微型空气取水装置热力学及微结构冷凝特性研究

论文摘要

对于野外探险、科学考察和单兵作战等场合,清洁的淡水资源是保证生命安全的必备条件,因此便携式取水装置成为应急取水的一种重要方式。大气中蕴含丰富的淡水资源,如何从大气中提取水成为目前研究的热门课题。从空气中提取水分的方式除了冷却结露技术,还有依靠特殊材料吸湿特性的解吸附技术和收集雾滴的集雾取水技术。但上述空气取水技术都存在限制其快速发展的棘手问题,如吸附技术材料吸附效率的问题,集雾技术推广的地域限制问题等。本文针对限制冷却结露技术发展的冷凝效率问题展开研究,通过参考仿生结构提出了具有不同结构类型的微结构冷凝表面及空气取水方案。本文通过运用过多孔介质的分子扩散、毛细管扩散和对流三种物质运输机制对取水装置中发生的蒸发冷凝现象进行数学模拟,建立了吸附材料在解吸附过程中的数学模型,该模型可应用于微结构冷凝表面冷凝特性的仿真研究。本文通过仿真分析,完成了微型空气取水装置结构的优化设计,同时探究了微结构冷凝表面的冷凝特性,分别对具有锯齿形、梯形和矩形冷凝表面的凝结能力强弱进行了判断,并尝试从温度梯度的角度出发做出相应解释。本文完成了微型空气取水装置温度场分布实验,实验结果与热力学仿真结果相符,证明T型导流结构能改善装置内部温度分布,同时说明仿真分析具有合理性和有效性。本文通过两种加工方式完成了微结构冷凝表面的制备,设计出由亲水材质和疏水材质制成的亲-疏水冷凝表面,并阐明了其在制备过程中所应注意的几个问题。同时通过冷凝实验装置对微结构冷凝表面、亲-疏水表面以及复合冷凝表面进行了实验研究,验证了微结构冷凝特性仿真分析的结论,确定亲-疏水方式制备冷凝表面具有可行性,并通过实验证明复合冷凝表面能进一步提高冷凝取水效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题来源及研究目的和意义
•     1.1.1 课题来源
•     1.1.2 研究目的和意义
•   1.2 国内外研究现状及分析
•     1.2.1 空气取水技术的研究现状
•       1.2.1.1 制冷结露法
•       1.2.1.2 吸附解吸附法
•       1.2.1.3 收集雾滴取水法
•     1.2.2 冷凝传热的研究现状
•     1.2.3 仿生结构学的研究现状
•   1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 吸附材料的解吸附数学模型
•   2.1 引言
•   2.2 微型空气取水装置的功能原理
•   2.3 解吸附及传热数学模型
•     2.3.1 多孔介质两相流模型
•     2.3.2 多孔介质液相传递模型
•     2.3.3 多孔介质水蒸气传递模型
•     2.3.4 水蒸气与冷凝表面的传热模型
•   2.4 本章小结
• 第3章 微型空气取水装置及微结构热力学仿真研究
•   3.1 引言
•   3.2 微型空气取水装置的仿真方案设计
•     3.2.1 取水装置仿真结构、参数的确定
•     3.2.2 取水装置结构的优化设计
•   3.3 微结构冷凝表面传热特性仿真研究
•     3.3.1 微结构冷凝表面结构类型
•     3.3.2 微结构冷凝表面冷凝传热的仿真
•   3.4 本章小结
• 第4章 微结构冷凝表面冷凝特性实验研究
•   4.1 引言
•   4.2 微型空气取水装置温度场分布实验
•     4.2.1 取水装置结构的设计与制作
•     4.2.2温度场分布验证实验
•   4.3 冷凝实验装置的设计及微结构冷凝表面的制备
•     4.3.1 冷凝实验装置的设计
•       4.3.1.1 实验箱
•       4.3.1.2 加热模块
•       4.3.1.3 冷却模块
•       4.3.1.4 控制模块
•       4.3.1.5 检测模块
•     4.3.2 微结构冷凝表面的制备
•       4.3.2.1 微结构冷凝表面的制备
•       4.3.2.2 亲-疏水冷凝表面的制备
•   4.4 冷凝表面的冷凝特性实验及结果分析
•     4.4.1 实验过程
•     4.4.2 实验现象及分析
•   4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 翟辉

导师: 李松晶

关键词: 空气取水,冷凝传热,微结构表面,亲疏水

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金项目《气动微流控芯片气压控制微阀的机理及关键技术研究》

分类号: P747

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004400

总页数: 64

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