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高中女生研究“空气中取水”
2014-04-11 09:37:09   作者:许晖    点击:

  温室内湿度过高对植物生长有不利影响,但现有的除湿装置多数体积大、功耗高、成本较为昂贵,不便于小型温室使用,北京市第一一中学高三年级的施一泓同学设计并制作了一种装置将空气中的水蒸气冷凝成为 ...

 

  温室内湿度过高对植物生长有不利影响,但现有的除湿装置多数体积大、功耗高、成本较为昂贵,不便于小型温室使用,北京市第一一中学高三年级的施一泓同学设计并制作了一种装置将空气中的水蒸气冷凝成为液态水,既达到温室降湿的目的,还补充了灌溉用水,实现了水资源的回收再利用。她的论文《新型管道循环半导体制冷凝水装置的研制》获得北京市青少年科技创新竞赛一等奖、第41届日内瓦国际发明展金奖,在刚刚结束的第十三届明天小小科学家奖励活动终评活动中获得一等奖。

  我的发现:

  温室凝水对植物有害

  从小喜欢刨根问底的我,一踏进一一中学就参加了学校的科研小组,在学校温室大棚学习时发现,冬季温室的玻璃壁上常常有凝水,物理学知识告诉我,这样的滴水是由于温室内湿度过高,水蒸气遇冷凝结成液态水造成的,这样的滴水对植物生长有什么影响呢,通过询问老师和查阅资料,我了解到,温室滴水引起的植物叶面沾湿会导致多种植物病害,温室内湿度过高也对各种植物的生长发育不利。

  这种温室滴水就没有一点儿好处吗?我思考起了这个问题,这些对植物不利的“高湿”水蒸气来源于空气,其实也是一种水资源。如果能够回收利用这部分水,将有害的“废物”转换成我们可以利用的水资源,同时达到对温室除湿的效果,这不是一举两得吗,因此我想可以研制一种装置,通过冷凝水蒸气来为温室除湿,还能将这部分珍贵的水资源回收利用。

  我的研究:

  设计四种模型做对比

  通过查阅资料,我了解到现有的温室除湿装置体积大,功耗高,成本较为昂贵,安装架设不易,于是我选择了新兴的半导体制冷技术。半导体制冷片分为冷面和热面,通电时,热面发热而冷面温度降低,空气中的水蒸气遇冷凝结成液态水,可以达到回收再利用水资源和温室除湿的效果。与传统除湿装置不同的是,半导体制冷技术体积小,耗能低,成本低。

  研究的第一步是设计凝水器的外形和结构,为了比较各种不同方案的优劣,我先后做了多种结构的设计并一一制造出模型。

  第一种设计是半导体制冷片下直接接漏斗收集冷凝水;第二种设计是在半导体制冷片冷面外接铜制及铝制散冷片,增大凝水面积;第三种设计是在制冷片冷面外接小水箱,水箱接铜制循环管;第四种设计是直接用半导体制冷片对大水箱中的水制冷,水箱外接不锈钢螺纹管,增大凝水面积。经过多次试验、修改、调整、重试、对比之后我发现:第四种设计中用半导体制冷片对水箱中的水制冷,并用水泵使水箱中的水在水箱外接的很长的水管中流动起来,使水管外部各处变冷,从而冷凝水蒸气获得液态水的方法是最好的。

  在决定了设计方案之后,我绘制了设计图,结构图,电路图等,并依照设计购买了制作所需的材料。

  我的制作:

  变身“女汉子”

  解决困难

  制作过程中遇到了许多困难,走了不少回头路,总结整个制作过程,共需要四步:一是使用钢锯砂轮及电钻加工角铁,用电钻在每段角铁两端按设计图打孔,用于组装时插入螺钉固定。用锉刀及砂纸在角铁表面打磨使之光滑,避免在组装及后续试验中割伤手。按照设计图纸组装加工好的角铁,用螺丝螺母固定,组装成整个装置的外部框架部分。二是将制冷片与肋片型散热铝板紧密黏合,中间涂抹导热硅脂以减少接触热阻,在肋片与水箱不接触处填充隔热性能好的泡沫隔热保温材料以减少热端肋片与冷端水箱间的传热;在肋片开口端外接散热风扇,以螺丝固定,将两制冷片安置于水箱外侧开口,制成半导体制冷箱。三是将两根不锈钢软管两端分别与铜制转接头、不锈钢可插拔转接头相接,再分别与水箱出、入水口,水泵出、入水口相连,用铁丝固定缠绕在支架上,完成循环管道的组装。四是用废旧塑料箱及尺寸与水箱合适的铝板做成便于收集冷凝水且不易蒸发的冷凝水收集箱。

  制作过程说起来不太复杂,然而在实际操作过程中我却发现,要把设计好的图纸制作成成品并不那么容易,在半导体制冷片与循环水箱的连接上我就碰到了困难,如果在水箱上挖孔将半导体制冷片镶嵌进去,挖孔精度很难掌握,一旦不能紧密贴合就会造成漏水;如果将半导体制冷片直接黏合在水箱外部,又会因为水箱外壳的传热效果不佳而损失制冷效率,同时因为我使用的黏合剂硅脂是一种导热性极佳而黏性较差的材料,半导体制冷片很难与水箱固定连接好。这个困难着实让我狼狈了一阵,那段时间的我变成了操钳使锯的女汉子,最终经过许多次的修改和尝试才找到了最好的办法将两部分顺利连接起来。

  我的挫折:

  冷凝装置没有一滴凝水

  解决完第一步后,后续的进展也困难重重,精心设计好并制作出的装置拿到温室去试用时却因为制冷效果不好而没有一滴凝水,完全达不到预期的效果。当看到用来收集冷凝水的水管中连一滴水都没有时,我怀疑起了自己项目原理的可行性,那一瞬间我真的想放弃了。那天我垂头丧气地回到家,一头倒在床上,泪水从眼眶里涌出来,“科研”、“发明”、“困难”、“放弃”这些字眼在我脑中蹦来跳去,我第一次感到了科学研究的艰辛和不易。

  在一段时间的混沌挣扎后,我渐渐地理清思绪,学着从另一个方向去看问题。我注意到了身边的饮水机,饮水机和我的凝水器一样也是通过半导体制冷片工作的,既然它能够把水制冷到我们常喝的冰水的温度,那么这个原理就一定是可行的。于是我参考查阅了许多关于饮水机原理和技术参数的资料,摸索着将它们融合到自己的设计中来。一个多月的努力过后,当我再一次将新做的凝水器拿到温室中运行时,我欣喜地看到了水管上一滴滴晶亮的水珠,亦体会到了通过自己的思考和努力解决问题后的快乐。

  我的验证:

  24小时可凝水363毫升

  制作完成后,我对装置进行了测试:静态测试显示该装置功耗为108瓦,之后进行了实际温室凝水效果测试,测试数据说明,该装置在实际温室中运行可获得凝水,凝水量随环境温湿度值不同而改变,当空气温度为16℃,相对湿度为84.6%时,24小时可获得363毫升冷凝水,大概能装多半个矿泉水瓶,凝水效率为每小时15毫升。

  为了精确控制不同环境要素,进行短时间稳定温湿度实验测试,我决定进行模拟温室凝水效果测试实验,我在密闭恒温恒湿模拟温室中进行了28组不同温湿度条件下对比及重复试验,得到了一系列测试结果。然后对其进行分析,发现环境变量中,“加湿方式”及“实验持续时间”这两个指标均对凝水效率无明显影响。因此我假设“水汽压”是凝水效率的唯一影响因素,以“水汽压”为自变量,“凝水效率”为因变量绘制散点图,拟合出了数学模型。这个函数图像是一条平滑的多项式三次曲线,凝水效率随水汽压的增长而增长,在水汽压约为38百帕处达最大值。

  为了继续增大装置的凝水效率,我将装置3米循环水管改装为5米管,测试发现相同水汽压条件下,5米管装置凝水效率明显高于3米管装置,说明适当增大凝水表面积可以提高凝水效率。

  为了提高装置的适用性,我还进行了供能装置测试,证明本装置不仅可以接交流电源使用,还可以接太阳能板、铅蓄电池、车载电源等使用,应用范围广。

  我的结论:

  可用于海洋作业淡水获取

  通过半年多时间的努力,我制作出了可以方便增加凝水面积,便携的新型管道循环式半导体制冷凝水装置,对装置进行了实地测试,对测试结果进行了分析并拟合出了数学模型。

  该装置创新地结合了半导体制冷技术和管道循环水设计,体积仅0.11平方米,功耗108瓦,成本约325元,凝水效果较好,3米管装置在平均空气温度为26.9℃、相对湿度为90%、体积约11平方米的模拟温室内,24小时最大凝水量为560毫升,凝水效率为每小时23.3毫升,在不同环境温室中可安装多台以适应不同凝水需要。这种装置不仅可以应用于小型温室的除湿,还可以用于干旱地区水资源循环利用、海岛或海洋作业时获取淡水等方面。

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