CN101906800B - 基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置和方法，该装置利用真空泵使分离膜组件两侧形成一定的压差，从而使分离膜组件高压侧空气中的水蒸气透过膜壁在低压侧富集，然后利用蒸汽压缩式制冷系统，使富集水蒸气后的空气在蒸发器中冷凝，制造液态或固态水，本发明与吸附方法相比，工作过程连续、无腐蚀问题、易维护、能耗低；此外，流出蒸发器后去除水蒸气的低温空气与外界环境空气混合，作为蒸汽压缩式制冷系统中冷凝器的冷却介质，从而降低冷凝温度，减少制冷压缩机功耗。因此，本发明综合能效比高，适合用于长期在干旱地区工作的人们使用。

Description

基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置和方法

技术领域

本发明属于减湿和制冷技术领域，涉及一种制水方法及其装置，特别涉及一种基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置及方法。

背景技术

人们在野外干旱地区，特别在是沙漠地区长期工作时，淡水供应是在此类地区所有活动的先决条件，一般水的取得方式主要是依靠少量的降雨蓄积或者由基地补给，因此所获取的水量不稳定或者费用高。事实上，空气中总含有一定量的水蒸气，例如撒哈拉沙漠的全年平均相对湿度在20～30％左右，夜晚空气中的湿度更大，如果能够采用一定的方法和装置，将空气中的水蒸气转化为液态水，则可供长期在干旱地区工作的人们使用，特别适合野外科考站、边境兵站等。

将水蒸气转化为液态水的唯一方法就是冷凝，但是通常采用以下两大类做法，第一类是直接将空气降温，达到露点温度以下，空气中的水蒸气就会转化为液态水或者固态冰(霜)，此类方法虽然原理简单，但是由于需要对干空气和水蒸气整体降温，而降温后的干空气实际是无用的，且空气中水蒸气含量越低，则露点温度也越低，因此能耗十分巨大；另外一类是首先将空气中的水蒸气富集，然后再冷凝，例如采用吸附方法，使空气通过吸附材料，空气中的水蒸气附着在吸附剂上直至达到一定的浓度，然后再对吸附剂加热，水蒸气就扩散到空气中，这时空气中的水蒸气含量很高，露点温度也较高，因此将空气中水蒸气转化为液态水所需的冷量也会减少，因此先对空气中的水蒸气进行分离达到富集的目的，再采用冷凝方法转化为液态水是一种较好的过程。

但是，吸附剂再生过程比较麻烦，再生过程需要消耗大量的热能，特别是当空气中水蒸气含量较低时，获取一定量的水，需要有大量的空气通过吸附剂，因此吸附设备的体积也十分庞大，而且为了保证制水过程的连续，吸附过程和再生过程均各需要一套设备，两者交替运行，这无疑进一步增加了设备的体积重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以较低能耗运行的从空气中回收液态水的装置和方法，其发挥类似于吸附法富集水蒸气，从而减少制冷设备体积和运行功耗的优点，同时又可以克服吸附法设备体积大，脱附过程能耗大的缺点，采用分离膜对水蒸气进行富集。

本发明的技术目的是通过以下技术方案来解决的：

一种基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，包括引风机、空气预处理装置、水蒸气富集装置、蒸汽压缩式制冷循环装置以及液态水净化回收装置，所述水蒸气富集装置包括分离膜组件以及与分离膜组件低压侧连通的真空泵，所述引风机入口依次与空气预处理装置以及分离膜组件高压侧入口连接，而分离膜组件低压侧出口则依次与真空泵、蒸汽压缩式制冷循环装置以及液态水净化回收装置连接；所述蒸汽压缩式制冷循环装置包括蒸发器、制冷压缩机、冷凝器以及截流阀，所述蒸发器热侧通道入口与真空泵出口连接，而该蒸发器热侧通道出口则与冷凝器冷侧通道连通，同时蒸发器热侧通道出口与冷凝器冷侧通道之间的连接管道与冷凝器风机的出口连通，且所述冷凝器风机入口以及冷凝器冷侧通道出口与外界环境接通，所述蒸发器冷侧通道出口、制冷压缩机、冷凝器热侧通道、截流阀以及蒸发器冷侧通道入口依次通过制冷剂管道连接，所述蒸发器的出水口则与液态水净化回收装置连接。

真空泵与蒸发器之间还设置有预冷器，所述真空泵出口、预冷器热侧通道以及蒸发器热侧通道依次连通，所述预冷器冷侧通道入口与预冷器风机出口连接，而预冷器冷侧通道出口以及预冷器风机入口则与外界环境接通。

所述蒸发器冷侧通道入口以及制冷压缩机出口之间通过管道连接，且该蒸发器冷侧通道入口以及制冷压缩机出口之间的连接管道上安装有电磁阀。

所述蒸发器为翅片管换热器，且蒸发器的出水口与其热侧通道连通。

所述液态水净化回收装置包括净化装置和水箱，所述水箱通过净化装置与蒸发器上的出水口水管管道连通。

所述真空泵为罗茨式、滑片式、涡旋式真空泵。

本发明的另一个技术目的是提供一种基于真空除湿膜从空气中回收液态水的方法，包括以下步骤：(1)空气预处理 将引风机引入的外界环境空气进行除杂处理，以获得洁净空气；(2)水蒸气富集 将经过步骤(1)预处理后的洁净空气引入分离膜组件高压侧，同时开启与分离膜组件低压侧连通的真空泵，以抽吸分离膜组件低压侧空间，使分离膜组件低压侧压力小于高压侧，实现空气中水蒸气从分离膜组件高压侧向低压侧的渗透，即分离膜组件低压侧制取了高湿度空气；(3)冷凝水的制备 采用蒸汽压缩式制冷循环装置进行步骤(2)获得的高湿度空气中水蒸气冷凝，以制备冷凝水，所述的蒸汽压缩式制冷循环装置包括蒸发器、制冷压缩机、冷凝器以及截流阀，将步骤(2)获得的高湿度空气通过蒸发器热侧通道以与流过该蒸发器冷侧通道内的制冷剂进行热交换，实现高湿度空气中水蒸气冷凝，在蒸发器内进行热交换后的高温制冷剂依次经过制冷压缩机压缩处理、冷凝器的冷却处理后通过截流阀再次作为制冷剂输入蒸发器冷侧通道，而在蒸发器内进行热交换后的低温高湿度空气将与外界环境空气混合后作为冷凝器的冷却介质输入冷凝器冷侧通道；(4)液态水回收 经过步骤(3)的处理，若所制备的冷凝水为液态水，则直接通过净水装置过滤杂质后输入水箱；若所制备的冷凝水为固态水，则将制冷压缩机出口的高温制冷剂流过蒸发器冷侧通道，将附着在蒸发器热侧通道上的固态水融化为液态水，再通过净水装置过滤杂质后输入水箱即可。

进一步地，所述步骤(2)中，分离膜低压侧的压力小于0.01MPa(等于0.1bar)。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、采用真空除湿膜对空气中的水蒸气进行分离，达到空气中水蒸气富集的目的，与吸附方法相比，工作过程连续、无腐蚀问题、易维护、能耗低、设备简单；

2、对空气中的水蒸气富集后再由蒸汽压缩式制冷设备将水蒸气冷凝，由于空气露点升高，蒸发温度也提高，压缩机能耗降低；

3、水蒸气被冷凝后的空气，其温度较低，因此与冷凝器冷却空气混合再对冷凝器中的高温制冷剂蒸汽冷却，可有效降低冷凝温度，进一步提高系统的性能系数。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，1为引风机；2为空气滤清器；3为分离膜组件；4为真空泵；5为预冷器；6为预冷器风机；7为蒸发器；8为电磁阀；9为节流阀；10为冷凝器风机；11为冷凝器；12为制冷压缩机；13为净水装置；14为水箱。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，包括引风机1、空气预处理装置、水蒸气富集装置、蒸汽压缩式制冷循环装置以及液态水净化回收装置，所述空气预处理装置即为空气滤清器2，其可以将引风机1引入的外界环境空气中的固体杂质去除，所述水蒸气富集装置包括分离膜组件3以及与分离膜组件3低压侧连通的真空泵4，所述蒸汽压缩式制冷循环装置包括蒸发器7、制冷压缩机12、冷凝器11以及截流阀，所述引风机1入口依次与空气预处理装置以及分离膜组件3高压侧入口连接，而分离膜组件3低压侧出口则依次与真空泵4、蒸发器7热侧通道以及冷凝器11冷侧通道连通，同时蒸发器7热侧通道出口与冷凝器11冷侧通道之间的连接管道与冷凝器风机10的出口连通，且所述冷凝器风机10入口以及冷凝器11冷侧通道出口与外界环境接通，所述蒸发器7冷侧通道出口、制冷压缩机12、冷凝器11热侧通道、截流阀以及蒸发器7冷侧通道入口依次通过制冷剂管道连接，即：所述蒸发器7冷侧通道出口和制冷压缩机12入口、制冷压缩机12出口与冷凝器11热侧通道入口、冷凝器11热侧通道出口与节流阀9入口、节流阀9出口与蒸发器7冷侧通道入口均通过制冷剂管道连接，所述蒸发器7的出水口则与液态水净化回收装置连接。

真空泵4与蒸发器7之间还设置有预冷器5，以将经过真空泵4加压升温后的来源于膜除湿组件低压侧的高湿度空气进行降温加湿处理后，再导入蒸发器7进行冷凝处理，所述真空泵4出口、预冷器5热侧通道以及蒸发器7热侧通道依次连通，所述预冷器5冷侧通道入口与预冷器风机6出口连接，而预冷器5冷侧通道出口以及预冷器风机6入口则与外界环境接通。

当来源于膜除湿组件低压侧的高湿度空气在蒸发器7内进行冷凝处理时，可能制备出固态的冷凝水，为保证冷凝水的顺利输送，本发明在所述蒸发器7冷侧通道入口以及制冷压缩机12出口之间通过管道连接，且该蒸发器7冷侧通道入口以及制冷压缩机12出口之间的连接管道上安装有电磁阀8。在通过电磁阀8的开启/关闭，以将制冷压缩机12出口的经过蒸发器7热交换处理的高温制冷剂输入/截止到蒸发器7热侧通道，进行蒸发器7热侧通道壁面上的固态冷凝水熔化处理。

所述蒸发器7为翅片管换热器，且蒸发器7的出水口与其热侧通道连通。

所述液态水净化回收装置包括净化装置和水箱14，所述水箱14通过净化装置与蒸发器7上的出水口水管管道连通。

所述真空泵4为罗茨式、滑片式、涡旋式真空泵4。

本发明所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置的工作原理如下：

当本发明所述回收液态水的装置需要从空气中制水时，开启引风机1，将外界环境空气通过空气滤清器2过滤固体杂质后通入分离膜组件3高压侧，同时开启真空泵4，使分离膜组件3低压侧压力降低，这样分离膜组件3膜壁两侧存在压差，在膜的作用下，高压侧空气中的大部分水蒸气和少量空气透过膜壁扩散到低压侧中，造成低压侧空气中的水蒸气含湿量较高，即水蒸气被富集，高压侧水蒸气被脱除的空气直接排入外界环境中，而低压侧高湿空气进入真空泵4被压缩到略高于外界环境压力，该过程中高湿空气的温度也上升，因此被引入预冷器5热侧通道，由预冷器风机6带来的流过预冷器5冷侧通道的外界环境空气降温后，再进入蒸发器7热侧通道，由流过蒸发器7冷侧通道的制冷剂降温，高湿空气中的水蒸气被冷凝成液态或固态水，从而完成制水过程；蒸发器7中的冷量由蒸汽压缩式制冷循环提供，该循环除蒸发器7外还包括制冷压缩机12、冷凝器11、节流阀9；制取的若为液态水，则直接通过设置在蒸发器7热侧通道的出水口汇集流入水箱14，若制取的是固态水，则当固态水达到一定质量后，打开电磁阀8，使压缩机出口的高温制冷剂蒸汽直接流入蒸发器7冷侧通道，从而将蒸发器7热侧通道内的固态水融化为液态水，再流入水箱14；考虑在制水过程中，蒸发器7热侧通道中的空气温度被降低，流出的空气仍然具有一定的冷量，故此将其与来自冷凝器风机10泵入的外界环境空气混合后，再送入冷凝器11冷侧通道，以降低冷凝温度，减少制冷压缩机12功耗。

本发明的另一个技术目的是提供一种基于真空除湿膜从空气中回收液态水的方法，包括以下步骤：(1)空气预处理 将引风机1引入的外界环境空气进行除杂处理，以获得洁净空气；(2)水蒸气富集 将经过步骤(1)预处理后的洁净空气引入分离膜组件3高压侧，同时开启与分离膜组件3低压侧连通的真空泵4，以抽吸分离膜组件3低压侧空间，使分离膜组件3低压侧压力小于0.01MPa(等于0.1bar)，即分离膜组件3低压侧压力小于高压侧，在分离膜组件3内，高压侧空气中的水蒸气和少量空气通过膜壁扩散到低压侧，因此低压侧内空气的水蒸气含湿量远大于高压侧空气，实现空气中水蒸气从分离膜组件3高压侧向低压侧的渗透，即分离膜组件3低压侧制取了高湿度空气，同时低压侧内的气体被真空泵4抽吸后进入预冷器5热侧通道内，与预冷器5冷侧通道中来自外界环境空气换热降温，离开预冷器5热侧通道的空气的相对湿度也增加，进一步形成了高湿空气，从而完成了水蒸气的富集，此外，分离膜组件3高压侧中水蒸气被脱除的空气直接排到外界环境中；(3)冷凝水的制备 采用蒸汽压缩式制冷循环装置进行步骤(2)获得的高湿度空气中水蒸气冷凝，以制备冷凝水，所述的蒸汽压缩式制冷循环装置包括蒸发器7、制冷压缩机12、冷凝器11以及截流阀，将步骤(2)获得的高湿度空气通过蒸发器7热侧通道以与流过该蒸发器7冷侧通道内的制冷剂进行热交换，实现高湿度空气中水蒸气冷凝，在蒸发器7内进行热交换后的高温制冷剂依次经过制冷压缩机12压缩处理、冷凝器11的冷却处理后通过截流阀再次作为制冷剂输入蒸发器7冷侧通道，而在蒸发器7内进行热交换后的低温高湿度空气将与外界环境空气混合后作为冷凝器11的冷却介质输入冷凝器11冷侧通道；(4)液态水回收 经过步骤(3)的处理，若所制备的冷凝水为液态水，则直接通过净水装置13过滤杂质后输入水箱14；若所制备的冷凝水为固态水，则将制冷压缩机12出口的高温制冷剂流过蒸发器7冷侧通道，将附着在蒸发器7热侧通道上的固态水融化为液态水，再通过净水装置13过滤杂质后输入水箱14即可。

Claims (8)

1.一种基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，其特征在于，包括引风机、空气预处理装置、水蒸气富集装置、蒸汽压缩式制冷循环装置以及液态水净化回收装置，所述水蒸气富集装置包括分离膜组件以及与分离膜组件低压侧连通的真空泵，所述引风机入口依次与空气预处理装置以及分离膜组件高压侧入口连接，而分离膜组件低压侧出口则依次与真空泵、蒸汽压缩式制冷循环装置以及液态水净化回收装置连接；所述蒸汽压缩式制冷循环装置包括蒸发器、制冷压缩机、冷凝器以及截流阀，所述蒸发器热侧通道入口与真空泵出口连接，而该蒸发器热侧通道出口则与冷凝器冷侧通道连通，同时蒸发器热侧通道出口与冷凝器冷侧通道之间的连接管道与冷凝器风机的出口连通，且所述冷凝器风机入口以及冷凝器冷侧通道出口与外界环境接通，所述蒸发器冷侧通道出口、制冷压缩机、冷凝器热侧通道、截流阀以及蒸发器冷侧通道入口依次通过制冷剂管道连接，所述蒸发器的出水口则与液态水净化回收装置连接。

2.根据权利要求1所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，其特征在于，真空泵与蒸发器之间还设置有预冷器，所述真空泵出口、预冷器热侧通道以及蒸发器热侧通道依次连通，所述预冷器冷侧通道入口与预冷器风机出口连接，而预冷器冷侧通道出口以及预冷器风机入口则与外界环境接通。

3.根据权利要求1所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，其特征在于，所述蒸发器冷侧通道入口以及制冷压缩机出口之间通过管道连接，且该蒸发器冷侧通道入口以及制冷压缩机出口之间的连接管道上安装有电磁阀。

4.根据权利要求1所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，其特征在于，所述蒸发器为翅片管换热器，且蒸发器的出水口与其热侧通道连通。

5.根据权利要求1所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，其特征在于，所述液态水净化回收装置包括净化装置和水箱，所述水箱通过净化装置与蒸发器上的出水口水管管道连通。

6.根据权利要求1所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的装置，其特征在于，所述真空泵为罗茨式、滑片式、涡旋式真空泵。

7.一种根据权利要求1所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)空气预处理将引风机引入的外界环境空气进行除杂处理，以获得洁净空气；

(2)水蒸气富集将经过步骤(1)预处理后的洁净空气引入分离膜组件高压侧，同时开启与分离膜组件低压侧连通的真空泵，以抽吸分离膜组件低压侧空间，使分离膜组件低压侧压力小于高压侧，实现空气中水蒸气从分离膜组件高压侧向低压侧的渗透，即分离膜组件低压侧制取了高湿度空气；

(3)冷凝水的制备采用蒸汽压缩式制冷循环装置进行步骤(2)获得的高湿度空气中水蒸气冷凝，以制备冷凝水，所述的蒸汽压缩式制冷循环装置包括蒸发器、制冷压缩机、冷凝器以及截流阀，将步骤(2)获得的高湿度空气通过蒸发器热侧通道以与流过该蒸发器冷侧通道内的制冷剂进行热交换，实现高湿度空气中水蒸气冷凝，在蒸发器内进行热交换后的高温制冷剂依次经过制冷压缩机压缩处理、冷凝器的冷却处理后通过截流阀再次作为制冷剂输入蒸发器冷侧通道，而在蒸发器内进行热交换后的低温高湿度空气将与外界环境空气混合后作为冷凝器的冷却介质输入冷凝器冷侧通道；

(4)液态水回收经过步骤(3)的处理，若所制备的冷凝水为液态水，则直接通过净水装置过滤杂质后输入水箱；若所制备的冷凝水为固态水，则将制冷压缩机出口的高温制冷剂流过蒸发器冷侧通道，将附着在蒸发器热侧通道上的固态水融化为液态水，再通过净水装置过滤杂质后输入水箱即可。

8.根据权利要求7所述基于真空除湿膜从空气中回收液态水的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，分离膜低压侧的压力小于0.01MPa。

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