用于管理流体中水含量的系统和方法 【相关申请的交叉引用】
本申请要求2005年12月7日提交的美国临时申请第60/748,123号的利益，其在此特此以引用方式并入本申请。
【发明背景】
1.发明领域
本发明涉及一种管理流体中水含量的系统和方法。
2.背景技术
常规上，使用冷凝系统从空气、或其它气态流体中收集水。示例性的冷凝系统提供被冷却到处于或低于进入空气露点的温度的表面。如本领域所熟知的，对处于或低于其露点的空气的冷却导致空气中水汽的冷凝以及空气绝对湿度的下降。一定量的空气的湿度基本上由可从该一定量的空气中被引进或除去的水的量所决定。
常规的水产生及移除系统使用冷凝系统将进入空气的温度降低到处于或低于空气露点的温度来从进入气流中收集水汽。因此，由这种系统生产的水的量取决于周围空气的湿度。但是，从区域到区域，空气的湿度和温度不同，其中热带和亚热带区域空气湿热，而世界上其它地方地空气较凉、湿度较小。空气的温度和水汽含量随全年区域季节性天气的变化也有很大不同。因此，根据世界不同的区域以及根据全年不同的时间，例如，为了使环境更加舒适，可能需要加湿或除湿。
除了增加舒适度以外，对空气中水量的管理对工业应用也是重要的。而且，最好是去除空气中的水，使得水可用于，例如饮用或需要新鲜水的其它应用。不管管理空气中水量的动机是什么，存在常规水管理系统具有不希望的限制时的时期。例如，当空气的露点较低时，尤其当其低于水的凝固点时，使用常规的系统去除水是困难的或是不可能的。在这种情况下，使用干燥剂物质可有效去除空气中或其它流体流中的水。使用干燥剂的常规系统不负责改变环境条件-例如，改变流体流的温度和湿度-这可能不利于实现系统的效率。
因此，需要一种甚至当露点较低时也可以从流体中提取水的管理流体中水含量的系统和方法。还需要一种可以例如根据环境条件的改变来控制干燥剂参数以保持系统效率的管理流体中水含量的系统和方法。
【发明内容】
本发明的实施方式提供一种甚至当露点较低时也能从流体中去除水的系统和方法。
本发明的实施方式还提供一种使用具有可控制以改变干燥剂去除水能力并根据环境条件改变维持系统有效性的至少一个参数的干燥剂从流体中去除水的系统和方法。
本发明的实施方式进一步提供一种用于管理流体中水含量的系统。该系统包括具有进口和出口的第一室，以方便第一流体流进和流出第一室。干燥剂能够被引进到第一室，以从流过第一室的第一流体中去除水。第二室构造成在干燥剂从第一流体中去除水后接收干燥剂中的至少一部分。第二室包括进口和出口，以方便第二流体流进和流出第二室。这有助于水从干燥剂蒸发到第二流体，由此增加第二流体中的水含量。系统热交换器构造成接收通过其的第三流体，并接收来自第二室的第二流体，以有助于热从第二流体传递到第三流体。这有助于将水从第二流体中去除。阀可操作来控制通过系统热交换器的第三流体的流动。传感器与阀通信，并构造成在第二流体的水含量增加后感测第二流体的参数。传感器构造成将与所感测的参数相关的信号输出到阀。根据所感测的参数，这实现了对通过系统热交换器的第三流体的流动的控制。
该系统还可包括第一热交换器，其构造成接收通过其的第三流体，并在干燥剂被引进到第一室中之前冷却干燥剂。第一热交换器与阀一起布置，使得第三流体通过阀的流动的减少增加第三流体通过第一热交换器的流动。这增加第一热交换器的冷却能力。
本发明的实施方式进一步提供一种用于管理流体中水含量的系统。该系统包括具有进口和出口的第一室，以方便第一流体流进和流出第一室。干燥剂能够被引进第一室中，以从流过第一室的第一流体去除水。第二室构造成在干燥剂从第一流体中去除水后接收干燥剂中的至少一部分。第二室包括进口和出口，以方便第二流体流进和流出第二室。这有助于水从干燥剂蒸发到第二流体，由此增加第二流体中的水含量。具有可控热交换能力的热交换器装置构造成接收来自第二室的第二流体，以方便第二流体的冷却。这有助于将水从第二流体中去除。传感器构造成在第二流体的水含量增加后感测第二流体的参数，且能够输出与所感测的参数相关的信号。包括至少一个控制器的控制系统与热交换器装置和传感器通信。控制系统构造成接收来自传感器的信号，并至少部分地基于所接收的信号来实现对热交换器装置的热交换能力的控制。
本发明的实施方式进一步提供一种使用包括干燥剂和系统热交换器的系统来管理流体中水含量的方法。该方法包括使用包括将第一流体中的至少一部分暴露到干燥剂的工艺从第一流体中去除水。这增加干燥剂中的至少一部分的水含量。将具有增加的水含量的干燥剂中的至少一部分引进到第二流体，由此方便水从干燥剂蒸发到第二流体，并增加第二流体的水含量。在第二流体的水含量增加后，使第二流体通过系统热交换器。这有助于冷却第二流体，并从其去除水。在第二流体的水含量增加后，感测第二流体的参数，并至少部分地基于所感测的参数来控制系统热交换器的热交换能力。
本发明的实施方式还提供一种将周围空气通入其中具有合适的干燥剂材料的第一室的系统和方法。干燥剂从与干燥剂接触的空气吸收或吸附湿气。在一种实施方式中，通过泵抽空气通过接触表面，例如在其中散布有干燥剂的海绵、介质、冷却线圈或冷却塔，空气接触干燥剂。干燥剂和/或第一室可被冷却，以使水从空气更有效地传递到干燥剂。干燥剂吸收或吸附空气中的水，由此当水经历相变并从空气冷凝出时，传递潜热。因为干燥剂和/或第一室被冷却，所以显冷(sensible cooling)-即不是基于状态变化的冷却-也被提供到空气。因而形成的干冷空气从第一室中抽出。
此刻，含水干燥剂收集在第一室的底部，并传送到第二室。第二室的传递经由设置在第一室和第二室之间的隔离物(partition)中的阀开口通过主动抽取或者扩散进行。阀开口使得第一室和第二室中干燥剂的水平均等。出现了含水干燥剂从第一室到第二室的净流量(net flow)，直到两室中的干燥剂水平相等。第二室中扩散或抽取的含水干燥剂可被加热，且然后再次暴露到空气中。
干燥剂可通过能有效实现要求结果的任意方法被引进到室中。例如，第一室可包括海绵纤维素材料，含水干燥剂通过该材料向下过滤，以收集在室的底部。可替代地，干燥剂被制成从比如第一室和第二室的顶部内的部位以滴的形式简单地低落。在一种实施方式中，干燥剂被喷射到第二室的内部。诸如加热元件的热交换器将从喷嘴下落的含水干燥剂的喷射物加热，由此使吸收或吸附到干燥剂中的湿气蒸发，从而产生湿热空气，并且还再生出基本上无水的干燥剂。
离开第二室的湿热空气可被引导来接触吸热器如蒸发器的露点形成表面(dew-forming surface)，使用合适的冷却方法冷却前述露点形成表面，例如传统的包含在管中的沸腾流体、热电元件、热管、制冷膨胀线圈或本领域的一般技术人员已知的其它任意系统。湿热空气的参数可被感测-例如，湿度或温度，且蒸发器的吸热能力可被适当地控制。例如，如果感测的温度下降到低于设置点，则蒸发器的吸热能力可能降低。同时，进入第一室的干燥剂可进一步冷却，例如，通过增加干燥剂所通过的热交换器的吸热能力。这将最终导致蒸发器中增加的负荷，其将促使温度上升到设置点之上，由此导致蒸发器吸热能力的增加。这样，改变环境条件得以解决，且系统的整体效率增加。
本发明的至少一种实施方式可消毒并过滤冷凝的水，以产生纯净的饮用水。因此，在一种实施方式中，冷凝收集器中的冷凝水被暴露到紫外(UV)装置中合适的UV辐射下，以消除有害的微生物。此外，受辐射的水逐次通过木炭过滤器，以去除污染物和挥发性有机化合物(VOC)以及多个矿物筒，以使水矿化和/或在水中加入维生素。净化和矿化的水收集在第一存储罐中。此外，在被存储在第一存储罐中之前，使水通过氧合器。第一存储罐中的水在预定间隔时间内再循环通过UV装置，以保持水的质量。
本发明的至少一种实施方式也可以分配热水和冷水。因此，在一种实施方式中，第一存储罐的水靠重力供应到第二冷储罐中，水进一步从第二冷储罐中靠重力供应到第三热储罐中。通过使用典型的膨胀蒸发线圈(expansion-evaporation coil)，或通过能有效实现要求结果的其它任意方法，使用诸如珀耳帖效应(Peltier-effect)或化学/磁性冷却的合适的冷却工艺冷却第二存储罐中的水。然后，冷水通过对儿童安全的第一套管被分配。同样，第三罐中的水通过加热元件被加热到要求温度，并通过第二套管分配。当不准许能量到第三罐的加热元件时，周围温度的水从第二套管被分配。在另一种实施方式中，第一存储罐的水可直接通过第三套管分配，以提供周围温度的水。
本发明的实施方式也可以构造成在低冷凝形成时提供水从外部源的引入。因此，诸如市政供给水龙头的外部源通过快速分离装置连接，以将补足水供应到第一存储罐。
【附图说明】
图1显示了依据本发明的一种实施方式用于管理流体中水含量的系统的示意图；以及
图2显示了依据本发明的另一种实施方式用于管理流体中水含量的系统的示意图。
优选实施方式的详细描述
图1显示了依据本发明一种实施方式用于管理流体中水含量的系统10。特别地，系统10构造成管理空气中水含量-或者从空气中收集水，以存储和后续使用，或者控制空气湿度。值得注意的是，虽然这里给出的例子使用周围空气作为水含量被管理的流体，但是本发明也能够管理其它流体-例如气体、液体或其某些组合的水含量。系统10包括第一室或收集室12和第二室或再生室14。收集室12包括允许第一气流19流过收集室12的进口16和出口18。当空气流过收集室12时，其接触干燥剂20，在图1所示的实施方式中，干燥剂20经管道22被喷射进室12。
当空气移动通过收集室12时，蒸发水被冷凝出来，并与干燥剂20一起收集在室12的底部部分24。当干燥剂20吸收或吸附空气中的水时，其被稀释。虽然图1所示的干燥剂20全是液体，但是本发明设想使用固体干燥剂或者双态干燥剂-例如，固体和液体。可以使用能有效地得到想要结果的任意干燥剂物质，包括固体、液体、溶液、水溶液、混合物及其组合物。氯化锂(LiCl)和氯化钙(CaCl2)是典型的液体干燥剂溶液，但是可以使用其它的液体干燥剂。
可以单独或混合使用诸如多元醇(polycols)的液体干燥剂。典型的多元醇包括诸如乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、丙三醇、三甲基丙烷(trimethyol propane)、二甘醇、三甘醇、四甘醇、二丙二醇、三丙二醇、四聚丙二醇及其混合物的液体化合物。也可以使用通常为固体的，但基本上可溶解在无水液体多元醇(anhydrous liquid polyol)或液体烃胺中的多元醇化合物。这些典型的固体多元醇是赤藓醇、山梨糖醇、季戊四醇和低分子量糖。典型的烃胺包括链烷醇胺，如单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺，包括单、双和三异丙醇胺或二甘醇胺。
其它类型的干燥剂，如蒙脱粘土、硅胶、分子筛、CaO、CaSO4全部可以使用。期望的干燥剂的选择取决于吸收湿气的周围空气参数中的温度和湿度范围，这对于本领域的一般技术人员是显而易见的。其他的示例性干燥剂包括诸如P2O5、BaO、Al2O3、NaOH棒、熔凝KOH、CaBr2、ZnCl2、Ba(ClO4)2、ZnBr2的材料。
像前面提到的，干燥剂20是液体干燥剂，可包括40％的氯化锂水溶液。在收集室12内的是基体材料23。基体23可以是海绵或其它介质或媒介，以有效地有利于干燥剂20和流过收集室12的空气之间的接触。干燥剂20通过泵26抽到管道22中。在干燥剂20被引进到收集室12之前，泵26抽取干燥剂20通过第一热交换器28。通过冷却干燥剂20，其从第一气流19中去除水的能力增强。诸如制冷剂的流体经管道30、32通过热交换器28。干燥剂20在热交换器28中被冷却到低于第一气流19的温度。这样，当气流19通过收集室12时，气流19被冷却。作为热交换器28的备选方案，热交换器可被放置在收集室12内，以直接冷却第一气流19，或在干燥剂20被喷射到收集室12之后冷却它。
再生室14也包括方便第二气流38流进和流出再生室14的进口34和出口36。与收集室12一样，再生室14也包括用于通过管道42将干燥剂20泵抽到再生室14的泵40。干燥剂20被喷射至再生室14中，以接触基体44，基体44与基体23一样，可以是海绵或其它介质或媒介。
在两个室12、14之间的是流动控制器46，其可以是电子阀，该电子阀可操作以允许收集室12中的含水干燥剂与再生室14中的干燥剂混合，且反之亦然。代替阀46，其它流动控制设备也可用来控制两室12、14之间干燥剂的流动。例如，可以使用隔离物，以使干燥剂20的浓度均等，这可通过渗透流实现。这样，收集室12中的干燥剂20不会快速被稀释并变得无效。
泵26、40可以通过相应的管道45、47将干燥剂20泵抽到其相应的室12、14中。可替代地，干燥剂20之中的一些或全部可通过流动控制器46从室12、14中的一个泵抽到室12、14中的另一个。在本发明的一些实施方式中，流动控制器，例如流动控制器46，可具有直接连接到相应泵出口的两个进口，以及直接连接到相应热交换器进口的两个出口，由此消除对管道45、47的需要。在一些实施方式中，通过阀46的流动远小于通过相应管道45、47的流动。例如，如果泵26、40具有200升/每分钟(1pm)的流率，则通过阀46的流动可以是100升/每小时(1ph)。因此，由泵26、40泵抽的仅一部分流体被分别泵抽到相对的室14、12。相反地，本发明的其他实施方式可具有不同流率的泵和流动控制器-两者都是就绝对流率和相对于彼此的流率来说的。
如图1所示，干燥剂20由泵40泵抽通过第二加热交换器48。热可通过管道50、52从任意方便的源添加到热交换器48。通过穿过交换器48，干燥剂20被加热到超过第二气流38的温度，使得当第二气流38通过再生室14时，第二气流38被加热。通过加热第二气流38，将更多的水从干燥剂20蒸发到第二气流38。作为位于再生室14外部的热交换器48的备选方案，热交换器(未显示)可位于再生室14内。
使用系统10导致从室12、14出来的两个单独的气流。此时，干空气的第一气流19通过出口18从收集室12出来，且此时，湿空气的第二气流38通过出口36从再生室14出来。本领域的普通技术人员可理解，水从第一气流19的提取增加了干燥剂20的潜热，并导致第一气流19潜冷。此外，因为干燥剂20(或可替代地，室12，或两者)被冷却，所以第一气流19本身经受降低其温度水平的显冷，由此产生干冷空气。在一种实施方式中，本发明使用10升氯化锂溶液从由空气鼓风机提供的速率为250m3/小时的进入空气中提取2升/每小时的湿气。结果是显冷量为0.7千瓦(kW)和潜冷量为1.4kW，由此使空气中的温度减低8.4℃。
离开再生室14的湿热空气38可被引进到系统热交换器，或蒸发器54。蒸发器54包括促使水58从湿空气流38冷凝出来的接触表面56。水58可被收集到存储罐60中，用于后续使用。根据水58的使用意图，可使用二级系统，或通过扩展系统10以包括上述部件来消毒和/或处理水。一种这样的系统被描述在2005年8月26日提交的题为“生产水的系统和方法(System and Method for Producing Water)”的国际专利申请PCT/US05/30529中，其在此特此以引用方式并入本申请中。
蒸发器54是制冷子系统62的部分，该制冷子系统62包括第一热交换器和第二热交换器28、48。第一热交换器和第二热交换器28、48在子系统62内分别起到蒸发器和冷凝器的作用。第三流体，或制冷剂，由压缩器64泵抽通过子系统62，而节流装置66、68方便制冷剂在其到达相应的蒸发器28、54之前膨胀。
为了选择性地控制制冷剂通过蒸发器28、54的流动，使用控制阀70。控制阀70与至少部分地布置在蒸发器54内的传感器72通信。传感器72构造成在第二气流38在再生室14中拾取水后感测其参数。例如，传感器72可以是湿度计或能测量气流38的湿度的其它设备，当系统10作为减湿器使用时，其是方便的。可替代地，传感器72可以是构造成感测气流38的温度的温度传感器，当系统10用来生产水时，其是方便的。在任意情况下，传感器72可输出与所感测的参数有关的信号，以控制阀70。
在图1所示的实施方式中，传感器72构造成感测蒸发器54中气流38的温度。当阀70打开，由此允许制冷剂流过蒸发器54时，蒸发器54冷却气流38。传感器72构造成使得当感测的温度下降到预定设置点时-例如，3℃-传感器72发出信号使阀70关闭。这使制冷剂停止流过蒸发器54，并增加制冷剂流过其它蒸发器或第一热交换器28的量。这样，蒸发器54的吸热能力减低-即，它的冷却能力增加-但是蒸发器28的吸热能力增加。进入收集室12的干燥剂20增加的冷却导致更多的水从第一气流19被吸收，并由此增加干燥剂20的蒸汽压力。在其他的实施方式中，传感器，例如传感器72，可以包括湿度计，构造成测量气流38的湿度。在这种实施方式中，所感测的处于或低于设置点湿度的湿度可促使信号发送，以关闭阀70，再次减小蒸发器54的冷却能力，并自动增加蒸发器28的冷却能力。
在气流19、38的湿气含量低的情况下，设置点-温度或湿度-将快速达到，且进入收集室12的干燥剂20将接收增加的冷却。这导致收集在收集室12中的水量增加，并随后通过流动控制器46传递到再生室14。这又致使产生再生室14中较高的负荷，并最终增加由传感器72感测的温度。为了保持阀70在打开和关闭之间不停地循环，可以在系统10中建立滞后作用。这样，当所感测的温度处于一个设置点时，阀70可被关闭，但是直到所感测的温度达到稍微高于第一设置点的另一设置点时其才打开。
在系统10中，传感器72和阀70之中的一个或两者可包括可设定如温度或湿度设置点程序的一个或更多个控制器。此外，流动控制器46可设定程序，以合适地管理干燥剂20在收集室12和再生室14之间的流动。因此，系统10包括由单独操作的控制器组成的控制系统。可替代地，系统控制器可用来调整系统的不同元件的功能；这样的系统在图2中示出。在图2中，使用主要符号(’)来识别与图1所示系统10中发现的相关的元件。
图2显示了用于管理空气中水含量的系统10’。与图1所示系统10一样，系统10’包括收集室12’和再生室14’，每个室均具有其自身的热交换器28’、48’，用于控制干燥剂20’的温度。热交换器28’、48’是制冷子系统62’的一部分。制冷子系统62’还包括热交换器装置74，该热交换器装置74包括热交换器或蒸发器54’以及制冷剂流动阀70’。虽然蒸发器54’显示为独立于流动控制阀70’，但是可以理解，它们可被集成到单个装置中，其还可包括传感器72’。与图1所示传感器72相似，传感器72’构造成感测气流38’的参数-例如，温度、湿度等-并输出相关感测信号。
代替依靠多个独立的控制器，系统10’包括系统控制器76，该系统控制器76与其它控制器-例如，流动控制器46’和阀70’和传感器72’内的一个控制器或多个控制器通信-以组成控制系统。如图2所示，系统控制器76可用于控制系统10’的其它元件，例如泵26’、40’。这种构型可以方便地提供系统，例如系统10中各种元件的集中控制。与图1所示系统10类似，系统10’可具有改变各种系统元件加热或冷却能力的功能，以适应变化的环境条件。
虽然已经显示和描述了本发明的实施方式，但并不表明这些实施方式显示和描述了本发明的所有可能形式。而且，在说明书中使用的词汇是描述性的汇而非限定性的词汇，且应理解的是，可以做出各种改变，而不偏离本发明的主旨和范围。