一种自然热交换空气造水装置及系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种自然热交换空气造水装置，该装置至少包括引水机构(1)、凝水机构(2)和供电机构；所述的引水机构(1)用于将低温海水送至凝水机构(2)内的海水管路内；所述的凝水机构(2)由引风装置(13)和凝水器(14)组成，所述的引风装置(13)用于将湿热空气引入凝水器(14)风道内，凝水器(14)作为凝水媒介使得引入的湿热空气被海水冷却产生冷凝水；供电机构为整个装置供应电能。一种包括该造水装置的造水系统，还包括防波堤、汇管、集输水管、淡水处理和生产作业平台、外输管线、单点系泊装置。通过自然界不同物质的温度差产生冷凝水，节约了能源，实现规模化大量造水，且整个装置可设置于海上，节约土地。
【专利说明】
一种自然热交换空气造水装置及系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及冷凝水设备领域，尤其是一种自然热交换空气造水装置及系统。
【背景技术】
[0002]人类社会淡水资源日益匮乏，如何大量高效获取淡水显得尤为重要。陆地淡水根本上来自海洋蒸发的水蒸气带来的降雨。全球约71 %的面积是海洋，全球每年海水蒸发量约为36万立方公里，其中有83%以上，约30万立方公里，形成海洋降雨回到海洋。全球海洋年降水量是世界可利用淡水储量10.46万立方公里的三倍左右。按全球70亿人口人均每年2000立方米淡水消耗量计算，全球年均用水1.4万立方公里，仅为全球海洋年降雨量的4.67%。因此，如何有效利用海上的湿热空气大量制造淡水，对解决沙漠绿化用水，城市用水短缺，荒岛开发用水以及未来建设海上人工浮岛用水等问题有着非常积极的意义。
[0003]空气造水机都是应用低温冷凝原理来获取空气中的淡水。一种是通过制冷设备，制造冷凝流体，如中国专利，专利号为Z1200920003903.X，公开了一种空气造水机，至少包括:引风单元，用于将空气引入至低温凝水单元;低温凝水单元，由制冷模块和凝水媒质模块组成，其中，所述的制冷模块用于至少将凝水媒质模块表面的温度降低至预定温度，凝水媒质单元作为载体和凝结物将空气中的水蒸汽凝结。采用上述结构，通过引风单元将空气引至凝水媒质模块上，而由于凝水媒质模块上的温度已被制冷模块降低至凝结温度以下，因此，“热”空气中的水蒸汽在遇到“低温”的凝水媒质模块时会在凝水媒质模块上产生凝结，从而产生凝结水。由于采用了制冷模块进行制冷，制冷模块需要消耗大量能源产生低温流体，制冷模块散热困难，且空气的饱和度，即空气的相对湿度不够等都是制约造水量和造水效率的关键因素。另一种是对海水进行加热蒸发，获取冷凝水。两种制造淡水的方法都需要外界提供大量的能量，且需要在海边大规模建设工厂，技术成本较高。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术存在的制冷模块在制冷过程中消耗大量能量，且散热困难的问题，本实用新型提供了一种自然热交换空气造水装置及系统，其通过自然界不同物质的温度差产生冷凝水，节约了能源。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为:该装置至少包括引水机构、凝水机构和供电机构；引水机构用于将低温海水送至凝水机构内的海水管路内；凝水机构由引风装置和凝水器组成，所述的引风装置用于将湿热空气引入凝水器风道内，凝水器作为凝水媒介使得引入的湿热空气被海水冷却产生冷凝水;供电机构为整个装置供应电能。
[0006]作为优选，该装置还包括浮体机构，所述的浮体机构为整个装置提供浮力和支撑；浮体机构主体为多个舱室构成的中空圆柱筒，包括提供浮力的水密舱、存储淡水的淡水舱和引水栗舱;浮体机构的中心为隔热水管通道;水密舱在下，淡水舱在上;浮体机构底部四周设有系泊机构。
[0007]作为优选，引水栗舱位于淡水舱上部，引水栗舱中设置有引水栗，电池和电控柜；引水栗舱甲板中部安装管状支柱，从栗舱甲板开始向上延伸，穿过栗舱顶部直至凝水器顶部;支柱内为隔热水管通道，隔热水管与支柱间存在空隙；支柱为集水结构、凝水机构和发电装置的支撑结构件。
[0008]作为优选，淡水舱各个小舱之间是相通的，各小舱隔板上下均布有过水孔;淡水舱底至少部设置有一个泄放口，泄放口安装止回阀；淡水泄放口与淡水泄放管相连，淡水泄放管连接其它终端。
[0009]作为优选，该装置还包括压载机构，位于浮体机构下部，由压载舱和桁架结构组成，压载舱通过桁架结构连接支柱。
[0010]作为优选，所述的引水机构包括海水过滤器，隔热水管，海水缓冲舱以及引水栗；海水过滤器安装在隔热水管入水口端部；隔热水管下半部分从海底连接过滤器的端部起，穿过装置浮体机构内部，直达浮体内部海水缓冲舱底部，与海水缓冲舱形成一个水井状结构；隔热水管上半部分再从海水缓冲舱内起，穿过栗舱直达浮体支撑的凝水机构内部海水管路，形成海水的输送通道，并保持海水的低温状态。
[0011]作为优选，所述的隔热水管下部绑缚在锚缆上或增加负重方式保持水管底端的进水口位于海面下一定深度；隔热水管中部增加浮箱，使隔热水管与装置浮体连接部位形成一个自由端。
[0012]作为优选，引风装置位于凝水器顶部，包括电机和风扇;采用双电机对称设置，电机转子与风扇转轴之间采用齿轮啮合;风扇转轴为中空结构，内设轴承，中部伸出发电板支架为顶部的太阳能电池板提供支撑;凝水器由顶部的海水分流管和多层同心圆柱状结构的凝水模块组成;每层凝水模块中都有海水管路。海水曲折通过凝水模块，凝水器底部设置有出口；凝水模块表面有栅板状换热片;换热片表面设有密布的辅助凝水的尖点状突起和导流槽;凝水模块底部有支架结构;凝水器下面为承接并汇集冷凝水的漏斗状集水结构，该结构与凝水器底部支架有一定距离，以便空气通过凝水器后排出；集水结构底部设有淡水导流管，导流管连接淡水舱。
[0013]作为优选，供电机构为太阳能发电装置，位于装置顶部，太阳能发电装置包括:发电板支架和电池板;发电装置通过电缆与栗舱中的电池相连进行电能存储。
[0014]一种包括该造水装置的造水系统，还包括防波堤、汇管、集输水管、淡水处理和生产作业平台、外输管线、单点系泊装置;防波堤在海上圈出较大的区域，在此区域内按照一定的间隔设置造水网络，网络上每一个网络节点用上述造水装置布置一个造水单元，各个造水单元之间以缆绳相连，网络边缘用揽绳与浮式防波堤箱体相连;造水网络中每间隔一定距离布置一个管汇，管汇链接周边多个造水单元收集淡水并通过集输水管将淡水送出；管汇和集输水管可设置多级，形成树状集输系统;将管汇设置在网络节点上，带管汇的造水单元将较普通的造水单元更大，尤其是淡水舱增大，且位置下移;集输水管连接淡水处理和生产作业平台；该平台集中处理各个造水单元输送过来的淡水，包括进行过滤，杀菌和矿化产生饮用水，再通过外输管线44，将制造的淡水送至陆地或者是单点系泊装置，单点系泊装置用于运水驳船停靠和接驳淡水。
[0015]本实用新型的有益效果如下:
[0016]1、直接利用自然界中大量存在的低温海水对湿热空气进行冷却造水，不需要消耗大量能量制冷给空气降温；
[0017]2、用海水制冷，无需散热，没有制冷剂消耗和制冷设备散热难的问题；
[0018]3、直接利用海上蒸发产生的湿热空气造水，不需要消耗大量能量对海水进行加热产生蒸汽；
[0019]4、海上空气湿度大，饱和度高，气量充足，装置造水效率高；
[0020]5、海上空间广，冷水体量大，湿热空气源源不断，设备结构简单，易于实现网络化，规模化，大量造水；
[0021 ] 6、由于是自然热交换过程，造水能耗低，运营成本低；
[0022]7、海上空气饱和度高，地域和季节对造水效率影响较陆地造水小，如不遇到极端天气，可实现常年每天24小时造水；
[0023]8、不占用陆地资源；
[0024]9、绿色无污染，造水过程不产生温室气体；
【附图说明】
[0025]图1为本发明自然热交换空气造水装置实施实例之一的功能结构图；
[0026]图2为本发明上述实例造水装置的结构示意剖视图；
[0027]图3为凝水器1/8横截面图；
[0028]图4为凝水模块中海水管沿着圆周截面图；
[0029]图5为换热片横截面图；
[0030]图6为水密舱和淡水舱横截面图；
[0031]图7为造水系统结构不意图；
[0032]图中:1、引水机构;2、凝水机构;3、浮体机构;4、压载机构;5、发电装置;6、过滤器；7、隔热水管;8、海水缓冲舱;9、引水栗；1、海水缓冲舱通气管；11、引水栗舱；12、浮箱；13、引风装置；14、凝水器；15、电机；16、风扇；17、发电板支架；18、海水分流管；19、凝水模块；20、海水换热管;21、海水排放口； 22、换热片;23、突起;24、导流槽;25、支架;26、集水机构；27、淡水导流管;28、淡水舱;29、水密舱;30、隔热水管通道;31、过水孔;32、止回阀；33、淡水泄放管；34、支柱;35、系泊机构；36、压载舱;37、桁架结构；38、电池板;39、防波堤;40、网络节点;41、管汇;42、集输水管;43、作业平台；44、外输管线;45、单点系泊装置;46、驳船。
【具体实施方式】
[0033]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
[0034]如图1所示，本实用新型的自然热交换造水装置至少包括引水机构I和凝水机构2。引水机构I用于将低温的海水送至热交换单元内的海水管路;凝水机构2由引风装置13和凝水器14组成，其中，引风装置13用于将湿热空气引入凝水器14风道内，凝水器14作为凝水媒介使得引入的湿热空气被海水冷却产生冷凝水。采用上述结构，当海水通过凝水器14内部设置的海水管路时将其温度降低至预设温度，引风装置13将湿热空气送至凝水器14表面进行冷却，从而在凝水器14表面产生冷凝水。
[0035]图2为本发明实例之一的结构剖视图。下面据图详细说明本发明实例结构和造水原理的实现过程。
[0036]本实例除上述引水机构I和凝水机构2外还包括浮体机构3和压载机构4、供电机构。浮体机构3上设有提供浮力的水密舱29、存储淡水的淡水舱28、栗舱、各类阀门和管路通道、系泊构件和支撑结构等;压载结构位于浮体机构3下部，为装置提供压载，降低重心，保持稳性;供电机构包括发电装置5，发电装置5可以是太阳能、风能或波浪能等不同形式的，也可以是多种组合形式的，本例采用太阳能发电。
[0037]引水机构I从海面下一定深度的地方将低温海水输送至凝水器14内部管路。引水机构I主要由海水过滤器6，隔热水管7、海水缓冲舱8以及引水栗9组成。海水过滤器6用于过滤海水中的杂质和海生物，安装在隔热水管7位于水面一定深度下的入水口端部。隔热水管7下半部分从海底连接过滤器6的端部起，穿过装置浮体内部，直达浮体内部海水缓冲舱8底部，与海水缓冲舱8形成一个水井状结构。海水缓冲舱8内壁覆盖保温材料，舱顶设有通气管道。当引水栗9从缓冲舱抽取低温海水时，空气从通气管道进入，舱内液位下降至海平面以下，由于水位的自平衡特性，深层低温海水会通过隔热水管7自动补充进缓冲舱。隔热水管7中的海水速度会因为压力差缓慢提速，直至流速与引水栗9的抽水速度达到平衡。引水栗9安装在栗舱内部，引水栗9的引水管道也应有隔热效果，确保海水以一定的低温状态抵达凝水单器顶部的分流管道内。图2中阴影部分标示了冷水在装置内的情况。为了保证能抽取海底某一深度的低温海水，隔热水管7可通过绑缚在锚缆上，增加负重等简易方式保持水管底端的进水口位于海面下一定深度。此外，需在隔热水管7中部增加浮箱12，使隔热水管7与装置浮体连接部位形成一个自由端，防止造水装置浮体机构3随波浪升沉而牵动水管造成破坏。
[0038]凝水机构2用于引入湿热空气与低温的海水进行热量交换，使湿热空气在通过凝水器14的过程中温度被降到露点以下而在凝水器14表面形成露水，最后将结成的露水汇集导流至淡水舱28。凝水机构由引风装置13和凝水器14组成。引风装置13位于凝水器14顶部，包括电机15和风扇16。米用双电机对称设置，电机转子与风扇转轴之间米用齿轮连接。风扇转轴为中空结构，内设轴承，中部伸出发电板支架17为顶部的太阳能电池板38提供支撑。凝水器14由顶部的海水分流管18和多层同心圆柱状结构的凝水模块19组成，如图3所示为凝水器14的1/8横截面图，省略了部分重复细节。每层凝水模块19中都有海水管路，如图3中阴影部分所示。凝水模块19中海水管路沿着圆周截面图如图4所示。海水曲折通过凝水模块19，最后通过凝水器14底部的出口排入海中。凝水模块19表面有栅板状换热片22，如图5所示为换热片22横截面图。换热片22表面设有辅助密布的凝水的尖点状突起23和导流槽24。凝水模块19底部有支架25结构。凝水器14下面为承接并汇集冷凝水的漏斗状集水机构26，该结构与凝水器14底部支架25有一定距离，以便空气通过凝水器14后排出。集水机构26结构底部设有淡水导流管27，将淡水引入淡水舱28，完成造水过程。
[0039]浮体机构3为整个装置提供浮力和支撑。浮体机构3主体由多个舱室构成的中空圆柱筒，包括提供浮力的水密舱29、存储淡水的淡水舱28和引水栗舱U。此外，还包括各类阀门、管路通道、系泊构件和支撑结构等。浮体机构3中空的圆柱筒芯部为隔热水管通道30。圆柱筒水密舱29在下，淡水舱28在上。水密舱29和淡水舱28基本结构相同，俯视横截面如图6所示。不同的是，淡水舱28各个小舱之间是相通的，各小舱隔板上下均布有过水孔31。淡水舱28设置隔板是为了防止液面波动影响稳性，设置过水孔31是为了淡水泄放方便。淡水舱
28底部设置两个对称的泄放口，泄放口安装止回阀32。一个泄放口与淡水泄放管33相连，淡水泄放管33连接其它终端，如海上集输设备。另一个泄放口备用，如淡水舱28内传感器检测发现盐度超标则可用该泄放口清空淡水舱28。淡水舱28上部为引水栗舱11。栗舱中布置有电机，水栗，电池和电控柜等。栗舱甲板中部安装管状支柱34，从栗舱甲板开始向上延伸，穿过栗舱顶部直至凝水器14顶部。支柱34内套隔热水管通道30，并不接触中间有一定空隙。支柱34为集水机构26、凝水机构2和发电装置5的支撑结构件。在浮体机构3底部四周设有系泊构件，此构件可用于与锚泊缆绳相连，使该装置固定漂浮于一定区域内。系泊机构35的位置与造水装置整体重心位置接近。
[0040]压载机构4位于浮体结构下，由压载舱36和桁架结构37组成。压载舱36中放置大比重重物，如矿砂。桁架结构37将压载舱36与浮体机构3相连，过水阻力小，且将压载舱36放置在更深的水下，降低了装置重心，加强了稳性，使装置具有更好的抗风浪能力。
[0041]发电装置5位于装置顶部。热带和亚热带地区海域日照充足，太阳高度角高，较适合采用太阳能发电装置5。本实例的太阳能发电装置包括发电板支架17和电池板38，如图2所示。发电装置5通过电缆与栗舱中的电池相连进行电能存储。
[0042]单一上述造水装置造水量有限，为实现大量规模化造水，可以此造水装置为基础造水单元，在海面上布置成网络进行造水。如图7所示为造水网络结构示意图。首先，建造简易浮式防波堤39在海上圈出较大的区域，再在此区域内按照一定的间隔设置造水网络，网络上每一个网络节点40用上述造水装置布置一个造水单元，各个造水单元之间以缆绳相连，网络边缘用揽绳与浮式防波堤39箱体相连，并为造水网提供一定的张力，构成类似网球拍头部的结构形式，使得各造水单元之间保持一定距离。各造水单元上的系泊点位于海面下，因此缆绳也均位于海面下，以保证水面航行畅通。为保证淡水高效输送处造水网，须在造水网络中每间隔一定距离布置一个管汇41，管汇41链接周边多个造水单元收集淡水并通过集输水管42将淡水送出。管汇41和集输水管42可设置多级，形成树状集输系统。集输水管42布置在水下一定深度保持水面航路畅通，方便设备维护保养和更换。为了不破坏造水网络结构并有效利用空间，将管汇41设置在网络节点40上，设计时将管汇41与造水单元合并，使得该网络节点40处的造水单元兼具管汇41的功能。带管汇41的造水单元将较普通的造水单元更大，尤其是淡水舱28增大，且位置下移。图7中，每个虚线框内有一个带管汇41的造水单元，其中较大的网络节点40显示其位置，虚线框中所有其它造水单元的淡水通过淡水泄放软管送至该网络节点40。最后，淡水将被汇集输送至防波堤39外一定安全距离处的淡水处理和生产作业平台43。该平台可以用退役的油轮、浮式海洋石油生产储存和卸油装置、海洋石油钻采平台等大型海上浮式结构进行改造而成。该平台集中处理各个造水单元输送过来的淡水，包括进行过滤，杀菌和矿化产生饮用水。再通过外输管线44，将制造的淡水送至陆地或者是单点系泊装置45，单点系泊装置45用于运水驳船46停靠和接驳淡水。该淡水处理平台表面可以改造成一个大型的海上太阳能和风能发电站，以便为造水网络补充电力。此外，该处理平台主要还应有维护站的功能，不但为平台管理维护人员提供工作生活空间，还设有仓库存放造水网络维护保养所需的零配件及工具。
[0043]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:该装置至少包括引水机构(I)、凝水机构(2)和供电机构;所述的引水机构(I)用于将低温海水送至凝水机构(2)内的海水管路内；所述的凝水机构(2)由引风装置(13)和凝水器(14)组成，所述的引风装置(13)用于将湿热空气引入凝水器(14)风道内，凝水器(14)作为凝水媒介使得引入的湿热空气被海水冷却产生冷凝水;供电机构为整个装置供应电能。2.根据权利要求1所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:所述的引水机构(I)包括海水过滤器(6)，隔热水管(7)，海水缓冲舱(8)以及引水栗(9);海水过滤器(6)安装在隔热水管(7)入水口端部;隔热水管(7)下半部分从海底连接过滤器(6)的端部起，穿过装置浮体机构(3)内部，直达浮体内部海水缓冲舱(8)底部，与海水缓冲舱形成一个水井状结构；隔热水管上半部分再从海水缓冲舱(8)内起，穿过栗舱直达浮体支撑的凝水机构(2)内部海水管路，形成海水的输送通道，并保持海水的低温状态。3.根据权利要求2所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:所述的隔热水管(7)下部绑缚在锚缆上或增加负重方式保持水管底端的进水口位于海面下一定深度；隔热水管(7)中部增加浮箱(12)，使隔热水管(7)与装置浮体连接部位形成一个自由端。4.根据权利要求1所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:所述的引风装置(13)位于凝水器(14)顶部，包括电机(15)和风扇(16);采用双电机对称设置，电机转子与风扇转轴之间采用齿轮啮合;风扇转轴为中空结构，内设轴承，中部伸出发电板支架(17)为顶部的太阳能电池板(38)提供支撑;凝水器(14)由顶部的海水分流管(18)和多层同心圆柱状结构的凝水模块(19)组成；每层凝水模块(19)中都有海水管路；海水曲折通过凝水模块(19)，凝水器(14)底部设置有出口；凝水模块(19)表面有栅板状换热片(22);换热片(22)表面设有密布的辅助凝水的尖点状突起(23)和导流槽(24);凝水模块(19)底部有支架结构;凝水器(14)下面为承接并汇集冷凝水的漏斗状集水机构(26)，该结构与凝水器(14)底部支架有一定距离，以便空气通过凝水器(14)后排出；集水机构(26)底部设有淡水导流管(27)，淡水导流管(27)连接淡水舱(28)。5.根据权利要求1所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:供电机构为太阳能发电装置(5)，位于装置顶部，太阳能发电装置(5)包括发电板支架(17)和电池板(38);太阳能发电装置(5)通过电缆与栗舱中的电池相连进行电能存储。6.根据权利要求1所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:该装置还包括浮体机构(3)，所述的浮体机构(3)为整个装置提供浮力和支撑;浮体机构(3)主体为多个舱室构成的中空圆柱筒，包括提供浮力的水密舱(29)、存储淡水的淡水舱(28)和引水栗舱(11);浮体机构(3)的中心为隔热水管通道(30);水密舱(29)在下，淡水舱(28)在上;浮体机构(3)底部四周设有系泊机构(35)。7.根据权利要求6所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:引水栗舱(11)位于淡水舱(28)上部，引水栗舱(11)中设置有引水栗(9)，电池和电控柜；引水栗舱(11)甲板中部安装管状支柱(34)，从栗舱甲板开始向上延伸，穿过栗舱顶部直至凝水器(14)顶部;支柱(34)内为隔热水管通道(30)，隔热水管(7)与支柱(34)间存在空隙;支柱(34)为集水机构(26)、凝水机构和发电装置(5)的支撑结构件。8.根据权利要求7所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:淡水舱(28)各个小舱之间是相通的，各小舱隔板上下均布有过水孔(31);淡水舱(28)底至少部设置有一个泄放口，泄放口安装止回阀(32);泄放口与淡水泄放管(33)相连，淡水泄放管(33)连接其它终端。9.根据权利要求1所述的一种自然热交换空气造水装置，其特征在于:该装置还包括压载机构(4)，位于浮体机构(3)下部，由压载舱(36)和桁架结构(37)组成，压载舱(36)通过桁架结构(37)连接支柱(34)。10.一种包括权利要求1所述自然热交换空气造水装置的造水系统，其特征在于:还包括防波堤(39)、管汇(41)、集输水管(42)、淡水处理和生产作业平台(43)、外输管线(44)、单点系泊装置(45);防波堤(39)在海上圈出较大的区域，在此区域内按照一定的间隔设置造水网络，网络上每一个网络节点(40)用上述造水装置布置一个造水单元，各个造水单元之间以缆绳相连，网络边缘用揽绳与浮式防波堤(39)箱体相连;造水网络中每间隔一定距离布置一个管汇(41)，管汇(41)连接周边多个造水单元收集淡水并通过集输水管(42)将淡水送出；管汇(41)和集输水管(42)可设置多级，形成树状集输系统;将管汇(41)设置在网络节点(40)上，带管汇(41)的造水单元将较普通的造水单元更大，尤其是淡水舱(28)增大，且位置下移;集输水管(42)连接淡水处理和生产作业平台；该平台集中处理各个造水单元输送过来的淡水，包括进行过滤，杀菌和矿化产生饮用水，再通过外输管线(44)，将制造的淡水送至陆地或者是单点系泊装置(45)，单点系泊装置(45)用于运水驳船(46)停靠和接驳淡水。
【文档编号】E03B3/28GK205530453SQ201620071936
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】张方元
【申请人】张方元