一种海岛海岸地区淡水收集装置及其方法与流程

本发明涉及海水资源利用领域，具体为一种海岛海岸地区淡水收集装置及其方法。

背景技术：

我国是世界上严重缺水的国家，水资源人均占有量仅为世界的1/4。目前，正常年份缺水量近400亿立方米，全国660多个城市中，有400多个城市缺水。与一般城市相比，有居民海岛的缺水现象更为突出。海岛丘陵区，无过境客水，淡水资源全靠降水补给，补给量很小；同时海岛地形陡峭、川流短促，集雨面积相当有限，而且海洋中又有大量的水分蒸发在空气中，我国有居民海岛对水资源的需求，往往远远超出海岛自身的淡水总量，水资源短缺严重制约了海岛社会经济的发展，并给人民生产和生活造成极大困难。不可否认，经济发展和居民生活对水资源的需求，可能转化为对有居民海岛生态系统的压力，从而影响海岛生态系统健康，导致海岛生态破坏。目前我国许多海岛超过1万座，大都因为缺少淡水而不适宜居住，有常住居民的海岛不足500座，但这其中也有许多居民过着缺水的生活，淡水资源严重缺乏的现实，给海岛居民以及海防部队官兵的生活带来了极大的不便。

总的来说，饮用水的问题一直是海岛地区人们生活重点关注的问题，他们的生活用水大多数依靠外界补给和雨水收集，而集水装置大多仅限制于雨水收集，但是汲水量远远不能满足长期生存所需。目前新型集水装置因为种种原因在海岛地区还未普及，同时，近年来海岛地区的开发利用增多，以及其经济发展加快，对淡水资源的需求越来越多，水资源缺乏的问题越来越严重。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种整体操作简单，取水方便快捷，采用风能提供动力，利用海水的天然低温环境冷凝水蒸气和冷热对流原理自动冷凝水蒸气，在没有造成环境污染的同时又实现了淡水汲取的海岛海岸地区淡水收集装置及其方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种海岛海岸地区淡水收集装置，包括设置在海水水面以上的垂直轴风力发电装置和空气增量吸收装置，以及设置在海水水面以下的螺旋式水蒸气冷凝管和液态水收集处理装置；

所述的空气增量吸收装置包括主进气管道、副进气管道、多级轴流鼓风机、轴流风机环形出气喷嘴和空气倍增放大器；所述的主进气管道竖直设置，一端端部设置有呈漏斗状的主锥形收集口，另一端连接螺旋式水蒸气冷凝管入口；所述的副进气管道包括呈l型连接竖直管和水平管，水平管内安装多级轴流鼓风机，出口端通过轴流风机环形出气喷嘴与主进气管道垂直连接，竖直管入口端设置有呈漏斗状的副锥形收集口；轴流风机环形出气喷嘴喷出的气流沿主进气管道的轴向进入主进气管道；

所述的液态水收集处理装置包括储水箱；所述的储水箱的顶部设置有连接螺旋式水蒸气冷凝管出口的进水口和伸出到海水水面的出气管，底部设置主出水管；

所述的垂直轴风力发电装置输出端连接多级轴流鼓风机。

进一步的，所述的轴流风机环形出气喷嘴呈环形空腔同轴套设在主进气管道上；

环形空腔的环形外侧连接水平管出口端，环形空腔的环形内侧呈圆锥面设置，环形空腔的环形内侧上部开设环形出气缝隙，环形出气缝隙的开口方向向下且与环形空腔轴向平行；

主进气管道上沿径向设置环形切口；环形出气缝隙嵌入环形切口且紧贴主进气管道内壁面设置，形成空气倍增放大器。

进一步的，所述的主出水管入口端设置副出水管，主出水管依次连接前置过滤器、净水器和抽水电泵；副出水管的一端连接抽水电泵的输入端，另一端连接主出水管的入口端；抽水电泵连接垂直轴风力发电装置输出端。

进一步的，所述的多级轴流鼓风机通过联轴器与设置在副进气管道的外部的直流电机连接。

进一步的，所述的垂直轴风力发电装置包括垂直轴风力发电机和蓄电池；垂直轴风力发电机的输出端连接蓄电池的充电端，蓄电池的供电端连接多级轴流鼓风机；主锥形收集口上设置垂直轴风力发电机支架，垂直轴风力发电机支架通过发电机支撑轴固定连接垂直轴风力发电机。

进一步的，所述的螺旋式水蒸气冷凝管内壁周向依次设置沿管道母线方向的凸楞，相邻凸楞之间形成沟槽；所述的凸楞和沟槽截面均为等边三角形。

更进一步的，所述的凸楞或沟槽表面设置亲水材料层。

一种海岛海岸地区淡水收集方法，包括如下步骤，

步骤1，带有大量水蒸气的空气通过安装于副进气管道内部的多级轴流鼓风机从副锥形收集口吸入副进气管道，经过多级轴流鼓风机加速后的空气在轴流风机环形出气喷嘴处进一步加速，形成高速空气喷射流沿主进气管道轴向流入螺旋式水蒸气冷凝管中；同时，主进气管道的主锥形收集口处的气流经由高速空气喷射流卷吸，放大进入主进气管道中的气流，增加主进气管道进入到螺旋式水蒸气冷凝管中的空气流量；

步骤2，进入螺旋式水蒸气冷凝管中的空气中的水蒸气与螺旋式水蒸气冷凝管周围的低温海水持续热交换，大量水蒸气会遇冷后凝结在温度较低的螺旋式水蒸气冷凝管壁面，然后顺着水蒸气冷凝管沟槽流入底部的储水箱中；

步骤3，经过冷凝后流入储水箱的水通过底部主出水管或副出水管排出后使用；经过冷凝后通过螺旋式水蒸气冷凝管进入储水箱的空气再经出气管排出到海水水面以上的大气中。

进一步的，步骤2中，当含有大量水蒸气的空气流入螺旋式水蒸气冷凝管时，空气中的水蒸气的小小水珠由于冷凝管表面材料的亲水性，会附着在凸楞的凸尖表面，同时空气中的水蒸气与螺旋式水蒸气冷凝管周围的低温海水持续热交换，大量水蒸气会遇冷后凝结在温度较低的螺旋式水蒸气冷凝管壁面，水珠随着持续冷凝越来越大后流入沟槽中进一步和沟槽内的已经凝结水珠汇聚，最后顺着沟槽流入底部的储水箱中。

进一步的，通过设置垂直轴风力发电装置将各个方向的海风转换为电能存储在蓄电池中为整个系统提供电能；

储水箱中的水由抽水电泵抽出，直接使用，或者依次经前置过滤器和净水器过滤净化后使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置利用海岛及海岸地区紧邻海洋，空气中含有大量的海水蒸发的水蒸汽，同时在夏季海水温度与空气温度相差很大，海岸旁边有丰富的风能资源等特点，主要是采用风能这种清洁能源作为动力源，利用垂直轴风力发电系统转化风能作为整个装置的动力源，利用多级轴流吹风机和无叶风扇使空气倍增的原理来实现气流的放大，将含有大量水蒸气的空气吸入螺旋式水蒸气冷凝管中，由于螺旋式水蒸气冷凝管及储水箱位于海平面以下，被海水包围，并且螺旋式水蒸气冷凝管周围的海水是随着海水流动所不停交换的，因此利用海水下的低温以及海水与螺旋式水蒸气冷凝管内的含有大量水蒸气的空气不停地进行热交换，将空气中的水蒸气冷凝收集于储水箱中，即把海水的低温冷凝空气中的水蒸气收集，将所收集的水资源经过净水装置过滤用于家庭用水或不经过滤用于农业生产中等，解决了海岛及海岸地区淡水资源缺乏的问题，结构简单巧妙，操作便捷，成本低廉，整个集水过程充分利用了海岛地区的地域优势以及环境特点，从空气中取水，对于收集的水进行过滤以及其他处理，使水可以直接达到可使用的效果，改善海岛及海岸地区谈水资源缺乏的现状，节能环保，无污染。

本发明装置通过在螺旋式水蒸气冷凝管内表面为沿着管道中心方向等距排列的凸楞表面，相邻凸楞之间形成沟槽，沟槽和凸楞的截面为等边三角形截面，从而在其表面形成一凹一凸的沟槽和凸楞的方式，相比于平面冷凝管壁，这些棱上的凸楞的楞尖会更有利于接触、捕获小水珠，从而进一步的提高集水的效率，还能够有效减小流入螺旋式水蒸气冷凝管的空气的流动阻力，起到很大的导流作用；同时该沟槽表面使含有水蒸气的空气与螺旋式水蒸气冷凝管冷凝壁面的接触面积增大了近两倍，大大提高了冷凝的效率。

本发明装置采用在沟槽表面设置亲水材料层，当含有大量水蒸气的空气流入冷凝管道时，空气中的水蒸气的小小水珠便会首先附着在凸楞的楞尖处的表面，越长越大，然后流入沟槽中进一步和沟槽内的已经凝结水珠汇聚，越聚越多，然后顺着沟槽流入底部的储水箱中，从而进一步的提高集水的效率。

本发明方法利用空气中的水蒸气遇冷凝结形成水珠的现象及原理，同时由于海水的比热容远远大于空气，因此夏季海水温度远远低于空气温度等沿海地区及海岛的特点及优势来改善该地区水资源缺乏的现状。其中，采用风能提供动力，巧妙的利用了海岛地区风能资源优势，利用垂直轴风力发电机与蓄电池组合，实现能源的自给自足；同时利用海水的天然低温环境冷凝水蒸气和冷热对流原理，自动冷凝水蒸气，在没有造成环境污染的同时又实现了纯净水的汲取，通过海水冷凝空气中的水蒸气来获取淡水资源创造了条件，方法简单，取水方便快捷，成本低廉，高效环保。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置的结构俯视图。

图3为本发明装置的三维立体正视图。

图4为本发明装置的三维立体俯视图。

图5为本发明中空气增量吸收装置的结构示意图。

图6为本发明中螺旋式水蒸气冷凝管内表面的剖视图。

图7为图6中a的局部放大示意图。

图中：1-垂直轴风力发电机，2-发电机支撑轴，3-主锥形收集口，4-副锥形收集口，5-蓄电池，6-副进气管道，7-直流电机，8-联轴器，9-多级轴流鼓风机，10-轴流风机环形出气喷嘴，11-空气倍增放大器，12-出气管，13-螺旋式水蒸气冷凝管，14-储水箱，15-主出水管，16-前置过滤器，17-净水器，18-抽水电泵，19-主进气管道，20-垂直轴风力发电机支架，21-环形切口，22-直流电机支架，23-副出水管道，24-环形出气缝隙，25-沟槽，26-凸楞，27-亲水材料层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种海岛海岸地区淡水收集装置，如图1、图2、图3和图4所示，由包括垂直轴风力发电机1、蓄电池5、垂直轴风力发电机支架20、发电机支撑轴2的垂直轴风力发电装置，包括主进气管道19、主锥形收集口3、副进气管道6、副锥形收集口4、多级轴流鼓风机9、轴流风机环形出气喷嘴10和空气倍增放大器11的空气增量吸收装置，包括储水箱14、出气管12、主出水管15、副出水管23、前置过滤器16、净水器17和抽水电泵18组成的液态水收集处理装置，以及螺旋式水蒸气冷凝管13(如图6和图7所示)等构成，该装置垂直于海水平面安装，装置的螺旋式水蒸气冷凝管13顶端及其下部储水箱14皆浸没于海水平面以下，如图1所示，以风能作为动力源，多级轴流鼓风机9旋转给空气加速，驱动空气流动并卷吸大量空气进入螺旋式水蒸气冷凝管13，并将空气中的水蒸气转化为液态水的装置；在垂直轴风力发电装置、空气增量吸收装置、螺旋式水蒸气冷凝管13及液态水收集处理装置的共同作用下，实现持续吸收空气中的水蒸气并将水蒸气冷凝为液态水的功能。该装置的螺旋式水蒸气冷凝管13和储水箱14位于海水平面下边，通过地面上空气循环流动到低温螺旋式水蒸气冷凝管13壁面环境以实现自动冷凝的过程。同时储水箱14的主出水管15上连有液态水收集处理装置，结构简单巧妙。结合垂直轴风力发电装置，可以接受任意方向的海风，将任意方向的风转化为电能，避免了因为风向变化而造成能量供给间断的问题，利用海岛地区充分风能资源、空气中水蒸气含量多，海水与空气温差大的环境特点来弥补该地区水资源缺乏的不足；

其中，螺旋式水蒸气冷凝管13以及储水箱14深插在海平面以下，通过以多级轴流鼓风机9为主的空气增量吸收装置将饱含水蒸气的空气循环流动到螺旋式水蒸气冷凝管13低温的环境以实现水蒸气自动冷凝的过程。冷凝后的水储存在储水箱14中，储水箱14底部接有抽水管15，由海水液面上部的抽水电泵18提供动力，将水抽出供人们使用，可以经前置过滤器16与净水器17，由抽水电泵18抽出供人们生活用水直接使用，也可以经副出水管道23直接抽出，供予灌溉和非生活用水使用，节能环保，结构简单巧妙，成本较低，可以多点安装，大片安装，充分利用空气中的水分，将空气中的水蒸气液化为液态水并进行过滤，供人们使用；

其中，如图1和图5所示，与多级轴流鼓风机9相连的直流电机7通过直流电机支架22固定于副进气管道6上，主锥形收集口3上方的垂直轴风力发电机1和蓄电池5为整个系统提供电能，空气通过主锥形收集口3和副锥形收集口4经主进气管道19和副进气管道6两个进口管道进入螺旋式水蒸气冷凝管13管道，副进气管道6通过安装于其内部的多级轴流鼓风机9将部分空气从与副进气管道6相连的副锥形收集口4吸入，在经过多级轴流鼓风机9时，空气被加速，出口处为很窄的环形切口21，该环形切口21的排气口接在主进气管道19的管路上(利用无叶风扇出口的原理)，由于多级轴流鼓风机9环形出气喷嘴10出气口为沿主进气管道19轴径方向的的狭窄环形出气缝隙24，并且出气口紧贴壁面。该排气口方向沿主进气管道19轴向的内壁面，由多级轴流鼓风机9加速过的的空气，在环形切口21较窄的环形出气喷嘴10处进一步加速，形成空气喷射流沿主进气管道19轴向流入螺旋式水蒸气冷凝管13中，同时主进气管道19入口的气流也由于该高速喷射流而被卷吸，加速驱动主进气管道19的空气进入到螺旋式水蒸气冷凝管13中，来实现进入主进气管道19中气流的放大，大大增加了进入下方螺旋式水蒸气冷凝管13管道的空气流量；

其中，如图6和图7所示，螺旋式水蒸气冷凝管13内壁周向依次设置沿管道母线方向的凸楞26，相邻凸楞26之间形成沟槽25；凸楞和沟槽截面均为等边三角形，这样能够有效减小流入螺旋式水蒸气冷凝管13的空气的流动阻力，起到很大的导流作用，同时该等距凸楞26与沟槽25表面使含有水蒸气的空气与螺旋式水蒸气冷凝管13冷凝壁面的接触面积增大了近两倍，大大提高了冷凝的效率；凸楞26或沟槽25表面设置亲水材料层27，本优选实例中采用玻璃，当含有大量水蒸气的空气流入螺旋式水蒸气冷凝管13管道内时，空气中的水蒸气的小小水珠便会首先附着在凸楞26的楞尖处的表面，越长越大，然后流入沟槽25中进一步和沟槽25内的已经凝结水珠汇聚，越聚越多。

本发明一种海岛海岸地区淡水收集方法，将含有丰富水蒸气的空气在多级轴流鼓风机9的作用下先由副锥形收集口4进入副进气管道6，经由多级轴流风机9加速，再经由轴流风机环形出气喷嘴10进入主进气管道19，由于轴流风机环形出气喷嘴10出气口位于沿主进气管道19轴径方向设置在主进气管道19管壁一周的狭窄的环形出气缝隙24处，经过该出气口的气流被进一步加速形成高速气流，该高速气流进入主进气管道19的流动形式为沿主进气管道19轴向，并且紧贴主进气管道19内壁面。该高速气流将空气经主锥形收集口3不停地卷吸进主进气管道19，来实现进入主进气管道19中气流的放大，吸入更多的空气；

经副进气管道6的气流和经主进气管道19被卷吸进来的气流进入螺旋式水蒸气冷凝管13；螺旋式水蒸气冷凝管13位于海水水面以下，由于海水相对于空气是低温，并且海水不停的流过，不断的将螺旋式水蒸气冷凝管13的管道冷却，所以经过该螺旋式水蒸气冷凝管13的空气中的水蒸气会遇冷不断形成水珠，沿螺旋管道流入底部的储水箱14，由于螺旋式水蒸气冷凝管13的管道为螺旋形，管道内总表面积较大，所以可以保证进入管道的水蒸气被管道壁面充分的冷凝，然后流入储水箱14；

经过冷凝后进入管道底部的空气再经储水箱14上部的出气管12进入海水表面以上的大气中，储存在储水箱14中的水在抽水电泵18的作用下，经过主出水管15进入前置过滤器16，除去所收集水中的大颗粒杂质，然后经过净水器17净化除菌处理，再经抽水电泵18抽出，供人们直接生活使用，或通过抽水电泵18经副出水管道23直接抽出，抽出的水供灌溉等非生活使用。

其中，整个空气冷凝过程不间断进行，生成的水储存在储水箱14内。同时，由于采用该方法收集淡水的工作环境在海边，有丰富的风能资源，主锥形收集口3上部的支架20和支撑轴2，垂直轴风力发电机系统1可以接受来自各个方向的海风，将其转化为电能，并将该电能储存在蓄电池系统5中，在系统在运行过程中，多级轴流鼓风机9、抽水电泵18、以及净水系统等电能均由其所提供。整个过程节能环保、无污染。