù)估計(jì)空氣中大約含有6.44×104 km3的水分，超過地表淡水資源總量的10倍，而且從空氣中獲取水可以不受區(qū)域制約，只要有空氣的存在，就可以從空氣中獲得水資源。從空氣中制取水是解決干旱地區(qū)水資源緊缺問題的新方法。

1 制冷結(jié)露法制取水的原理

制冷結(jié)露取水方法是通過降低空氣溫度，使之達(dá)到露點(diǎn)溫度，空氣中的水分可以凝結(jié)成液態(tài)水析出。該種取水方法一般采用類似于空調(diào)制冷原理的空氣取水裝置，該類型的空氣取水裝置的制冷系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、熱力膨脹閥、壓縮機(jī)四大部件組成。

2 空氣取水裝置的設(shè)計(jì)

空氣取水裝置由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)、熱力膨脹閥以及其他輔助設(shè)備組成，如圖1所示。制冷系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)是空氣取水裝置的主體組成部分，送風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將外部空氣抽入，制冷系統(tǒng)負(fù)責(zé)將空氣中的水分凝結(jié)成液態(tài)水。

2.1 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)的冷凝器與壓縮機(jī)位于空氣取水裝置下方，蒸發(fā)器以及熱力膨脹閥位于空氣取水裝置上方。制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，制冷劑通過蒸發(fā)器與風(fēng)道中的空氣進(jìn)行熱交換，制冷劑吸收空氣中的熱量，低從溫低壓的氣液兩相狀態(tài)變成低溫低壓的飽和蒸汽狀態(tài)，然后被壓縮機(jī)壓縮，變成高溫高壓氣體，緊接著制冷劑進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中與外界進(jìn)入的冷空氣進(jìn)行熱交換，從而制冷劑被冷卻，此時(shí)高溫高壓的過熱蒸汽變成常溫高壓的液體。常溫高壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)過儲(chǔ)液器、干燥過濾器，再經(jīng)過熱力膨脹閥降壓節(jié)流，變成常溫常壓的液態(tài)制冷劑，最后進(jìn)入蒸發(fā)器，開始新的循環(huán)。空氣取水裝置制冷系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖2所示。

2.2 送風(fēng)系統(tǒng)

空氣取水裝置的冷凝器室有風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)機(jī)將外部空氣抽入使冷凝器風(fēng)冷降溫。在風(fēng)機(jī)的持續(xù)作用下，外部空氣流過冷凝器后被加熱并順著通風(fēng)管上升到達(dá)裝置上方的蒸發(fā)器。濕空氣通過蒸發(fā)器的表面時(shí)，由于蒸發(fā)器表面的溫度較低，空氣就會(huì)被冷卻。如果空氣溫度達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水分就會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水。液態(tài)水會(huì)不斷地滴落到蒸發(fā)器下方的集水盤中，并順著管道流入集水箱。經(jīng)過蒸發(fā)器后，濕熱空氣變?yōu)楦衫淇諝?，在新風(fēng)不斷送入內(nèi)部壓強(qiáng)逐漸增大的作用下被送入第二冷凝室中，與送風(fēng)管道出風(fēng)口送入的濕熱空氣相遇再次凝結(jié)成水，最大程度地提高了制水效率。最后，由于內(nèi)部壓強(qiáng)的作用，干空氣通過排風(fēng)口從第二冷凝室排出空氣取水裝置?？諝馊∷b置送風(fēng)系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 制取水量理論值計(jì)算

空氣取水裝置的理論制取水量可用下式計(jì)算：

M=Vρ（d1-d2）

式中：M—凝結(jié)水的質(zhì)量，V—風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，ρ—實(shí)時(shí)空氣密度，d1—入風(fēng)口空氣的含濕量，d2—排風(fēng)口空氣的含濕量，h1—空氣通過入風(fēng)口的焓，h2—空氣通過排風(fēng)口的焓，t2—空氣離開排風(fēng)口的溫度，Q0—壓縮機(jī)的制冷量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

空氣取水裝置采用一臺(tái)制冷量為226 W的壓縮機(jī)，并采用與之相匹配的蒸發(fā)器、冷凝器和熱力膨脹閥，在不同溫度、不同相對(duì)濕度的空氣下分別進(jìn)行測(cè)試，記錄制取水量數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在該測(cè)試中，在任一實(shí)驗(yàn)工況下都保持空氣溫度和相對(duì)濕度基本不變，即進(jìn)入空氣取水裝置的空氣溫度波動(dòng)<±1 ℃，空氣相對(duì)濕度波動(dòng)<±1 %。在每一個(gè)工況實(shí)驗(yàn)開始前，空氣取水裝置都先連續(xù)穩(wěn)定地預(yù)運(yùn)行10 min以上，再開始進(jìn)行測(cè)試。在本次實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)風(fēng)溫度為15 ℃、20 ℃時(shí)，在空氣相對(duì)濕度分別為30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %的條件下進(jìn)行1 h穩(wěn)定測(cè)試，制取水量的結(jié)果如圖4、圖5所示。

由上述結(jié)果分析可得：

（1）分析圖4和圖5，當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度基本不變時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣的相對(duì)濕度上升，制取水量也會(huì)隨之增加。這是因?yàn)樵谶M(jìn)風(fēng)空氣溫度基本不變時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增大，空氣在單位體積內(nèi)含有水分的量會(huì)增加。同時(shí)，當(dāng)空氣溫度不變時(shí)，相對(duì)濕度增大，空氣露點(diǎn)溫度也會(huì)隨之上升，空氣中的水分也更容易凝結(jié)析出。

（2）對(duì)比圖4和圖5，當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣相對(duì)濕度基本不變時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣的溫度上升，制取水量也會(huì)隨之增加。這是因?yàn)樵谶M(jìn)風(fēng)空氣相對(duì)濕度基本不變時(shí)，隨著溫度的上升，相同體積空氣的濕負(fù)荷會(huì)稍有提高，制冷系統(tǒng)的有效制冷量增加，所以空氣通過蒸發(fā)器表面時(shí)的換熱量相對(duì)增加，空氣離開蒸發(fā)器表面的溫度也相對(duì)降低了，出水量有所增加。

（3）從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣溫度為15 ℃，相對(duì)濕度為30 %，空氣取水裝置的實(shí)際制取水量幾乎為零，與理論制取水量有較大偏差。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)風(fēng)空氣的溫度和濕度都很低時(shí)，空氣中水分的露點(diǎn)低于0 ℃，空氣中的水汽就會(huì)直接凝結(jié)成露而不是液態(tài)水，所以集水箱收集不到液態(tài)水。

4 結(jié)語

基于制冷結(jié)露原理的空氣取水裝置可以較好地實(shí)現(xiàn)從空氣中取水的功能。當(dāng)溫度為20 ℃，濕度為80 %時(shí)，空氣取水裝置每小時(shí)可以制取水約382 g，即使在溫度為15 ℃、濕度為40 %的比較極端的情況下，空氣取水裝置仍然能夠每小時(shí)制取水約35 g，所以空氣取水裝置能夠在一定程度上緩解干旱地區(qū)用水緊缺的問題，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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