一种低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置的制作方法

1.本发明涉及小型冷凝装置技术领域，尤其涉及一种低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置。


背景技术：

2.深空探测一直是各国航天活动的热点和重要发展方向，而原位资源利用(isru)技术是支撑未来深空探测活动的核心技术手段。由于水资源在深空探测活动中的作用十分关键，而地面直接补给的成本又过于高昂，地外原位获取和转换利用水资源成为必然趋势。基于月壤等的钻探提取、光热处理、冷凝收集的原位水资源获取方式是地外水资源原位获取的可靠手段。
3.一般认为，凝结的形式分为两种：珠状凝结和膜状凝结。在地面一般常压或高压工程应用中，以膜状凝结为主；在地面环境中针对稀薄水蒸气的强化收集，为了强化成核、液滴移动等过程，则以珠状凝结方案为主，这些方案都与重力的作用息息相关。地外水资源原位冷凝过程面临低气压、微重力影响，其冷凝过程与地面存在显著差异。低压蒸汽的冷凝研究表明，与常压相比，低压凝结有以下几个特征：成核密度降低、液滴生长速度变慢、液滴尺寸分布偏移、界面热阻作用显著、液滴脱落滞后等，以上因素的共同作用下，低压条件下的凝结换热系数与常压相比显著降低。此外，由于珠状凝结中液滴脱离主要依托重力，而微重力下液滴脱离的动力大为减小，难以脱离将会造成液滴脱离尺寸变大、停留时间变长，最终导致凝结恶化。
4.在低压、微重力、低流量的条件下，必须考虑依靠表面张力等机制来实现液体的快速排出，从而强化凝结过程。近年来，针对地外空间的低压微重力环境提出的冷凝装置方案如下。
5.刮膜旋转盘(wfrd)蒸馏组件：nasa开发的循环用水系统vpcar包含一个刮膜旋转盘，在平盘的一侧带有废水蒸发膜，而在另一侧则带有净水冷凝膜，以回收汽化潜热。vpcar中的主要重力效应发生在蒸馏组分中，蒸馏组分设计使液体和水蒸气同时存在。wfrd旋转以提供离心力以控制气液界面，但仍然存在微重力问题。四个插槽在刮水器的整个长度上提供了一个依靠重力稳定的水池，水沿着刮水器向下流到水池中。重力使水沿着刮水器向下运动，并使水位保持水平。
6.此外，用于冷凝其他工质的大型冷凝装置一般由直管组成，与地面工程中的管内冷凝相同。由于冷凝管路复杂，蒸汽一般需要泵或压缩机耗电推动，且需要一定规模的管路散热系统。该类应用不适用于低压、微重力、低流量的地外环境条件。
7.因此，本领域的技术人员致力于提供一种低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，以在低压、微重力以及没有充足电能供应的条件下，实现低压低流量水蒸气的高效冷凝收集。


技术实现要素：

8.有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种水蒸气冷凝收集装置，在低压、微重力以及没有充足电能供应的条件下，实现低压低流量水蒸气的高效冷凝收集。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，包括冷凝腔体、冷凝液收集管、制冷装置，所述冷凝腔体和所述制冷装置为漏斗状，所述冷凝液收集管连接在所述冷凝腔体漏斗状的底部，所述制冷装置套设在所述冷凝腔体的外部，所述冷凝腔体的内锥面沿锥面母线方向设置有沟槽。
10.进一步地，所述冷凝腔体和所述制冷装置的漏斗状的顶部外侧设置有法兰盘，所述冷凝腔体和所述制冷装置通过法兰盘连接。
11.进一步地，所述冷凝液收集管的内壁面设置有曲面槽道，所述冷凝液收集管的曲面槽道与所述冷凝腔体的沟槽一一连接。
12.优选地，所述冷凝腔体的沟槽为半圆锥槽。
13.优选地，所述半圆锥槽的锥角为1
°
～5
°
。
14.进一步地，所述半圆锥槽之间形成翅片状突起，所述突起的边缘处打磨为半圆形。
15.优选地，所述冷凝腔体的锥角为15
°
，所述半圆锥槽的锥角为4
°
，所述突起的厚度为0.4mm。
16.进一步地，所述制冷装置的侧壁上下部位开有两个圆孔。
17.进一步地，所述制冷装置的外壁包裹相变恒温材料。
18.进一步地，所述沟槽还可以是半棱锥槽。
19.本发明至少具有如下有益技术效果：
20.1、本发明提供的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，针对低压、微重力的地外环境特点，利用液膜自驱动方法，基于特征长度梯度实现凝结液体的自发流动，强化低流量地外水资源的高效收集，在不使用机械部件与电能驱动的条件下，可以实现低压低流量水蒸气的高效冷凝收集。
21.2、本发明提供的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，冷凝收集装置的结构可以采用一体化成型，工艺简单，不存在需要高度精密控制的有序微观结构表面。
22.3、本发明提供的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，能够在微重力环境中实现一定冷凝能力，重力越强冷凝能力越好。
23.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
24.图1是本发明的较佳实施例的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置的示意图；
25.图2是本发明的较佳实施例的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置的冷凝面几何结构示意图；
26.图3是本发明的较佳实施例的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置应用于月球原位资源液态水光热提取流程图；
27.图4是本发明的较佳实施例的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置的实物图；
28.图5是本发明的较佳实施例的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置在绝对压力2800pa时冷凝速率与冷源温度的关系。
29.其中，1
‑
冷凝腔体，2
‑
制冷装置，3
‑
冷凝液收集管，4
‑
沟槽。
具体实施方式
30.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
31.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
32.如图1所示，本发明的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，包括冷凝腔体1、制冷装置2、冷凝液收集管3，冷凝腔体1和制冷装置2均为漏斗状，冷凝腔体1和制冷装置2的顶部外侧设置法兰盘，制冷装置2套设在冷凝腔体1的外侧，制冷装置2与冷凝腔体1通过法兰盘连接。冷凝液收集管3设置在冷凝腔体1漏斗状的底部。冷凝腔体1的内锥面沿锥面母线方向设置有周期性排列的沟槽4，沟槽4优选半圆锥槽。以水为工质时的半圆锥槽的锥角范围优选1
°
～5
°
，当为其他工质时，半圆锥槽的锥角具有更宽的参数范围。沟槽4之间形成翅片状突起，突起的边缘处打磨成半圆形。冷凝腔体1和沟槽4的表面均做亲水处理。制冷装置2的壁面上设有两个圆孔，作为制冷装置2的接口，冷凝液在两个圆孔中一进一出。
33.本发明的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，采用高导热金属材料一体加工制成，保证高真空环境中的气密性与冷源能效传递的高效。
34.本发明的基本原理为，针对薄液膜基于表面张力设计超亲水结构三维曲面表面，使不同区域的液膜厚度不同，在冷源附近的区域使液膜最薄但依然保持连续，使得即使在低压低流量条件下，能够保持一定的冷凝能力；且冷源附近的主要冷凝区域保证液膜不会随上游水蒸气供给情况波动而显著变化，进而强化膜状凝结。针对地外微重力条件设计的半圆锥槽结构，使得凝结过程中液膜形状在槽内呈规律性梯度分布，自发产生驱动力，推动液膜定向输运，到达冷凝液收集管。在该过程中，即使没有重力存在，自驱动力也能够推动冷凝液输运，若存在一定重力，则重力的驱动效果将与自驱动力叠加，实现更优的效果。
35.如图2所示，为了使有效冷凝面积最大化，半圆锥槽在冷凝面上紧密排列，半圆锥槽的锥角与整个冷凝面的漏斗锥角相关。基于月球表面重力设计的漏斗锥角约15
°
，对应的半圆锥槽的锥角约4
°
，在半圆锥槽之间保留约0.4mm厚的翅片状突起，保证半圆锥槽结构的完整性的同时强化整个冷凝面的传热。
36.为降低流动阻力，冷凝液收集管3的内壁面设置有曲面槽道，曲面槽道与沟槽4一一连接，使得凝结液能以最低阻力输运到冷凝收集装置底端。在整个凝结过程中，能够保持冷凝腔体1为整个原位资源取水系统中的压力最低点，同时其阻力极低，使得不需要额外泵功即可驱动水蒸气、液态水的流动。
37.如图3所示，本发明的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，在原位资源取水系统中，钻取机构捕获一定量的含水(冰)月壤，进而通过聚焦的太阳光加热使水蒸发，水蒸气输送到本发明的冷凝收集装置内。水蒸气在冷凝腔体内从气态转化为液态后，流入储水罐中，
或供给下游二次使用。在冷凝收集装置的外侧还可以包裹一层相变恒温材料，增强散热的效果。
38.如图4所示为本发明的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置的一个实物图，图中所示结构由6061铝合金机加工获得。漏斗状冷凝面上沿锥面母线均匀分布了24个半圆锥槽，半圆锥槽之间形成0.4mm厚的翅片状突起，半圆锥槽在过渡到冷凝液收集管时保持槽的结构圆滑过渡直至冷凝装置底端。漏斗状冷凝面的锥角约为60
°
，半圆锥槽的锥角约为3.8
°
。
39.在冷凝收集装置的运行工作工程中，水蒸进入冷凝腔体内，在冷凝表面发生凝集，凝结液沿沟槽进入冷凝液收集管，最终进入下游装置。制冷装置附着在漏斗状冷凝表面的外侧，工作时制冷液在制冷装置内循环，将热量带出。如图5所示，在一个典型的工况中，可以实现的冷凝能力达到70g/h以上，能够满足原位水资源的取水需求。
40.在本发明的其他实施例中，沟槽4还可以是其他截面形状，如半棱锥槽，半棱锥槽又可以分为v型槽和方形槽等。
41.本发明提供的低压微重力水蒸气强化冷凝收集装置，针对低压、微重力的地外环境特点，利用液膜自驱动方法，基于特征长度梯度实现凝结液体的自发流动，强化低流量地外水资源的高效收集，在不使用机械部件与电能驱动的条件下，即可以实现低压低流量水蒸气的高效冷凝收集。装置结构采用一体化成型，工艺简单，不存在需要高度精密控制的有序微观结构表面。
42.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。