从大气中提取水分的方法及装置 【发明领域】
本发明提供了一种从大气中提取水分的新型方法和装置。本发明尤其适合在世界上炎热的，并且相对较干旱的地区实施，在这些地方淡水的土地资源是有限的，或者淡水的制造和运输有很大的困难或需要相当大的费用。
【发明背景】
已经知道各种从大气中提取水分的方法，但是，公知的这些方法并不经济，其原因在于利用这些方法的装置为了有效地运转需要相当多地能源，并且大都局限于利用昼夜温差的24小时之内的一个单一操作周期。
US专利4,285,702公开了一种从大气中回收水分的方法，该方法使夜晚的冷空气以一个方向穿过一个装有吸水材料的吸收器，而在白天在空气被加热后将其反向流动，以便使吸水材料脱水并冷凝水蒸气。在解吸阶段形成两股闭合气流，该气流会多次穿过加热装置和吸水材料。该方法主要在昼夜周期的范围内实施，因此受到限制，并且在解吸阶段需要加热到相当高的温度，因此效率并不高。
发明概述
本发明克服了这些从大气中提取水分的公知方法的缺陷。它提供了一种在白天或夜晚的任何时候都可以从大气中提取水分的方法，而并不依靠在夜晚冷空气和白天热空气之间的温差，并且可以在比利用公知方法和装置的温度低得相当多的温度下操作，因此是节能的。本发明使在相对简单、便宜的工厂或者在较小的可携带的装置内进行从大气中提取水蒸气成为可能，而无需输入很大的能量。根据本发明，水蒸气的冷凝可以在大气是任何温度的情况下进行，也无需使用那些有可能给生态带来危害的化学物质或其它物质。
因此根据本发明，提供了一种从大气中提取水分的方法，该方法包括如下步骤：
(a)抽取周围的空气使其穿过适合吸附和/或吸收水蒸气的吸附材料，该吸附材料被设置在一腔室内，该腔室包括一包含有吸附材料的第一区域和包含有一个冷凝器的第二区域；
(b)在吸附材料被充分浸透了水蒸气后，密封上述腔室，使其与外界大气隔绝；
(c)通过加热上述吸附材料从上述吸附材料中解吸上述水蒸气，以便提高上述腔室的内部压力；
(d)通过从上述腔室中排出残余空气和适量的水蒸气，在上述腔室内创造一个局部真空和在上述第一区域和第二区域之间的压力差，以便水蒸气从上述第一区域流进上述第二区域的冷凝器；
(e)收集冷凝在冷凝器上的水分。
根据本发明的一个实施例，上述吸附材料可以是固体或液体，该材料在步骤(a)中通过周围空气冷却，这些周围空气是用物理方法抽取穿过导管，进而接触到上述吸附材料的。
根据本发明的另一个实施例，上述在步骤(d)中被排出的水蒸气流进一个第二冷凝器，上述在该冷凝器上冷凝的水连同从(e)步骤中收取的水一起收集起来。
根据本发明，这里还提供了一种从大气中提取水分的装置，该装置包括：
(a)一个具有第一区域和第二区域的腔室，该腔室适合于交替地对外部空气开放和与外部空气隔绝密封；
(b)设置在上述第一区域内的适合于从空气中吸附和/或吸收湿气的吸附材料，以及布置在上述第二区域内的一个冷凝器；
(c)可用来当上述腔室对外部空气开放时抽取周围空气穿过上述吸附材料的装置；
(d)可用来交替冷却和加热上述吸附材料的装置；
(e)可用来在上述腔室内创造一个局部真空和在上述第一区域与第二区域之间的压力差的装置；
(f)一个用来收集冷凝在冷凝器上水分的水分收集器。
根据本发明的一个实施例，上述吸附材料或是固体或是液体，上述用来冷却和加热的装置包括一个导管系统，该导管系统与上述吸附材料保持物理接触，周围空气在该导管系统内流动。
进一步根据本发明的一个实施例，上述在腔室内创造局部真空的装置是一个压力敏感阀，当上述腔室的内部压力超过一个预定的界限时该阀会打开。
根据本发明的另一个实施例，上述装置也包括一个通过压力敏感阀与上述腔室保持连接的第二冷凝器和一个适合于收集冷凝在上述第二冷凝器上水分的第二水分收集器。
发明的详细描述
结合附图可以更好地理解本发明，图1示出根据本发明的提取水装置的一个实施例的示意图，图2示出根据本发明的提取水装置的第二个实施例的示意图。
如图1所示，上述装置包括一个腔室1，该腔室具有一个入口2和一个排气管4。在入口1内有一个阀门2，在排气管4内有一个阀门7。一个吸附材料6设置在腔室1内，适合用来从空气中吸附和/或吸收湿气。上述吸附材料可以是硅凝胶、一个分子筛、氯化锂或公知技术中其它固态或液态吸附剂，该吸附材料能从空气中吸附和/或吸收湿气。吸附材料6以如下方式被设置在腔室1内：它与一系列导管保持物理接触，该导管具有一个入口8和出口9，适合使冷却或加热的介质在其内部流动，这一点将在以下进行详细描述。一个风扇5设置在吸附材料6上方、排气管4下方。
腔室1通过管道10和12连接在冷凝器13上，该冷凝器可以是任何公知的冷凝器，但最好是气冷式的。通过适当的管路，冷凝器13连接在一个水分收集器14上，该水分收集器14适合用来接收和保持冷凝在冷凝器13上并从该冷凝器上流出的水分。该装置也包括一个压力敏感阀11，该阀通常处于闭合状态，但当腔室1内的压力超过一个预定的界限时会打开。
现在如图2，可以看到图2中的装置除了一个第二冷凝器15以外，与图1中的相同。第二冷凝器15通过压力阀11与腔室保持连接。通过适当的管路，第二冷凝器15连接在一个水分收集器16上，该水分收集器16适合用来接收和保持冷凝在冷凝器15上并从该冷凝器上流出的水分。水分收集器16进一步通过管道17与水分收集器14连接在一起。
上述装置的操作如下：在第一阶段，当两个阀门2和7同时开启时，周围空气通过入口3被抽进腔室1内。在由排气管4和/或由风扇5形成的抽力作用下，空气穿过吸附材料6，通过吸附和/或吸收作用释放湿气。上述被吸附过程脱水和加热的空气通过阀门7而穿过抽风管4排放到腔室1外。为增强吸附过程，热最好由吸附材料中循环的冷却剂带出该吸附材料6，并通过导管8进入而通过导管9排出。尽管任何类型的液态冷却剂都可以使用，上述冷却剂最好是大气。
当感应器(未示出)，例如湿度感应器或者其他任何公知的合适类型感应器，显示出吸附材料6充分浸透水分时，入口阀2和出口阀7便移到闭合位置，以便使腔室1(包括管道10和12以及冷凝器13)被密封住而与大气隔绝。在那时，在导管8和9内的冷却剂循环被中断，换热介质代替冷却剂穿过上述导管循环，以便加热吸附材料6。上述换热介质最好是空气或水，这些空气或水最好由太阳能或其它低成本的能源加热。
加热吸附材料6使吸附和/或吸收在吸附材料上的水蒸气有效地解吸，这样水蒸气开始弥散在腔室1内。因为腔室1密封不透气，腔室内的压力开始增加，当压力达到一个预定压力值时，阀11打开以便使保留在腔室1内的残余空气和一小部分水蒸气排出腔室1。水蒸气和气体混合物的排出导致腔室1内的压力降低，阀11关闭，以便在腔室1内形成一个局部真空以及产生在冷凝器13的区域和发生解吸吸附材料6的区域之间的压力差。因为解吸区域的压力高于冷凝器13区域的压力，水蒸气便从高压力区域穿过管道10和12流动到冷凝器13。一旦接触到冷凝器13的换热表面，水蒸气会被液化，这样获得的水分便向下流进水分收集器14。
应会理解到由于在腔室1内形成上述局部真空，同其它情况下所需温度相比，吸附材料6的解吸附和水蒸气在冷凝器14上的冷凝能在一个更低的温度下有效地实现，最佳的温度随着所使用的特定的吸附材料、周围空气的温度和其它因素而变化，但就一切情况而言该温度会低于传统方法所使用的操作温度。因此，本发明装置能显著节约操作成本。
在上述过程的吸附和/或冷凝阶段完成后，阀2和7再次打开，上述在导管8和9内换热介质的循环会被中断。收集在收集器14内的水分随后通过传统装置由最终消费者使用。
图2中装置的操作于图1装置的操作相同，但图2装置当阀11开启时也能回收上述从腔室1排出的湿气。这样，上述水蒸气不是排放进大气中，而是排进一个包含有第二冷凝器15的腔室内，这样上述释放的水蒸气会在该冷凝器内冷凝。在上述冷凝器15上冷凝的水分随后流进一第二收集器16，一旦上述周期的吸附阶段完成后，在收集器16内的水会被允许通过管道17流进收集器14。
能够理解到如上描述的吸附/解吸周期能够根据需要而经常重复，而无需考虑昼夜的温差。上述装置这样能昼夜不停地重复使用，同样由于这个原因，上述装置比其公知的装置来说更经济、更有效。
应能理解到本发明并不局限于以上的描述，它包括许多能够轻易被本技术领域人员掌握和理解的修改和变化。本发明仅受到如下权利要求的限制：