一种利用亲疏水结合结构从空气中制水的方法和装置与流程

本发明属于工程热物理领域，特别适用于岛礁等空气湿度大但缺乏淡水的区域，具体涉及一种制水方法及其装置，特别涉及一种利用亲疏水结合结构从空气中制水的方法和装置。

背景技术：

人们在进行远海岛礁勘探开发工作，和日常生活生产中的先决条件，就是淡水资源供应。现有的很多造水技术(比如反渗透膜淡化，多级闪蒸)并不适合于改善远海岛礁严重缺水的现状。同时海洋环境中空气相对湿度通常高达90％，露点温度可以达到23℃，从空气中收集饮用水极易实现。因此空气集水是改变大部分海岛缺水现状最有效的措施。如果能够采用一定的技术手段和装置，将空气中的水蒸气转化为液态淡水，则可供长期在缺水地区生活工作的人们使用，特别适合野外科考站、军事领域、户外运动等。

将水蒸气转化为液态水的唯一途径就是冷凝液化，目前通常采用以下两类做法，一类是采用吸附法，使湿空气通过吸附材料，空气中的水蒸气附着在吸附剂上直至达到一定的浓度，然后再对吸附剂进行加热，使水蒸气脱附并重新扩散到空气中，这时空气中的水蒸气含量很高，露点温度也提高，因此使空气中水蒸气冷凝为液态水所需的冷量也会减少，但是吸附剂再生过程比较麻烦，再生过程需要消耗大量的热能，在户外环境下能量供给问题更是难以解决。由于分成多个过程，因此整个设备的结构复杂体积也十分庞大。而且为了保证制水过程的连续，吸附过程和再生过程均各需要一套设备，两者交替运行，这进一步增加了设备的体积重量，因此大大降低了移动性，便携性更无从谈起，这使得装置的应用场合十分受限。另一类是直接将空气降温，达到露点温度以下，空气中的水蒸气就会转化为液态水，此类方法原理简单，因此设备的复杂程度大大降低，从而使设备小型化难度也降低，其应用场合也十分广泛，特别适用于岛礁等空气湿度大但缺乏淡水的地区。

但是由于冷凝法需要对干空气和水蒸气整体降温，而降温后的干空气实际是无用的，这就浪费了很大一部分冷量导致增加了额外能耗；并且随着冷凝过程的进行，冷凝液滴会依附在冷凝换热表面上，使传热过程成为膜状凝结，其热阻比珠状凝结大至少一个数量级，显著降低了冷量的传递，降低了冷凝效率也增加了整个冷凝过程的能耗。同时，液滴累积在冷凝表面上难以排出，从而导致换热停滞甚至结霜等严重阻碍冷量传递的现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用亲疏水结合结构从空气中制水的方法和装置，克服降温冷凝法富集空气中水蒸气制水的技术缺点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种利用亲疏水结合结构从空气中制水的装置，包括外壳，外壳内顶部设置有基板，基板将外壳内的空腔分为冷区流道和热区流道，并且冷区流道和热区流道通过引流转向通道相连通；基板上设置有半导体制冷片，冷区流道内设置有冷凝翅片，热区流道内设置有散热翅片，半导体制冷片的热端面与散热翅片相接触，半导体制冷片的冷端面与冷凝翅片相接触；空气在冷区流道中与冷凝翅片接触后一部分冷凝为液滴，排出外壳，另一部分经引流转向通道后进入热区流道中再排出外壳；其中，冷凝翅片的换热表面分为亲水区和疏水区。

本发明进一步的改进在于，外壳底部开设有通孔，并且通孔位于引流转向通道的一侧的外壳上；外壳上设置有进气栅，外壳内设置有过滤器与进气风机，外界大气经进气栅、过滤器与进气风机后进入到冷区流道中；外壳上位于热区流道一侧的侧壁上设置有排风风机。

本发明进一步的改进在于，该制水装置还包括辅助设备，辅助设备包括太阳能电池板、稳压装置以及电路控制组件，太阳能电池板与稳压装置相连，稳压装置经电路控制组件后分别与排风风机、进气风机以及半导体制冷片相连。

本发明进一步的改进在于，通孔下方设置有净化装置。

本发明进一步的改进在于，冷凝翅片为直翅，亲水区的面积为冷凝翅片的换热表面的面积的20％到80％。

本发明进一步的改进在于，亲水区的面积为冷凝翅片的换热表面的面积的30％。

本发明进一步的改进在于，亲水区的表面接触角为60°到80°，疏水区的表面接触角为90°到150°。

本发明进一步的改进在于，亲水区包括若干竖直设置的润湿通道以及垂直于润湿通道的若干集液亲水区域，集液亲水区域为等腰三角形，相邻润湿通道之间设置有若干交错设置的集液亲水区域。

本发明进一步的改进在于，等腰三角形的顶角为1°到10°。

本发明进一步的改进在于，等腰三角形的顶角为3°。

本发明进一步的改进在于，亲水区的表面接触角为70°，疏水区的表面接触角为120°。

本发明进一步的改进在于，外壳设置在支架上。

一种基于上述装置的制水方法，包括以下步骤：

(1)空气预处理：对空气进行除杂、除尘；

(2)经过步骤处理的空气进入到冷区流道中，与冷凝翅片低温度表面接触，使空气中水蒸气温度降低到其相对湿度对应的露点温度以下，并在冷凝翅片表面的疏水区域冷凝成液滴；

(3)液滴能够自发地从冷凝翅片表面的疏水区迁移到亲水区，并集中到亲水区的润湿通道中，再通过重力的作用以自迁移的形式排出冷凝翅片表面，然后将此液体收集，排出外壳得到水。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明通过在外壳内设置基板，基板将外壳内空腔分为冷区流道和热区流道，外界空气进入到冷区流道后与冷凝翅片表面接触后一部分冷凝为液滴，因为液滴具有较大接触角，所以空气中水蒸气在冷凝翅片的表面上均为珠状冷凝，由此强化传热，具有冷凝热阻小、耗能低、换热性能好的优点。

进一步的，在现有翅片冷凝表面上冷凝，如铜表面，最初为短暂的珠状凝结，而随着冷凝液滴逐渐累积，加之亲水的铜片表面液珠接触角较小，导致在冷凝表面上并最终成为液膜，传热也恶化为膜状冷凝，形成较大热阻从而造成能量大量的损耗；而在本发明的冷却翅片的疏水表面上，因为液滴具有较大接触角，所以本发明中空气中水蒸气在疏水表面上均为珠状冷凝，由此强化传热，弥补了传统膜状冷凝热阻大、耗能高、换热差的缺点。

进一步的，在现有翅片冷凝表面上冷凝，如铜表面，液滴会积聚在换热表面上而难以排出，从而导致换热停滞甚至结霜等严重阻碍冷量传递的现象；液滴在疏水表面上具有低表面能，而液滴在本发明中的亲水表面上有高表面能，将液滴自由释放后，因为亲水侧和疏水侧之间的负压差，液滴会自发地从低表面能的疏水区迁移到高表面能的亲水区，因此在本发明种的亲疏水结合的表面上，冷凝液滴会向亲水集液区汇聚，达到一定量后再通过亲水润湿通道及时连续地排出冷凝液滴，重新空出疏水换热表面，避免液滴累计形成液膜，解决了液滴难以排除的问题。

进一步的，冷凝后干空气的余冷回收用于冷却热端翅片，减小冷却所需能耗。

本发明在制水时，空气预处理后进入到冷区流道中，与冷凝翅片低温度表面接触，使空气中水蒸气温度降低到其相对湿度对应的露点温度以下，并在冷凝翅片表面的疏水区域冷凝成液滴；液滴能够自发地从冷凝翅片表面的疏水区迁移到亲水区，并集中到亲水区的润湿通道中，再通过重力的作用以自迁移的形式排出冷凝翅片表面，然后，冷凝水从冷凝翅片上滑落，得到液态水。本发明的制水方法简单，并且水流顺畅，克服了现有技术中液滴累积在冷凝表面上难以排出，从而导致换热停滞甚至结霜等严重阻碍冷量传递的现象。

附图说明

图1是本发明所述的制水装置的结构示意图；

图2为沿图1中a-a线的剖视图。

图3是本发明所述的亲疏水结合表面结构示意图；

图4为集液亲水区域的结构示意图。

图5是本发明的原理流程图；

其中，1为空气过滤器；2为进气栅；3为进气风机；4为半导体制冷片；5为冷凝翅片；6为基板；7为引流转向通道；8为冷凝水汇集装置；9为液体分布器；10为净化滤芯；11为储水箱；12为支架；13为排风口；14为排气风机；15为散热翅片；16为电路控制组件；17为稳压装置；18为太阳能电池板；19为润湿通道；20为疏水区；21为集液亲水区域；22为外壳。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明的一个优选实施例，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明利用亲疏水结合结构从空气中制水的装置，包括设置在支架12上的横截面为椭圆形的外壳22，外壳22内顶部设置有基板6，基板6将外壳22内的空腔分为冷区流道和热区流道，并且冷区流道和热区流道通过引流转向通道7相连通。基板6上设置有半导体制冷片4，冷区流道内设置有冷凝翅片5，热区流道内设置有散热翅片15，半导体制冷片4的热端面与散热翅片15相接触，半导体制冷片4的冷端面与冷凝翅片5相接触。外壳22上位于热区流道一侧的侧壁上设置有排风风机14。

外壳22底部开设有通孔；通孔下方设置有净化装置，净化装置包括冷凝水汇集装置8，冷凝水汇集装置8下方设置有液体分布器9，液体分布器9的下方设置有净化滤芯10，净化滤芯10为微孔滤膜；净化滤芯10下方设置有储水箱11。储水箱11底部连接有放水球阀。外壳22的外壁上设置有进气栅2，外壳22内设置有过滤器1与进气风机3，外界大气经进气栅2、过滤器1与进气风机3进入到冷区流道中，经冷凝翅片5冷凝后气体中水蒸气冷凝为液体，液体经外壳22底部的通孔流出；经冷凝后的干冷空气经引流转向通道7流向热区流道，在热区流道内经与散热翅片15进行热交换后，变为干热空气，最后通过排风风机14将干热空气排入大气。

参见图3和图4，冷凝翅片5为直翅，冷凝翅片5的换热表面为亲疏水表面插指交错结合的平面结构，冷凝翅片5的换热表面分为亲水区和疏水区20，亲水区的面积为冷凝翅片5的换热表面的面积的20％到80％。优选的，亲水区的面积为冷凝翅片5的换热表面的面积的30％。

参见图3，亲水区包括若干竖直设置的润湿通道19以及垂直于润湿通道19的若干集液亲水区域21，参见图4，集液亲水区域21为等腰三角形。等腰三角形的顶角θ的范围为1°到10°，优选3°。

亲水区表面接触角为60°到80°，优选的，亲水区表面接触角为70°，拥有亲水性能，疏水区20表面接触角为90°到150°，优选的，疏水区20表面接触角为120°，拥有可利用的疏水性能。

如图1所示，本发明的制水装置还包括辅助设备，辅助设备包括太阳能电池板18、稳压装置17以及电路控制组件16，太阳能电池板18与稳压装置17相连，稳压装置17经电路控制组件16后分别与排风风机14、进气风机3以及半导体制冷片4相连，给排风风机14、进气风机3以及半导体制冷片4供电。

参见图5，本发明所述的利用太阳能与亲疏水结合表面特性富集空气中水蒸气的制水方法，包括以下步骤：

(1)空气预处理：采用过滤器1的微孔滤膜对空气进行除杂、除尘；

(2)经过步骤(1)处理的空气进入到冷区流道中，与冷凝翅片5低温度表面接触，使空气中水蒸气温度降低到其相对湿度对应的露点温度以下，并在冷凝翅片5表面的疏水区域冷凝成液滴；冷凝翅片5表面疏水表面与凝结液滴形成较大接触角，使冷凝传热过程为珠状凝结，强化冷凝换热；

(3)冷凝翅片5表面疏水区的冷凝液滴拥有大的接触角，疏水区具有低表面能，亲水区则有较小接触角，具有较高表面能，液滴形成于低表面能的疏水区，自由释放后沿表面能增加的方向运动，冷凝液滴能自发向亲水区域汇集，利用液滴在亲水区与疏水区的表面能不同而产生一个润湿梯度，步骤(2)中的液滴能够自发地从冷凝翅片5表面的疏水区迁移到亲水区，并集中到亲水区的润湿通道19中，再通过重力的作用以自迁移的形式排出冷凝翅片5表面；然后，冷凝水从冷凝翅片5上滑落到冷凝水汇集装置8中，并流入净化装置进行过滤净化，最终成为饮用水被存储入到储水箱11中；

(4)经过与冷却翅片5接触后未冷凝的空气为干空气，干空气拥有较多冷量，将其通入热区流道为半导体制冷片4热端散热，减小半导体制冷片4冷却所需的耗能。

本发明中的冷却翅片设置亲水区和疏水区，翅片表面结合了疏水区珠状冷凝、水珠易滑落与亲水区易聚集液滴的特点，配合亲水润湿通道及时排出冷凝水，解决了空气冷凝功耗高、不易收集的技术难点。