说明书(干旱地区无能耗取水机).doc
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干旱地区新型无能耗取水机设计说明书
设计者：
陈钦佩，郑晓磊，唐菲飞，盛遵荣，武文竹,李金熠，欧阳
指导教师：
孟祥睿，魏新利
（郑州大学化工与能源学院郑州市科学大道100号450001）
作品内容简介
通过文献检索、理论分析、软件和实物设计、实验论证等步骤，我们设计了一套针对于高温干旱地区的新型无能耗取水机。
众所周知，水是生命之源，是动植物生存和经济社会发展不可或缺的自然资源。
地球水资源紧缺和分布不均匀严重影响和缺水地区人们的生活，制约了当地经济社会的发展。
针对高温干旱地区气候、环境等的特点，我们把目光放在了大气的水蒸气上。
科研结果显示，沙漠、干旱地区昼夜温差大的同时，湿度差异也很大。
充分利用空气中的水蒸气，将其收集起来即可达到取水的目的。
硅胶是一种无毒无害的高性能吸水剂，常用于空气干燥、食品除湿等。
充分利用硅胶吸水性，并根据硅胶在不同温度下的吸水和解析的特性，设计了一套适于硅胶吸水和解析的设备结构和相关部件，从而构成了适于高温干旱地区的新型无能耗取水机。
新型无能耗取水机主要由吸附管、硅胶、封盖、支架、集水槽、储水器及其他传动、控制、管道、滴灌等附件系统等机构组成。
结构简单，投资小，无污染、取水效果好，具有较好的经济意义和社会意义。
该设备由郑州大学化工与能源学院安全工程专业陈钦佩，过程装备与控制工程专业郑晓磊、唐菲飞、盛遵荣、武文竹、欧阳，化学工程与工艺专业李金熠设计，郑州大学化工与能源学院孟祥睿老师和魏新利老师指导完成。
1研制背景及意义
水是一切生命赖以生存，社会经济发展不可缺少和不可替代的重要自然资源和环境要素。
地球上的淡水含量仅占全球总水量的2.53%，其中87.8%为分布在高山和两极地区的固体冰川，难以被人们利用，人类能直接利用的淡水取自地下水、湖泊淡水和河床水。
但是，现代社会的人口增长、工农业生产活动和城市化的急剧发展，对有限的水资源及水环境产生了巨大的冲击。
随着环境的日益恶化，这些淡水资源正变得越来越稀缺，尤其是在沙漠和海岛地区。
在沙漠、海洋和缺水地区确保持续有效的淡水供应,是人类在这些地区所有活动的先决条件和迫切需要解决的问题。
解决上述地区的淡水供应问题的传统方法包括交通运输、开采地下水和海水淡化三种途径。
交通运输成本较高，地下水开采及海水淡化，由于其技术、成本及环境要求限制而不适合广泛使用。
为了解决这一问题，我们Helios团队把目光转移到了大气水分中，致力于空气取水技术的开发和应用。
据估计空气中的水量约为14000km3,在沿海临河地区，空气湿度最大，水分容易获取；但是即使在干旱的沙漠地区，大气中仍有超过10g/m3的水蒸气，可以进行利用。
我们Helios团队设计开发的高温干旱地区无能耗智能取水机正是利用改性硅胶和沙粒的混合物作为吸附剂，在夜晚和白天分别进行对水蒸气的吸附和解析从而把水蒸气液化收集，达到干旱地区取水的目的。
2设计方案
设备外型采用太阳能热水器式结构，且为单元组合式结构，可以较大的提高太阳能吸收效率，并且提高硅胶管内固体吸附剂的产水率。
取水机主要结构如上图所示，包括：
1-活动封盖（上通气口），2-固定封盖，3-吸附管，4-支架，5-集水槽，6-气压风门（左右各一），7-储水器及其他传动、控制、管道、滴灌等附件系统。
1、活动封盖：
活动封盖由有机玻璃塑形而成，可实现封盖的定轴开关。
其主要动作有：
夜晚，活动封盖开启，与装置下面的气压风门实现导流，使硅胶与外界空气充分接触，提高硅胶单位时间吸水速率；白天，活动封盖关闭，整个装置实现密闭。
采用有机玻璃可以增加阳光的通过量，以用来增加内部温度。
2、固定封盖：
固定封盖与支架连为一体，采用钢板制作成半圆柱空腔，其空腔与吸附管导通。
3、吸附管：
吸附管为装置的重要组成部分，其截面形状为半圆形空腔，上表面为有机玻璃材质，下平面是承载硅胶的粗糙面。
上表面玻璃板应设计为圆弧状，可以避免由于太阳转动角度，而导致的采光不足问题。
吸附管与水平线大概呈40°—50°，以便使太阳光直射。
白天阳光可通过玻璃板射到吸附管内，提升吸附管内部温度，从而使硅胶中吸收的水分充分蒸发并在表面凝结。
4、支架：
支架为角铁焊接而成，其中固定封盖和集水槽粘接在支架上，吸附管与水平线之间的角度主要由支架进行调节。
5、集水槽:
集水槽截面为V型结构，当吸附管内壁有水凝结后，由于设备摆放有一定倾角的原因，水会沿着吸附管上表面导流槽向下流动并且汇集，直至流到集水槽处。
V型结构的好处一方面是减少阻力，加速流动；另一方面则是可以最大量的减少水在集水槽上的残余量，增大一周期的水产量。
6、气压风门：
气压风门位于集水槽两侧，可实现开关，主要操作动作：
夜晚，气压风门开启，与活动封盖的开启实现装置内部空气的导流，有助于硅胶与外界空气的充分接触，增大吸水量；白天，气压风门关闭，整个装置实现密闭，随着照射温度升高，有助于硅胶脱水。
7、储水器：
储存引水管导流的水。
该罐体为活动件，方便拆卸。
在具体实验过程中，我们采取如下的一个简单单元结构进行。
取水机单元主要结构如上图所示，包括：
1-箱体，2-玻璃板，3-密封门，4-集水槽，5-硅胶载板和硅胶，6-引水管，
7-储水罐，8-支架，9-传动机构
3工作原理及性能分析
干旱或沙漠地区白天与晚上的温差特别大,随着晚上温度的急剧下降,空气的相对湿度可以由白天时的20%—30%增加到晚上的70%—80%,也就是说晚上空气中凝聚了大量的水分。
无能耗智能取水机以一昼夜为一个工作周期，夜晚主要进行水分的吸附，白天主要进行水分的解析。
夜晚
硅胶吸水
白天
水分凝结、利用
空气导流高温蒸发
具体如下：
夜晚，尤其在干旱地区,气温较低,而相对湿度较高。
活动封盖和气压风门开启，空气由活动封盖进入箱体，并与气压风门实现导流，在该过程中，硅胶对大量流动空气中的水蒸气不断进行吸附。
经过一晚上约8小时的连续通风，硅胶便可达到或接近饱和状态。
白天，关闭活动封盖和气压风门。
太阳光直射在吸附管上，透过玻璃照射到吸附管内深色内表面和硅胶上，使内部温度升高，硅胶开始解析。
吸附管内温度在光照射下不断升高，内部也不断蓄热，加快硅胶解析；同时，解析出来的水蒸气由于内部蒸汽压达到饱和蒸汽压，当脱附后的水蒸气接触低于其露点温度的玻璃壁面时,便在其上凝结,凝结出的液珠在重力作用下流动至集水槽，经由引水管进入储液罐储存。
如此经过一昼夜后便将空气中的水分转化为液态，进行饮水、沙漠绿化以及滴灌的应用。
夜晚白天
此外，如果为了实现自动控制以减少人工操作，该设备可以通过增加太阳墙板和控制系统等附件，将手动开合改为时间控制的自动开合。
硅胶特性：
硅胶是一种坚硬多孔的固体颗粒，化学惰性强，有表面积大、内部孔隙率高，吸附能力强等特点，具有极强的吸附脱水功能和再生方法简单等优点，广泛的应用在干燥除湿领域，无毒无害。
根据文献资料，由于硅胶吸水属于物理吸附，主要作用力是范德华力。
而改性硅胶（以氯化镁含量为1%的改性硅胶为例），却具有2种活性中心：
一类是硅胶本身所具有的物理吸附活性中心；另一类是引入氯化镁后产生的络合吸附活性中心。
因此改性后的硅胶平衡吸湿量远远大于未改性硅胶，所以在填充硅胶时，我们应采用改性硅胶，现以氯化镁含量为1%的改性硅胶分析吸水过程，包括3个阶段：
第一阶段是具有高结合能的亲水性基团吸附水形成硅的表面羟基，在硅羟基上以形成氢键的作用方式发生水分子的物理吸附。
第二阶段发生在中等相对压力（此处压力并非为取水机吸附管内的压力，而是硅胶内外部的压力，下同）时，此时水蒸气在干燥剂的孔隙中发生毛细凝结，在单层吸附水的表面继续吸附水蒸气并形成水簇，使吸湿量进一步增大。
第三阶段，随着相对压力增大，吸附层相应增厚，出现更多的吸水活性位，吸水量增大。
解析过程相反。
当吸水温度从298K增加到318K，吸水量逐渐增大。
当温度升高到328K，吸水量开始下降，在温度大于328K后，水的解吸速度高于吸附速度，开始解析。
4理论设计计算
干旱地区无能耗取水机最重要的热性能指标在于它生产淡水的能力,采用单位面积的玻璃板在一天内生产淡水的数量来表示。
计算模型：
硅胶载板的热平衡方程为
（1）
—太阳辐射强度；—玻璃对太阳光的透过率；—硅胶载板对太阳光的吸收率；、—硅胶载板的热容和温度；、和—分别为硅胶载板通过脱附、对流和辐射传给玻璃板的强度；—经过存水器散失至环境的热量强度；—载板升温所吸收的能量。
对于玻璃板,同样可列出热平衡方程：
（2）
—玻璃板吸收的太阳辐射强度；—玻璃板向环境的散热强度；—玻璃板自身升温吸收的热强度。
将式
（1）和式
（2）相加,可得到整个取水装置的热平衡方程：
（3）
为使分析简化，忽略玻璃板的二次反射和二次吸收。
且玻璃板的总热容与吸附床的热容相比很小,因此忽略的变化而引起的贮热量的变化,式
（2）右端的微分项也可省略。
表示玻璃板向环境的散热,它由对空气的辐射热损和对空气的对流传热两部分组成。
其
（1）
（2）（3）式中各项：
（4）
式中,—载板的反射率；—玻璃板的反射率；—斯蒂芬一波尔茨曼常数。
（5）
为对流换热系数，靠经验公式计算。
（6）
式中—实验中收集到的淡水量—水的脱附热—取水的时间间隔；一玻璃板接收光的面积。
（7）
储水罐换热系数，根据取水装置的结构和工作条件来决定
（8）
（由，，得到）
取水器的效率定义为（9）
用实验方法决定的取水器效率（10）
其中,m是实际收集到的淡水量,它小于计算得到的理论值。
为确定此类取水器效率程度,可计算出理想的取水器的最高效率。
所谓理想的取水器是指没有经储水罐的热量散失,即=0,同时,吸附床及其支架等的热容极小,以致在给定的太阳辐射强度、气温和风速下可以尽快达到脱附温度，可得。
（14）
表一：
参数取值
序号
参数
意义
单位
取值
1
G
太阳辐射强度
Wm-2
1000
2
玻璃板外空气
35
3
玻璃板阳光透过率
――
0.85
4
玻璃板阳光吸收率
――
0.05
5
载板阳光吸收率
――
0.95
6
a
载板宽度
mm
400
7
b
载板长度
mm
600
8
h
设备高度
mm
200
9
a
玻璃板长度
mm
400
10
b
玻璃板宽度
mm
600
表二：
取水效率计算
序号
参数
意义
单位
取值
1
载板脱附热量
------
29
2
载板对流传热
------
18
3
载板辐射传热
------
14
4
载板反射热量损失
------
4
4
储水罐散失热量
------
9
5
玻璃板散失热量
-------
11
6
玻璃板吸收热量
-------
5
7
其他热量损失
-------
10
8
取水效率
-------
29
9
m
实验获取水量
Kg
0.0632
10
m/ab
单位面积取水量
Kg/m2
0.26
4实物（模型）照片
吸水过程脱水过程
我们小组在对取水机进行设计过程中，认为通过以下措施可以强化取水，增加产水量。
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