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空气中水汽液化的一种设备及其原理

已有 605 次阅读 2019-5-16 22:11 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 水汽, 液化, 设备, 原理, 生水

空气中水汽液化的一种设备及其原理

几年前在老家盖了几间简易房,屋顶是铁皮泡沫板的。自从盖了这个房子,经常出现这种情况:早晨起来就看见院子里面好多水,而且从铁皮屋顶滴滴答答地往下滴水,有时候多,有时候少,多的时候一桶水40多斤是有。一年四季都出现,除过大风天气。我就奇怪了,为啥瓦做的屋顶不往下滴水呢?

这个实例发生在我的身边,其实相当于做了一个空气中的水汽液化试验,试验是很有意义的。我这130平米的铁皮每天可以产生20公斤水,每平方会产生150克水,其数量也是不少的。何况我这里只是半湿润地区,每年的降雨量只有700毫米左右,空气中的水汽并不多。但是这个观测结果也大大地激励我继续琢磨空气中水汽液化技术。

据说,世界上所有水汽从蒸发到形成降雨一个循环仅仅需要八天时间,全球的平均水汽更新频率44.385/a全球水汽总量高达13×1012m3,这么多水汽平均在地球的单位面积上有多少呢?球的表面积公式是S=4πR2,地球半径是6378.14公里,地球表面积大约是5.113×108 平方公里,那么平均每平方公里上空每天有水汽多达3100吨水,平均每平方米上空就有3.1公斤水汽。就算是很干旱的沙漠地区,其空气的相对湿度一般也在30%上下,所以,实际上空中水汽是及其丰富,而且是源源不断,永不枯竭的。因此,如果有很好的液化技术,那么我国三北地区的干旱状况就有可能缓解。

要液化空中水汽,那么空气中必须有水汽,在空气中水汽比较多的情况下,只要达到了水汽饱和状态,就有水产生。一般情况下,水汽饱和就会下雨,而在不下雨的时候水汽都不会饱和。所以在晴朗的天气条件下要从空中取水必须让水汽达到饱和。而饱和的最重要也是唯一的一个办法就是根据饱和水汽压曲线降温。所以,空中水汽液化生水的一个根本办法是降低温度,另外伴随着温度的变化,改变空气密度也可以产生水。围绕着这个基本原理,我们来寻找液化水的办法:

第一,辐射降温法:

其实,夏季秋季早晨产生露水,冬季产生霜都是辐射降温,产生水平降雨的现象。太阳每天都向地球表面输送辐射,这些辐射在遇见物质的时候会产生热量,辐射能变成了热能,地球表面和近地层的温度升高。但是地球表面和近地层的空气和尘埃并不是只吸收热量,而是一边吸收热量,一边辐射热量,它们把吸收的太阳光转化为红外线再辐射出去。由于太阳辐射只能沿着直线进行。所以,太阳辐射的增温效应只能在白天有效,晚上没有太阳辐射增温,只有地球表面热辐射减温,有相当一部分热量辐射到太空中,所以白天黑夜的循环过程实际上就是白天太阳辐射增温和地球表面减温的综合体,晚上则是地球表面向外的净辐射,是一个减温过程。所以,实际上,夜晚的黎明前最冷。也恰恰是这个时候是液化空中水汽最有利的时候。

自然界的这种辐射生热现象由黑体辐射定律来定量计算。称之为普朗克黑体辐射定律,也简称作普朗克定律或黑体辐射定律,辐射定律告诉我们,辐射的辐射率(物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力)与2倍的普朗克常数成正比,与光速成正比,与波长的五次方成反比例,与自然常数e的(光速和普朗克常数除以玻尔兹曼常数再除以波长再除以温度)次方减去1的倒数成正比其实这个公式揭示的规律是:温度越高,辐射波长越小,辐射效率越高;温度越低辐射波长越大,辐射效率越低。

另外还有一个斯忒藩-玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmann law),它揭示出表面单位面积在单位时间内辐射出的各种波长电磁波的总能量斯忒藩-玻尔兹曼常数成正比,与物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值成正比,与物体的绝对温度T的四次方成正比。根据这个定律,地球表面的温度越高,辐射能力越强,辐射能损失越快,温度下降速度越快。

根据以上定律,对于大地来说,一天的辐射规律如下:早晨,太阳没有升起之前,是一天中土壤温度最低的时候,此时的大地辐射主要是红外线形式,此时的红外线波长比较长,辐射效率较低,空中水汽接受红外辐射的能力最小,因此此时是露水霜形成最多的时候;太阳升起之后,照耀大地,热辐射急剧增加,大地温度上升较快,大地辐射的波长减小,辐射效率也同步增加;到了中午十二点,太阳辐射强度最大,太阳辐射和大地辐射的差值最大,大地继续升温,到了下午三四点以后,太阳偏西,辐射强度减小,此时大地温度最高,大地辐射最强,波长较短,此时最容易辐射伤人,此时太阳辐射和大地辐射的差值变为零,大地温度开始下降;到了太阳落山以后,太阳辐射变为零,全部变为大地辐射,但是此时的大地温度依然较高,大地辐射到天空,水汽吸收的辐射热依然较多,水汽不容易液化;如果是夏季,则人在热辐射下会比较焦躁。从太阳落山到黎明,由于是净大地辐射,所以大地温度持续下降,在夏季白天温度和晚上温度的差距会超过20摄氏度。由于夏季空气中的水汽比较多,绝对湿度比较大,在温度降低到露点以后,大地上开始生成露水,形成水平降雨。实际上,在半干旱半湿润地区,经常几个月不下雨,但是植物生长依然旺盛就是这个原因,俗话说“山有多高水有多高”也是这个原因。

因此,我们就可以利用辐射降温,昼夜温差产生降雨。而我们要做的就是让温度降得更低,这一点如何做到呢?

辐射定律告诉我们一个降温生水的方法:遮阴法。具体有两种方法,第一种就是按照太阳走过的轨迹线,在其垂直方向上竖向放置遮荫物,例如铁皮。这样,当太阳照射的时候,由于和铁皮的面基本垂直,所以铁皮的前后就形成了阳面和阴面,阳面接受阳光照射升温,阴面不接受太阳直射、只接受大气逆辐射升温缓慢;但是,由于铁皮垂直于地面,其阳面和阴面的自身热辐射环境一样,都是面向太空九十度,因此铁皮的阳面温度高,阴面温度低,到了夜晚,阴面更容易降温到更低,而阳面则相对高一些,所以阴面更容易达到水汽饱和。第二种方法是在距离地面一米多的地方水平放置一张铁皮,这样,当太阳辐射的时候,铁皮加热很快,而铁皮下面的地面降温很慢。当夜晚来临的时候,铁皮和地面之间的冷空间容易形成空气对流,让铁皮很快降温(如果周围环境温度高则无效了),同时铁皮会向地面和太空双向辐射热量,因此很容易在铁皮和地面之间形成一个更低温度的小环境,铁皮表面就会达到露点温度,表面形成露水。

第二,物质的热性质

实际上辐射作用在不同的物体上会产生不同的热效应。例如太阳照在金属上,马上会升温;但是照射在水面上,水的升温非常缓慢;照射在土壤上升温则快慢适中。一般来说,比热容大的升温很慢,降温也很慢,比如瓦片,升温降温就比较慢;比热容小的升温很快,降温也很快,铁皮降温升温都很快。另外,有些物体由于导温率很高,整个物体都会发热,但是有些物体导温率很低,只有表面发热,例如土壤沙子的导温率很低,表面上很热,但是在表层下面依然清凉。有些物体的导热系数很高,有些物体导热系数很低,导热系数由傅立叶定律来界定。一般金属的导热系数高,例如彤铝银的导热系数高达377、412、230,玻璃软木锯末橡胶云母的导热系数不到1。

由于物体的辐射降温增温都发生的物体的表面,而物体内部的增温降温都是通过热量的传导,所以要增加降温效率,必须关注物体的导温率、导热系数和比热容。一般,比热容大的物体在被太阳辐射以后增温缓慢,太阳落山以后降温也缓慢,那么这种物体表面的温度很难达到露点,所以它的表面就不会生成露水。相反,金属类物体比热容小,但是导温率高,导热系数也高,这种物体遇见了太阳光升温快,根据斯忒藩-玻尔兹曼定律,升温快的物体实际上热辐射能力更强,所以金属物体内部不能储存热能,白天温度升高很快,升高后热辐射能力大大增强,在白天的傍晚时分就已经把白天吸收的热能损失殆尽,到了晚上降温就更加迅速。和土壤相比较其保温能力非常差,夜晚的温度要比土壤低很多。例如铁做成屋面板,它的夜晚温度就比土壤做的瓦片温度低好多,在铁片做的屋面板周围十公分的空间内形成一层低温层,正是这个低温层附近的水汽最容易达到饱和,然后水汽就会凝结在屋面板上。这种情况就是我的老家每天都有露水雨形成的原因。当然,老家的土瓦上面没有露水雨。

正是利用这个原理,我们可以在华北平原、云贵高原、东北平原等等水汽较为充分的地区,在屋面、空地、大棚、大田等等地方可以多放置导温率高,导热系数高而比热容小的物体生水,例如铁皮、石墨、石头片等。实际上,以上定律解决了生水设备使用什么材料的问题,还不能解决怎么做的问题。

第三,空气热学原理

空气的热学特点是比热容很小,导温率很差,导热系数很小。所以,实际上空气是很好的保温材料。但是实际上空气的气温日变化和年变化都很大,这并不是因为它的热学特性,而是因为它的流动性和压缩性能,空气是最容易膨胀和压缩的物质,而膨胀和压缩都有热的变化。静止态的空气的温度、压强、体积之间有特定的关系,这个关系由克拉伯龙方程决定,气体压强和体积的乘积等于该体积内的摩尔数和温度和气体常数的乘积。pV=nRTP表示压强,单位Pa;V表示气体体积,单位立方米;n表示物质的量,单位mol;T表示热力学温度,单位K(开尔文);R表示气体常数,R=8.314帕米3/摩尔。虽然这个方程是在理想状态下的方程,但是在现实中经过简单的修正也可以应用。这个方程揭示出这样一个规律,当一定摩尔的空气,其压力和体积发生变化的时候,其温度会相应改变。对于空气中水汽来说,只要温度降低,达到了饱和水汽压状态就能够生水,所以我们不需要通过加热和降温来生水,而是通过改变空气的压强和体积就可以生水。那么,如何改变压强和体积呢?

空气上还有一个定律叫伯努利方程,伯努利原理往往被表述为p+1/2ρv2+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。它也可以被表述为p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2。伯努利方程虽然适用于稳定、非黏性、不可压缩的流体,但是实际上也近似地适用于空气。该方程揭示了这样一个规律,当流体的速度发生改变的时候,其压力和密度随之改变。速度越大,压力越小。

在伯努利方程方程中出现了空气密度,但是克拉伯龙方程中似乎没有空气密度,实际上不是这样的,克拉伯龙方程经过简单的演算就会出现空气密度,摩尔数实际上就是物质的质量除以其摩尔质量的结果,而物体的质量除以等式左面的体积就是空气密度,所以,克拉伯龙方程经过替换参数后的形式是:空气压强P就等于空气密度ρ乘以温度T,再乘以气体常数R,再除以摩尔质量M,P=ρTR/M。其中气体常数和摩尔质量都是常数,所以克拉伯龙方程的另外一个形式是,空气压强和空气密度成正比和空气温度成正比,当压强一定的时候,空气温度和空气密度成反比。由于空气密度和温度成反比,所以很明显,当空气膨胀的时候温度下降,当空气压缩的时候温度上涨。我们要从空气中得到液态水,就必须想办法膨胀空气,我们要导出空气中的热能,就必须想办法压缩空气。

从克拉伯龙方程知道,只要空气出现膨胀和压缩就能够改变空气温度,只要改变空气的压强就能够改变空气的温度和密度。从伯努利方程知道只要空气流动就能够改变空气的压强,同时流动空气的密度是变化的,所以只要让空气流动起来就能够改变空气密度和温度,让空气中的水汽液化。那么如何让空气流动呢?一个,自然界的风是经常能够遇见的,风中的水汽自然可以液化凝结,而要人为让空气流动只要有温度差就可以。自然界中太阳辐射产生热,有的地方被照射温度升高,有的地方没有被照射温度较低,这样自然界自身会产生气压差,这个气压差就会产生风。通常冬天房子内部温度高,房子外面温度低,外面气压高于房子里面,形成的风向房子里面吹,冷风嗖嗖。而夏季,房子里面温度低,外面温度高,形成由房子里面吹向房子外面的微风。同样,一个湖泊、一片森林也会形成早晚和冬夏不同风向的风。但是这种风不足以液化水汽。有人发明了一种空调,让风从很多的窄小的孔口穿过,当风穿过的时候,速度增大,压强减小,温度减小,多余的热量被孔口吸收辐射,或者说当风从孔口穿过的时候,空气气压、空气密度都发生了变化,因此温度也发生了变化,当温度变化的时候,空气中水汽的相对湿度发生相应变化,当达到饱和的时候就会液化。

因此我们也可以利用这种原理设计一种生水装置。例如,用铁皮做成大的球状体,在铁皮球上开一定数量的孔,那么这个铁皮球里面的环境就和外面的大不相同,首先,由于它是中空的,太阳辐射不能直接晒进铁皮里面,所以铁皮内部不接受直接太阳辐射,其内部升温相比而言较慢;大部分辐射能被铁皮表面吸收发热,铁皮表面升温很快,根据斯忒藩-玻尔兹曼定律,铁皮自身产生的辐射大大增加,因此铁皮球并不储存能量,到了下午它很快会降温,晚上成为铁皮球净辐射,降温更快。此时球内和球外出现很大的温差,因此出现空气流动,当外界空气进入铁皮球孔口里面的时候,空气一会儿压缩、一会儿膨胀,出现明显的乱流,根据伯努利方程,此时空气密度和压强发生显著波动,根据克拉伯龙方程,空气密度和压强发生变化的时候温度也发生变化,在挤压的时候温度升高,空气温度传递到铁皮上面,由于铁皮比热容小,导温率高,辐射能力强,因此热量很快辐射到太空,因此球内温度就明显低于外界温度,因此空气中水汽达到饱和,并且以铁皮作为凝聚核液化成为水,因此空心铁皮是一个很好的液化器。

克拉伯龙方程和伯努利方程告诉我们的液化水汽的方法可以成为“孔口法”。只要在孔口的一侧形成高压,另一侧具有低压,当空气从高压区穿到低压区的时候都会在孔口附近产生挤压,形成更高的压力,然后温度增高,把多余的温度传导到介质上(例如铁皮),铁皮经过辐射和传导把热量扩散,而在通过孔口之后,气压突然变小,密度降低,气温也随之降低,从而达到水汽饱和的露点温度,水汽液化。

第四,尖端放热原理(表面积和体积比例原理)

自然界有一种现象,例如在加热钢铁的时候,尖端最容易发红融化,在触电的时候,尖端部分最容易凝聚电荷,最容易带电。还有,一个树上的雾凇总是在树枝上有最多的冰块,这是什么原因呢?这其实是因为不同形状物体的体积和表面积的比例不同造成的。一个物体内部储存的热量与它的体积有关,成正比;但是,辐射的效率却只与物体的表面积有关,表面积越大,辐射越快,因为辐射只发生在物体表面,所以相同的热量,表面积比相对体积其比例越大热辐射越快,越容易冷却。现在我们来计算一下不同形状物体的体积表面积比例。假如正方形的长度为a,球形的半径为r,圆柱形的长度l半径r,圆锥形的高度l底面半径r。那么正方形体积为a*a*a,表面积为6*a*a,其比例为6/a;球形的体积是π*r*r*r*4/3,表面积是4*π*r*r,球体的表面积和体积比例是3/r,圆柱形的体积是π*r*r*l,其表面积是(2*π*r*r+2*π*r*l),圆柱形的表面积和体积比例是2*(r+l)/(r*l),圆锥形的体积公式是π*r*r*h/3,圆锥的表面积是(π*r*r+2*π*r*l),圆锥的表面积和体积比例是3*(r+2*l)/(r*l)。从上面的计算知道,球体的表面积和体积比例总是3/r,球体越小,比例越大;正方体的表面积和体积比例总是6/a,正方形越小,比例越大;圆柱体、圆锥体的表面积与其底面半径和长度都有关系,无论是底面半径还是长度,无论哪个变得很小,其比值都会变得很大。所以从以上的表面积和体积的所有公式都可以得出一个结论:无论哪一种物体,只要物体很小,其表面积和体积的比例就越大,越容易散热和吸热。所以,尖端放热,尖端放电的实质就是其尖端很尖,表面积和体积的比例变得很大。所以,树枝的散热效果远远高于树干,树叶的散热效果也高于树干,雾凇常常出现在树冠上;冬季电线上容易结冰,而电杆上不容易结冰;

假如r,a,l都是10,那么表面积和体积比例分别是:球体0.3,正方形0.6,圆柱形0.4,圆锥形0.9.可以看出,球体的表面积和体积比例最小,其散热效果最差,球形和正方形比较而言,正方形的散热效果好;圆柱形和圆锥形比较而言,圆锥形的放热效果最好,在所有形状中圆锥形的散热效果最好。所以,这种现象叫尖端放热,因为尖端的物体都是近似圆锥体的。

尖端放热现象告诉我们,要让空气快速的冷却达到露点温度,必须使用数量极多但是很小的尖端物体。例如在铁球上面安装许多长锥刺。物体的热量通过传导到达锥刺,锥刺的热辐射效果最好,因此这个物体就会很快冷却达到露点,可以利用昼夜温差生水。

尖端放热现象也告诉我们,可以使用大量的体积小表面积大的物体生水,例如铁丝网,网丝球。网丝球的放热效果明显,在辐射放热,并且营造局部温度环境中有很好的作用。但是,网丝球却不利于风的形成和气压的变化,所以在开孔的铁球上不适合使用。

综合上面四个原理,我们设计出一种专门用来生水,让空气中水汽快速达到饱和,温度达到露点的装置:用铁皮作为原材料(比热容导温率原理),一个直径超过一米的中空球形(辐射发生在表面,表面积大,内外辐射环境不同),中空的但是中间有多个喇叭形的截面积变化的风洞结构(伯努利方程克拉伯龙方程),球体外面带有锥刺(体积和表面积比增大)。这样一个奇奇怪怪的带刺铁球,就可以放置在水汽通道上生水,这个装置的生水效率应该比单纯的铁皮屋顶好很多。例如,生产那么几万个,就放置在喀喇昆仑山的雪山附近,放置在叶尔羌河上游的河道中。应该有很好的效果,当然,具体的效果还需要通过现场试验来确定。



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