CN111321776A - 一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，包括真空箱体、设置于真空箱体内的管道、设置于管道上方与其直接接触的辐射制冷层和设置于真空箱体上方封顶的红外透明盖板。所述真空箱体可进行内部抽真空以隔绝装置内外的热交换并且作为整个装置的保护外壳；所述管道作为空气和所生成露水流动的通道；所述辐射制冷层是由具有辐射制冷效果的材料制成，保证了管道内空气温度低于露点温度而产生露水；本发明能够控制管道内空气流速以调节辐射制冷表面的空气对流保证装置在不同的环境下都能保证最高的制水量，同时保证辐射制冷层的温度高于霜点以防止结霜。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置。
背景技术
淡水资源的可持续获取已经被列为21世纪最大的工程问题之一，淡水获取技术的重要性不言而喻。然而，目前世界上大多数淡水获取技术都是利用消耗电能或者燃料来进行海水的淡化，然而这个过程不仅耗费巨大的能源，还会产生对环境有害的污染气体。此外，还有一些海水淡化的方法比如薄膜过滤海水，分离盐分，这类技术的淡化效率较低，且维护成本高。另一方面，在非沿海地区，并没有丰富的海水资源，不适合应用上述技术获取淡水。
露水的产生是由于空气的温度低于露点温度，空气中的水蒸气饱和从而液化成液态水。自然界中露水的产生本质上是由于辐射制冷效果造成的，比如夜间树叶的温度低于环境温度，甚至低于露点温度从而表面产生露水。辐射制冷技术，是利用-270℃的外太空作为冷源，通过热辐射的传热方式将物体的热量散热至外太空，从而实现地球表面上的物体不消耗能源的自发式制冷的效果。
由于利用辐射制冷技术来获取露水不消耗能源，且不需要依赖于海水资源，所以受到了各界的广泛关注。然而现有的基于辐射制冷技术来获取露水的方法产水量不高，且受到环境（环境温度、湿度等）的影响较大。
因此现在淡水露水获取技术存在以下五个问题；
1、消耗能源制取淡水技术的成本较高、结构复杂和产生污染等问题。
2、现有基于辐射制冷技术获取淡水的方法无法人工调节辐射制冷材料表面的空气对流，从而无法在不同的环境下都保持最佳的制水效果
3、现有的基于辐射制冷技术获取淡水的方法是将露水凝结在辐射制冷材料的上表面，再进行收集。然而残留在材料上表面的露水会影响材料的辐射特性，从而影响露水制取的效果。
4、现有的基于辐射制冷技术获取淡水的方法在某些环境下会出现结霜的情况，且无法避免。
5、现有的基于辐射制冷技术获取淡水的方法需要将装置倾斜一定的角度从而利于露水的收集，但是辐射制冷板倾斜会影响制冷效果，从而影响露水获取的效果。
6、现有的基于辐射制冷技术获取淡水的方法中辐射制冷材料与周围环境的热交换（寄生热）过大。
发明内容
本发明提供一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，能够有效解决上述问题，所述装置直接从大气中冷凝出露水，这个过程不消耗能源，无温室气体和有害物质排放；还可以调节管道内空气流动速率从而控制辐射材料表面的空气对流。
技术方案
本发明提供一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，包括真空箱体、设置于真空箱体内部的管道、设置于管道上方与其直接接触的辐射制冷层和设置于真空箱体上方封顶的红外透明盖板。
作为优选，所述所述真空箱体由红外透明盖板封顶，所述真空箱体材料采用金、银、铝、铁、铜、钼、锡、钛或铬中的其中一种，且在需要抽真空时真空箱体厚度满足其内部抽真空的要求。
作为优选，所述管道采用中空设计，管道两头分别连接气泵和露水收集容器，管道上方紧贴辐射制冷层，管道材料采用金、银、铝、铁、铜、钼、锡、钛或铬中的其中一种。
作为优选，所述红外透明盖板作为箱体的封顶，所述红外透明盖板材料采用聚乙烯、聚甲基戊烯、硅、锗、硒化锌、硫化锌和氧化铝中的一种。
作为优选，所述辐射制冷层上表面在8-13微米波段具有高辐射率，在8-13微米波段之外具有低辐射率；下表面在整个波段具有低辐射率且优良导热性能。
有益效果：
1、本发明应用辐射制冷技术将空气温度降至露点温度以下，从而实现从空气中获取露水（淡水）。
2、本发明可以调节装置内空气流速从而控制辐射材料表面的空气对流，可以使装置在不同环境下都处于最高的露水量。
3、通过控制辐射材料表面的空气对流，可以调节辐射制冷层温度始终高于霜点，从而防止结霜。
4、不同于之前的利用辐射制冷技术制水于辐射制冷材料的上表面，所述装置露水凝结于辐射制冷材料下方的管道内，从而避免了上表面的露水降低辐射制冷材料的制冷效果而降低制水量。
5、不同于之前的利用辐射制冷技术制水于辐射制冷材料的上表面，其需要倾斜辐射制冷层从而收集露水而导致制水效果降低，所述装置无需倾斜辐射制冷层。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的俯视图；
图3为理想辐射层和黑体辐射层的辐射率图；
图4为选择性辐射层的辐射率图；
图5为理想辐射层、黑体辐射层和选择性辐射层在不同的环境下的产水量和空气对流换热系数的关系；
图6为理想辐射层、黑体辐射层和选择性辐射层的产水量随辐射层倾斜角度的关系；
其中，1-红外透明盖板；2-辐射制冷层；3-管道；4-真空箱体。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请实施例的示意性实施例及其说明用于解释本申请实施例，但并不作为对本申请实施例的限定。
下面结合附图，对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明。
参考图1和图2所示，本实施例的一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，包括真空箱体4、设置于真空箱体内部的管道3、设置于管道上方与其直接接触的辐射制冷层2和设置于真空箱体上方封顶的红外透明盖板1。
所述真空箱体4由红外透明盖板1封顶，真空箱体4的材料采用金、银、铝、铁、铜、钼、锡、钛或铬中的其中一种，且在需要抽真空时真空箱体4的厚度满足其内部抽真空的要求。
所述管道3采用中空设计，管道两头分别连接气泵和露水收集装置，管道上方紧贴辐射制冷层2，管道材料采用金、银、铝、铁、铜、钼、锡、钛或铬中的其中一种
所述红外透明盖板1作为箱体的封顶，盖板材料采用聚乙烯、聚甲基戊烯、硅、锗、硒化锌、硫化锌和氧化铝中的一种；当装置内部需要抽真空时，盖板厚度应该满足抽真空的要求。
所述辐射制冷层2上表面在8-13微米波段具有高辐射率，在8-13微米波段之外具有低辐射率；下表面在整个波段具有低辐射率且优良导热性能。
本实施例工作时，将装置内部抽成真空为10-6托，以隔绝装置内外的热交换。空气由气泵鼓入管道内，由于辐射制冷层2的制冷效果，当辐射制冷层2表面的空气对流满足要求时，与辐射制冷层2紧密接触的管道3及其内部的空气的温度则会低于露点温度，此时空气中的水蒸气即会液化而随着空气一起被吹出。需要区别的是，之前的技术皆是在辐射制冷层上方制取露水，然而由于露水在红外波段的高吸收率，则会影响辐射制冷层的辐射制冷效果从而影响露水制取效果，所述装置改变了露水制取的部位从而解决了该问题。
参考图3所示，理想辐射层在8-13微米波段的辐射率为1，在该波段之外的辐射率为0，由于大气透过率在8-13微米波段具有极高透射率，所以理想辐射层具有最高的露水获取量。黑体辐射层在整个波段的辐射率为1，其制水效果代表着自然界中绝大多数植被的露水获取量。
上述的理想辐射层和黑体辐射层分别代表着最佳制水效果和一般自然界植被的制水效果，然而经过光子学设计，可以合成优于自然界植被制水效果的辐射层，参考图4所示，为某人工合成的选择性辐射层的辐射率。
辐射制冷层表面的空气对流影响着露水获取量，参考图5所示，空气对流强度可以由对流换热系数表征，在确定的环境下，随着对流换热系数增加，露水获取量先增加后减少，即在有着最佳的对流换热系数对应着最高露水获取量。在不同的环境下，最佳的对流换热系数不相同，所述装置通过控制空气对流能够使装置始终处于最高露水获取量。
另一方面，图5中的虚线代表着结霜情况，即辐射制冷层的温度低于0℃的情况，所述装置可以通过减弱空气对流防止结霜，从而避免露水获取量的减少。
参考图6所示，随着辐射制冷层的倾斜，露水获取量不断降低，即辐射制冷层的倾斜不利于制水效果。区别于之前的制取露水的技术，其通过倾斜的方式收集露水，所述装置通过管道通气的方式收集露水从而解决倾斜方式不利于制水的问题。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
另一方面，图5中的虚线代表着结霜情况，即辐射制冷层的温度低于0℃的情况，所述装置可以通过减弱空气对流防止结霜，从而避免露水获取量的减少。
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以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，其特征在于：包括真空箱体（4）、设置于真空箱体（4）内部的管道（3）、设置于管道（3）上方与其直接接触的辐射制冷层（2）和设置于真空箱体（4）上方封顶的红外透明盖板（1）。
2.根据权利要求1所述的一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，其特征在于：所述真空箱体（1）由红外透明盖板（1）封顶，所述真空箱体（1）的材料采用金、银、铝、铁、铜、钼、锡、钛或铬中的其中一种，且真空箱体（1）的厚度满足其内部抽真空的要求。
3.根据权利要求1所述的所述的一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，其特征在于：所述管道（3）采用中空设计，管道（3）的两头分别连接气泵和露水收集容器，管道（3）的上方紧贴辐射制冷层（2），所述管道（3）的材料采用金、银、铝、铁、铜、钼、锡、钛或铬中的其中一种。
4.根据权利要求1所述的一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，其特征在于：所述红外透明盖板（1）作为真空箱体（1）的封顶，所述红外透明盖（1）板材料采用聚乙烯、聚甲基戊烯、硅、锗、硒化锌、硫化锌和氧化铝中的其中一种。
5.根据权利要求1所述的一种高效且防结霜的空气对流可控式露水获取装置，其特征在于：所述辐射制冷层（2）的上表面在8-13微米波段具有高辐射率，在8-13微米波段之外具有低辐射率；下表面在整个波段具有低辐射率且优良的导热性能。
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