专利名称：水汽捕捉装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水汽捕捉装置，该装置能将空气中的水汽转化成为液态淡水。
背景技术：
水是生命之源，它滋润着世间万物，没有水就没有生命，也就没有人类的一切。地球虽然称为“水球”，但直接能为人类所使用的液态的淡水所占的比例很少，并且随着人类社会的快速发展，可利用的液态淡水资源越发不能满足人类的需求。面对严峻的水资源短缺问题，人类提出了不少解决办法:海水淡化、人工降雨、水的多次循环利用等等。这些技术都存在不同方面的制约，比如:淡化海水，只能在沿海部分地区进行，此外技术不够成熟成本高；人工降雨则必须要有可降雨的云层，且不太环保。众所周知大气中含有不少的水汽，研究数据表明:大气中的水汽总量是地表河流水量的八倍，并且水汽无处不在，有空气的地方就有水汽；在干旱、半干旱甚至沙漠地区，水汽凝结形成的露水量常常是自然降水量的好几倍；在一些环境污染比较严重的地区，水汽比地表水更为洁净；当露点为20°C时，绝对湿度α =18.6g/m3，当露点为10°C时，绝对湿度α = 9.4g/m3，考率到空气的流动性，能够收集的水的量还是可观的。因此可以对大气中的水汽加以开发利用。目前将大气中的水汽转化为液态淡水的方法主要有:电制冷结露法、吸附剂吸附法、聚雾取水法等。但是这些方法存在以下缺点:电制冷结露法耗能且效率相对较低；吸附法使用的高效吸附剂还有待开发，且液态吸附剂有害人体健康；聚雾取水法只适宜在多雾且缺水的地方推广。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种无需能量供给、仅依靠自身结构和不同特性材料的优化组合就能捕捉大气中水汽的环保型水汽捕捉装置。本发明装置的设计思路为:要捕捉到大气中的水汽并使水汽凝结成液态水，主要得满足以下三个条件:①提供水汽凝结的载体；②大气温度达到露点以下适宜的近地层风速。对于条件①本发明采用亲水材料作为水汽凝结的载体，提高凝结效率；对于条件②，本发明采用辐射制冷材料使凝结面的温度降得更快更低；对于条件③，本发明通过结构设计来获得适宜的风场。本发明的技术方案如下:一种水汽捕捉装置，包括波浪形水汽凝结面和储水装置，水汽凝结面由辐射制冷材料为基板，波浪形水汽凝结面的凸起部为亲水凸起部，其低凹部为疏水低凹部；储水装置设置在水汽凝结面底端，亲水凸起部捕捉到的水汽形成水珠后转移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部流至储水装置中。本发明装置可实现水汽捕捉、水珠转移、水珠传输、水珠存储的连续收集过程。 上述辐射制冷材料为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯同时也是疏水材料。
上述亲水凸起部覆有亲水材料层，所述的亲水材料为纳米二氧化硅、金属或玻璃。上述水汽凝结面为半球面或圆柱面。本发明的一种具体实施例为:水汽凝结面为半球面，所述的亲水凸起部和疏水低凹部相间设置在半球面上，且亲水凸起部和疏水低凹部的一端交于半球面顶点，另一端终止于半球面底端，该半球面底端设有存储水珠的储水沿。考虑到和大气接触的表面积和空气动力学原理，半球面结构能增加和大气接触的表面积，美观且实用。实际中风场是不稳定的，轴对称结构的半球面，不仅能够适应不同风向并且还具有调节风速的作用，使整个水汽凝结面的风速比较适宜，当水汽吹向低温的凝结面时，整个半球面都能被含水汽的气流覆盖，亲水凸起部能充分接触水汽，亲水凸起部凝结的水珠转移到疏水低凹部，疏水低凹部能快速传输水珠又能减少水珠在转移时的受气流影响，从而提高水汽凝结效率。本发明的另一种具体实施为:水汽凝结面为圆柱面结构，所述的亲水凸起部和疏水低凹部相间设置在圆柱面上，且亲水凸起部和疏水低凹部与该圆柱面结构的上、下底面垂直，圆柱面结构底端设置有储水装置。圆柱凝结面为轴对称结构，能够适应不同风场；凝结面垂直于地面，在重力的作用下凝结的水珠更快地转移，有利于提高水汽凝结效率。水汽捕捉装置是一种能够将空气中的水汽转化成为液态淡水的装置。本发明水汽捕捉装置是基于以下原理进行设计:I)水汽凝结原理水汽凝结在自然界中最常见的形式就是露水。露水是指在天气晴朗、无风或微风的夜晚，贴近地面的空气受地面长波辐射冷却的影响而降温到露点以下，空气中所含水汽的过饱和部分在地面或地物表面上凝结而成的水珠。水汽凝结发生的一般条件是:近地层水汽达到饱和状态并且有形成露珠的凝结核；地表温度日温较差大，凝结时温度降到露点以下；近地层风速较小。2)辐射制冷原理在某种情况下，辐射体的热辐射能够“不受阻挡地”直接辐射到温度极低的宇宙或者高层大气中去，这样辐射体就与空气形成可观的温差，从而达到极高的辐射效率。这种以低温的宇宙环境或高层大气为热沉的辐射换热方式，就是辐射制冷。宇宙空间接近绝对零度，外层大气的温度也相当低，因此对于地表而言，天空是一个天然的巨大冷库。大气层对于不同的波段有着不同的透射率，透射率较高的波段称为“大气窗口”。大气层有多个大气窗口，8 13um这一段是比较特殊的，因为常温下的黑体辐射能量王要集中在此。夜间从大气窗口透射到地表的辐射功率有限,而地表通过8 13um的大气窗口向天空辐射的能量较多，使得地表在夜间自然冷却。采用选择性光谱辐射材料可以加强辐射制冷的效果，假设地表的物体表面用某种理想的选择性辐射体制成，在8 13um波段外反射率为1，那么它就只在8 13um窗口大量向外空辐射热量，温度不断下降。研究表明，具有这种特性的理想辐射体可以把物体表面的温度降得比环境温度低得多。3)仿生原理在水极其匮乏的沙漠地区，生长在那里的昆虫已经进化出能从大气中获取水的能力。例如，纳米比亚的沐雾甲虫(又称暗黑甲虫)就是一个水汽捕捉专家。沐雾甲虫的背上有许多背峰和背脊，背脊可将微小的水汽汇集到一起以形成较大的露滴。露滴渐渐累积，然后顺着沐雾甲虫背部向下流向其嘴巴。沐雾甲虫收集水汽的奥秘在于沐雾甲虫背壳的结构和材质。沐雾甲虫拥有超强的疏水性背壳表面并且其背壳表面规则地布满了亲水性的凸起，亲水性的凸起很容易吸引水汽的凝结，疏水性的凹槽则很方便水珠的运动转移。鉴于沐雾甲虫的例子，本发明采用亲水凸起部和疏水低凹部相间设计的水汽捕捉装置，不仅加大水汽的捕捉量，并使凝结的液态水易于转移。固体表面的亲水性和疏水性，主要由表面化学组成和表面粗糙度共同决定。制作波浪形水汽凝结面的时候，以辐射制冷材料为基板，然后通过对其表面加工改变其表面化学组成或表面粗糙度使其具有亲水性或疏水性。4)空气动力学原理风是由于空气流动产生的，为了使空气流经物体(即是绕流)后，仍和物体表面接触，需要合理设计物体外形，空气流经它之后，附面层的分布范围仍是很大。鉴于空气动力学原理和增大水汽凝结面表面积的需要，为了得到更优的水汽凝结效果，本发明的优选方案采用了半球形或圆柱面结构的水汽凝结面。基于上述四大原理，水汽捕捉装置应该具有以下性能:I)好的绝热性能:绝热性能好的材料的温度不易受环境温度的影响，这使水汽凝结面温度能尽可能的保持在露点以下，从而提高露水的收集效率。并且，水汽液化时会放出热量，绝热性能好的材料温度不易受其影响。2)好的辐射制冷效果:具有较好辐射制冷作用的材料能够通过“大气窗口 ”波段的热辐射作用，增大凝结面的辐射散热功率，使得凝结面的温度可以降得更快、更低，从而促进逆温层的形成与保持，从而提高水汽凝结效率。3)必要的亲水性:亲水性越强，露水的接触湿润角就越小,其成核率就越大,露滴的增长速度就越快，形成的露水量就更多一些。4)必要的疏水性:表面粗糙并覆盖疏水性活化膜的凝结面的接触湿润角高达180度，水汽会被覆盖在凝结平面的气体隔绝，不易产生露水，但有利于凝结好的水珠转移。亲水性可以增加露水量，但不利于凝结露水的转移，于是本发明水汽凝结面采用亲水材料和疏水材料的相间布置。4)合理的外形结构:鉴于空气动力学原理和增大水汽凝结面表面积的需要，需要合理设计物体外形，以得到更优的水汽凝结效果。本发明提出了一种可实现人工高效水汽转换的水汽凝结装置。本发明装置结构简单、绿色环保，无需耗能即可将大气中的水汽转换成液态水，符合低碳可持续发展的时代主题。同现有技术相比，本发明具有以下特点:1、本发明装置通过转化空气中的水汽来获得宝贵的液态淡水，提供了解决水资源难题的新途径；2、本发明将辐射制冷材料、亲水性材料和疏水性材料优化组合，辐射制冷材料用来降低凝结面的温度，亲水性材料用来捕捉空气中的水汽，疏水性材料用来传输凝结后的水珠，极大的提高了大气中水汽的凝结效率；3、本发明的优选方案采用了表面呈波浪形水汽凝结面，该结构增大了凝结水汽的表面积，不但能使凸起亲水材料充分接触空气，而且减小水珠在疏水低凹部中转移时受气流影响进一步提高了大气中水汽的凝结效率。本发明具有如下应用前景:1、在我国西北地区，水资源比较匮乏，能够供给植物生长的水非常少。本发明能在不消耗能源的条件下高效地捕捉水汽，并将水存储起来，储存的水可用来种植树木，提供树苗成长的水分需要。2、在干旱和沙漠地区，本发明可以收集露水、雾水为居民提供一部分生活用水，在一定程度上可缓解水资源短缺状况。3、本发明也可用在不缺水的地区，例如用于花卉、盆景的种植以及树苗的培育，减少每日浇灌用水的用量，有效地节约水资源并减少管理工作量。4、本发明能够为野外和海上工作者及军事方面提供一定的便利。5、可将本发明与耗能制冷部件相结合来增加本发明的应用范围，以便快速提供洁净的液态淡水。
图1为本发明水汽凝结面的示意图；图2为本发明的第一种具体实施方式
；图3为本发明的第二种具体实施方式
。图中，1-亲水凸起部，2-疏水低凹部，3-储水装置。
具体实施例方式图1为本具体实施波浪形水汽凝结面的示意图，亲水凸起部I和疏水低凹部2相间设置，。亲水凸起部覆有亲水材料层用来捕捉空气中的水汽；疏水低凹部因其疏水性，用来转移亲水凸起部捕捉到的水汽。图2为本发明的优选方案，其中，水汽凝结面形状为波浪形的半球面，以聚四氟乙烯为水汽凝结面基板，聚四氟乙烯既是疏水材料又是辐射制冷材料；水汽凝结面的亲水凸起部覆有亲水材料层，本具体实施中采用的亲水涂料为XZ-GTOl型号的纳米二氧化硅涂料。沿该半球面结构下边沿设有一圈储水沿，该储水沿不仅未影响水汽凝结面的空气特性，还可以增加该装置的稳定性和美观性。在适当条件下，通过聚四氟乙烯辐射制冷材料降低水汽凝结面表面温度并达到露点以下，大气中的水汽在凸起的亲水材料表面凝结，当水珠达到一定体积后在重力作用下转移到疏水低凹部，并通过疏水低凹部流到储水沿中。上述半球面结构的水汽凝结面符合空气动力学特性，该结构增大了水汽凝结面的表面积，有利于辐射散热，且美观实用。该半球面结构具有以下优点:实际中风场是不稳定的，轴对称结构的半球面，不仅能够适应不同风向并且还具有调节风速的作用，使整个水汽凝结面的风速比较适宜，当水汽吹向低温的凝结面时，整个半球面都能被含水汽的气流覆盖，亲水凸起部能充分接触水汽，亲水凸起部凝结的水珠转移到疏水低凹部，疏水低凹部又能减少水珠在转移时的受气流影响，从而提高水汽凝结效率。
本实例选择了聚四氟乙烯作为水汽凝结面的基体材料，该材料同时兼作疏水材料和辐射制冷材料，而将亲水材料均匀涂覆在水汽凝结面的凸起部分，所述的亲水材料采用XZ-GTOl型号的纳米二氧化硅涂料。聚四氟乙烯(PTFE)具有耐腐蚀、耐高温、耐低温、无毒、不易老化等特性。更重要的是，聚四氟乙烯表面相当光滑，表面张力非常小，并且还有较强的辐射制冷作用，在理想情况下PTFE的制冷空间与环境的温差达到30°C。PTFE的特性有利于大气中水汽的凝结与露水的收集，由于聚四氟乙烯的强疏水性，有利于将捕捉的水珠转移到集水装置。图3为本发明装置的另一种具体实施例。图3中的水汽凝结面为圆柱面结构，亲水凸起部和疏水低凹部均匀相间设置在圆柱面上，亲水凸起部和疏水低凹部与该圆柱面结构的上、下底面垂直。以聚四氟乙烯为水汽凝结面基板，水汽凝结面的亲水凸起部覆有亲水材料层，本具体实施中采用的亲水涂料为XZ-GTOl型号的纳米二氧化硅涂料。圆柱面结构具有以下优点:凝结面为轴对称结构，能够适应不同风向；凝结面垂直于地面，在重力的作用下凝结的水珠更快地转移，有利于提高水汽凝结效率。以图3所示装置进行水汽凝结试验，试验时间:2011年7月某天20:00，天气:无云，气温:28°C，湿度:85%。将实验装置置于开阔的空地上，开始时装置的水汽凝结面的温度与气温一样，40分钟后水汽凝结面的温度低于气温4.3°C，且在实验装置的亲水凸起部上开始产生水膜，且形成水珠并慢慢长大，当水珠直径达到约2.3mm后即滚落至疏水疏水低凹部，并转移至储水装置。通过上述实验可以看出，在自然条件下，水汽凝结面的温度很快就降至低于环境温度4.3°C，即本发明装置的水汽凝结面可以很快达到露点以下，从而可以实现高效补水。
权利要求
1.一种水汽捕捉装置，其特征是: 包括波浪形水汽凝结面和储水装置，水汽凝结面由辐射制冷材料为基板，波浪形水汽凝结面的凸起部为亲水凸起部，其低凹部为疏水低凹部；储水装置设置在水汽凝结面底端，亲水凸起部捕捉到的水汽形成水珠后转移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部流至储水装置中。
2.如权利要求1所述的水汽捕捉装置，其特征是: 所述的辐射制冷材料为聚四氟乙烯。
3.如权利要求1所述的水汽捕捉装置，其特征是: 所述的亲水凸起部覆有亲水材料层。
4.如权利要求3所述的水汽捕捉装置，其特征是: 所述的亲水材料为纳米二氧化硅、金属或玻璃。
5.如权利要求1所述的水汽捕捉装置，其特征是: 所述的水汽凝结面为半球面或圆柱面。
6.如权利要求5所述的水汽捕捉装置，其特征是: 所述的半球面结构的水汽凝结面具体为: 亲水凸起部和疏水低凹部相间设置在以辐射制冷材料为基板的波浪形半球面上，且亲水凸起部和疏水低凹部的一端交于半球面顶点，另一端终止于半球面底端，该半球面底端设有存储水珠的储水沿。
7.如权利要求5所述的水汽捕捉装置，其特征是: 所述的圆柱面结构的水汽凝结面具体为: 亲水凸起部和疏水低凹部相间设置在以辐射制冷材料为基板的波浪形圆柱面上，亲水凸起部和疏水低凹部均与该圆柱形结构的上、下底面垂直。
全文摘要
本发明公开了一种水汽捕捉装置，包括波浪形水汽凝结面和储水装置，水汽凝结面由辐射制冷材料为基板，波浪形水汽凝结面的凸起部为亲水凸起部，其低凹部为疏水低凹部；储水装置设置在水汽凝结面底端，亲水凸起部捕捉到的水汽形成水珠后转移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部传输至储水装置中。辐射制冷材料能使凝结面的温度降得更快更低，亲水凸起部捕捉空气中的水汽并凝结形成水珠，水珠长大后转移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部能快速传输至储水装置中。本发明结构简单、绿色环保，可应用到干旱、半干旱地区，能在一定程度上缓解缺水问题，也可以应用于非干旱地区，提供一些生活、生产用水。
文档编号E03B3/28GK103205994SQ201310079428
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者李凌程, 李羲轮, 袁俊, 朱彩虹, 韦直林, 张利平, 曹增龙, 曾思栋, 杜鸿, 万蕙, 匡洋, 刘睿 申请人:武汉大学