一种水蒸发速率在线测定系统的制作方法

1.本实用新型涉及光热利用、水蒸发技术领域，尤其涉及一种水蒸发速率在线测定系统。


背景技术：

2.淡水资源短缺制约着经济发展和社会进步，是人类面临的全球性难题，利用太阳能驱动水蒸发是一种可持续、绿色环保的资源利用方式，能实现海水淡化、重金属污水处理，已受到越来越广泛的重视。
3.通常，在太阳能驱动的蒸发系统中，太阳能被太阳能吸收器(光热材料)吸收并转化为热能，用于加热液态水以产生蒸汽。太阳能蒸汽发生系统可分成两类，第一类是体积系统，其中光热材料分散在工作流体中，由于对不参与蒸发的液体部分进行了加热，容易产生热损失，导致效率相对低下。第二类是界面系统，其中光热材料悬浮于工作流体表面，具有较高的蒸发效率，大大提高了能源利用率，减少了不必要的热损失，另外，浮在水面上的光热材料具有低成本、可回收特性、可以大面积使用的特点，展现出了极高的应用潜力，因此浮动式水蒸发方案逐渐成为研究重点。
4.针对水蒸发速率的检测，公布号cn104406884a和cn210322664u的专利申请公开的水分蒸发速率测试仪，均主要是用于测试纺织品吸湿速干性能。
5.现有技术中对材料水蒸发速率的测定均是用于测试纺织品吸湿速干性能，同时依靠人工完成，耗费人力，影响材料水蒸发速率测试结果的准确性。同时现有测量技术方法易受多种因素如光照强度、温度湿度、风速等条件影响，不能准确测定材料水蒸发速率，无法实现定量分析。


技术实现要素：

6.本实用新型提供了一种水蒸发速率在线测定系统，使水蒸发装置工作于恒温恒湿测量室中，利用实时动态图像采集、重量采集分析相结合的系统，实现自动、快速、同步、高效的材料吸水蒸发过程在线监测，该系统可用于测定材料在一定光照强度下的蒸发速率，为光热转换性能研究提供综合可靠依据。
7.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.一种水蒸发速率在线测定系统，包括测量室、位于测量室内部的水蒸发装置、数据采集装置、均风装置、以及位于测量室外部的送风装置和信号处理器；
9.所述的测量室为中空腔室结构，在测量室的顶部设有水平的送风管道，所述的送风装置安装在送风管道的进风口，均风装置安装在送风管道的出风口，测量室的侧壁底部设有排风管道；
10.所述的水蒸发装置包括盛水容器、以及依次叠放在盛水容器开口上的隔热层、亲水多孔材料层和光热转换材料层，所述的光热转换材料层连接有浸入盛水容器液体中的条状吸水棉芯，构成水分运输通道；所述的盛水容器通过隔热罩保温，盛水容器放置在一个电
子分析天平上；
11.所述的数据采集装置包括安装在水蒸发装置一侧支架上的ccd相机和红外热像仪、安装在水蒸发装置上方支架上的太阳光模拟器、以及安装在水蒸发装置另一侧支架上的光度计、背景光源和背景板；所述支架的高度能够调节；所述的ccd相机、红外热像仪和光度计与信号处理器连接。
12.优选的，所述的隔热罩顶部开孔，电子分析天平位于隔热罩内，盛水容器顶部伸出隔热罩顶部的开孔且在开孔处密封。
13.优选的，所述的隔热罩内设有温湿度控制器，盛水容器内设有液体温度传感器。
14.优选的，所述的ccd相机和背景光源处于同一水平线上，两者分别位于盛水容器的两侧，且背景光源位于盛水容器和背景板之间。
15.优选的，所述的背景板为黑色塑料板。
16.优选的，所述的亲水多孔材料层与隔热层的中心各设有一个相通的通孔，条状吸水棉芯穿过通孔伸入盛水容器中的液体内。
17.优选的，所述的光热转换材料层采用碳基纳米材料、金属纳米颗粒或半导体纳米材料，所述亲水多孔材料层为滤纸或棉布，所述隔热层为聚乙烯泡沫。
18.优选的，所述的太阳光模拟器采用带滤光片的300w氙灯，悬挂在光热转换材料层的正上方。
19.优选的，所述的送风装置包括风机、以及与风机出风口依次连通的过滤单元、调温单元和混风单元，所述混风单元的出风口连接测量室的送风管道。
20.优选的，所述的均风装置采用设有通风孔的布风孔板，所述的布风孔板水平安装在送风管道的出风口下方。
21.相较于现有技术，本实用新型有益效果在于：本实用新型可实现自动、快速、同步、高效的材料吸水蒸发过程在线监测，具有水蒸发速率在线测量和蒸发过程在线监测两大功能，结构简单，操作方便，适用性强。该系统在使用时可以控制恒温恒湿的环境，精确调控光照强度等变量，克服了光照强度、质量变化、环境温湿度变化等系统误差对测量结果的影响，确保得到的材料在一定光照强度下的蒸发速率的准确性，可为光热转换性能研究提供综合可靠依据。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例中示出的一种水蒸发速率在线测定系统的结构示意图；
23.图中：1-光热转换材料层；2-亲水多孔材料层；3-隔热层；4-液体温度传感器；5-条状吸水棉芯；6-盛水容器；7-电子分析天平；8-隔热罩；9-支架；10-中央处理单元；11-信号处理单元；12-ccd相机；13-红外热像仪；14-太阳光模拟器；15-布风孔板；16-送风管道；17-混风单元；18-调温单元；19-过滤单元；20-风机；21-光度计；22-背景板；23-背景光源；24
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测量室；25-排风管道；26-温湿度控制器。
具体实施方式
24.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面
公开的具体实施例的限制。本实用新型中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本实用新型的保护范围。
25.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
26.光热转换材料的水蒸发速率在线测定是评估浮动式水蒸发系统性能优劣的关键，本实用新型提出的基本原理在于将光热转换材料利用棉芯吸收水分，同时吸收光源热量(模拟太阳能)存储于材料本身，通过热量使水分蒸发。
27.如图1所示，本实施例中的水蒸发速率在线测定系统，包括测量室24、位于测量室内部的水蒸发装置、数据采集装置、均风装置、以及位于测量室外部的送风装置和信号处理器。
28.(一)测量室：其为中空腔室结构，在测量室的顶部设有水平的送风管道16，所述的送风装置安装在送风管道16的进风口，均风装置安装在送风管道16的出风口，测量室的侧壁底部设有排风管道25。
29.(二)送风装置：包括风机20、以及与风机的出风口依次连通的过滤单元19、调温单元 18和混风单元17，所述混风单元17的出风口连接测量室的送风管道16。根据测试的环境温湿度要求，利用调温单元18调节进入新风的温度和湿度。
30.(三)均风装置：采用设有通风孔的布风孔板15实现，所述的布风孔板水平安装在送风管道的出风口下方，通过布风孔板15均匀送风。
31.(四)水蒸发装置：包括盛水容器6、以及依次叠放在盛水容器6开口上的隔热层3、亲水多孔材料层2和光热转换材料层1，所述的光热转换材料层1连接有浸入盛水容器6液体中的条状吸水棉芯5，构成水分运输通道；所述的盛水容器6通过隔热罩8保温，盛水容器6 放置在一个电子分析天平7上。
32.本实施例中，水蒸发装置中位于盛水容器6上的三层材料：光热转换材料层1、亲水多孔材料层2、隔热层3，可以位于盛水容器6杯口的上方，也可以组合嵌入到盛水容器杯壁内。隔热层3的面积要大于光热转换材料层1和亲水多孔材料层2。在亲水多孔材料层2与隔热层3的中心各设有一个相通的通孔，条状吸水棉芯5穿过通孔伸入盛水容器中的液体内，一端连接光热转换材料层1，一端伸入盛水容器6中液体内，构成水分运输通道，将水源源不断地从所述盛水容器6水体输送到所述光热转换材料层1，实现光热水蒸发。
33.在材料选择方面，光热转换材料层1采用碳基纳米材料、金属纳米颗粒或半导体纳米材料，所述亲水多孔材料层2为滤纸或棉布，所述隔热层3为聚乙烯泡沫。
34.为了保证水蒸发装置处于恒温恒湿环境，将其放置在一个隔热罩内，隔热罩顶部开孔，电子分析天平7位于隔热罩内，盛水容器6顶部伸出隔热罩顶部的开孔且在开孔处密封。隔热罩内设有温湿度控制器26，盛水容器6内设有液体温度传感器4，液体温度传感器可以通过在盛水容器6的开口边缘处设一通孔放入，处于液体高度的一半左右。通过电子分析天平 7测量盛水容器6的质量变化，通过液体温度传感器4测量水温，通过温湿度控制器26控制温湿度。
35.(五)数据采集装置：包括安装在水蒸发装置一侧支架上的ccd相机12和红外热像
仪 13、安装在水蒸发装置上方支架上的太阳光模拟器14、以及安装在水蒸发装置另一侧支架上的光度计21、背景光源23和背景板22；所述支架的高度能够调节；所述的ccd相机12、红外热像仪13和光度计21与信号处理器连接，其中ccd相机12用于记录水分蒸发动态图像，红外热像仪用于记录光热转热层1材料的温度热量变化，所述光度计用于测量光照强度。
36.本实施例中，数据采集装置中的ccd相机用于记录水分蒸发动态图像，背景板和背景光源的设计是为了使得蒸汽更加清晰可见。所述的ccd相机12和背景光源23处于同一水平线上，两者分别位于盛水容器6的两侧，且背景光源23位于盛水容器6和背景板22之间。为了衬托蒸汽，背景板采用深色材料例如黑色塑料板。
37.太阳光模拟器14用于模拟太阳光，可采用带am1.5滤光片的300w氙灯，悬挂在光热转换材料层1的正上方，光照强度由光度计21测量。
38.(六)信号处理器：用于记录测量数据，计算水蒸发速率。如图1所示包括中央处理单元10和信号处理单元11，其中中央处理单元10用于计算水蒸发速率，控制液体温度传感器 4、电子分析天平7、温湿度控制器26、背景光源23和光度计21的输出输入信号。信号处理单元11控制ccd相机12、红外热像仪13和太阳光模拟器14的输出输入信号，以及处理水蒸发过程中采集的动态图像。
39.本实用新型中，所述送风装置和均风装置用于维持测量室内处于适宜的温度和湿度，太阳光模拟器14用于模拟太阳光照，所述盛水容器6内水体通过条状吸水棉芯5输送到光热转换材料层1，在光照下进行水蒸发；通过电子分析天平7记录的质量变化则为光热转换材料层1表面的蒸发量，电子分析天平精度为0.001g。在测量时可控制隔热罩8内环境温度为23
ꢀ±
0.5℃和相对湿度为55
±
5％，电子分析天平测量的实时数据传输给中央处理系统，并记录测量时间。ccd相机12、红外热像仪13、光度计21和背景光源23均可在支架上实现高度调节，ccd相机12和红外热像仪13分别与信号处理单元11连接进行信号交流，光度计21 和背景光源23分别与中央处理单元10连接进行信号交流，由ccd相机12记录水蒸发装置液面变化及水分蒸发动态图像，红外热像仪13记录所述光热转换材料层在恒定太阳能光照下的温度热量变化。
40.上述装置的具体实施方法为：
41.一、环境准备阶段：
42.通过调节温湿度控制器26，控制隔热罩8内环境温度23
±
0.5℃和相对湿度55
±
5％，使水蒸发装置水体部分工作在恒温恒湿状态。打开背景光源23并进行调节使其垂直与背景板 22。调整ccd相机12视野范围，使整个水蒸发装置能够清晰显示与ccd相机12的视野中，调节ccd相机12垂直高度，与背景光源23处于同一水平高度。
43.启动送风装置，按照实验环境要求，新风(或空气)经过风机20吸入，经过滤单元19 去除杂质，利用调温单元18控制进风温度，进入混风单元17预混合，布风孔板15进行均风。风经过水蒸发装置后从排风管道排出。
44.设置太阳光模拟器14为一定光照强度，数值由光度计21获取。将光热转换材料层1、亲水多孔材料层2和隔热层3组合嵌套，切割成固定形状和大小的圆形片状结构，盛水容器 6内壁与隔热层3均匀接触，以阻止热量散失，使热量集中在空气-水界面，实现在光热转换材料局部高效加热，达到提高水蒸发速率的目的。
45.调节中央处理单元10和信号处理单元11，所有传感器信号正常，且数据满足测试
条件稳定15分钟后，开始进入测试实施阶段。
46.二、测试实施阶段：
47.开启ccd相机12、红外热像仪13与中央处理单元10的图像记录软件，设置ccd相机和红外热像仪的图像采集参数，进入图像主动采集状态，记录一定光照条件下盛水容器6液面变化及水分蒸发动态图像和光热转换层材料1上温度热量变化。通过电子分析天平质量记录软件预设的采样频率和时间记录盛水容器6的质量变化。控制温湿度控制器26维持隔热罩 8内环境温度23
±
0.5℃和相对湿度55
±
5％。中央处理单元和信号采集单元在达到预定时间后会自动停止图像采集和重量记录，所有采集实时数据存储在指定的文件夹内。单次测试完成后，关闭送风装置、中央处理单元、信号处理单元和ccd相机，准备进入下一次测试。
48.三、数据处理阶段：
49.蒸发质量变化由电子分析天平按一定频率进行采集并记录，可以获得水蒸发装置的质量随时间的变化情况，根据电子分析天平上的总质量损失推算出水蒸发速率(v)和太阳能蒸发效率(η)：
[0050][0051]
η＝(m*h
lv
)/(c
opt
*p0)
[0052]
其中，m为蒸发质量，t为蒸发时间，s为蒸发面积，v为净蒸发速率，单位为kg
·
m-2
·
h-1
； h
lv
为水从液体到蒸汽的相变总焓2575kj/kg，p0表示标准太阳光强度(1kw.m-2
)，c
opt
为光学聚焦倍数。
[0053]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。