一种电晕放电增强冷凝空气取水装置及方法

本发明涉及冷凝空气取水，尤其涉及一种电晕放电增强冷凝空气取水装置及方法。

背景技术：

1、在很多偏远的干旱半干旱地区，由于全球变暖和气候条件干燥少雨，对水的需求非常大，在这些地区获得饮用水和农业用水非常困难。

2、人们通过海水淡化、处理废水后回用、抽取地下水等方式收集淡水。然而，上述技术普遍体积大不利于地区规划、部分地区土壤持水性较差无法有效保持和利用雨水资源，限制了其实际应用。

3、在缓解淡水短缺问题的各种策略中，制冷结露取水方法较反渗透海水淡化技术能够在不损害天然淡水生态系统的情况下提供了充足的优质水，制冷结露取水由于规模小、应用场景广泛，已显示出其巨大的潜力，但该技术还存在取水能耗高、取水速率慢等不足。在这样的技术背景下，通过电晕放电手段来增强冷凝空气取水的技术能够根据实际场景地需求，灵活工作在高取水速率模式或低能耗模式，但该技术还未有成熟的发展。

4、常见的冷凝空气取水装置仅对空气具有降温作用，即使其降低至露点温度凝结出水滴，其装置的形状类似于翅片冷凝器。而将电晕放电手段施加在现有的具有冷凝功能的结构(如翅片)上，并且达到运行稳定且安全、整体装置结构紧凑的要求，存在很大困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服制冷结露取水方法的不足，提出一种能降低取水能耗、提高取水速率的制冷结露取水方法。

2、为达到上述目的，本发明提出一种电晕放电增强冷凝空气取水装置，包括过滤机构、电晕放电机构、制冷机构、动力机构和收集容器，具体为：

3、过滤机构：用于气体过滤；

4、电晕放电机构：用于电晕放电，将过滤后的气体进行电离处理，使得气体中水分子聚集成核，形成带电荷微小液滴；

5、制冷机构：与电晕放电机构相连接，用于提供冷量，将经过电晕放电处理后的带电荷微小液滴进一步冷凝成水滴或将未荷电成功的水蒸气冷凝成液态析出；

6、动力机构：用于控制气体的定向流动，将气体送入过滤机构、电晕放电模块和制冷模块；

7、收集容器：用于收集经过电晕放电处理和冷凝处理后的凝结水。

8、进一步的，所述电晕放电机构包括放电电极针板、模块电阻和铝质中空冷凝筒：

9、所述模块电阻的输出端通过导线与所述放电电极针板连接；

10、所述放电电极针板与所述铝质中空冷凝筒相连接，并产生电晕放电；

11、所述铝质中空冷凝筒通过导线，与所述模块电阻的输入端相连，形成电路通路；

12、供电时，接通模块电阻的电源，模块电阻的输出端通过导线与针板连接，然后针板与铝质中空冷凝筒之间产生电晕放电，铝质中空冷凝筒通过导线与模块电阻的输入端相连，形成电路通路；

13、所述放电电极针板包括电极底座和电极针，所述电极针的一端固定于所述电极底座上，另一端插入冷凝筒内，形成针-筒电极构型。

14、进一步的，所述电极针采用不锈钢材质，所述电极针插入所述冷凝筒内，位于冷凝筒的圆筒中心位置，保证电晕放电空间面积的最大化。

15、进一步的，所述不锈钢材质的电极针的顶端为尖形。

16、进一步的，所述电晕放电机构的放电原理为：在电晕电极与收集电极之间加上足够强的高压直流电压，使得电晕电极周围的空气中的(h2o、n2、o2、co2等)分子发生电离。在高压场中，电子和离子被拉向相反的方向，阻止了它们的重新组合。由于水是极性分子(偶极子动量ρ0)，水分子正负电荷两边局部电场强度的不同，会产生使水蒸气向带电粒子漂移运动的介电泳力(fdp)。在电离区被高压电离空气产生正离子和自由电子，受介电泳力的作用，中性水蒸气会向部分带电粒子(正离子、自由电子)漂移结合，进而产生水蒸气富集。当水蒸气密度超过饱和水平时，水蒸气就会聚集成核，形成带正负电液滴。当水蒸气聚集成核形成带电液滴后，由于电荷的存在，带电液滴会增长。当带电粒子运动到漂移区时，由于带负电液滴体积增大，与空气中的中性水蒸气碰撞截面增加，进一步给了带电液滴增长的机会。电离区形成的带电粒子(带负电液滴、自由电子)在电场力的作用下向地电极定向加速运动形成“离子风”。此外在介电泳成核期间，中性水蒸气向带电粒子漂移所降低的化学势能转换为电极化势能储存在液滴中，降低的化学势会降低液滴的热容，即在冷凝板提供相同冷凝能耗下，可以使更多水蒸气得到冷却。

17、进一步的，所述制冷模块包括压缩机和翅片冷凝器，所述压缩机通过铜管，与所述翅片冷凝器相连接，所述翅片冷凝器通过铜管与所述铝质中空冷凝筒相连接，维持所述铝质中空冷凝筒低温。

18、所述制冷模块的运行原理为：启动压缩机，将低压蒸汽经过压缩后，变为高温高压气体制冷剂；该高温高压气体通过铜管进入翅片冷凝器，与周围空气发生热交换；使得该高温高压气体制冷剂由高温高压过热蒸汽变为高压低温，从而将铝质中空冷凝筒维持在低温状态，然后，变为低温低压的制冷剂气体与风道中的空气发生热交换，吸收空气热量而发生汽化，变成低温低压饱和蒸汽，接着该低温低压饱和蒸汽制冷剂再一次被送进压缩机，开始新循环。

19、进一步的，所述过滤机构设于所述放电电极针板上方，所述模块电阻通过亚克力材料，与所述放电电极针板隔开；所述放电电极针板通过亚克力板，与所述铝质中空冷凝筒匹配连接；所述制冷模块通过所述针-筒电极构型，与所述电晕放电机构相连接；所述针-筒电极构型以多级排列的方式，排列于所述收集容器的正上方，所述铝制中空冷凝筒为接地电极铝质中空冷凝筒。

20、进一步的，所述铝制中空冷凝筒是通过将铝块进行钻通孔处理而形成的带通孔铝块，该具有通孔的铝块即为铝制中空冷凝筒，所述通孔即为圆形通道。

21、进一步的，常见的冷凝空气取水装置仅对空气具有降温作用，通过降低温度至露点温度，使得气体凝结出水滴，现有的冷凝空气取水装置的形状类似于翅片冷凝器，将电晕放电手段施加在现有的具有冷凝功能的结构上(如翅片)，并且要求达到运行稳定且安全、整体装置结构紧凑，存在很大困难。而通过所述针-筒电极构型，将电晕放电模块和冷凝模块结合起来，使得空气中的水分子既能通过电晕放电增强作用，同时也能通过冷凝作用，从而降到露点温度，且运行安全稳定，整体装置结构紧凑灵活。

22、进一步的，所述压缩机还连接有温度控制器，用于控制压缩机的工作频率；所述温度控制器的温度探头端与所述接地电极铝质中空冷凝筒相连接。

23、供电时，接通温度控制器与压缩机的电源，温度控制器的温度探头端与铝质中空冷凝筒相连，实时检测铝质中空冷凝筒温度以此控制压缩机；温度控制器的另一端与压缩机的供电端相连，目的是通过铝质中空冷凝筒温度，从而控制是否给压缩机供电。

24、进一步的，所述接地电极铝质中空冷凝筒上设有保温棉，主要用于对铝质中空冷凝筒进行良好的保温，减少能源的浪费。

25、进一步的，所述过滤机构包括第一滤网和设于所述第一滤网下方的第二滤网，所述第一滤网由亚力克材料组成，用于过滤气体环境中的大颗粒物，阻挡大颗粒物进入电晕放电增强冷凝空气取水装置，以免影响装置的整体稳定运行和水质的污染；所述第二滤网为活性炭空气滤网，主要利用活性炭的吸附功能去除空气中一些微小的杂质，提高冷凝取水的水质。

26、进一步的，所述动力机构包括直流风扇和折流板，所述直流风扇通过亚克力板固定于所述第一滤网和所述第二滤网之间，形成空气流动通道；

27、所述折流板用于控制气体流向以及实现气液分离；所述折流板的两端(类似于百叶窗形式)黏附在外壳的两侧，与所述翅片冷凝器形成空气流道，用于将空气排出装置外。

28、供电时，接通直流风扇电源，直流风扇将气体以一定的流向和流速，分别经过第一滤网和第二滤网，然后进入放电电极针板与铝质中空冷凝筒之间的圆形冷凝通道的电晕放电作用和冷凝作用后，再经过折流板，流向翅片冷凝器，最后排向装置外。

29、进一步的，所述动力机构、过滤机构、电晕放电机构、制冷机构和收集容器之间相互可拆卸连接。

30、进一步的，上述电晕放电增强冷凝空气取水装置的具体工作过程为：

31、1)接通直流风扇、模块电阻、压缩机与温度控制器的电源。

32、2)在直流风扇开始运行时，环境中的空气被直流风扇以一定的风速和风向分别经过第一滤网和第二滤网，去除大颗粒物和微小杂质。

33、3)然后进入电晕放电机构和制冷机构，通过放电电极针板与接地电极铝质中空冷凝筒的圆形冷凝通道之间的电晕放电作用和铝质中空冷凝筒的冷凝作用后，再通过折流板流向翅片冷凝器，最后排向装置外；

34、在此过程中，当定向定速的空气流经高压负极针板和接地电极铝质中空冷凝筒时，模块电阻已经为高压负极针板供电，此时空气在高压负极针板和接地电极铝质中空冷凝筒之间发生电晕电离，加速水分子的成核，漂移碰撞。

35、与此同时，压缩机组已经开始工作，压缩机组制冷为铝质中空冷凝筒持续不断的提供冷量，对定向定速的空气与接地电极铝质中空冷凝筒之间发生热交换，使空气温度达到冷凝露点之下，凝结出水滴并进行收集。

36、4)最后，从空气中经过电晕放电和冷凝出来的凝结水被冷凝筒下方的收集容器收集起来。

37、5)在电晕放电增强冷凝空气取水装置完成取水任务停止工作时，切断电源，直流风扇、模块电阻、压缩机与温度控制器停止运行。

38、本发明还提出一种电晕放电增强冷凝空气取水方法，基于上述电晕放电增强冷凝空气取水装置，该方法包括如下步骤：

39、s1:启动动力机构，将气体定向流动送入电晕放电增强冷凝空气取水装置中，首先经过过滤机构，过滤掉气体中的大颗粒物和微小杂质；

40、s2：过滤后的气体进入电晕放电机构，通过电晕放电，进行电离处理，使得气体中的水分子聚集成核，形成带电荷的微小液滴；

41、s3:同时启动冷凝机构，将电离处理后的带电荷微小液滴进行冷凝处理，进一步凝成大水滴，将未荷电成功的气态水蒸气冷凝成液态析出；

42、s4：经过过滤和冷凝后的干冷空气经过折流板，流向翅片冷凝器进行散热，最后流出装置外。

43、s5：冷凝后的大水滴通过重力作用滴落至收集容器内，通过收集容器进行收集，实现取水。

44、进一步的，将所述电晕放电增强冷凝空气取水方法和表面改性方法相结合，实现利用电晕放电和表面改性协同作用的增强冷凝空气取水。

45、与现有技术相比，本发明的优势之处在于：

46、1、本发明通过多级排列的针-筒电极构型，巧妙地将电晕放电技术和冷凝技术相结合，使得气体既能受到电晕放电增强作用，也能通过冷凝作用而降低温度至露点温度，运行安全稳定，整体结构紧凑灵活。

47、2、本发明通过电晕增强冷凝空气取水方法，使得水蒸气聚核成型，形成带电荷液滴，形成“离子风”，同时使得中性水蒸气向带电粒子漂移所降低的化学势能转换为电极化势能储存在液滴中，降低的化学势会降低液滴的热容，即在冷凝板提供相同冷凝能耗下，可以使更多水蒸气得到冷却。

48、3、本发明装置能根据需求，灵活工作在高取水速率或低能耗模式，结构紧凑无过多的运动部件，从而在使用方面更方便携带，可随人或者交通工具随时转移，能够大规模量产；既能用于海岛、船舶等湿度较高的环境，还能满足应急状态或偏远地区工作生活的用水需求，如野外科考、营地哨所、野战部队等。