利用空气能提升水头的一项技术

我们虽然提出了海水西调的工程，但是遇到了两个很大的技术难题，一个难题是如此大量的海水如何淡化，另外一个难题是如何用很少的能源把水从东北平原的100多米提升到蒙古高原的接近1440米高度？如果使用抽水机，那么一吨水提升1400米从理论上计算就需要3.8度电，计算公式如下：

1度电=1千瓦·时=1000瓦*3600秒=3600000焦耳=3600000牛*米。

1000kg*9.8N/Kg*1400米=13720000牛*米。两者相除等于3.8度电。

如果计算损耗，那么一吨水提升1400米的高度就超过了4度。有人计算的结果更是高达7度。这样一来成本就很高了。有没有一种办法既能够把水输送到1400米高度，有不会使用那么多的能量呢？根据能量守恒定律是不可能的。但是如果我们输送的不是液态水，而是输送气态水情况会怎么样呢？

我们知道，自然界中热量无处不在。低空和高空具有温度差，而且基本上按照海拔每提高一百米空气温度下降0.65摄氏度的幅度变化。那么假设在炎热的夏季海平面的温度是35摄氏度的话，那么1400米的山顶或者高原的温度就是26摄氏度，实际上可能比这个还低，假设为22摄氏度。那么假定在海平面的饱和水汽的温度是35摄氏度，到达1400米高度以后的温度是26摄氏度。我们知道水汽在不同的温度下，它的饱和水汽压是不同的，在35摄氏度饱和湿度为39.7g/kg，在26摄氏度饱和湿度为24.4g/kg。在22摄氏度饱和湿度为19.5g/kg。也就是说在蒙古高原上会把海平面上一半的水分液化。空气密度1.29kg/m3，所以如果把35摄氏度海平面的0.78立方米的空气在密封条件下移动到1400米高度的蒙古高原，那么它在自然情况下会液化出20g的水。

那么如何在密封条件下把水汽从低处运送到落差一两千米，甚至几千米的高处呢？当然使用管道了。在自然情况下要把水汽从低处运送到高处，借助的自然风力和自然热能，通常情况下不具备三个条件：第一个条件空气中水汽不容易饱和，第二个条件是在上升的过程中容易受到乱流的影响被吹散，不容易到达高处，第三个条件是缺乏上升的动力。

但是如果使用了管道，这个管道的开口在低海拔，而出口在高海拔，那么在管道中就只存在两种方向的层流，要么从高处向低处流动，要么从低处向高处流动，不再是乱流，这样我们就把乱流改造成为层流。在自然情况下，如果仅仅存在这个管道，那么早晚高海拔地区气压大从高向下流动，而在中午炎热的时候从低处向高处流动。为了控制管道内空气的流动方向我们在进气口和出气口安装两个同方向的风扇，方向自然是向高处流动，这样我们就控制了空气流动方向保证了空气从低处流动到高处。

但是目前管道内流动的空气是不是饱和水汽呢？这个还不一定，如果从罗布泊到天山顶部，那肯定是没有水汽的，但是如果从印度到喜马拉雅山，那肯定含有一定的水汽。也就是说我们还必须从技术上保证管道中流动的空气含有大量的水汽。如何做到这一点呢？那就必须采取一定的技术措施。我们知道，水的蒸发受到几个因子的影响，一个是温度，一个是空气水汽压的饱和度，一个是水的蒸发面积。一般情况下，低海拔地区的夏季温度很高，那么水的蒸发很快，这为我们的工程提供了很大的便利，可以利用这一点增加水的蒸发量，为了让蒸发的水汽尽快达到饱和，不受外界的干扰和吹散，那么这个蒸发场地必须是封闭的，为了增加蒸发面积，那么这个蒸发场地的面积应该是很大的。为此，我们设计如下：修建一条长达几公里的蓄水池，蓄水池的宽度是5米，在蓄水池的顶部用塑料薄膜覆盖，让水面接受太阳光。这个其实和蔬菜大棚类似，只不过长度远远长于蔬菜大棚，而且大棚内不是蔬菜，而是水面。这个棚只有一个入口，放空气进来，只有一个出口，这个出口在密封条件下和管道的入口链接。假如这个大棚的长度是2000米，这样就形成一个2000*5=一万平方米的蒸发面积，而且蒸发出来的水汽不会逃逸飘散，只能够在风扇的作用下从低海拔的低处向高海拔的高处吹送。

1个大气压下，不同温度空气的饱和湿度和饱和分气压

(g/kg干空气)

这样我们就设计出了一个空气热能抽水机，抽水机是由一万平方米的蒸发大棚和几千米长的水汽运输管道和水汽动力风机链接组成。现在我们来看看这个设备在运行过程中出现的问题。假定目前是夏季，低处的环境温度是35度，最高处的环境温度是22度，风的吹送速度是5米每秒，管道横截面是10平米。那么每秒钟可以吹送50立方米的水汽。当把水汽从35度的低海拔吹送到22度的高海拔的时候，按照环境温度，每千克空气会把39.7--19.5=20.2克水液化在途中管道中，而把19.5克每立方米留在空气中。按照上表制作表格如下：

从上表可以看出，随着管道内水汽的向上运输，管道内的水是在不断地液化的。抬升到150米的时候将液化空气中水量的5.3%，当抬升到616米的时候将液化掉饱和水量的19.1%，当抬升到1078米的时候，将液化掉饱和水量的31.2%，当抬升到1400米的目的高度的时候，将液化掉全部水汽的一半。这就说明一个问题，含水空气在运输管道中是随着海拔的抬升在不断液化。那么就存在这样一个问题：这些液化水如果没有承接，没有停留在液化它的高度，它就会顺着管道向下流回蒸发池子中。那怎么办哪？很显然需要每隔200米高度在管道内修建一个蓄水池，这样才不会把好不容易抬升的水储存下来。所以就需要在这个设备中，每隔一段比如200米，安装一个聚水隔断，这个设备就有点复杂了。

但是，这个数据只是一个理论数据，而且有多个因子没有考虑进去。第一个因子是管道内的温度环境和管道外的环境温度并不一样。实际上管道内的温度和管道外还是有差别的。因为管道本身是一个隔热装置，管道内的热量是不会轻易流失的。所以，管道内虽然会出现液化现象，但是液化的量是和上面计算不一样的。

另外在管道内液化必须考虑汽化热。水的汽化热为40.8千焦/摩尔，相当于2260千焦/千克，也就是说每液化1千克水，会放出2260千焦的热量，而这个热量存在于管道之中不会散失，所以这个热量会阻止空气温度降低，阻止继续液化。理想气体标态下（198K）的空气定压比热容为1.004kJ/(kg K)，定容比热容为0.717 kJ/(kg K)，因此比热容比＝1.40. (198K)，1千克水放出的潜热能够把12.5万立方空气加温10摄氏度（2260000/1.4/10/1.29=12.5万，空气密度1.29kg/m），这个数量是巨大的，所以可以把在管道中向上运输当做恒温运动，不需要考虑管道内液化问题。当然，管道内少量液化还是会必然出现的，管道内做隔断也是必要的。

还有一个问题必须考虑，这个问题就是海拔不同气压不同，低海拔和高海拔的气压差问题。海平面的大气压一般为101.33百帕，而海拔1000米的时候的大气压为90.67百帕，2000米海拔的大气压为80百帕，海拔3000米70百帕，海拔4000米61.33百帕。由此可见，实际上如果实施东水西调，海拔最高达到1400米，这时候和低海拔的大气压差别不大，所以这个问题也可以忽略。当然，如果是从低海拔到达4000米的高山就必须考虑气压差别。由于在管道内部是风机提供动力，所以风机的马力是影响气压的决定因子，如果从低海拔到达4000米的高山鼓风，那么就必须考虑气压，这时候就必须更换大马力的鼓风设备，功率提高一倍以上。

另外，在管道中如果仅仅在出气孔安装一个风机，那么管道内部会出现低气压，也就是负压，管道会形成吸力，把下部的空气吸进来，这样一来，如果管道中间有裂隙，那么就不可能吸进带水空气。所以，在运输水汽的过程中还必须在进气口安装风气，使得管道内形成高气压，让气流随着管道迅速上升。

当这个过程完成的时候大部分空气克服了重力，抬高了1400米，它的势能增加，那么它会不会因此而降温或者减速呢？降温是必然的，但是下降幅度不会很大，这是因为它在管道内绝热运行，那么是否克服重力做功了呢？实际上空气压力就是空气重力势能的体现，它通过空气压力体现出来，它下降了10%。所以基本上也可以忽略。

由于在抽风的过程中，管道内部的温度下降不多，在湿热空气到达1440米的高度的时候空气温度比环境温度高，山顶的水汽会逸散到空气中，不能液化。所以这种高温空气达到山顶之后还必须利用温度差进行液化，然后还要收集液化水。所以在山顶还需要建立一个液化池。方法就是延长管道，或者把气体通入一个温度较低的空间内，让它液化，并且修建渠道汇集水流。最好的办法是把这些空气捅进水库中。

综上所述，空气热能抽水机由三个部分组成，蒸发大棚，运输管道，液化大棚或者液化池，而其它必备的设备是风机、管道、隔断等。这样组成的一个大型设备就是空气热能抽水机。

那么这个空气热能抽水机到底能够节省多少能量呢？普通的电风扇每天大概用电一度，我们这个风机大，假设每天使用100度电，那么两台风机每天用电200度。那么他能够抽水量是多少呢？管道口径10平米，每秒钟速度5米，也就是每秒的空气流通量是50立方，每天的输送量是50立方米*24小时*3600秒*20克*1.29kg/m3/1000000=111吨水。也就是说，每吨水的成本将下降为2度电。实际上应该比这个低很多，原因就是我们充分地利用了夏天低空和高空的温度差，实际上就是利用了热能，而这些热能是取之不尽的。而这些到了高空以后液化产生的热能依然能够利用。

  由于以上设备虽然消耗的电能少，能够利用天然的空气能，但是通过432万立方的空气才能够产生111吨水，效率依然比较低。如何提升效率呢？有两个方法。一个方法，增加饱和水汽的温度，35摄氏度的时候每立方饱和水汽中只有39.7克水，但是如果把温度提高到40摄氏度，每立方饱和水汽中就有51.2克水，如果把温度提高到45摄氏度，每立方饱和水汽中就有65.5克水。这样，把45摄氏度的饱和水汽输送到只有22度的环境中，每立方空气就能够液化65.5-19.5=46克水，比35摄氏度的时候多1.3倍。这样一天就可以液化255吨水。另外在22摄氏度的空气中还有19.5克不能液化。有没有办法让它也液化出来一些水呢？有一项干燥技术，名称叫“空气压缩干燥机”。空气压缩干燥机的工作原理是压缩空气进入空气预冷器预冷并除去部分水份，再进入空气冷却器使温度降至2℃（露点温度），空气中的水份在此温度下析出，经气水分离器分离并由自动排水阀将水份排出，而干燥的低温空气则进入空气预冷器，再与未处理的压缩空气进行热交换升温后输出，即为处理后的干燥空气。这里有一个原理，当空气流从一个大的截面积经过一个小的截面积的时候，空气会产生明显的压缩。这个压缩过程根据克拉珀龙方程式可以计算出结果。克拉珀龙方程式通常用下式表示：PV=nRT。当在风扇的带动下空气经过狭窄管道的时候，压强基本不变，体积减小，此时温度跟着下降，所以就容易达到水汽饱和点，有利于更多的水分从空气中凝结。根据这个原理，就可以在这个液化设备的末端安装口径大小不一样的管道，这样才能够多液化水。

这种空气热能抽水机有一个副产品，那就是这些液化水实际上是纯净水。也就是说海水淡化问题迎刃而解。这样一来，海水淡化的成本大幅度降低了，而海水制取的盐却是一笔收入。