一种改进的太阳能吸附式空气取水器
新闻来源：大连冰山集团有限公司设计研究院 作者：俞乔力 卢军 马春青 日期：2005-12-7 10:06:00 点击数：564
阅读提示：介绍了一种透光良好、冷凝迅速、吸附彻底、集热高效的太阳能吸附式空气取水器。冷凝罩在上布置，便于和空气分层的水蒸气及时冷凝；冷凝罩夹层内所填相变材料的蓄冷，加速冷凝过程。透光罩在下布置，避免了水蒸气在其内表面的凝结，以维持原有透光率。金属网球既可对吸附床内的吸附剂导热、均温，从而提高集热效率；又可在吸附床内均布气道，加速吸脱附过程。解决了沙漠地区的淡水补给问题，避免了淡水运输的困难。
引言
世界上沙漠面积占陆地面积的５０％，沙漠人口占世界人口的１０％，沙漠中蕴藏着极其丰富的钻石、石油、天然气等矿物资源。然而沙漠中由于严重缺水，给居民生活、工业生产、经济开发、科学考察以及军事部署带来巨大困难。
很多科学家都曾致力于研究沙漠中空气取水技术，主要沿袭空气的冷却、结露取水法。法国人Ｙ．Ｊａｎｎｏｔｌ９９３年在《ＲｅｗｅＧｅｎｅｒａｌｅｄｅＴｈｅｎｎｉｑｕｅ》的第１２期上，把太阳能单效吸附式制冷技术和空气冷却、结露取水法相结合，提出了太阳能吸附式制冷、结露法空气取水技术。该技术首先利用白天的太阳辐射加热单效吸附式制冷机的吸附床，使其中的吸附质脱附，并在另一端换热器中冷凝；当夜间吸附床被大气冷却后，开始吸附过程，从而导致换热器中吸附质的不断蒸发、制冷，当换热器表面温度降至大气露点以下时，水蒸气便在其表面冷凝，并依重力作用，经集水盘流入贮水罐中，以实现空气取水工艺。由于该技术的取水过程历经太阳能集热、吸附式制冷、空气冷却、水蒸气冷凝以及冷凝水的再蒸发５个环节，因此最终得到的系统取水效率很低；Ｙ．Ｊａｎｎｏｔ本人也在其文章的结尾，宣布了这种技术的不可行性。
１９９３年１月提出的空气取水器中国专利ＺＬ９３２０１７３０．４和１９９４年４月提出的太阳能空气取水器中国专利ＺＬ９４２０９２１７．１，均采用了基于温差吸附原理的太阳能空气取水技术。该技术由取水装置和旋转抛物面反射镜组成，取水装置放在反射镜的焦平面上，取水装置又由透光罩、吸附床、相变蓄冷冷凝罩、集水槽和取水阀等组成。在沙漠地区，夜晚大气温度较低，而相对湿度较高，这对太阳能空气取水器的吸附过程来说，极为有利；此时将在上设置的透光罩打开，让吸附床暴露在大气中，利用自然风使吸附床不断吸附流动空气中的水蒸气，直至达到或接近饱和，同时自然风通过对流换热使在下设置冷凝罩夹层中的相变材料放热凝固。到了白天，把透光罩合上，将吸附床密封在取水装置内，然后利用太阳直射辐射聚焦、透射，加热吸附床，使其中的水分脱附；与大气的对流换热使透光罩的温度不致过高，此时密封取水装置中的空气露点，随脱附过程的不断进行和空气含湿量的不断增大而升高；当露点超过透光罩温度时，与空气分层的水蒸气便开始在在上设置的透光罩内壁冷凝，然后依重力作用流入集水槽中，以实现太阳能空气取水过程。
现有取水技术存在下列问题：
１透光罩在上设置，会因上部较热、较轻水蒸气的分层而直接于其内壁冷凝，导致其透光率和集热效率降低；
２冷凝罩在下设置，将难以利用其夹层内所填相变材料的蓄冷使上部分层中的水蒸气及时冷凝，导致取水过程受阻；
３吸附床内的吸附剂缺少均布气道，从而阻碍吸脱附过程的进行；
４吸附床内的吸附剂缺少导热均温措施，造成局部过热，从而降低集热效率。
结构
本文的目的是克服现有技术不足之处，提供一种透光良好、冷凝迅速、吸附彻底、集热高效的太阳能空气取水器。
太阳能吸附式空气取水器采用的技术方案见左图，它包括太阳能聚光罩１、相变蓄冷冷凝罩２、支架３、透光罩４、橡皮圈５、吸附床６、吊钩７、吸附剂８、金属网球９、集水槽１０、取水管１１、取水阀１２等部件。夹层内填充有相变材料的冷凝罩２放在太阳能聚光罩１上部焦平面位置的支架３上，其特征在于：冷凝罩２在上布置、透光罩４在下布置，且通过橡皮圈５相互密封连接，吸附床６挂装在吊钩７下，吊钩７固定在冷凝罩２内的顶部，吸附床６中充满金属网球９，金属网球９内充满颗粒状吸附剂８，冷凝罩２的内壁下边缘设有集水槽１０，集水槽１０的底部通过取水管１１和取水阀１２与外部连接。
原理
太阳能吸附式空气取水器的工作原理，在沙漠地区，夜晚大气温度较低，而相对湿度较高，这对基于温差吸附原理的太阳能吸附式空气取水器的吸附过程来说，极为有利；此时将透光罩４打开，让吸附床６暴露在大气中，利用自然风均匀穿透吸附床６中各金属网球９之间所形成的均布气道，使吸附剂８在整个夜晚均匀吸附不断流过巨大空气量中的水蒸气，直至达到或接近饱和；同时流动空气的对流换热使冷凝罩２夹层中的相变材料凝固放热，以实现蓄冷目的；到了白天把透光罩４合上，将吸附床６密封在冷凝罩２与透光罩４之间，然后使太阳能聚光罩１跟踪太阳的视运行，利用太阳直射辐射聚焦、透射，加热吸附床６和透光罩４；一方面使吸附床６接光面吸收并转化的热量通过金属网球９均匀传递给各处的吸附剂８，以使吸附床６均温，从而在提高集热效率的前提下，让水分脱附；另一方面使透光罩４部分吸收太阳直射辐射后的温度明显高于冷凝罩２的，以避免在透光罩４内壁上出现水蒸气冷凝，使其维持原有透光率，从而提高集热效率；大气的对流换热和冷凝罩２夹层中相变材料的熔化吸热，共同使冷凝罩２保持较低温度；此时密封冷凝罩２和透光罩４中的空气露点，随脱附过程的不断进行和空气含湿量的不断增大而升高；当该露点超过冷凝罩温度时，在上部与空气分层的较热、较轻水蒸气，便就地于在上设置的冷凝罩２内壁上及时冷凝，然后依重力和表面张力作用沿冷凝罩２的内壁向下流人其下边缘设置的集水槽１０中，避免了水滴继续流淌至透光罩４内壁；此外透光罩４在下设置，以及水蒸气的上部分层，避免了水蒸气在其内壁的凝结，从而维持透光罩４的原有透光率；集水槽１０底部的集水通过取水管１１和取水阀１２，流人外部用户的存水器中，以实现太阳能吸附式空气取水过程。
利用沙漠地区夜晚的低温、高湿环境以及风能，进行吸附和蓄冷过程；利用太阳能进行脱附过程，利用蓄冷进行冷凝过程；从而以一昼夜为周期实现太阳能吸附式空气取水过程。解决了沙漠地区的淡水补给问题，避免了淡水运输带来的困难。
实验
太阳能吸附式空气取水器的实验参数与实验结果见上表。
结论
由于冷凝罩２在上布置、透光罩４在下布置，且采用金属网球９分隔吸附剂８，因此比现有技术具有如下优点：
１冷凝罩２在上布置，便于和空气分层的上部较热、较轻水蒸气及时冷凝；
２利用冷凝罩２夹层内所填相变材料的蓄冷，加速冷凝过程；
３透光罩４在下布置，就可避免上部分层的较热、较轻水蒸气在其内壁冷凝，以维持透光罩４的原有透光率，从而提高集热效率；
４透光罩４由于部分吸收太阳直射辐射，其温度相对于密封在冷凝罩２和透光罩４中空气露点要高，就可确保透光罩４内壁无水蒸气冷凝，从而使其透光率维持原有水平；
５金属网球９既可对吸附床６内的吸附剂８导热、均温，从而提高集热效率；又可在吸附床６内均布气道，加速吸附过程。
由于太阳能吸附式空气取水器的取水过程只历经太阳能集热和水份脱附—冷凝这两个环节，且各环节的效率得到了保证，因此其系统取水效率比Ｙ．Ｊａｎｎｏｔ，的高出２个数量级。
文/俞乔力 卢军 马春青
大连冰山集团有限公司设计研究院
电话：0411-86538237
一种改进的太阳能吸附式空气取水器
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