陳海淵

摘 要：針對干旱地區(qū)用水困難且修建大型引水工程往往耗費高、收效低的問題，運用制冷結露原理設計一種空氣取水裝置，實現(xiàn)從空氣中凝結水分獲取水資源，旨在解決干旱地區(qū)用水緊缺問題。實驗結果顯示：當溫度為20 ℃，濕度為80 %時，空氣取水裝置每小時可以制取水約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制取水約35 g。

關鍵詞：干旱缺水;空氣取水裝置;實驗結果

中圖分類號：TV213? ? 文獻標志碼：A

0 前言

近些年，隨著人們用水量的增長，全球用水緊缺的問題已經愈發(fā)嚴重，如今該問題已經成為一個世界性的難題。在中國，300多個城市缺水，114個城市嚴重缺水。中國北方地區(qū)普遍缺水，其中西北地區(qū)是我國干旱最嚴重的地區(qū)，該地區(qū)人均水資源量只有全國人均的60 %。為了獲得充足的淡水資源，傳統(tǒng)方法主要有遠距離運輸、海水淡化、開采地下水和引水調水工程等。由于上述技術受限于技術、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，因此應該尋找新技術來解決這個難題。

空氣含有大量的水分，據估計空氣中大約含有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 制冷結露法制取水的原理

制冷結露取水方法是通過降低空氣溫度，使之達到露點溫度，空氣中的水分可以凝結成液態(tài)水析出。該種取水方法一般采用類似于空調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、壓縮機四大部件組成。

2 空氣取水裝置的設計

空氣取水裝置由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、風機、熱力膨脹閥以及其他輔助設備組成，如圖1所示。制冷系統(tǒng)和送風系統(tǒng)是空氣取水裝置的主體組成部分，送風系統(tǒng)負責將外部空氣抽入，制冷系統(tǒng)負責將空氣中的水分凝結成液態(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)運行時，制冷劑通過蒸發(fā)器與風道中的空氣進行熱交換，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)，然后被壓縮機壓縮，變成高溫高壓氣體，緊接著制冷劑進入冷凝器，在冷凝器中與外界進入的冷空氣進行熱交換，從而制冷劑被冷卻，此時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)制冷劑經過儲液器、干燥過濾器，再經過熱力膨脹閥降壓節(jié)流，變成常溫常壓的液態(tài)制冷劑，最后進入蒸發(fā)器，開始新的循環(huán)。空氣取水裝置制冷系統(tǒng)運行原理圖如圖2所示。

2.2 送風系統(tǒng)

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

3 實驗結果與分析

3.1 制取水量理論值計算

空氣取水裝置的理論制取水量可用下式計算：

M=Vρ（d1-d2）

式中：M—凝結水的質量，V—風機送風量，ρ—實時空氣密度，d1—入風口空氣的含濕量，d2—排風口空氣的含濕量，h1—空氣通過入風口的焓，h2—空氣通過排風口的焓，t2—空氣離開排風口的溫度，Q0—壓縮機的制冷量。

3.2 實驗結果與分析

空氣取水裝置采用一臺制冷量為226 W的壓縮機，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、不同相對濕度的空氣下分別進行測試，記錄制取水量數(shù)據，并對實驗結果進行分析。在該測試中，在任一實驗工況下都保持空氣溫度和相對濕度基本不變，即進入空氣取水裝置的空氣溫度波動<±1 ℃，空氣相對濕度波動<±1 %。在每一個工況實驗開始前，空氣取水裝置都先連續(xù)穩(wěn)定地預運行10 min以上，再開始進行測試。在本次實驗中，進風溫度為15 ℃、20 ℃時，在空氣相對濕度分別為30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %的條件下進行1 h穩(wěn)定測試，制取水量的結果如圖4、圖5所示。

由上述結果分析可得：

（1）分析圖4和圖5，當進風空氣溫度基本不變時，進風空氣的相對濕度上升，制取水量也會隨之增加。這是因為在進風空氣溫度基本不變時，隨著相對濕度的增大，空氣在單位體積內含有水分的量會增加。同時，當空氣溫度不變時，相對濕度增大，空氣露點溫度也會隨之上升，空氣中的水分也更容易凝結析出。

（2）對比圖4和圖5，當進風空氣相對濕度基本不變時，進風空氣的溫度上升，制取水量也會隨之增加。這是因為在進風空氣相對濕度基本不變時，隨著溫度的上升，相同體積空氣的濕負荷會稍有提高，制冷系統(tǒng)的有效制冷量增加，所以空氣通過蒸發(fā)器表面時的換熱量相對增加，空氣離開蒸發(fā)器表面的溫度也相對降低了，出水量有所增加。

（3）從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，當空氣溫度為15 ℃，相對濕度為30 %，空氣取水裝置的實際制取水量幾乎為零，與理論制取水量有較大偏差。這是因為當進風空氣的溫度和濕度都很低時，空氣中水分的露點低于0 ℃，空氣中的水汽就會直接凝結成露而不是液態(tài)水，所以集水箱收集不到液態(tài)水。

4 結語

基于制冷結露原理的空氣取水裝置可以較好地實現(xiàn)從空氣中取水的功能。當溫度為20 ℃，濕度為80 %時，空氣取水裝置每小時可以制取水約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，具有較好的應用價值。

參考文獻

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