陈海渊

摘 要：针对干旱地区用水困难且修建大型引水工程往往耗费高、收效低的问题，运用制冷结露原理设计一种空气取水装置，实现从空气中凝结水分获取水资源，旨在解决干旱地区用水紧缺问题。实验结果显示：当温度为20 ℃，湿度为80 %时，空气取水装置每小时可以制取水约382 g;即使温度为15 ℃，在湿度为40 %的情况下，空气取水装置仍然能够每小时制取水约35 g。

关键词：干旱缺水;空气取水装置;实验结果

中图分类号：TV213    文献标志码：A

0 前言

近些年，随着人们用水量的增长，全球用水紧缺的问题已经愈发严重，如今该问题已经成为一个世界性的难题。在中国，300多个城市缺水，114个城市严重缺水。中国北方地区普遍缺水，其中西北地区是我国干旱最严重的地区，该地区人均水资源量只有全国人均的60 %。为了获得充足的淡水资源，传统方法主要有远距离运输、海水淡化、开采地下水和引水调水工程等。由于上述技术受限于技术、成本、地形和环境等因素，并不是所有地区都适合采用这些方法来获取水资源，因此应该寻找新技术来解决这个难题。

空气含有大量的水分，据估计空气中大约含有6.44×104 km3的水分，超过地表淡水资源总量的10倍，而且从空气中获取水可以不受区域制约，只要有空气的存在，就可以从空气中获得水资源。从空气中制取水是解决干旱地区水资源紧缺问题的新方法。

1 制冷结露法制取水的原理

制冷结露取水方法是通过降低空气温度，使之达到露点温度，空气中的水分可以凝结成液态水析出。该种取水方法一般采用类似于空调制冷原理的空气取水装置，该类型的空气取水装置的制冷系统主要由蒸发器、冷凝器、热力膨胀阀、压缩机四大部件组成。

2 空气取水装置的设计

空气取水装置由压缩机、冷凝器、蒸发器、风机、热力膨胀阀以及其他辅助设备组成，如图1所示。制冷系统和送风系统是空氣取水装置的主体组成部分，送风系统负责将外部空气抽入，制冷系统负责将空气中的水分凝结成液态水。

2.1 制冷系统

制冷系统的冷凝器与压缩机位于空气取水装置下方，蒸发器以及热力膨胀阀位于空气取水装置上方。制冷系统运行时，制冷剂通过蒸发器与风道中的空气进行热交换，制冷剂吸收空气中的热量，低从温低压的气液两相状态变成低温低压的饱和蒸汽状态，然后被压缩机压缩，变成高温高压气体，紧接着制冷剂进入冷凝器，在冷凝器中与外界进入的冷空气进行热交换，从而制冷剂被冷却，此时高温高压的过热蒸汽变成常温高压的液体。常温高压的液态制冷剂经过储液器、干燥过滤器，再经过热力膨胀阀降压节流，变成常温常压的液态制冷剂，最后进入蒸发器，开始新的循环。空气取水装置制冷系统运行原理图如图2所示。

2.2 送风系统

空气取水装置的冷凝器室有风机，利用风机将外部空气抽入使冷凝器风冷降温。在风机的持续作用下，外部空气流过冷凝器后被加热并顺着通风管上升到达装置上方的蒸发器。湿空气通过蒸发器的表面时，由于蒸发器表面的温度较低，空气就会被冷却。如果空气温度达到露点温度时，空气中的水分就会凝结成液态水。液态水会不断地滴落到蒸发器下方的集水盘中，并顺着管道流入集水箱。经过蒸发器后，湿热空气变为干冷空气，在新风不断送入内部压强逐渐增大的作用下被送入第二冷凝室中，与送风管道出风口送入的湿热空气相遇再次凝结成水，最大程度地提高了制水效率。最后，由于内部压强的作用，干空气通过排风口从第二冷凝室排出空气取水装置。空气取水装置送风系统的原理图如图3所示。

3 实验结果与分析

3.1 制取水量理论值计算

空气取水装置的理论制取水量可用下式计算：

M=Vρ（d1-d2）

式中：M—凝结水的质量，V—风机送风量，ρ—实时空气密度，d1—入风口空气的含湿量，d2—排风口空气的含湿量，h1—空气通过入风口的焓，h2—空气通过排风口的焓，t2—空气离开排风口的温度，Q0—压缩机的制冷量。

3.2 实验结果与分析

空气取水装置采用一台制冷量为226 W的压缩机，并采用与之相匹配的蒸发器、冷凝器和热力膨胀阀，在不同温度、不同相对湿度的空气下分别进行测试，记录制取水量数据，并对实验结果进行分析。在该测试中，在任一实验工况下都保持空气温度和相对湿度基本不变，即进入空气取水装置的空气温度波动<±1 ℃，空气相对湿度波动<±1 %。在每一个工况实验开始前，空气取水装置都先连续稳定地预运行10 min以上，再开始进行测试。在本次实验中，进风温度为15 ℃、20 ℃时，在空气相对湿度分别为30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %的条件下进行1 h稳定测试，制取水量的结果如图4、图5所示。

由上述结果分析可得：

（1）分析图4和图5，当进风空气温度基本不变时，进风空气的相对湿度上升，制取水量也会随之增加。这是因为在进风空气温度基本不变时，随着相对湿度的增大，空气在单位体积内含有水分的量会增加。同时，当空气温度不变时，相对湿度增大，空气露点温度也会随之上升，空气中的水分也更容易凝结析出。

（2）对比图4和图5，当进风空气相对湿度基本不变时，进风空气的温度上升，制取水量也会随之增加。这是因为在进风空气相对湿度基本不变时，随着温度的上升，相同体积空气的湿负荷会稍有提高，制冷系统的有效制冷量增加，所以空气通过蒸发器表面时的换热量相对增加，空气离开蒸发器表面的温度也相对降低了，出水量有所增加。

（3）从图4中可以发现，当空气温度为15 ℃，相对湿度为30 %，空气取水装置的实际制取水量几乎为零，与理论制取水量有较大偏差。这是因为当进风空气的温度和湿度都很低时，空气中水分的露点低于0 ℃，空气中的水汽就会直接凝结成露而不是液态水，所以集水箱收集不到液态水。

4 结语

基于制冷结露原理的空气取水装置可以较好地实现从空气中取水的功能。当温度为20 ℃，湿度为80 %时，空气取水装置每小时可以制取水约382 g，即使在温度为15 ℃、湿度为40 %的比较极端的情况下，空气取水装置仍然能够每小时制取水约35 g，所以空气取水装置能够在一定程度上缓解干旱地区用水紧缺的问题，具有较好的应用价值。

参考文献

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