说明书(干旱地区无能耗取水机)Word下载.doc
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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
600
8
h
设备高度
200
9
玻璃板长度
10
玻璃板宽度
表二：
取水效率计算
载板脱附热量
------
29
载板对流传热
18
载板辐射传热
14
载板反射热量损失
储水罐散失热量
玻璃板散失热量
-------
11
玻璃板吸收热量
其他热量损失
取水效率
m
实验获取水量
Kg
0.0632
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。
从结构上：
1、上顶玻璃面圆面化，直至侧壁也为圆形，使采光角度增大；
2、改变内部硅胶载板样式，根据文献，单层硅胶比多层硅胶摆放吸附解吸效果要好。
对于该设备，要综合考虑硅胶吸附解吸效果、取水量、箱体材料成本确定最佳的摆放方案；
3、硅胶覆层上表面与玻璃板下表面之间的容积要适当，一般而言容积小些时，有利于增大产水量；
5、取水机的密封性越好，产水量越大。
从材料上：
1、箱体壁面的材料耐热性要好，减少内部热量从壁面的散失；
2、选用吸水解析性能好物质作为吸附剂，如氯化钙，氧化铝，分子筛，沸石及优良改性硅胶等；
3、硅胶覆层周围设计为深色，加强吸热，提高硅胶温度；
4、箱体内部其余结构设计为白色或浅色，最好为镜面，将阳光反射至硅胶覆层，进一步提升硅胶温度。
5创新点及独特之处
1、合理有效利用沙漠昼夜温差大的特殊自然条件；
2、将大气作为水源，运用简单的原理，有效解决沙漠缺水问题，避免了从远处调水的不便；
3、装置制造成本不高，寿命长，且吸附剂较为廉价易得。
6可行性分析
（1）设备的可行性:
我们团队设计的干旱地区取水设备制造上采用的PVC板材、玻璃、食品级不锈钢、角钢等，均为是市场上易于获得、价格低廉的原材料，即在原材料上是可行的。
原材料加工制造涉及到的切割、开槽、压制、装门、焊接、密封等工艺方法均较为容易，因此在工艺上是可行的。
设备经过实验，已证实它的工作原理是可行的，经过昼夜的工作可以收集一定量的水分，经过不断的改良，集水量更大，因此在工作原理上也是可行的。
（2）工作地域的可行性:
中国是一个干旱缺水严重的国家。
淡水资源总量为2.8万亿m3，（其中地表水约2万亿m3，地下水约0.8万亿m3），占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。
并且全国有45％的国土处在降水量少于400mm的干旱少水地带，这些地区常年高温干旱。
比如在中国西北黄土高原省、区的部分地区，由于自然和历史的原因，极度缺水（如下图）。
有的降雨量只有300—400毫米左右，而蒸发量却高达1500—2000毫米以上。
如果在我国这些地区使用该取水机，必定会缓解当地的缺水现状。
图为中国部分地区极度干旱情况
（3）与其他取水方式对比的可行性
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、成本及环境的要求而有所限制。
从空气中取水的方法主要有四种方法。
（1）机械方法：
通过将湿空气压缩,提高湿空气中的水蒸气分压力,使冷凝温度高于环境温度，通过冷凝而获得淡水。
该方法耗能巨大,实用价值差。
（2）制冷结露法：
将湿空气的温度降到露点温度以下，使水蒸气结露而获得淡水。
制冷结露法能量转换环节多、耗能高、取水效率低，应用价值不高。
（3）吸收法:
通过吸收剂溶液吸收空气中的水分，加热被稀释的吸收剂溶液，被吸收的水分变成水蒸气通过冷凝而获得淡水。
（4）吸附法:
利用固体吸附剂吸附空气中的水分,加热吸附剂使吸附的水分脱附,脱附的水蒸气经过冷凝而获得淡水。
相比之下，吸附式空气取水方法具有系统装置简单、体积小、效率高的优点，具有更大的可行性。
7环境影响分析
本设备制造加工的原材料均为可回收性强、环境友好型的材料；
使用过程中无噪声、废气、废水的产生；
设备需要的硅胶解析能量均是来源于太阳，属于基本无能耗产品，因而该设备对生态环境不会产生较大的负面影响。
当然我们也应该注意到，该设备可能会产生的污染危害，下面分析环境污染因素并设计相应的解决措施。
固体废弃物污染——硅胶污染
虽然硅胶的使用寿命长，但是由于连续的操作会使硅胶颗粒发生破裂，从而大大降低硅胶的吸水性能，降低使用寿命。
寿命到后，便不可回收，只能废弃。
如果废弃的硅胶未能妥善处理，随意倾倒，则会对环境形成污染。
解决方法：
一是选用性能更好，寿命更久的改性硅胶，二是完善废弃硅胶处理方案。
从设备的综合效益上来分析，它一方面采用环境友好的原材料加工，且使用最简便的方法获取水源，与同类产品相比大大节省了环境成本；
另一方面从空气获得的淡水可用于干旱地区人民的生活以及沙漠化的治理，这对干旱地区的环境生态保护具有重要的意义。
如果此设备用以改善土地荒漠化的话，它来提供树木的生长所需要的水分。
假设一套装置能够种活一棵树，一千套装置就能种活一千棵树，如此的话，荒漠化环境一定会得到很大的改善。
因此本设备对环境影响的正作用远远大于反作用，值得推广。
8经济效益分析
从设备本身上分析：
传统取水方法，包括交通运输、开采地下水和海水淡化等，与该设备相比。
交通运输成本较高，地下水开采及海水淡化，由于其技术复杂、成本昂贵、使人望而却步。
而本设备具有以下特点：
1、制造本设备成本费用低，利于批量生产；
2、购置此设备所需价格低，可以降低干旱地区居民生活用水开支，提高人民生活质量；
3、安装本设备为一次性投资，回报率高。
从社会经济上分析：
大力推广本设备可以一定程度上替代国家、社会对干旱地区直接供水的措施，减少了很多不必要的中间费用。
同时可以使这些地区可以从事的行业领域扩展，推动经济的发展，从而又进一步推动取水科技的发展，相互激励。
9社会效益分析
本设备可以影响国家对干旱地区缺水的援助政策的改变，由直接远程运水援助改为就地取水科学技术的援助。
从根本上解决问题，提高水资源利用率，缓解水资源危机，具有更大的政策合理性。
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