CN101175898B - 用于管理流体中水含量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于管理流体中水含量的系统和方法，其包括用于用干燥剂从流体中收集水的收集室和用于从干燥剂中收集水的再生室。蒸发器用于冷却收集室，以及压缩机用于压缩流经蒸发器的制冷剂。引擎给压缩机提供动力，且还向再生室提供废热以增加从干燥剂排出的水的量。来自干燥剂的水被蒸发到流经再生室的空气中。离开再生室的空气被冷却以提取用于饮用或其它用途的水。

Description

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3月25日提交的美国临时申请序列号60/665,304的权益，其在这里通过引用并入此处。 

发明背景 

1.发明领域 

本发明涉及用于控制流体中，特别是诸如空气的流体中水含量的系统和方法。 

2.背景技术

通常，使用冷凝系统来从空气或其它气态流体中收集水。示例性的冷凝系统提供了冷却到某一温度的表面，该温度等于或低于进入空气的露点。正如本领域中公知的，冷却露点处或露点之下的空气会引起来自空气的水蒸汽冷凝，并且会引起空气的绝对湿度降低。一定体积的空气的湿度基本上决定了可引入该空气或可从该空气去除的水量。 

现有的水生成和去除系统使用传统的冷凝系统从进入气流中收集水蒸气，该冷凝系统将进入空气的温度降低到等于或低于空气露点的温度。因此，由这样的系统产生的水的数量取决于周围空气的湿度。然而，空气的湿度和温度从一个地区到另一个地区变化，在热带和亚热带地区空气热且潮湿，而在世界的其它部分空气较冷、不大潮湿。空气的温度和水蒸气含量也在全年随着地区中季节性气候的变化而变化。因此，根据世界的地区和根据每年的时间，例如可能希望增湿或减湿以使环境变得更舒适。 

除了增加舒适性以外，空气中水量的管理对工业应用也可能是重要的。 而且，可能希望从空气中去除水，以使水可被利用，例如用于饮用，或用于期望有新鲜水的其它应用。不管管理空气中水量的原因是什么，有时传统的水管理系统具有不希望有的限制。例如，当空气的露点低时，特别是当它低于水的凝固点时，使用传统系统去除水可能是很难或不可能的。此外，提供冷却以从空气中提取出水的传统系统还可能产生不被利用的热，并因此作为浪费的能量丧失。然而即使热被利用，它通常也太少而不能提供很多利益，因为在一些系统中热的主要来源是用于冷却循环的压缩机。 

因此，存在对用于管理流体中水含量的系统和方法的需要，该系统和方法即使当露点低时也可从流体中提取水，并可利用来自热源的废热。 

发明内容

本发明提供了一种即使当露点低时也能用于从流体中去除水的系统和方法。 

本发明还提供了利用来自引擎的废热来从流体中去除水的系统和方法，该引擎可用于在冷却循环中驱动压缩机，并可用于提供动力输出，以例如运转车辆或发电机。 

本发明可用于用任何干燥剂装置来从空气中收集水，同时利用来自引擎的废热。该引擎可为用于给车辆如军用车辆提供动力的类型的引擎。在这样的情况下，本发明可为包含在车辆内的可移动系统，并可用于提供环境管理以及水产生能力。除了用于车辆，引擎还可用于运转其它装置或机器，例如发电机。除了运转车辆、发电机或其它系统外，引擎还可用于给压缩机提供动力。这样的压缩机可安装到或以其他方式机械地连接到引擎。可选地，引擎可驱动用于提供电来运转压缩机的发电机。压缩机又可用作制冷循环的一部分，该制冷循环可用于向本发明的水管理系统的一个或更多部分提供冷却。 

本发明还可提供用于从空气中提取水或用于使空气减湿的系统。该系统包括收集干燥剂室，其中固体干燥剂或干燥剂溶液被暴露以与第一空气流物理接触，且其中产生了稀释的干燥剂。还提供了被暴露给来自引擎的 废热的干燥剂再生室。干燥剂在第二室中被加热，并被暴露以与第二空气流物理接触。作为暴露给第二空气流的可选方法，第二室可为密封的再生室，水从该室排出。压缩机安装在引擎上，且一个或更多蒸发器用于制冷循环。蒸发器或若干蒸发器可位于收集室中或位于再生室和收集室二者中。蒸发器可用于向收集室中的液体和/或固体干燥剂材料提供冷却。可选地，蒸发器或若干蒸发器可用于向离开再生室的空气提供冷却，这能有助于水从空气的提取。当然，蒸发器或若干蒸发器可用于向离开收集室的空气提供冷却，从而向已经干燥的空气提供额外的冷却。 

本发明还提供用于将周围空气输送到其中有适当的干燥剂材料的第一室中的系统和方法。干燥剂从与干燥剂接触的空气吸收或吸附湿气。在一个实施方式中，通过抽吸空气经过其中散布有干燥剂的接触表面如海绵、介质、冷却旋管或冷却塔来使空气接触干燥剂。干燥剂和/或第一室可被冷却以使水能更有效地从空气中转移到干燥剂中。干燥剂从空气中吸收或吸附水，从而当水经历相变并从空气中冷凝出来时传递来自空气的潜热。因为干燥剂和/或第一室被冷却了，所以显热冷却(sensible cooling)，即，不以状态的改变为基础的冷却也提供给了空气。产生的干燥、冷却的空气被从第一室中抽出。 

现在含水干燥剂聚集在第一室的底部并被转移到第二室。可经由第一和第二室之间的隔离物内配置的阀门开口进行的主动抽吸和扩散来实现干燥剂向第二室转移。阀门开口使得第一室和第二室中的干燥剂水平能够平衡。出现了含水干燥剂从第一室到第二室的净流量，直到干燥剂的水平在两个室中变得相等。在第二室中扩散或抽吸的含水干燥剂可被加热并然后再次暴露给空气。在一个实施方式中，干燥剂被喷射到第二室的内部。热交换器如加热元件加热从喷嘴中落下的含水干燥剂，从而使吸收或吸附到干燥剂中的湿气蒸发，产生热的潮湿空气，同时还再生了基本上无水的干燥剂。 

可通过任何能有效地获得期望结果的方法将干燥剂引入室。例如，第一室可包括海绵状纤维素材料，含水干燥剂通过该海绵状纤维素材料过滤，掉落在室的底部以便收集。可选地，可使干燥剂以滴状物的形式从第 一室和第二室内部的位置向下滴落，比如从第一室或第二室的顶部滴落。 

本发明还可以利用从第一室出来的干燥空气和在第二室中产生的较热而潮湿的空气之间的温度差，来有效地实现两个空气流之间的热能传递，而不使它们彼此物理接触。例如，热交换器如包括多个管子或导管的散热器型的热交换器可用于使两个空气流进行热接触。来自第二室的较热和较潮湿的空气可通过散热器传递，而相对冷、干燥的空气通过从第一室吸入干燥空气的管来接触散热器的外表面。这导致热交换器中的水蒸气冷凝成液态水，液态水向下滴落以便在冷凝液收集器中收集。可选地，可引导热潮湿空气接触例如蒸发器等的热吸收器的结露表面，可使用适当的冷却方法冷却前述结露表面，如包含在管子内的典型的沸腾液体、热电元件、热导管、冷却剂蒸发旋管(refrigerant-expansion coil)或本领域普通技术人员公知的任何其它系统。这样聚集的水然后可被处理以产生适于饮用的水，或用于期望有水的其它目的。 

本发明进一步提供了一种用于管理流体中水含量的系统。该系统包括第一室，该第一室具有有助于第一流体移动入和移动出第一室的进口和出口。干燥剂可被引入第一室，以从移动通过第一室的第一流体中去除水。一第二室配置成在干燥剂从第一流体去除水之后接纳干燥剂的至少一部分。第二室包括有助于第二流体移动入和移动出第二室的进口和出口，以从第二室中的干燥剂去除水。一蒸发器配置成接纳通过其的第三流体，当第三流体通过蒸发器时该第三流体至少部分地蒸发。一压缩机可操作来在第三流体离开蒸发器之后压缩第三流体。一引擎可操作来提供动力以运转压缩机，以及一热交换器配置成接纳引擎所排出的热并将热传递到第二室中。这增加了通过第二室移动的第二流体的温度。 

本发明还提供了一种用于使用包括干燥剂和引擎的系统来管理流体中的水含量的方法。该方法包括使用一过程从第一流体去除水，所述过程包括使第一流体的至少一部分暴露于干燥剂，从而增加干燥剂的至少一部分的水含量。将增加了水含量的干燥剂的至少一部分引入第二流体，从而促进水从干燥剂中蒸发到第二流体中，并增加第二流体的水含量。运转引擎，从而产生热。将来自引擎的热传递到第二流体，从而增加第二流体的 温度。 

附图说明

图1示出根据本发明的系统的一个实施方式的示意图，包括用于运转压缩机的引擎； 

图2示出引擎和发电机装置的示意性表示，该发电机装置可操作来产生电以运转压缩机，如图1所示的压缩机； 

图3示出根据本发明的系统的另一实施方式的示意图； 

图4示出根据本发明的系统的第三实施方式，其中该系统安装在车辆中并利用来自车辆引擎的废热。 

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施方式的用于在流体中特别是空气中管理水含量的系统10。值得注意的是，如这里使用的，没有额外的限制，“流体”包括液体、气体或其任何组合。系统10包括第一室或收集室12以及第二室或再生室14。收集室12包括允许第一流体或第一气流19流经收集室12的进口16和出口18。当空气流经收集室12时，它接触干燥剂20，在图1所示实施方式中，干燥剂20通过导管22喷射到室12中。 

当空气通过收集室12移动时，蒸发的水被冷凝出来，并与干燥剂20一起聚集在室12的底部24。当干燥剂20从空气中吸附或吸收水时，干燥剂20被稀释。虽然图1所示的干燥剂20是液体，但本发明还设想固体干燥剂或双态干燥剂的使用，例如固体和液体。可使用有效地产生期望结果的任何干燥剂材料，例如氯化锂。 

再生室14也具有允许第二流体或第二气流29流经室14的进口26和出口28。在两个室之间是分隔物30，分隔物30允许来自收集室12的含水干燥剂与再生室14中的干燥剂混合，反之亦然。如图1所示，干燥剂20通过导管32引入再生室14，并且干燥剂20从导管32喷射。喷射在再生室14中的干燥剂20也接触流经室14的空气，空气从干燥剂20吸收水， 从而使干燥剂20再生以在收集室12中使用。 

如上所述，本发明可利用来自热源如引擎34的废热，以改进水管理。引擎34利用液体冷却剂来降低其温度。如图1所示，系统10利用引擎34排出到冷却剂的热，以在干燥剂20被引入再生室14之前加热干燥剂20。导管36、38允许引擎冷却剂通过第一热交换器40。热交换器40可为用于引擎冷却剂的初级热交换器或二次热交换器。而且，如下面更彻底地解释的，系统如系统10中的第一热交换器不需要利用引擎冷却剂来传递引擎热量。例如，第一热交换器可直接或通过中间流体来利用来自引擎废气的热。 

除了热交换器40外，系统10还包括第二热交换器42，以进一步在干燥剂20被引入再生室14之前加热干燥剂20。热交换器42从废气热交换器44接收第二热交换器流体，废气热交换器44使用来自引擎34的废气46来加热流体。导管48、50便于流体在热交换器42、44之间流动。离开引擎34的冷却水可为大约90℃，而废气可在400℃-500℃的范围内。热交换器40是干燥剂20被最初加热的低温热交换器，而热交换器42是干燥剂20可获得甚至更多的热的高温热交换器。因此，在图1所示的实施方式中，热通过两个热交换器40、42从引擎34间接地传递到第二气流29。加热干燥剂20便于在空气流经再生室14时加热空气，这增加了从干燥剂20中去除的水的量。 

虽然本发明不需要利用如图1所示的两个热交换器，但是对于在干燥剂20进入再生室14之前加热干燥剂20来说，该装置可能是非常有效的。然而在其它实施方式中，可利用单个热交换器来传递来自引擎的热。例如，可仅仅使用利用引擎冷却剂的热交换器。可选地，利用引擎废气的热交换器可被唯一地使用或作为中间热交换器来使用。在图1中，废气热交换器44是首先将热传递到第二热交换器流体的中间热交换器，该中间热交换器便于热从第二热交换器流体传递到第二热交换器42中的干燥剂。当被唯一地使用时，废气热交换器可配置成直接将热传递到流经废气热交换器的干燥剂。 

此外如图1所示，在再生室14的内部是第三热交换器52，第三热交 换器52可预先冷却进入再生室14的空气，使水冷凝出来，因而使它更干燥，并增加它从干燥剂20吸收水的能力。热交换器52可为空气对空气或空气对液体型的。热交换器52还可冷却离开再生室14的空气，因而在空气从干燥剂20吸收水之后从空气中提取水。干燥剂20由泵54抽吸通过热交换器40、42以及通过导管32。类似地，泵56用于将干燥剂20抽吸到收集室12中。 

如图1所示，干燥剂20在引入收集室12之前被抽吸通过蒸发器58。通过冷却干燥剂20，它从流经收集室12的空气中去除水的能力增加了。诸如制冷剂的流体通过导管60、62流经蒸发器。当它流经蒸发器时，制冷剂至少部分地蒸发，因而从由泵56抽吸通过蒸发器的干燥剂20中吸收热。 

蒸发器58是制冷子系统的一部分，该制冷子系统还包括压缩机64和冷凝器66。虽然没有在图1中示出，但应理解，诸如节流孔或热膨胀阀的节流设备可包括在制冷子系统例如导管60中。如上所述，本发明有效地利用了由引擎如引擎34产生的能量。在系统10中，由引擎34产生的以及以其他方式排出的热能被利用来在干燥剂20进入再生室14之前加热干燥剂20，这增加了干燥剂20所能排出的水的量。除了热能外，由引擎34产生的机械能也被系统10有效地利用。例如，引擎34机械地操作压缩机，该压缩机是制冷子系统的一部分。除了引擎34所能执行的其它机械工作外，引擎34的机械工作还可以是例如运转车辆。 

在可选的装置中，引擎如引擎34可机械地驱动输出电力以运转诸如压缩机等设备的发电机。图2示出了一个这样的装置的简单示意性表示，其中引擎65通过轴69机械地驱动发电机67。发电机产生电以运转可用于系统如图1所示系统10的压缩机71。 

图3示出本发明的另一实施方式。在图3中，符号“′”用于识别与图1所示系统10中存在的元件有关的元件。因此，图3示出了用于管理空气中水含量的系统10′。值得注意的是，虽然用空气作为例子，但本发明还可用于管理其它气体-水混合物中的水含量。图3所示系统10′具有系统热交换器或蒸发器68，其位于再生室14′的出口28′处。该装置对于从离开再生室14′的空气中提取水是有用的。可从蒸发器68的出口70收集水。所收集的水然后可被处理以产生可以饮用的水，或可用于希望有水的其它应用。如果希望当空气离开时进一步冷却空气，也可将蒸发器如蒸发器68设置在收集室12′的出口处。 

如上所述，本发明不限于单个蒸发器，而是相反可包括多个蒸发器以冷却干燥剂20以及一个或两个空气流。此外，离开两个室，例如图1所示的室12、14的空气流可通过显示在部分剖视图中的系统热交换器72彼此进行热接触，系统热交换器72连接到室12、14的相应的出口18、28。这允许热从离开再生室14的热潮湿空气传递到离开收集室12的干燥冷空气，并导致来自气流29的水73冷凝。 

如上所述，根据本发明的用于管理水含量的系统可为安装在车辆上或以其他方式包含在车辆中的可移动系统。图4示出安装在军用车辆76的后部的系统74。车辆76由位于引擎罩80下面的引擎78驱动。引擎78可用于系统74，和图1所示的引擎34用于系统10一样。例如，引擎冷却剂流体、来自引擎78的废气或两者都可用于在再生室中加热气流。此外，引擎78可用于运转发电机、压缩机或两者。如结合图1和图3所示系统10和10′描述的，可从离开再生室的空气中收集水。当结合图4所示系统74执行该步骤时，产生可移动水的生成。 

虽然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。更确切地，用于本说明书的词是描述性的而非限制性的词，且应理解，可进行各种变化而不偏离本发明的实质和范围。 

Claims (23)

1.一种用于使用包括干燥剂和引擎的系统来管理流体中水含量的方法，所述方法包括：

使用一过程从第一流体中去除水，所述过程包括使所述第一流体的至少一部分暴露于所述干燥剂，从而增加所述干燥剂的至少一部分的水含量；

将增加了水含量的所述干燥剂的至少一部分引入第二流体，从而有助于水从所述干燥剂蒸发进所述第二流体，并增加所述第二流体的水含量；

运转所述引擎，从而产生热；以及

将热从所述引擎传递到所述第二流体，从而增加所述第二流体的温度。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第二流体的水含量增加后从所述第二流体去除水。

3.如权利要求1所述的方法，所述系统进一步包括压缩机和蒸发器，其中运转所述引擎的步骤提供动力以运转所述压缩机，所述方法进一步包括：

运转所述压缩机以压缩第三流体；

输送所述第三流体通过所述蒸发器，以使所述第三流体至少部分地蒸发；以及

输送所述第一流体通过所述蒸发器，从而将热从所述第一流体传递到所述第三流体，并降低所述第一流体的温度。

4.如权利要求3所述的方法，其中运转所述引擎的步骤包括用所述引擎机械地驱动所述压缩机。

5.如权利要求3所述的方法，所述压缩机连接到一发电机，其中运转所述引擎的步骤包括用所述引擎驱动所述发电机，从而产生电力以运转所述压缩机。

6.如权利要求1所述的方法，所述系统可操作地连接到一车辆，其中运转所述引擎的步骤提供动力以驱动所述车辆。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括在所述第二流体的水含量增加之后从所述第二流体去除水，从而产生可移动水的生成。

8.如权利要求1所述的方法，所述系统进一步包括第一热交换器，所述方法进一步包括：

用冷却剂冷却所述引擎，从而增加所述冷却剂的温度；以及

输送所述冷却剂通过所述第一热交换器，

且其中将热从所述引擎传递到所述第二流体的步骤包括在所述干燥剂被引入所述第二流体之前输送所述干燥剂通过所述第一热交换器，从而将热从所述冷却剂传递到所述干燥剂，并有助于热从所述干燥剂传递到所述第二流体。

9.如权利要求1所述的方法，所述系统进一步包括第二热交换器，所述方法进一步包括：

输送来自所述引擎的废气通过一废气热交换器；

输送第二热交换器流体通过所述废气热交换器，从而将热从引擎废气传递到所述第二热交换器流体；以及

输送所述第二热交换器流体通过所述第二热交换器，

且其中将热从所述引擎传递到所述第二流体的步骤还包括在所述干燥剂被引入所述第二流体之前输送所述干燥剂通过所述第二热交换器，从而将热从所述第二热交换器流体传递到所述干燥剂，并有助于热从所述干燥剂传递到所述第二流体。

10.如权利要求9所述的方法，所述系统进一步包括第一热交换器，所述方法进一步包括用冷却剂冷却所述引擎，从而增加所述冷却剂的温度；以及

输送所述冷却剂通过所述第一热交换器，

且其中将热从所述引擎传递到所述第二流体的步骤包括输送所述干燥剂顺序通过所述第一热交换器然后通过所述第二热交换器。

11.如权利要求1所述的方法，进一步包括在将所述干燥剂引入所述第二流体之前从所述第二流体去除水，从而增加所述第二流体从所述干燥剂接收蒸发的水的能力。

12.如权利要求11所述的方法，其中在将所述干燥剂引入所述第二流体之前从所述第二流体去除水的步骤包括冷却所述第二流体以通过冷凝去除水。

13.一种用于管理流体中水含量的系统，包括：

第一室，其具有有助于第一流体移动入和移动出所述第一室的进口和出口；

干燥剂，其能够被引入所述第一室，以从移动通过所述第一室的所述第一流体中去除水；

第二室，其配置成在所述干燥剂从所述第一流体去除水之后接纳所述干燥剂的至少一部分，所述第二室包括有助于第二流体移动入和移动出所述第二室的进口和出口，从而有助于水从所述第二室内的所述干燥剂蒸发到所述第二流体中；

引擎，其可操作来输出机械动力；和

第一热交换器，其配置成接收所述引擎运转时所述引擎产生的热，并将热传递到所述第二流体，从而增加移动通过所述第二室的所述第二流体的温度。

14.如权利要求13所述的系统，进一步包括系统热交换器，其配置成接收来自所述第二室的所述第二流体，并有助于所述第二流体的冷却以从其提取水。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述第一热交换器配置成在所述干燥剂从所述第一流体去除水之后接纳所述干燥剂，所述系统还包括用于从所述引擎去除热的引擎冷却剂，所述冷却剂流经所述第一热交换器，从而将热从所述冷却剂传递到所述干燥剂，并有助于热从所述干燥剂传递到所述第二流体。

16.如权利要求15所述的系统，进一步包括：

废气热交换器，其具有从其流过的第二热交换器流体，所述废气热交换器配置成接收来自所述引擎的废气流，并将热从所述废气传递到所述第二热交换器流体；以及

第二热交换器，其配置成在所述干燥剂从所述第一流体去除水之后接纳所述第二热交换器流体和所述干燥剂，从而将热从所述第二热交换器流体传递到所述干燥剂，并有助于热从所述干燥剂传递到所述第二流体。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述第一热交换器配置成接纳来自所述第二室的所述干燥剂，且所述第二热交换器配置成接纳来自所述第一热交换器的所述干燥剂。

18.如权利要求17所述的系统，进一步包括第三热交换器，其配置成在所述第二流体移动通过所述第二室之前冷却所述第二流体，以便从所述第二流体去除水。

19.如权利要求13所述的系统，进一步包括：

蒸发器，其具有通过其流动的第三流体，且所述蒸发器配置成在所述干燥剂被引入所述第一室之前接纳所述干燥剂，并将热从所述干燥剂传递到所述第三流体；和

压缩机，其由所述引擎提供动力，并可操作来在所述第三流体流经所述蒸发器之后压缩所述第三流体。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述引擎可操作来机械地驱动所述压缩机。

21.如权利要求19所述的系统，进一步包括连接到所述引擎和所述压缩机的发电机，所述发电机配置成由所述引擎机械地驱动，并输出电以给所述压缩机提供动力。

22.如权利要求13所述的系统，其中所述第一室和所述第二室、所述引擎和所述第一热交换器设置在一车辆内，所述引擎可操作来驱动所述车辆。

23.如权利要求22所述的系统，进一步包括系统热交换器，其配置成接纳来自所述第二室的所述第二流体，并有助于所述第二流体的冷却以从其提取水，从而产生可移动水的生成系统。

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