本實用新型涉及熱力學(xué)和傳熱學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于太陽能供電的智能空氣汲水裝置。

背景技術(shù)：

任何地區(qū)都需要水的供給保證動植物的生存和人類的正?；顒樱m然不是處處有水源，但是空氣中的水含量是十分可觀的，如果能從空氣中汲取水分，除了可以緩解干旱，也不會對于環(huán)境造成破壞。

空氣在每個溫度下的飽和濕度不盡相同，在空氣冷卻的過程中，空氣飽和濕度不斷下降(即絕對濕度下降)，含水量固定不變，相對濕度不斷增加，當(dāng)相對濕度達(dá)到100％后繼續(xù)冷卻空氣，空氣中的水分便會過飽和從而以液態(tài)水的形式凝結(jié)出來。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種基于太陽能供電的智能空氣汲水裝置，在一定的溫度、一定的天氣條件下可從空氣中獲取純凈的液態(tài)水。

該裝置包括太陽能電池板、蓄電池、軸流風(fēng)扇、套管換熱器、制冷半導(dǎo)體、蓄水裝置、抽水管和手壓水泵；太陽能電池板、蓄電池、制冷半導(dǎo)體和手壓水泵位于地面上，套管換熱器的一部分、蓄水裝置、抽水管位于地面以下；太陽能電池板與蓄電池相連，蓄電池為軸流風(fēng)扇和制冷半導(dǎo)體供電，制冷半導(dǎo)體鑲嵌在套管換熱器上，套管換熱器下端連接蓄水裝置，蓄水裝置通過抽水管與手壓水泵相連。

其中，套管換熱器為同心的薄壁圓管，分別為套管換熱器內(nèi)管和套管換熱器外管，內(nèi)外管連接部分通過螺栓螺母將套管換熱器內(nèi)管和套管換熱器外管相連；在套管換熱器外管上鑲嵌制冷半導(dǎo)體，在套管換熱器內(nèi)管地面上方出口安裝軸流風(fēng)扇。

套管換熱器外管采用絕緣性材料制成，套管換熱器內(nèi)管采用良導(dǎo)熱性材料制成，外管良好的絕熱性能可以避免外部環(huán)境溫度對管內(nèi)流體溫度的影響。

制冷半導(dǎo)體一端為冷端，一端為熱端，工作時熱端發(fā)熱冷端制冷，但冷熱端最大溫差一定，所以在冷端加裝制冷半導(dǎo)體冷端肋片，在熱端加裝制冷半導(dǎo)體熱端肋片，以增強(qiáng)散熱，強(qiáng)化制冷效果，同時根據(jù)所需制冷量選擇合適功率的芯片。

套管換熱器外管下端與蓄水裝置連接處采用漸縮口設(shè)計，可以減少因蒸發(fā)損失的水分；蓄水裝置由不銹鋼材料制成。

蓄電池設(shè)有時間控制開關(guān)，利用單片機(jī)達(dá)到每隔24小時啟動工作6小時。

蓄水裝置埋于地下0.5-1.0米。

手壓水泵主要由手搖抽水泵和PPR管路組成，抽水管與蓄水裝置接通，使用時在地面上搖動手搖抽水泵，即可將地下蓄水抽到地面上來。

采用該裝置進(jìn)行汲水的方法，具體過程如下：

該裝置根據(jù)定時控制開關(guān)，在清晨環(huán)境溫度最低時啟動裝置，軸流風(fēng)扇抽風(fēng)，環(huán)境中的濕熱空氣從套管換熱器內(nèi)外套管夾層吸入裝置，流經(jīng)制冷半導(dǎo)體冷端肋片，隨著濕熱空氣溫度的降低，濕熱空氣中的水分凝結(jié)形成液態(tài)水，濕熱空氣變?yōu)楦衫淇諝?，液態(tài)水隨著干冷空氣向下流動，液態(tài)水流入蓄水池，干冷空氣順著套管換熱器內(nèi)管上行，上行過程中將部分冷量通過套管換熱器內(nèi)管傳遞給濕熱空氣，完成冷量回收，隨后通過軸流風(fēng)扇排入環(huán)境。

本實用新型的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

本實用新型采用太陽能供電，且加入定時控制開關(guān)，保證裝置可以在最優(yōu)時間段進(jìn)行制水操作，制水裝置采用逆流套管換熱器的形式，內(nèi)管向外抽風(fēng)，外部濕熱空氣從內(nèi)外管間隙走入，內(nèi)管內(nèi)的干冷空氣與需要降溫的濕熱空氣可以再進(jìn)行熱交換，可以大幅提高裝置的制冷效率，并且外管與蓄水裝置連接部分采用收口設(shè)計，減少因水分蒸發(fā)而減少的蓄水量。具體優(yōu)點如下：

1、將汲水部分放入地下，由傳熱學(xué)理論可以證明，地下0.8米左右的深度可以保證裝置的工作溫度相對穩(wěn)定，且可以節(jié)省大量地表空間，減小安裝時的工作難度和工作量，也保證了制得水分的潔凈。

2、采用套管裝置，外管與內(nèi)管之間走濕熱空氣，內(nèi)管向外抽冷空氣，冷空氣和濕熱空氣在循環(huán)過程進(jìn)行熱交換實現(xiàn)了冷量回收，極大提高了裝置效率，套管裝置可以只利用一個風(fēng)扇就實現(xiàn)空氣循環(huán)；

3、將外管下端做成收口，可減少蓄水裝置水分蒸發(fā)；

4、利用單片機(jī)實現(xiàn)了整個裝置智能化工作，不需要人為管理即可實現(xiàn)長時間連續(xù)工作。

5、蓄水裝置中加入浮球開關(guān)，水位達(dá)到設(shè)置高度時反饋斷電，汲水裝置停止工作。

附圖說明

圖1為本實用新型的基于太陽能供電的智能空氣汲水裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型裝置地下部分正視圖；

圖3為本實用新型裝置中套管換熱器俯視圖。

其中：1-太陽能電池板；2-蓄電池；3-軸流風(fēng)扇；4-套管換熱器內(nèi)管；5-制冷半導(dǎo)體熱端肋片；6-制冷半導(dǎo)體；7-制冷半導(dǎo)體冷端肋片；8-蓄水裝置；9-抽水管；10-手壓水泵；11-套管換熱器外管；12-內(nèi)外管連接部分。

具體實施方式

為使本實用新型要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實用新型提供一種基于太陽能供電的智能空氣汲水裝置。

如圖1所示，該裝置中太陽能電池板1、蓄電池2、制冷半導(dǎo)體6和手壓水泵10位于地面上，如圖2所示，套管換熱器的一部分、蓄水裝置8、抽水管9位于地面以下；太陽能電池板1與蓄電池2相連，蓄電池2為軸流風(fēng)扇3和制冷半導(dǎo)體6供電，制冷半導(dǎo)體6鑲嵌在套管換熱器上，套管換熱器下端連接蓄水裝置8，蓄水裝置8通過抽水管9與手壓水泵10相連。

如圖3所示，套管換熱器為同心的薄壁圓管，分別為套管換熱器內(nèi)管4和套管換熱器外管11，內(nèi)外管連接部分12通過螺栓螺母將套管換熱器內(nèi)管4和套管換熱器外管11相連；在套管換熱器外管11上鑲嵌制冷半導(dǎo)體6，在套管換熱器內(nèi)管4地面上方出口安裝軸流風(fēng)扇3。

套管換熱器外管11采用絕緣性材料制成，套管換熱器內(nèi)管4采用良導(dǎo)熱性材料制成。

制冷半導(dǎo)體6一端為冷端，一端為熱端，在冷端加裝制冷半導(dǎo)體冷端肋片7，在熱端加裝制冷半導(dǎo)體熱端肋片5。

套管換熱器外管11下端與蓄水裝置8連接處采用漸縮口設(shè)計，蓄水裝置8由不銹鋼材料制成。

蓄電池2設(shè)有時間控制開關(guān)，利用單片機(jī)達(dá)到每隔24小時啟動工作6小時。

蓄水裝置8埋于地下0.5-1.0米。

該汲水方法利用不同溫度下水的飽和蒸汽壓不同的基本原理，通過太陽能供電驅(qū)動制冷半導(dǎo)體工作降低同一壓強(qiáng)下的空氣溫度使得空氣中的水分過飽并析出。這種制水方法具有簡單、可靠性好的優(yōu)點。由于采用本裝置和方法所制取水量多少依賴于周圍環(huán)境，所以具體制水量還要根據(jù)每個地區(qū)的差異進(jìn)行實際計算和操作可以得出，如下以北京市6月-10月為例對制水量進(jìn)行簡要說明。

1.設(shè)備準(zhǔn)備

根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件確定制冷半導(dǎo)體和太陽能電池板的功率，確定蓄電池的容量，設(shè)置定時開關(guān)，保證制水設(shè)備工作時間在當(dāng)?shù)厝粘銮傲r左右，將制冷半導(dǎo)體與套管正確連接，保證外管內(nèi)外壁與制冷半導(dǎo)體冷熱端接觸部位絕熱良好。確定制冷半導(dǎo)體和太陽能電池板功率可以基于以下設(shè)計方法：

1.1制冷區(qū)域制冷功率計算：

定性分析：根據(jù)北京氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)得到北京六月到九月，白天平均氣溫30攝氏度，相對濕度80％。凌晨溫度T_e為26攝氏度，將此刻的空氣引入設(shè)備降至T_i＝16℃，即溫降ΔT＝T_e-T_i＝26-16＝10℃。根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》，30℃時空氣中飽和水含量為30.3g/m³，26℃時空氣中飽和水含量為24.3g/m³，16℃為13.6g/m³。風(fēng)扇抽風(fēng)流速v＝2m/s，出風(fēng)口直徑d＝65mm。

定性溫度查得空氣的比熱和密度為：C_p＝1007J/kg.℃，ρ＝1.201kg/m³

空氣的質(zhì)量流量m為：

實際所需制冷功率Q_實際為：

Q_實際＝m·C_p·△T＝0.008×1007×(26-16)＝84.2W

上述式中：m為空氣的質(zhì)量流量；v空氣流速；ρ為對應(yīng)溫度下空氣密度；C_p為對應(yīng)溫度下的比熱。

1.2.制冷校核

擬使用規(guī)格為40×42×3.8mm制冷功率為27W的制冷半導(dǎo)體，其上冷端和熱端分別接觸良好加裝8個40×10×5mm的銅質(zhì)肋板。

設(shè)定制冷半導(dǎo)體冷端工作溫度T_S為0℃

A_板+fin＝(16×40×10+40×42)×10^-6＝0.0081㎡

在內(nèi)管四周分別加裝3個上述規(guī)格半導(dǎo)體，則A_總＝12×A_板+fin＝0.0972㎡

擬工作過程中將空氣從T_e降至T_i

ΔT＝T_e-T_i＝26-16＝10℃

該傳熱過程可以近似為氣體在管內(nèi)橫略肋片(制冷半導(dǎo)體冷端肋片)對流流動換熱,假定空氣與制冷半導(dǎo)體冷端換熱系數(shù)為h＝40W/㎡℃

根據(jù)傳熱公式：

當(dāng)入口溫度T_i＝26℃，空氣換熱系數(shù)h＝40W/㎡℃，空氣質(zhì)量流量m＝0.008kg/s時,換熱后的氣體溫度T_e＝16℃,滿足設(shè)計要求。

1.3太陽能電池板功率選擇

北京日平均光照時長7.4小時

300W太陽能電池板可發(fā)電量Q＝7.4×0.3＝2.22KWh

抽風(fēng)扇功率為20W，電路控制單片機(jī)功率很小可忽略，制冷半導(dǎo)體功率12×27W

工作6小時所需電量Q_total＝(20+12×27)×6÷1000＝2.064KWh

因此，正常情況下選用300W太陽能發(fā)電足夠供應(yīng)汲水設(shè)備正常運行并有富余。

1.設(shè)備安裝

盡可能將太陽能電池板與當(dāng)?shù)刈顝?qiáng)日照方向垂直放置，輸出端與蓄電池相連，蓄電池與浮球開關(guān)串聯(lián)再與定時控制芯片串聯(lián)，控制芯片輸出線與軸流風(fēng)扇、制冷半導(dǎo)體連接。

2.制水量估算

根據(jù)北京氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)得到北京六月到九月，白天平均氣溫30攝氏度，相對濕度80％。凌晨溫度26攝氏度，將此刻的空氣引入設(shè)備降至10℃。根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》，30℃時空氣中飽和水含量為30.3g/m³，26℃時空氣中飽和水含量為24.3g/m³，16℃為13.6g/m³。

夏季空氣中含水量為：0.8×30.3＝24.24g/m³

設(shè)備工作六小時可制取水量：M＝v×As×6×3600×(24.24-13.6)＝2287.88g

在該條件下，設(shè)備正常工作一天可從空氣中汲取水約2.28L。

以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。