一種新型模塊化吸附式空氣取水裝置

重慶鐵馬專用車有限公司 盧文全 雷權(quán)民 高陽

為解決在戰(zhàn)爭狀態(tài)和野外作業(yè)期間飲用水供應(yīng)的問題，開發(fā)了一款用于滿足野戰(zhàn)部隊(duì)、艦船、海島守護(hù)等各種情況下的多功能應(yīng)急飲用水制取裝置。該裝置利用轉(zhuǎn)輪的吸附式技術(shù)來對(duì)空氣冷凝取水,可大大增加取水量，提高飲用水制取效率，值得同行借鑒參考。

前言

水是生命之源，與人們的生活密切相關(guān)，特別是在戰(zhàn)爭狀態(tài)和野外作業(yè)期間，飲用水供應(yīng)尤顯重要。在現(xiàn)實(shí)情況下，我國的野外作業(yè)人員、野戰(zhàn)部隊(duì)、艦艇部隊(duì)、海島守護(hù)部隊(duì)、民用野外勘探等所需生活及飲用水多采用送水車或補(bǔ)給艦運(yùn)送，這樣不僅供水成本高，艦船上大量儲(chǔ)存淡水還占用了船只的有限空間，最重要的是野戰(zhàn)中的運(yùn)水補(bǔ)給線很容易受到攻擊和牽制。因此，開發(fā)一種能夠滿足野戰(zhàn)部隊(duì)、艦船、海島守護(hù)等各種需求的多功能應(yīng)急飲用水制取裝置具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

空氣取水源于20世紀(jì)末，國內(nèi)外大部分空氣取水設(shè)施還處于試驗(yàn)階段。目前，已知的空氣取水原理大致可分為：空調(diào)器的制冷工作原理法(也稱冷凝法)、晝夜溫差法、太陽能吸附式制冷結(jié)露法、太陽能半導(dǎo)體制冷結(jié)露法，等等。這些取水法都采用了一個(gè)共同的技術(shù)——利用溫差的冷凝技術(shù)。在國外，也有空氣取水的報(bào)道：在第二次海灣戰(zhàn)爭中，美軍曾在伊拉克戰(zhàn)場上裝備過空氣取水設(shè)備；2008年12月，有報(bào)道稱加拿大發(fā)明了一種從空氣中取水的“水磨”，等等。但是從報(bào)道的取水原理上看，其也僅僅利用了冷凝技術(shù)。

僅利用冷凝技術(shù)取水有一個(gè)共同的局限，就是對(duì)空氣環(huán)境的參數(shù)要求較高。據(jù)報(bào)道稱：加拿大的“水磨”在空氣濕度低于30%的情況下，基本失去取水功效；美軍裝備的取水設(shè)備要求空氣濕度≥60%；國內(nèi)某微型的空氣取水裝置要求空氣濕度≥40%。從目前能提供空氣取水裝置的取水量來看，美軍裝備的取水裝置在達(dá)到環(huán)境要求時(shí)的取水量為20 L/h，國內(nèi)某空氣取水裝置在達(dá)到環(huán)境要求時(shí)的取水量為不到2 L/h。

本文主要介紹一種新型的模塊化吸附式空氣取水裝置，該裝置整體安裝在普通載貨車底盤上，可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移。

系統(tǒng)介紹

該新型模塊化吸附式空氣取水裝置是利用轉(zhuǎn)輪的吸附式技術(shù)來對(duì)空氣冷凝取水的裝置，主要由取水系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)組成。空氣取水模塊工作流程如圖1所示。

圖1 空氣取水模塊工作流程圖

1. 取水系統(tǒng)

取水系統(tǒng)主要由處理風(fēng)機(jī)、再生風(fēng)機(jī)、再生加熱、壓縮機(jī)等組成。大量空氣通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入取水系統(tǒng)，空氣中的水分被強(qiáng)力吸附材料吸收，釋放出幾乎沒有水分（絕對(duì)含水量≤0.38g/kg）的干空氣，然后通過冷凝將水收集，再送往凈化系統(tǒng)。

1.1 處理過程

當(dāng)自然空氣進(jìn)入處理區(qū)時(shí)，為了增加對(duì)空氣中水分子的吸附量，系統(tǒng)中加入了有強(qiáng)力吸附材料的轉(zhuǎn)輪裝置，空氣水分子被轉(zhuǎn)輪內(nèi)的吸濕劑吸收或吸附，除去水份的空氣被處理風(fēng)機(jī)排出。當(dāng)處理區(qū)的轉(zhuǎn)輪吸收或吸附了水分子，變成飽和狀態(tài)后，隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)到再生區(qū)域，進(jìn)入再生過程。

1.2 再生過程

再生空氣經(jīng)加熱后，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)域，在高溫狀態(tài)下，轉(zhuǎn)輪吸收或吸附的水分子被脫附，散發(fā)到再生空氣中，這樣再生空氣變成了含濕量較大的飽和濕空氣。飽和濕空氣通過再生風(fēng)機(jī)進(jìn)入冷凝取水系統(tǒng)的冷凝風(fēng)道取水。由于整個(gè)系統(tǒng)都是安裝在汽車底盤上，因此該過程中加熱裝置除了利用電加熱，還采用汽車尾氣加熱。

1.3 冷凝取水

空氣取水的最后一道工序是通過冷凝，降低空氣中水份的飽和度，讓空氣中多余的水份流出來，即冷凝取水。冷凝取水的取水量通常取決于兩個(gè)因素，一是增加通過冷凝風(fēng)道的風(fēng)量，二是增加通過冷凝風(fēng)道空氣的含濕量。該新型取水裝置就是利用轉(zhuǎn)輪的吸附式技術(shù)來對(duì)空氣冷凝取水。它的創(chuàng)新點(diǎn)就是通過轉(zhuǎn)輪裝置實(shí)現(xiàn)“增加通過冷凝風(fēng)道空氣的含濕量”。

轉(zhuǎn)輪裝置是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其主要由一個(gè)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的蜂窩狀轉(zhuǎn)輪組成。特殊陶瓷轉(zhuǎn)輪呈蜂窩狀，載有高性能硅膠為吸濕劑，硅膠固嵌或燒結(jié)于吸濕載體中，性能穩(wěn)定，使用壽命長。由于蜂窩狀孔徑僅1.5mm，其1m3體積轉(zhuǎn)輪紙芯的吸濕面積可達(dá)3000m2；若沒有裝轉(zhuǎn)輪，直接吸收自然空氣的單位體積（1m3）的吸濕面積僅為1000m2，可見安裝轉(zhuǎn)輪前后吸濕面積比為3：1。轉(zhuǎn)輪由隔板分為兩個(gè)區(qū)：一個(gè)約占70%的扇形區(qū)域，稱為處理區(qū)；另一個(gè)為30%扇形區(qū)域，稱為再生區(qū)。因此，空氣通過轉(zhuǎn)輪裝置的處理區(qū)后，進(jìn)入冷凝取水風(fēng)道中空氣的含濕量可為自然空氣的兩倍（3×0.7=2.1）以上，大大地提高了冷凝取水的工作效率。

該系統(tǒng)采用自動(dòng)控制技術(shù)，各加熱、冷凝等模塊均能通過自動(dòng)控制程序自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，以保證設(shè)備整體處于優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。其自動(dòng)控制技術(shù)的創(chuàng)新在于通過對(duì)多次試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，編制各功能模塊優(yōu)化運(yùn)行的自動(dòng)控制程序，以保證項(xiàng)目產(chǎn)品處于優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

該取水系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

a.出水率高。采用轉(zhuǎn)輪技術(shù)空氣取水，大大提高了冷凝取水風(fēng)道中空氣的含濕量，出水率為普通空氣取水裝置的2倍以上；

b.節(jié)能降耗。加熱裝置在系統(tǒng)中能耗最大，項(xiàng)目采用汽車尾氣再利用，使能源充分合理化，最大限度節(jié)能降耗。

2. 凈化系統(tǒng)

凈化系統(tǒng)是應(yīng)用反滲透凈化處理技術(shù)，即自然界中水分自然滲透過程的反向過程，將重金屬、農(nóng)藥、細(xì)菌、病毒、雜質(zhì)等徹底分離。實(shí)現(xiàn)滲透與反滲透過程的關(guān)鍵是滲透膜，反滲透整個(gè)過程的工作原理均采用物理方法，不添加任何殺菌劑和化學(xué)物質(zhì)，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

主要參數(shù)

該模塊化吸附式空氣取水裝置主要參數(shù)如下：機(jī)組外形尺寸為6 570 mm×2125mm×2350mm；使用溫度為0～48℃；使用濕度≥10%；絕對(duì)≥5 g/k g（含 濕量干空氣）；每小時(shí)取水量為20～60 L；油耗為16 L/h； 凈化水系統(tǒng)能力為100 L/h；送風(fēng)機(jī)功率為11 kW；再生風(fēng)機(jī)功率為5.5 kW；再生加熱溫度為130±10 ℃ ；發(fā)電機(jī)參數(shù)為Max105 kW，380 V交流電。

工作模式

模塊化吸附式空氣取水裝置的工作模式包括以下3種：

a.空氣取水模塊獨(dú)立工作。空氣取水模塊獨(dú)立固定安裝在固定式基座上，利用外界提供的電能，實(shí)現(xiàn)空氣取水和凈水功能，適用于有電能保障的環(huán)境。

b.空氣取水模塊與供電模塊協(xié)同工作。空氣取水模塊與供電模塊共同安裝固定式基座上，由供電模塊為其供電，實(shí)現(xiàn)空氣取水和凈水功能,適用于無電能保障的環(huán)境。

c.空氣取水模塊、供電模塊與載貨車底盤協(xié)同工作。空氣取水模塊與供電模塊共同安裝在載貨車底盤上，由供電模塊為其供電，實(shí)現(xiàn)空氣取水和凈水功能，載貨車底盤實(shí)現(xiàn)越野機(jī)動(dòng)，適用于機(jī)動(dòng)保障任務(wù)。

結(jié)語

該新型模塊化吸附式空氣取水裝置是利用轉(zhuǎn)輪的吸附式技術(shù)來對(duì)空氣冷凝取水的裝置，通過風(fēng)機(jī)將大量空氣送入取水系統(tǒng)內(nèi)，空氣中的水分被強(qiáng)力吸附材料吸收，釋放出幾乎沒有水分（絕對(duì)含水量≤0.38g/kg）的干空氣，然后通過冷凝將水收集，它的創(chuàng)新點(diǎn)就是通過轉(zhuǎn)輪裝置實(shí)現(xiàn)“增加通過冷凝風(fēng)道空氣的含濕量”，大大增加了取水量,使出水率為普通空氣取水裝置的2倍以上。