姚佳男，王星天，王斌斌，牛俊奎

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測試研究院，呼和浩特010010）

水是自然環(huán)境中最豐富的資源，地球的總儲水量約為1.386×1018 m3[1]，但國內(nèi)外淡水資源的空間分布極為不均，可直接使用的淡水資源非常有限?？諝馐堑Y源存在的重要場所之一，根據(jù)估算大氣中的水蒸氣含量可達(dá)地表淡水總量的10 倍以上[2]。通過某些特定技術(shù)可以將空氣中水分捕獲，其不受地域限制，可廣泛運(yùn)用于海島、沙漠等各種地區(qū)，也可運(yùn)用在野外、作戰(zhàn)等各種場合，具有極強(qiáng)的適用性，因此成為國內(nèi)外廣泛研究的熱點(diǎn)。

目前常用的空氣取水技術(shù)有空氣冷凝結(jié)露法[3]、吸附解吸附方法[4-5]、水霧取水法[6-8]等。相比而言，空氣冷凝結(jié)露取水法最為簡單高效，環(huán)境要求較低，同時(shí)具有較強(qiáng)的取水能力，多用于需水量較大地區(qū)，但其在冷凝過程中需消耗巨大的能量。為此，設(shè)計(jì)了一種新型空氣取水裝置，利用壓縮機(jī)制冷作為冷源，與空氣間接換熱，以STM32 作為控制核心，根據(jù)需水量設(shè)定，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速和水冷箱溫度，進(jìn)而降低空氣冷凝過程的能量耗費(fèi)，提高工作效率。

1 空氣取水裝置工作原理

空氣取水裝置采用制冷結(jié)露法，將濕空氣的溫度降至露點(diǎn)以下，使空氣中的水蒸汽結(jié)露而獲得液態(tài)水。通過水冷箱與空氣間接換熱，將空氣從初始狀態(tài)降溫到露點(diǎn)溫度以下，空氣中的水在達(dá)到飽和狀態(tài)后進(jìn)一步冷卻，使得空氣中多余的水分在冷卻壁面上不斷析出，從而獲得冷凝水，通過收集就可以達(dá)到取水的目的。

2 裝置的設(shè)計(jì)

空氣取水裝置主要包括數(shù)據(jù)采集單元、控制單元、制冷單元和顯示單元。數(shù)據(jù)采集單元主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和處理，包括溫度、濕度、風(fēng)速等；控制單元的主要功能是對裝置中壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制；制冷單元通過壓縮機(jī)運(yùn)行制冷，將水冷箱溫度降至露點(diǎn)以下；顯示單元可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、異常數(shù)據(jù)報(bào)警，以及通過觸摸屏對裝置進(jìn)行操作等功能。空氣取水裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空氣取水裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of air water intake device

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元包括4 個(gè)傳感器：1 個(gè)溫度傳感器、2 個(gè)溫濕度傳感器、1 個(gè)風(fēng)速傳感器。其中，在水冷箱內(nèi)部布置溫度傳感器，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別布置1 個(gè)溫濕度傳感器，在進(jìn)風(fēng)口處布置風(fēng)速傳感器。此外，該系統(tǒng)還配置有1 個(gè)具有讀數(shù)功能的電子天平，用以計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)的出水量。

2.2 制冷單元

制冷單元是空氣取水裝置的重要組成部分，而其制冷效果直接影響著取水量的多少。由圖1 可見，空氣通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入冷凝通道與低溫的水冷箱底部進(jìn)行換熱。當(dāng)空氣溫度降至露點(diǎn)溫度以下，水蒸氣經(jīng)不斷凝結(jié)團(tuán)聚后形成液態(tài)小水滴，再從具有斜度的水冷箱底部流下并收集，進(jìn)而從出水口流出得以利用。降溫后的空氣通過排風(fēng)口排出，完成一次換熱循環(huán)。

2.3 控制單元

空氣取水裝置控制單元，以意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F407 系列單片機(jī)作為控制核心。控制系統(tǒng)框架如圖2所示，主要由溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)以及HMI 觸控屏等裝置組成。具體采用基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F407ZGT9 微控制器，完成控制單元核心處理器的設(shè)計(jì)，通過合理的硬件電路模塊設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，使裝置達(dá)到最優(yōu)的取水參數(shù)指標(biāo)。

圖2 控制系統(tǒng)總體框架Fig.2 Control system framework

該控制單元具有高可靠性、小型化、低成本等特點(diǎn)。控制器通過放大電路輸出控制變頻器以便控制風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，并且可以接收傳感器所采集的數(shù)據(jù)。HMI 觸摸屏具有數(shù)據(jù)顯示以及參數(shù)設(shè)置等功能。

控制系統(tǒng)通過溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，保證水冷箱溫度始終在露點(diǎn)以下，在保證裝置制水效率的同時(shí)，對壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行合理控制，從而減少不必要的工作時(shí)間，提高效率，降低電量損耗。其控制流程如圖3所示。通過溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，對壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，保證水冷箱維持在恒定溫度范圍，通過修正參數(shù)來消除響應(yīng)時(shí)間誤差、信號誤差等，實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率。

圖3 控制流程Fig.3 Control flow chart

2.4 顯示單元

顯示單元對系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過主界面對空氣取水裝置的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和存儲，也可調(diào)用歷史數(shù)據(jù)以曲線、表格等形式展示出來。

系統(tǒng)通過HMI 觸摸屏將采集回來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，參數(shù)設(shè)定界面可以對單位時(shí)間制水量進(jìn)行設(shè)定，也可對風(fēng)速、溫濕度等參數(shù)設(shè)置上下限值，系統(tǒng)具有報(bào)警功能。顯示單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 顯示單元結(jié)構(gòu)Fig.4 Display unit structure

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于空氣受環(huán)境影響較大，為了減小環(huán)境溫、濕度對試驗(yàn)結(jié)果的影響，將裝置放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行6 h 持續(xù)收集試驗(yàn)。欲得到更好的換熱效果，恒溫恒濕試驗(yàn)箱設(shè)置空氣溫度為30 ℃，相對濕度為70%。裝置內(nèi)傳感器持續(xù)記錄進(jìn)出口溫濕度、水冷箱溫度、風(fēng)速，并持續(xù)計(jì)算進(jìn)出口空氣中含濕量差值Δd，同時(shí)對出水口收集的冷凝水進(jìn)行稱重記錄。主要試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 空氣取水試驗(yàn)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of water extraction from air

試驗(yàn)過程中分別使用4 個(gè)傳感器對進(jìn)風(fēng)口空氣、出風(fēng)口空氣、進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、水冷箱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。整個(gè)試驗(yàn)過程中，進(jìn)出口空氣中含濕量差值Δd 變化情況如圖5所示。

圖5 裝置試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Device test results

結(jié)果表明，空氣取水裝置整體效果比較理想。試驗(yàn)從系統(tǒng)將水冷箱溫度降至露點(diǎn)開始計(jì)算，初始階段的含水量差值Δd 變化較大，主要是由于初始階段Δd 隨水冷箱溫度和風(fēng)速調(diào)控變化較大；中間階段Δd 波動(dòng)逐漸減小，是由于隨著溫度的降低，水冷箱溫度和風(fēng)速對Δd 影響逐漸降低；最后階段系統(tǒng)通過設(shè)定的制水量，調(diào)節(jié)水冷箱和風(fēng)速至最優(yōu)工況下工作，降低系統(tǒng)功耗。

4 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的空氣取水裝置以STM32 微控制器為核心，利用壓縮機(jī)制冷作為冷源，通過調(diào)節(jié)風(fēng)速和水冷箱溫度，在保證制水量的同時(shí)，使之在最優(yōu)工況下工作，減少了電能損耗，提高了制水效率。通過搭建試驗(yàn)臺，進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果理想，取水效果良好，從而印證了該裝置設(shè)計(jì)的可行性，對空氣取水裝置的研究具有重要意義。