一种多孔介质复合结构光热腔取水装置及方法与流程

本发明涉及一种多孔介质复合结构光热腔取水装置及方法，属于水资源提取与利用技术领域。

背景技术：

可饮用淡水资源日益紧张是全球共同面对的严峻挑战，传统的获取淡水的方式往往需要投入大量的人力物力，例如自来水厂，海水淡化等。新型的取水方式如空气取水，膜蒸馏取水尚处于起步阶段。光热取水是一种重要的水收集利用手段，该方法通过太阳能加热海水、污水等使水变成水蒸气，然后再把水蒸气冷凝成可饮用的淡水。光热取水可以实现海水的高度淡化，也可以把污水处理成饮用水等。然而，该方法需要大量的海水或污水资源。因此在远离海岸的干旱陆地上，该方法不具有可行性。实际上，在干旱陆地区域，干燥的地表下就是大量的浅表层湿润土壤，这些湿润的土壤也蕴含了大量的水资源。如果能将这些水分从土壤中提取出来，将会成为一种解决水资源匮乏的潜在手段。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种多孔介质复合结构光热腔取水装置及方法，实现土壤水分提取收集，能够简单便捷获取淡水。

本发明解决的技术方案为：一种多孔介质复合结构光热腔取水装置，包括：光热腔、吸收涂层(4)、透明聚光盖(1)、高反-散光器(6)、蒸汽孔(5)、冷凝器(8)；

光热腔，由上、下两部分连接而成，上部为光滑空腔，光滑空腔的腔体上设有蒸汽孔(5)；下部为多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构；复合结构内表面涂有吸收涂层(4)，且设有连通多孔介质(2)与光热腔的通孔作为透水孔；光热腔的顶部设有透明聚光盖(1)，与高反-散光器(6)连接；

多孔介质(2)能够从土壤中吸收水分；

高反-反光器(6)位于光热腔内；高反-散光器(6)，能够将透明聚光盖(1)聚焦后的太阳光散射到光热腔下部的多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构上，加热多孔介质(2)中的水分，蒸发成水蒸气，通过透水孔进入光热腔内，从蒸汽孔(5)导出后，利用冷凝器进行收集。

优选的，光热腔，中上部的光滑空腔为中空圆柱形；光滑空腔的腔体上设有通孔作为蒸汽孔(5)；光滑空腔的腔体两端开口，光滑空腔的腔体一端与透明聚光盖(1)连接；光滑空腔的腔体另一端和多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构连接。

优选的，多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构内壁为中空圆柱形。

优选的，翅片(3)与光滑空腔的腔体一体成型；相邻翅片(3)之间设有连接筋。

优选的，多孔介质(2)与翅片(3)通过烧结进行固定。

优选的，高反-反光器(6)，包括：中空锥台和中空柱形；其中，中空锥台的小端面与透明聚光盖(1)连接，中空锥台的大端面与中空柱形连接。

优选的，中空锥台的高度与光滑空腔的高度相同。

优选的，高反-反光器(6)的中空柱形底部封闭，上部开口，上部与中空锥台大端面连接；中空锥台的小端面封闭。

优选的，上部的光滑空腔为热绝缘材料制成，优选为陶瓷材料。

优选的，一种多孔介质复合结构光热腔取水装置的取水方法，其特征在于步骤如下：

s1.将多孔介质复合结构光热腔取水装置埋入土壤中，其中下部的多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构完全埋入土壤，上部光滑空腔的底部距离离地表有一定距离；

s2.下部的多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构埋入土壤后，通过水迁移毛细力将周围土壤中的的水分抽吸到多孔介质(2)中；

s3.太阳光通过透明聚光盖(1)聚焦后的导入高反-散光器(6)后散射到下部的多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构上，进而加热多孔介质(2)中的水分，蒸发成水蒸气，进入光热腔内；

s4.水蒸气从光滑空腔的腔体上设有的蒸汽孔(5)导出后，利用冷凝器进行收集。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用多孔介质吸收湿润土壤中的水分。再将聚焦后的太阳光通过高反-漫射器均匀地照射到光热腔的内壁面，并利用高吸收涂层吸收太阳光加热壁面。多孔介质与翅片复合结构能增强与周围土壤的传热，产生水蒸气，经过多孔介质进入到钻杆内壁，并进入到冷凝器中冷凝成为淡水。该装置结构简单，产品造价低，通用性强，是一种解决地球水资源匮乏问题的潜在手段。

(2)本发明利用多孔介质与翅片组成的复合结构吸收土壤中的水分，并采用太阳光聚光加热蒸发复合结构中的水分，该取水装置功能集成度高，重量功耗要求低。其中多孔介质可以降低重量，并且快速地从土壤中汲取水分，而翅片可以增强传热。使用该一体化结构设计，可以同时降低重量，并且提高取水速率和能源转化效率。(3)本发明使用直接从浅表层湿润土壤中获得高纯度的淡水，不依赖地面水源，可适用于偏远的内陆，干旱的沙漠地区，和灾后水污染的海岸地区。与现有的包括反向渗透技术，传统海水淡化技术等高度依赖表面水源的可饮用淡水获取技术方法相比，具有更广泛的适用性，有利于边远地区和沙漠地区的使用。

(4)本发明通过顶部的聚光透镜将太阳光聚焦到高反-散光器中，光滑中空圆筒的内表面镀高反膜，将聚焦后的太阳光导入到下部，通过散光器发散，均匀地照射光热内腔下表面。内腔下表面涂有高光吸收涂层，提高光热转换效率。

(5)本发明完全利用太阳能作为输入能源，并使用被动式冷凝器作为冷凝方式，相比于现在其他的取水方式，不需要电力和人工操作。具有绿色环保，使用方便等优点。

附图说明

图1为多孔介质复合结构光热腔结构示意图；

图2为多孔介质复合结构光热腔取水装置和取水方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明一种多孔介质复合结构光热腔取水装置及取水方法。在内陆的干旱和半干旱地区，边远地区，沙漠，孤立海岛，和灾后地区的可饮用淡水资源的获取十分困难，淡水输运成本高，运输困难。对于野外科考人员，进入远离水源的地方进行科考工作，随身携带水源不仅增加负重，而且数量有限。使用多孔介质复合结构的光热腔取水装置，可以浅层地表的湿润土壤中方便的随地获取可饮用淡水。不仅降低了获取可饮用淡水的成本，而且重量轻，操作简单易携带，提高了灵活性。利用高反涂层和高吸收涂层的高反-散光器和高集成度的多孔介质翅片复合光热腔结构，解决了淡水获取装置体积庞大，造价高昂，操作复杂和光热转化效率低的难题，有助于解决边远，贫困，干旱，灾后地区和野外科考工作中的可饮用淡水资源获取的难题。其他的传统淡水获取装置或光热取水装置则需要依赖表面水源或者笨重，复杂的装置，成本高昂，无法适用于上述场景。

本发明一种多孔介质复合结构光热腔取水装置中，进一步的优选方案如下：

光热腔：如图1所示，优选为中空结构，进一步优选为圆柱形，由上下两部分构成。上部为光滑空腔，绝热性好，开有蒸汽孔。让蒸汽能够自由通过，自发输运到冷凝器中，另外，由于绝热性好，减少下部向上部的传热，从而提高能源转化效率。下部为多孔介质与翅片的复合结构。两部分用烧结或者焊接的方式连接。光热腔下部内壁涂有高光吸收涂层，高效吸收聚集的太阳能并进行光热转换，加热多孔介质吸附的水分，使其蒸发。蒸发的水分在压力梯度的作用下，自发地通过蒸汽孔输运到冷凝器中，并且冷凝为可饮用的淡水。

吸收涂层(4)，优选方案为光吸收率达到95％以上，吸附性能好，不易脱附，耐100℃以上的高温，可耐久使用的材料，包括石墨烯，碳纳米管，发黑漆等。光吸收涂层可以增加光热腔的吸光能力，进一步提高取水的效率。

透明聚光盖(1)，优选方案为透光性能高于90％，耐200℃以上高温的材料，包括但不限于石英玻璃等。并且有连接部分，可与光热腔顶部和高反-散光器进行密封连接。其形状与光热腔的形状匹配，外径略大于光热腔的外径，内径应等于光热腔的内径。聚光盖可以将太眼光聚集并且导入光热腔中，驱动取水过程的进行。

高反-散光器(6)，优选方案为：高反-散光器优选为中空结构，其中，高反部分为锥形，散光器部分为圆柱型。高反部分与透明聚光盖连接。高反部分内壁为高反光面，可以使用镀膜或者机加工的方式获得。高反部分将太阳光反射到蒸汽孔以下的光热腔下部，下部为散光器，可以将导入进来的光散射到光热腔中，均匀加热内壁表面，高反-散光器连接到一起。

蒸汽孔(5)：优选方案为通孔，并且带有便于连接的机械特征，包括但不限于螺纹孔等。根据光热腔的尺寸进行调整。其直径不能大于光热腔的直径。应该尽可能大，有利于蒸汽的导出。

光热腔优选由上下两部分连接而成，上部为光滑空腔：，优选方案为由绝热材料制成，且与下部分的多孔介质能够密封连接，优选包括高温胶，机械密封结构或焊接烧结等方式；下部为多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构，要求为多孔介质与翅片一体成型，相邻翅片之间有连接筋连接。多孔介质的材料优选陶瓷，硅藻土等具有高孔隙率和一定强度的材料，可以从土壤中吸附水分，翅片优选是多孔介质材料增大吸附面积和提高传热效率。

本发明进一步的优选方案为：

如图1所示，高反-反射器(6)与透明聚光盖(1)密封配合，透明聚光盖(1)在上，高反-反射器(6)在下。透明聚光盖(1)与光热取水腔()顶部进行密封配合。其中透明聚光盖(6)在上，光热取水腔在下。为实现光热取水效率提高的进一步方案，设光热取水腔下部多孔介质复合结构部分半径为r单位为mm，高度为h单位为mm，实际的聚光后的太阳能能量为q单位为kw，满足该优选约束条件q/(4πrh)<qlimit,可以实现取水效率的进一步提高，其中，透明聚光盖(1)聚光后的太阳能能量最大极限qlimit。

复合结构内壁设有通孔作为透水孔，孔开的优选要求为：复合结构内壁的通孔直径应该略大于土壤平均颗粒直径，以防止堵塞。对于粘土，开孔应该更密集，对于沙土则应该更稀疏。

根据不同的土壤，设计多孔介质，多孔介质优选使用陶瓷颗粒，例如sic,sin，金属颗粒，或者天然多孔介质材料，例如硅藻土等。颗粒的直径优选在22um-500um之间，孔隙率应该大于50％。高反-反光器(6)，包括：中空锥台和中空柱形；其中，中空锥台，材质为反光性好的金属(优选反光率达到90％)，其作用是将聚集进来的光线进行反射，反射到钻杆的下部。中空柱形的材质为散光率较好的透明材料，且耐高温，柱形内侧具有凹槽，形成凹透镜，对光线进行散射。散射率达到90％。

优选方案为：高反-反光器(6)的中空锥台与光热腔，中控锥台的上直径约为光热腔的1/2，下直径约为光热腔的1/3。下锥台的位置低于蒸汽孔(5)的位置轴线与光热腔的轴线重合。

高反-反光器(6)的中空柱形与光热腔，中空柱形直径为光热腔的1/2，轴线与光热腔的轴线重合。；

蒸汽孔(5)，优选方案为：应该开一个蒸汽孔，直径不超过光热腔的直径，尽可能大，以利于蒸汽的输运。同时应该考虑连接管的直径。

在取水的过程中，首先把该多孔介质复合结构光热腔取水装置埋入土壤中，其中下部的多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构完全埋入土壤(7)中，上部光滑空腔部分位于地表以上，保持水蒸气出孔(5)在地表以上。多孔介质(2)与翅片(3)的复合结构将土壤中水分通过毛细力吸入到微孔中，太阳光通过透明聚光盖(1)聚焦以后进入高反-散光器(6)。该高反-散光器(6)上部涂有高反涂层，下部是散光器，将太阳光散热到到涂有高吸收涂层(4)的复合光热腔内壁。随着温度的不断提高，土壤中的水分加热成水蒸气，通过多孔介质的通道进入光热腔内腔，然后在浮力和气压的作用下上升至水蒸气出孔(5)，进入到冷凝器(8)中被冷凝。多孔介质结构具有微米级和纳米级的通孔，通过蒸发和毛细力的作用不断地将土壤中的水分通过多孔介质的微孔道带入到复合光热腔中。

在上述过程中，多孔介质与翅片复合结构起到传热和传质的作用。具体来说，太阳光加热光热腔的内壁，通过多孔介质与翅片复合结构与周围的土壤进行热交换。多孔介质结构具有很多微米级和纳米级的微通道，具有很强的吸水性。因此，土壤取水层中的水分将在在毛细力作用下通过这些微通道进入到光热腔内。

本发明提出了一种多孔介质复合结构光热腔取水装置和方法，利用多孔介质结构的强吸水特性从土壤中吸收水分，利用太阳光加热蒸发多孔介质中的水分，再经过水蒸气的冷凝获得淡水资源。通过本发明取水能够从浅表层土壤中高效提取收集水，是一种能耗低，装置简单可靠，通用型强的装置和方法。

以下优选的实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种新型的多孔介质复合结构光热腔取水装置，包括聚光顶盖(1)，高反-散射器(6)，蒸汽孔(5)，多孔介质与翅片复合结构。其中多孔介质复合结构包含多孔介质(2)，翅片(3)，和高光吸收涂层。

进一步优选方案为：聚光顶盖(1)设计为圆柱形，其内径等于光热腔顶部外径。外径大小以保证顶盖的厚度不小于3mm，以保证强度。顶盖下侧与高反-散光器适用高温胶进行粘接。对于高反-散射器，其高反部分使用金属铝加工，内壁抛光处理达到镜面效果，反射率90％以上。散射器部分使用石英玻璃加工，内测刻有凹槽，形成凹透镜进行散光，散射器与高反其采用高温胶进行粘结。其中，高反部分为锥台，上直径为光热腔直径的1/3，下直径为光热腔直径的1/2，高度要大于蒸汽孔(5)离顶盖下侧的高度，通过以上限定进一步提高了取水的效率。

进一步优选方案为：光热腔上部为光滑绝缘材料，其材质优选为刚玉，内表面抛光处理，外表面涂密封漆。光热腔的上部开蒸汽孔，蒸汽孔的大小为g1/2,使蒸汽从蒸汽孔中流出，在冷凝器中遇冷凝结为可引用淡水。光热腔上部为绝缘材料，保证上端温度较低，进一步减少不必要的热损失。

进一步优选方案为：光热腔下部为多孔介质翅片复合结构，一体加工成型，翅片为螺旋结构，便于加工和钻进土壤。多孔介质由硅藻颗粒加工而成，硅藻颗粒的直径为50um，多孔介质结构的孔隙率为60％。光热腔的上部与下部用烧结的方式连接到一起。光热腔的外径等于聚光顶盖的内径。同时在光热腔的下部内表面使用碳纳米管进行发黑处理，以增强光热转化效率。

进一步优选方案为：光热腔的下部为多孔介质翅片复合结构。多孔介质的热导率大于50w/mk，有利于热传导并蒸发水分。螺旋翅片结构也有利于热传导。

如图2所示，本发明中，冷凝器(8)为被动冷凝器，其顶盖内表面为翅片结构，增大表面积，加速蒸汽的冷凝过程。并且涂有耐高温的超疏水涂层，加速冷凝液滴的脱落。顶盖外表面也是翅片结构，加大于空气的接触面积，直接将冷凝热量散至室外空气中。

如图2所示，进一步优选方案为：将本取水装置的光热腔的下部完全埋入土壤(7)，蒸汽孔通过管接头连接管道，如图2所示，让管道与冷凝器(8)连接。从图中可以看出，多孔介质从周围土壤中吸收水分，并且通过光热转换作用加热水分，将水分蒸发。蒸发出来的水汽在光热腔内部聚集，温度不断升高，与内部的冷空气进行自然对流，同时，由于蒸汽的聚集压力也逐渐升高，于外界气压形成压力梯度，在对流于压力梯度的双重作用下，热的蒸汽自动上升，经过蒸汽孔进入管道，流入冷凝器，最后收集为可饮用的淡水。同时由于蒸发引起的毛细力驱动效应，水分会从周围的土壤中不断地被毛细力吸入多孔介质中，进行连续的补给。保证该取水过程能够连续不断的进行。

本发明利用多孔介质吸收湿润土壤中的水分。再将聚焦后的太阳光通过高反-漫射器均匀地照射到光热腔的内壁面，并利用高吸收涂层吸收太阳光加热壁面。多孔介质与翅片复合结构能增强与周围土壤的传热，产生水蒸气，经过多孔介质进入到钻杆内壁，并进入到冷凝器中冷凝成为淡水。该装置结构简单，产品造价低，通用性强，是一种解决地球水资源匮乏问题的潜在手段。

本发明利用多孔介质与翅片组成的复合结构吸收土壤中的水分，并采用太阳光聚光加热蒸发复合结构中的水分，该取水装置功能集成度高，重量功耗要求低。其中多孔介质可以降低重量，并且快速地从土壤中汲取水分，而翅片可以增强传热。使用该一体化结构设计，可以同时降低重量，并且提高取水速率和能源转化效率。(3)本发明使用直接从浅表层湿润土壤中获得高纯度的淡水，不依赖地面水源，可适用于偏远的内陆，干旱的沙漠地区，和灾后水污染的海岸地区。与现有的包括反向渗透技术，传统海水淡化技术等高度依赖表面水源的可饮用淡水获取技术方法相比，具有更广泛的适用性，有利于边远地区和沙漠地区的使用。

本发明通过顶部的聚光透镜将太阳光聚焦到高反-散光器中，光滑中空圆筒的内表面镀高反膜，将聚焦后的太阳光导入到下部，通过散光器发散，均匀地照射光热内腔下表面。内腔下表面涂有高光吸收涂层，提高光热转换效率，且本发明完全利用太阳能作为输入能源，并使用被动式冷凝器作为冷凝方式，相比于现在其他的取水方式，不需要电力和人工操作。具有绿色环保，使用方便等优点。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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