热压驱动的微型空气取水装置换气特性研究

发布时间：2020-05-22 04:03

【摘要】：水对人类的重要性不言而喻。在一些特殊或极端条件下,如户外探险、士兵野外作战等情况下,人类无法获得持续的饮用水供给。同时,出于对减轻负重、节省体能等多方面的考虑,户外探险者或野战士兵一般也无法携带大量的饮用水,而是更多利用环境条件就地取材获得淡水。但是,未经处理的野外水源容易含有各类有毒物质、细菌病菌或其他有机污染物,直接饮用容易造成腹泻脱水甚至中毒等严重后果。雨水、露水、雪水的收集则严重依赖自然条件,有一定断水的风险。所以人们需要一种稳定、便携、安全的取水方式来解决上述的问题。而在大气中就蕴藏着充足的水资源,所以研制可靠、高效的空气取水装置成为解决水资源短缺问题的一大解决方案。本文提出了一种基于热压的吸附式微型空气取水装置,其主要原理为高效吸湿材料在吸附工作阶段,空气流经吸湿材料,其中的水蒸气被吸湿材料吸收保存。当吸附趋于饱和后进入解吸附工作阶段,吸湿材料被加热将吸附阶段保存的水分释放出来,较热的水蒸气随温度降低逐渐液化。由上述工作过程可知,基于吸附法的空气取水装置内换气特性将直接影响吸附时间和解吸附效果,进而影响取水的效率。本研究利用热压换气的原理实现有效调节装置内部换气特性进而提高取水效率。本文基于热压换气理论及数学模型提出了一种“杯式”微型空气取水装置结构设计。随后对其内部换气特性进行了计算流体力学(CFD)仿真研究。分析了其主要参数,包括纵向通风管路高度、加热温度、管路形状设计等指标对换气特性的影响。根据仿真结果总结了各参数设计与换气特性之间的关系,并提出了利用一种拉瓦尔喷管导流结构改进换气特性的设计方案。本文在CFD仿真的基础上完成了微型空气取水装置换气特性的实验研究。首先制作了空气取水装置纵向通风管路的实验模型。利用粒子图像测速系统(PIV)对纵向通风管路出口处空气流速进行了可视化拍摄,分析和比较了不同管路高度、管路直径及热源加热功率对换气特性的影响。最后搭建了空气取水装置实验台,通过取水实验验证了装置热压换气的效果及装置整体设计的合理性。
【图文】：

士兵,局限性,饮用水,探险者

及研究的背景和意义于国家自然科学基金项目“气动微流控芯片气压”。及意义体的重要性不言而喻，无论是植物还是动物，每成分就是水。科学研究表明，成年人类身体中大生儿体内可含有高达 75%的液体。因此，人类一[1,2]。在一些特殊或极端条件下，如户外探险、士获得持续的饮用水供给。同时，出于对减轻负重探险者或野战士兵一般也无法携带大量的饮用水材获得淡水。其常用方法包括：饮用地表水或地；利用一些特定植物如扁担藤[4]、买麻藤等[5]，其般切开特定部位即可获得少量的淡水，如图 1-1

制冷法,空气取水,树蛙,澳洲

澳洲的一种沙漠蜥蜴[19]等均可以通过控制自身表面的亲疏水性或温度变化从空气中获取所需的水，如图1-2 所示。图 1-2 纳米比亚沙漠甲虫和澳洲树蛙从空气中获取水目前最常用的空气取水原理包括制冷法[20-21]和吸附法[22-24]。其中制冷法的研究较为成熟，主要原理是通过制冷使环境水蒸气液化，但是其能源利用率较低，，取水效率较低，装置体积较大且发展潜力有限。吸附法主要基于高效吸湿材料，如硅胶、MOF801[23]和卤素盐复合吸湿剂[25]等。在吸附工作阶段，空气流经吸湿材料，其中的水蒸气被吸湿材料吸收保存。当吸附趋于饱和后进入解吸附工作阶段，吸湿材料被加热将吸附阶段保存的水分释放出来，较热的水蒸气随温度降低逐渐液化。由上述工作过程可知，基于吸附法的空气取水装置内换气特性将直接影响
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH122

【参考文献】