CN103282724B - 用于借助蒸发冷却实现空气除湿和液体回收的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于通过在一个或更多个除湿单元中建立起湿度梯度而对空气除湿的系统和方法。进入除湿单元的相对湿的大气空气的水蒸气被除湿单元提取，但没有被基本冷凝到低压水蒸气真空容积中。水蒸气可以通过除湿单元的透水蒸气膜被提取到低压水蒸气真空容积中，由此减小空气的湿度。从空气提取的低压水蒸气被压缩到略高的压力、被冷凝并在环境条件下从系统去除。另外，每个除湿单元都可以与布置在其上游和/或下游的一个或更多个蒸发冷却单元相关联。在一个实施例中，除湿单元的功能是通过反复地接近理想的湿度比温度曲线而将湿度比和温度降低至期望的最终条件。

Description

用于借助蒸发冷却实现空气除湿和液体回收的系统和方法
背景技术
采暖通风与空调（HVAC）系统经常具有除湿系统，所述除湿系统被集成到冷却设备中以用于对受到这种系统调节的空气进行除湿。当在温暖和炎热环境中需要冷却时，受到冷却和除湿的空气将通常具有超过约0.009（每磅干空气中的H2O磅数）的湿度比。在这些环境中，HVAC系统传统地使用制冷压缩机来对空气进行显热冷却（sensiblecooling）并去除潜能（即，湿度）。空气典型地被冷却到约55°F，该温度将H2O从空气冷凝出来，直到使空气约100%饱和（即，达到约100%的相对湿度）为止。55°F的温度将湿度比降低到每磅干空气中约有0.009磅的H2O，这是在55°F下的水蒸气饱和点，导致几乎100%的相对湿度。当该空气变暖到约75°F时，湿度比保持几乎相同，而相对湿度降低到约50%。该传统除湿方法需要将空气冷却到约55°F，并且通常可以实现的性能系数（COP）约为3至5。
发明内容
与本发明的范围相称的某些实施例概述如下。这些实施例不意欲限制所要求保护的本发明的范围，这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可以包含各种可以与以下阐述的实施例类似或不同的形式。
在第一实施例中，提供一种用于从空气流去除水蒸气的除湿系统，该除湿系统包括：通过膜分离的第一通道和第二通道。所述膜被构造用于，通过帮助来自水蒸气的H2O通行经过所述膜的能渗透容积至所述第二通道并基本上阻隔空气流的所有其它成分通行经过所述膜，实现帮助从流经所述第一通道的空气流去除水蒸气。所述系统还包括蒸发冷却单元，所述蒸发冷却单元被构造用于冷却空气流。所述系统还包括压力增大装置，所述压力增大装置被构造用于在所述第二通道内产生比所述第一通道内更低的水蒸气分压力，以便使H2O运动经过所述膜至所述第二通道。所述压力增大装置还被构造用于将所述压力增大装置的出口处的水蒸气压力增大至在适于随后冷凝成液态水的范围内的水蒸气分压力。
在第二实施例中，一种系统包括用于从空气流去除H2O蒸汽的除湿单元。所述除湿单元包括：空气通道，所述空气通道被构造用于接收入口空气流和排出出口空气流。所述除湿单元还包括与所述空气通道相邻的透H2O材料。所述透H2O材料被构造用于选择性地允许来自入口空气流中的H2O蒸汽的H2O通行经过所述透H2O材料至所述透H2O材料的抽吸侧，并基本上阻隔入口空气流中的其它成分通行经过所述透H2O材料至所述透H2O材料的抽吸侧。所述系统还包括蒸发冷却单元，所述蒸发冷却单元被构造用于冷却空气流。所述系统还包括压力增大装置，所述压力增大装置被构造用于在所述透H2O材料的抽吸侧上产生比入口空气流中的H2O蒸汽的分压力更低的H2O蒸汽的分压力，从而驱动来自入口空气流中的H2O蒸汽的H2O通行经过所述透H2O材料，并使得在所述压力增大装置的出口处的压力增大到适于将H2O蒸汽冷凝成液态H2O的H2O蒸汽的分压力。
在第三实施例中，一种方法包括：接收包括H2O蒸汽在内的空气流至除湿单元的空气通道中，其中，空气流具有H2O蒸汽第一分压力。所述方法还包括经由蒸发冷却单元冷却空气流。所述方法还包括利用横过所述除湿单元的透H2O材料的压差将H2O通过所述透H2O材料抽吸到所述除湿单元的H2O蒸汽通道中。所述H2O蒸汽通道具有低于空气流的H2O蒸汽第一分压力的H2O蒸汽第二分压力。此外，所述方法包括将来自所述H2O蒸汽通道的H2O蒸汽接收到压力增大装置中，并且将来自所述压力增大装置的H2O蒸汽的压力增大到高于所述H2O蒸汽第二分压力的H2O蒸汽第三分压力。
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，本发明所披露的实施例的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，贯穿附图相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明实施例的具有除湿单元和一个或更多个蒸发冷却单元的HVAC系统的示意图；
图2A是根据本发明实施例的具有多个平行空气通道和水蒸气通道的图1的除湿单元的透视图；
图2B是根据本发明实施例的具有位于单个水蒸气通道内的单个空气通道的图1的除湿单元的透视图；
图3是根据本发明实施例的图1、图2A和图2B的除湿单元的空气通道和相邻的水蒸气通道的平面图；
图4是根据本发明实施例的利用膜形成的分离模块的透视图，其可以用作图1至图3的除湿单元的水蒸气通道；
图5是根据本发明实施例的流经图1至图3的除湿单元的湿空气的温度和湿度比的温湿图；
图6是根据本发明实施例的图1的HVAC系统和除湿单元以及一个或更多个蒸发冷却单元的示意图，其具有用于从除湿单元的水蒸气提取室中的水蒸气去除不冷凝成分的真空泵；
图7是根据本发明实施例的图6的HVAC系统和除湿单元以及一个或更多个蒸发冷却单元的示意图，其具有用于控制HVAC系统和除湿单元的各种操作条件的控制系统；
图8是根据本发明实施例的HVAC系统的示意图，其具有布置在除湿单元上游的蒸发冷却单元；
图9A是根据本发明实施例的流经图8的直接蒸发冷却单元和除湿单元的空气的温度和湿度比的温湿图；
图9B是根据本发明实施例的流经图8的间接蒸发冷却单元和除湿单元的空气的温度和湿度比的温湿图；
图10是根据本发明实施例的HVAC系统的示意图，其具有布置在除湿单元下游的蒸发冷却单元；
图11A是根据本发明实施例的流经图10的除湿单元和直接蒸发冷却单元的空气的温度和湿度比的温湿图；
图11B是根据本发明实施例的流经图10的除湿单元和间接蒸发冷却单元的空气的温度和湿度比的温湿图；
图12A是根据本发明实施例的流经多个除湿单元和多个直接蒸发冷却单元的空气的温度和湿度比的温湿图；和
图12B是根据本发明实施例的流经多个除湿单元和多个间接蒸发冷却单元的空气的温度和湿度比的温湿图。
具体实施方式
在此将描述本发明的特定实施例。为了简洁描述这些实施例，在本说明书中不会说明实际实施方案的所有结构件。应当理解，在开发任何这种实际实施方案的过程中，如在任何工程或设计项目中，必须做出多个针对实施方案而言是特定的决策以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关的约束条件和与商业有关的约束条件，而这些约束条件对各个实施方案会变化。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂的和耗时的，但尽管如此，其对于受益于本发明的本领域技术人员而言将是设计、装配和制造的例行任务。
当介绍本发明的各个实施例的元件时，“一（a,an）”、“该（the）”和“所述（said）”意指有一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是包罗广泛的，并且意味着可以有除了所列举元件以外的其它元件。
本文公开的主题涉及除湿系统，并且更具体地，涉及能够在没有初始冷凝的情况下通过在除湿单元中建立起湿度梯度而对空气除湿的系统和方法。在一个实施例中，透水蒸气材料（即，透水蒸气膜）沿着将空气通道与次级通道或室分离的至少一个界限使用，以帮助从通行经过空气通道的空气中去除水蒸气。通过透水蒸气材料而与空气通道分离的次级通道或室可以经由透水蒸气材料接收从空气通道提取的水蒸气。
在某些实施例中，除湿单元可以与一个或更多个蒸发冷却单元结合使用。例如，在某些实施例中，蒸发冷却单元可以布置在除湿单元上游，并且从蒸发冷却单元驱逐的空气被导引进入除湿单元的入口中。相反地，在其它实施例中，除湿单元可以布置蒸发冷却单元上游，从除湿单元驱逐的空气被导引到蒸发冷却单元的入口中。实际上，在其它实施例中，多个除湿单元可以与布置在这些除湿单元之间的多个蒸发冷却单元一起使用。使用多个除湿单元和多个蒸发冷却单元能够在温湿图上实现从入口空气的温度和湿度比的初始条件以“锯齿状”进展到出口空气的温度和湿度比的期望最终条件。换言之，各个除湿单元在基本恒定的温度下相继地对空气除湿，而各个蒸发冷却单元相继地冷却（并在直接蒸发冷却的情况下增湿）空气，直到实现温度和湿度比的期望最终条件为止。
在操作中，透水蒸气材料允许H2O（H2O可以称为水分子、气态水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子或它们的组合的H2O）从空气通道通过透水蒸气材料流到次级通道或室，并同时基本阻隔流经空气通道的空气的其它成分流动通行经过透水蒸气材料。这样，透水蒸气材料通过从空气仅仅主要地去除水蒸气而减小流经空气通道的空气的湿度。对应地，次级通道或室主要地填充有水蒸气。应当注意到，可以通过压差帮助H2O通行经过透水蒸气材料。实际上，可以在次级通道或室中产生更低的水蒸气分压力（即，此分压力小于在空气通道中的水蒸气分压力）以进一步帮助H2O通行经过透水蒸气材料。因此，透水蒸气材料的与空气通道相对的一侧可以称为透水蒸气材料的抽吸侧。
一旦H2O已经通行经过透水蒸气材料，则用真空泵将透水蒸气材料的抽吸侧上的水蒸气分压力增大至使水蒸气能够被冷凝器冷凝所需要的最小饱和压力。即，依据用于冷凝的期望条件，真空泵将水蒸气压缩到在适于使水蒸气冷凝成液态水的范围内的压力（例如，约0.25磅每平方英寸绝对压力（psia）至1.1磅每平方英寸绝对压力的范围，其较高值应用于使用多个串联的除湿单元的实施例）。然后，冷凝器将水蒸气冷凝成液态，并且所产生的液态水继而被加压到约大气压力，使得液态水可以在环境大气条件下除去。通过在驱逐水蒸气之前将水蒸气冷凝成液态，提供了某些功效。例如，将液态水加压到大气压力所需要的能量显著少于将水蒸气加压到大气压力所需要的能量。还应当注意到，本文所描述的除湿单元总体上使用了显著少于传统系统的能量。
虽然本文描述的实施例主要表现为能够从空气去除水蒸气，但是其它实施例也可以实现从空气去除其它H2O成分。例如，在某些实施例中，可以使用透H2O材料代替透水蒸气材料。这样，透H2O材料可以允许多个H2O成分（即，水分子、气态水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子等等）中的一个、全部或任何组合从空气通道通过透H2O材料流到次级通道或室，并同时基本阻隔流经空气通道的空气的其它成分流动通行经过透H2O材料。换言之，所公开的实施例不限于从空气去除水蒸气，也可以从空气去除H2O（即，在H2O的任一种状态下）。然而，为了简明起见，本文说明的实施例主要集中在从空气去除水蒸气上。
图1是根据本发明实施例的具有除湿单元10和一个或更多个蒸发冷却单元12的HVAC系统8的示意图。在某些实施例中，如图所示，除湿单元10可以从位于除湿单元10的入口侧上的第一蒸发冷却单元12接收湿度相对高的入口空气14A。此外，在某些实施例中，除湿单元10可以将湿度相对低的出口空气14B驱逐到设置在除湿单元10的出口侧上的第二蒸发冷却单元12中。本文将更加详细地说明蒸发冷却单元12的多个方面及其在HVAC系统8中的定位。具体而言，虽然图1示出蒸发冷却单元12位于除湿单元10的入口侧和出口侧，但是在其它实施例中，HVAC系统8可以仅包括在除湿单元10上游的蒸发冷却单元12，或仅包括在除湿单元10下游的蒸发冷却单元12。此外，在更加复杂的布置中，多个除湿单元10可以与多个蒸发冷却单元12一起使用。
除湿单元10可以包括供空气14（即，入口空气14A和出口空气14B）流动经过的一个或更多个空气通道16。另外，除湿单元10可以包括与一个或更多个空气通道16相邻的一个或更多个水蒸气通道18。如图1中所示，空气14不流经水蒸气通道18。然而，本文说明的实施例能够使来自空气通道16中的空气14的水蒸气通行至水蒸气通道18，因而对空气14除湿并且使水蒸气积聚在水蒸气通道18中。具体而言，来自空气通道16中的空气14的水蒸气可以被允许流动经过在相邻的空气通道16与水蒸气通道18之间的界面20（即，屏障或膜），同时空气14的其它成分（例如，氮气、氧气、二氧化碳等等）被阻隔而不能流动经过界面20。总的来说，水蒸气通道18被密封以产生低压，拉引来自空气通道16中的空气14的水蒸气作为H2O通过界面20（即，作为水分子、气态水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子等通过界面20）。
这样，在空气通道16与相邻的水蒸气通道18之间建立起湿度梯度。通过空气通道16与相邻的水蒸气通道18之间的压力梯度产生湿度梯度。具体而言，在水蒸气通道18中的水蒸气分压力维持在低于空气通道16中的水蒸气分压力的水平，以便使流动经过空气通道16的空气14中的水蒸气趋向于流向界面20的抽吸侧（即，水蒸气通道18具有更低的水蒸气分压力）。
根据本实施例，可以基本阻隔除H2O以外的空气成分通行经过界面20。换言之，在某些实施例中，可以阻隔除H2O以外的约95%或更多、约96%或更多、约97%或更多、约98%或更多或者约99%或更多的空气14成分（例如，氮气、氧气、二氧化碳等等）通行经过界面20。当与阻隔除H2O以外100%的空气14成分的理想界面20比较时，阻隔除H2O以外的99.5%的成分的界面20将会遭遇约2%至4%的效率减小。这样，除H2O以外的成分会被周期性地净化，以将这些对效率的负面影响减到最小。
图2A是根据本发明实施例的、具有多个平行的空气通道16和水蒸气通道18的图1的除湿单元10的透视图。在图2A中所示的实施例中，空气通道16和水蒸气通道18是大致直线的通道，其在相邻的空气通道16与水蒸气通道18之间提供了大量的界面20表面积。另外，大致直线的通道16、18使得水蒸气26A能够在空气14离开空气通道16之前沿着空气通道16的路径被去除。换言之，相对湿的入口空气14A（例如，具有55℉或更高的露点从而适于被空气调节的空气）直地通过空气通道16，并且作为相对干的出口空气14B离开，因为湿气已经随着空气14沿着界面20的大气压力侧（即，界面20在空气通道16中的一侧）横过而被去除。在其中单个单元除湿到60℉饱和压力或更低的实施例中，界面20的抽吸侧（即，界面20在水蒸气通道18中的一侧）上的水蒸气分压力将被大致维持在低于界面20的大气压力侧上的水蒸气分压力。
如图2A中所示，每个水蒸气通道18都连接水蒸气通道出口22，水蒸气通道18中的水蒸气通过水蒸气通道出口22被去除。如图2A中所示，在某些实施例中，可以经由水蒸气出口歧管24连接水蒸气通道出口22，其中，来自全部水蒸气通道18的水蒸气26A被组合在单个水蒸气真空容积28（例如管或室）中。还可以实施空气通道16和水蒸气通道18的其它构造。作为另一个示例，图2B是根据本发明实施例的具有被定位在单个水蒸气通道18内的单个空气通道16的图1的除湿单元10的透视图。如图所示，空气通道16可以是柱形空气通道，其被定位在更大的同心柱形水蒸气通道18内。图2A和图2B所示实施例仅是示例性的，并不意在是限制性的。
图3是根据本发明实施例的图1、图2A和图2B的除湿单元10的空气通道16和相邻的水蒸气通道18的平面图。在图3中，水蒸气26的描绘被夸大以用于示意性目的。具体而言，来自空气14的水蒸气26示出为作为H2O流经在空气通道16与相邻的水蒸气通道18之间的界面20（即，作为水分子、气态水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子等经过界面20）。相反地，空气14的其它成分30（例如，氮气、氧气、二氧化碳等等）示出为在空气通道16与相邻的水蒸气通道18之间被阻隔而不能流经界面20。
在某些实施例中，界面20可以包括膜，所述膜可透过水蒸气，并允许H2O流经膜的可渗透容积，同时阻隔其它成分30流动。再次地，应当注意到，当H2O通行经过界面20时，H2O实际上会作为水（例如，作为水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子等等）的状态中的一种、全部或任何组合通行经过界面20。例如，在一个实施例中，界面20可以吸附/解吸水分子。在另一个示例中，界面20可以吸附/解吸水分子，并能够让水蒸气通行经过。在其它实施例中，界面20可以帮助水以其它状态组合通行。界面20沿着空气14的流动路径延伸。这样，随着相对湿的入口空气14A流经空气通道16，水蒸气26持续地从界面20的一侧被去除。因此，随着空气14沿着空气通道16的流动路径前进并从入口空气14A位置到出口空气14B位置持续地接触与空气通道16相邻的界面20，通过使水蒸气26与空气14的其它成分30递增地分离而实现对流经空气通道16的空气14除湿。
在某些实施例中，水蒸气通道18在使用除湿单元10之前被抽空，以便在水蒸气通道18中产生更低的水蒸气26的分压力（即，该分压力小于空气通道16中的水蒸气的分压力）。例如，在正常操作期间，水蒸气通道18中的水蒸气26的分压力可以在约0.10psia至0.25psia的范围内，其对应于除湿到60℉饱和压力或更低。在该示例中，在0.01psia范围内的初始条件可以用于去除不冷凝性物，而空气通道16中的水蒸气的分压力可以在约0.2psia至1.0psia的范围内。然而，在某些时候，水蒸气通道18中的水蒸气分压力与空气通道16中的水蒸气分压力之间的压差可以低至（或低于）0.01psia。水蒸气通道18中的更低的水蒸气分压力进一步帮助水蒸气26从空气通道16流到水蒸气通道18，这是因为流经空气通道16的空气14处于当地大气压力下（即，在海平面处约14.7psia）。由于空气通道16中的空气14中的水蒸气分压力大于水蒸气通道18中的水蒸气26的分压力，从空气通道16到水蒸气通道18产生压力梯度。如上所描述地，在相邻的空气通道16与水蒸气通道18之间的界面20提供了屏障，并基本上仅允许水蒸气26从空气通道16中的空气14流入水蒸气通道18中。这样，流经空气通道16的空气14从入口空气14A到出口空气14B将总体上减小湿度。
使用透水蒸气膜作为空气通道16与水蒸气通道18之间的界面20，这具有许多优点。具体而言，在某些实施例中，不需要额外的能量来产生从空气通道16到水蒸气通道18的湿度梯度。另外，在某些实施例中，不涉及再生操作，并且不产生环境排放物（例如，固体、液体、或气体）。实际上，根据一个实施例，可以在远远大于用于从空气流直接冷凝水的压缩机技术的能量效率下经由透水膜（即，界面20）将水蒸气26与空气14的其它成分30分离。
因为透水蒸气膜对水蒸气是可以高度透过的，并且因为流经空气通道16的空气14不必被显著地加压以帮助H2O通行经过界面20，所以操作除湿单元10的成本可以减到最小。透水蒸气膜对于渗透来自空气14的水蒸气而言也具有高度的选择性。换言之，透水蒸气膜在防止除了水蒸气以外的空气14的成分30进入水蒸气通道18的方面是非常有效的。这是有利的，因为H2O因压力梯度（即，由于在水蒸气通道18中的更低的水蒸气分压力）通行经过界面20，并且任何渗透或泄露到水蒸气通道18中的空气14将增加用于抽空水蒸气通道18的真空泵的功率消耗。另外，透水蒸气膜足够坚固以抵抗空气通道16和水蒸气通道18的空气污染、生物降解和机械腐蚀。根据一个实施例，透水蒸气膜还可以抵抗在炎热的、潮湿的空气环境中的细菌附着和生长。
用于透水蒸气膜（即，界面20）的材料的一个示例是被支撑在多孔金属薄片上的沸石。具体而言，在某些实施例中，超薄（例如，小于约2μm）的致密沸石薄膜片可以沉积在约50μm厚的多孔金属片上。所得到的膜片可以被包装成待在除湿单元10中使用的膜分离模块。图4是利用膜形成的分离模块32的透视图，所述分离模块可以用作根据本发明实施例的图1至图3的除湿单元10的水蒸气通道18。两个膜片34、36可以被折叠并附装在一起成大致矩形形状，其带有宽度wmsm约为5mm的水蒸气通道。分离模块32可以定位在除湿单元10内，以便使覆膜表面暴露于空气14。薄的金属支撑片减少了金属原材料的重量和成本，并且也使得对通过被沉积在膜片34、36上的透水蒸气薄膜扩散的H2O的阻力减到最小。金属片34、36的金属性质提供用于包装的机械强度和柔韧性，以便使分离模块32可以承受住大于约60psi（即，约4倍的大气压力）的压力梯度。
水蒸气与空气14的其它成分30的分离可以产生的水蒸气渗透通量约为1.0kg/m2/h（例如，在约0.5kg/m2/h至2.0kg/m2/h的范围内），并且可以产生的水蒸气对空气选择性的范围约为5-200+。这样，与其它具有生产成本相对低的传统除湿技术相比，除湿单元12的效率相对高。作为示例，在环境条件下对1吨空气冷却负荷除湿会需要约7m2至10m2的界面20的膜面积。为了处理这种空气冷却负荷，在某些实施例中，可以使用17至20个具有约450mm的高度hmsm、约450mm的长度lmsm和约5mm的宽度wmsm的分离模块32。这些分离模块32可以并排组装在除湿单元10中，并在分离模块32之间留有约2mm的空隙。这些空隙限定出供空气14流经的空气通道16。在该示例中所述的测量值仅是示例性的并且意在不是限制性的。
图5是根据本发明实施例的流经图1至图3的除湿单元12的潮湿空气14的温度和湿度比的温湿图38。具体而言，温湿图38的x轴40与流经图1的空气通道16的空气14的温度对应，温湿图38的y轴42与流经空气通道16的空气14的湿度比对应，并且曲线44表示流经空气通道16的空气14的水蒸气饱和曲线。如46线所示，因为从流经空气通道16的空气14去除了水蒸气，所以来自图1至图3的除湿单元12的出口空气14B湿度比（即，点48）低于进入图1至图3的除湿单元12的入口空气14A的湿度比（即，点50），而出口空气14B和入口空气14A的温度是基本相同的。
现在参照图1，如上所描述地，在除湿单元10的水蒸气通道18中产生更低的水蒸气26的分压力（即，此分压力小于空气通道16中的水蒸气的分压力），以便进一步帮助H2O从空气通道16通过界面20通行到水蒸气通道18。在某些实施例中，水蒸气通道18可以在最初用真空泵52抽空。具体而言，真空泵52可以抽空水蒸气通道18和水蒸气真空容积28，以及图2A的水蒸气出口22和水蒸气歧管24。然而，在其它实施例中，可以使用与真空泵52分离的泵来抽空水蒸气通道18、水蒸气真空容积28、水蒸气出口22和水蒸气歧管24。如图1中所示，从除湿单元10中的空气14去除的水蒸气26会在水蒸气真空容积28中（即，真空泵52的抽吸侧）的水蒸气26A和从真空泵52的排出侧（即，出口）驱逐的水蒸气26B（即，输送到冷凝单元的水蒸气26B）之间区分开。总的来说，从真空泵52驱逐的水蒸气26B将具有比水蒸气真空容积28中的水蒸气26A稍为更高的压力和更高的温度。真空泵52可以是能够维持真空泵52的抽吸侧上的压力低于湿空气14中的水蒸气的分压力的压缩机或任何其它适当的压力增大装置。
例如，维持在水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低分压力可以处于约0.15psia至0.25psia的范围内，该范围对应于约45℉至60℉的饱和温度，水蒸气26A典型地在约65℉至75℉的范围内。然而，在其它实施例中，水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的水蒸气的分压力可以维持在约0.01psia至0.25psia的范围内，并且水蒸气26A的温度维持在约55℉直到最高环境空气温度的范围内。特定实施例可以经设计用于将水蒸气真空容积28中的分压力降低到0.01psia的范围以增大用于去除来自空气14的水蒸气的能力，从而使得蒸发冷却器当大气条件允许该操作模式时能够处理整个空调负荷。
在某些实施例中，真空泵52是低压泵，其构造成将水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的压力降低到低于在界面20的大气侧上的水蒸气的分压力（即，空气通道16中的空气14的分压力）。在真空泵52的排出侧上，水蒸气的分压力26B已经增高到正好足以帮助水蒸气（即，在冷凝单元54中）冷凝。实际上，真空泵52构造成增大压力，以便使冷凝单元54中的水蒸气26B的压力接近于冷凝单元54中的最小饱和压力。
作为示例，当在操作中时，空气14可以在0.32psia的水蒸气分压力下进入系统，该水蒸气分压力对应于每磅干空气中有0.014磅H2O的湿度比。该系统可以经设定用于从空气14的每磅干空气中去除0.005磅的H2O。横过界面20的压差可以用于产生出H2O经过界面20的流动。例如，水蒸气真空容积28中的水蒸气分压力可以设定成约0.1psia。水蒸气26B的压力由真空泵52在基本绝热过程中增大，并且随着水蒸气26B的压力增大，温度也增大（与横过界面20的相对可忽略的温差对照）。这样，如果例如水蒸气26B的压力在真空泵52中增大了0.3psia（即，至约0.4psia），则冷凝单元54能够使水蒸气26B在约72℉至73℉的温度下冷凝，并且水蒸气26B的温度将增大到基本高于冷凝器温度的温度。该系统可以持续监测上游的水蒸气26A和下游的水蒸气26B二者的压力和温度条件以确保从真空泵52驱逐的水蒸气26B具有正好足够高的水蒸气分压力来帮助冷凝单元54中的冷凝。应当注意到，该情形中存在的压力值和温度值仅是示例性的并且意在不是限制性的。
注意到，随着从进入真空泵52的水蒸气26A到离开真空泵52的水蒸气26B的压差增大，除湿单元10的效率降低。例如，在优选的实施例中，真空泵52将设定成将冷凝单元54中的水蒸气26B的压力调整成略高于在被冷凝单元54用于冷凝水蒸气26B的冷却介质（即，空气或水）的最低环境温度下的饱和压力。在另一个实施例中，水蒸气26B的温度可以用于控制冷凝单元54中的压力。从真空泵52驱逐的水蒸气26B的温度可以基本高于湿空气14A（例如，该温度可以依据各种因素达到200℉或更高）。因为真空泵52仅将水蒸气26B的压力增大到帮助水蒸气26B冷凝的点（即，近似于饱和压力），所以真空泵52需要的功率较小，由此从除湿单元10获得高效率。
一旦水蒸气26B已经被真空泵52略微加压（即，压缩），则水蒸气26B被导引到冷凝单元54中，在所述冷凝单元54中水蒸气26B冷凝成液体状态。在某些实施例中，冷凝单元54可以包括冷凝线圈56、管道/管冷凝器、平板冷凝器、或任何其它适当的用于导致温度低于水蒸气26B的冷凝点的系统。冷凝单元54可以被空气冷却或被水冷却。例如，在某些实施例中，冷凝单元54可以通过环境空气或来自冷却塔的水冷却。这样，由于环境空气和冷却塔水二者被相对无限地供给，操作冷凝单元54的成本可以是较低的。
一旦水蒸气26B已经冷凝成液体状态，在某些实施例中，来自冷凝单元54的液态水可以被导引到用于暂时储存饱和蒸汽和液态水的储器58中。然而，在其它实施例中，可以不使用储器58。在任一种情况下，来自冷凝单元54的液态水可以被导引到液体泵60（即，输水装置）中，在所述液体泵60中来自冷凝单元54的液态水的压力增大到大约大气压力（即，约14.7psia），以便使液态水可以在环境条件下排出。这样，液体泵60的尺寸可以设定成正好足够大以将来自冷凝单元54的液态水的压力增大到约大气压力。因此，操作液体泵60的成本可以相对地低。另外，来自液体泵60的液态水可以由于液态水的压力增大而温度略微升高。这样，在某些实施例中，被加热的液态水可以被运输以用于用作生活热水，从而通过收回被传递到液态水中的热而进一步提高系统的效率。
虽然如上所描述地，在空气通道16与水蒸气通道18之间的界面20通常仅允许H2O从空气通道16传递到水蒸气通道18，但是在某些实施例中，非常少量的空气14的其它成分30（例如，小于1%的氧气（O2）、氮气（N2）或其它不冷凝的成分）可以允许从空气通道16通过界面20传递到水蒸气通道18。随着时间的过去，其它成分30的量可以在水蒸气通道18中（以及在图2A的水蒸气真空容积28、水蒸气出口22和水蒸气歧管24中）累积起来。总的来说，在冷凝单元54中所使用的冷凝器温度的范围下，这些其它成分30不冷凝。这样，成分30会不利地影响真空泵52和真空泵52下游的所有其它设备（具体而言是冷凝单元54）的性能。
因此，在某些实施例中，可以使用第二真空泵以周期性地净化来自水蒸气真空容积28的其它成分30。图6是根据本发明实施例的图1的HVAC系统8和除湿单元10以及一个或更多个蒸发冷却单元12的示意图，其具有用于从除湿单元10的水蒸气真空容积28中的水蒸气26A中去除不冷凝成分30的真空泵62。在某些实施例中，真空泵62可以与用于抽空水蒸气真空容积28（以及水蒸气通道18、水蒸气出口22和水蒸气歧管24）以产生上述更低的水蒸气分压力来帮助H2O从空气通道16通过界面20传递到水蒸气通道18的泵相同。然而，在其它实施例中，真空泵62可以与用于抽空水蒸气真空容积28以产生更低的水蒸气分压力的泵不同。
本文所描述的除湿单元10还可以在各种操作状态之间加以控制并且基于除湿单元10的操作条件加以调节。例如，图7是根据本发明实施例的图6的HVAC系统8和除湿单元10以及一个或更多个蒸发冷却单元12的示意图，其具有用于控制HVAC系统8和除湿单元10以及一个或更多个蒸发冷却单元12的各种操作条件的控制系统64。控制系统64可以包括一个或更多个处理器66，例如，一个或更多个“通用”微处理器、一个或更多个专用微处理器和/或ASICS（专用集成电路）、或这些处理部件的某一组合。处理器66可以使用输入/输出（I/O）装置68，其例如用于对除湿单元10的部件（即，真空泵52、62；冷凝单元54；储器58；液体泵60；其它设备，例如，将入口空气14A吹入经过除湿单元10的风扇、构造用于产生出与入口空气14A和出口空气14B的特征相关的信号的传感器等）和一个或更多个蒸发冷却单元12接收信号和发送控制信号。处理器66可以把这些信号作为输入，并且计算如何控制除湿单元10的这些部件和一个或更多个蒸发冷却单元12的功能性，以便最大效率地冷却空气14，并同时还从流经除湿单元10的空气14去除水蒸气26。控制系统64还可以包括非暂时性计算机可读介质（即，存储器70），所述非暂时性计算机可读介质例如可以存储待被控制系统64的一个或更多个处理器66处理的指令或数据。
例如，控制系统64可以构造成通过开启或关闭真空泵62或通过调节真空泵62去除水蒸气26A的不冷凝成分30的速率来控制从除湿单元10的水蒸气真空容积28去除水蒸气26A的不冷凝成分30的速率。更具体地，在某些实施例中，控制系统64可以接收来自水蒸气真空容积28中的传感器的信号，所述传感器检测何时水蒸气真空容积28中所容纳的水蒸气26A的不冷凝成分30过多。去除不冷凝成分的这个过程将以循环的方式操作。在从空气14去除水蒸气26的“正常”操作中，真空泵62将不操作。随着不冷凝成分30在水蒸气真空容积28中累积起来，水蒸气真空容积28中的内部压力将最终达到设定点。此刻，真空泵62将开启，并去除所有成分（即，不冷凝成分30以及H2O二者，包括水蒸气在内），直到水蒸气真空容积28中的内部压力达到另一设定点（例如，低于起始真空压力）为止。然后，真空泵62关闭，除湿单元10返回到正常操作模式。设定点可以被预设定或动态地确定。一种优选的方法是使真空泵62仅以间歇的方式在净化模式中操作。
可以由控制系统64实现的控制类型的另一个示例是调节水蒸气真空容积28（以及水蒸气通道18、水蒸气出口22和水蒸气歧管24）中的水蒸气26A的更低分压力，以修改除湿单元10的水蒸气去除能力和效率比。例如，控制系统64可以接收来自水蒸气真空容积28、水蒸气通道18、水蒸气出口22和/或水蒸气歧管24中的压力传感器的信号、以及除此以外由与入口空气14A和出口空气14B的特征（例如，温度、压力、流速、相对湿度等）相关的传感器所产生的信号。控制系统64可以使用该信息来确定如何（例如相对于流经空气通道16的空气14中的水蒸气的分压力）调节水蒸气26A的更低的分压力，从而增大或减小从空气通道16经过界面20去除水蒸气26到水蒸气通道18的速率。
例如，如果期望去除更多的水蒸气，则可以减小水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力，并且相反地，如果期望去除更少的水蒸气，则可以增大水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力。此外，在某些实施例中，除湿（即，水蒸气去除）的量可以循环以提高除湿单元10的效率。更具体地，在某些操作条件下，除湿单元10可以在较高的水蒸气去除速率下更加有效地发挥功能。这样，在某些实施例中，除湿单元10可以循环，以便在一段时间内从空气14去除最大量的水蒸气，然后在一段时间内相对地不从空气14去除水蒸气，再在一段时间内从空气14去除最大量的水蒸气，以此类推。换言之，除湿单元10可以以全水蒸气去除能力操作数个周期，这数个周期与不去除水蒸气的其它数个周期交替。另外，控制系统64可以构造成控制除湿单元10的开机和停机顺序。
除湿单元10和蒸发冷却单元12可以在变化的操作条件下以多种多样的模式设计和操作。总的来说，除湿单元10将在比流经空气通道16的空气14的水蒸气分压力低的水蒸气分压力下与水蒸气真空容积28（以及水蒸气通道18、水蒸气出口22和水蒸气歧管24）一起。在某些实施例中，除湿单元10和蒸发冷却单元12可以优化以用于专用室外空气系统（DOAS）用途，其中，空气14的温度可以在约55℉至100℉的范围内，并且空气14的相对湿度在约55%至100%的范围内。在其它实施例中，除湿单元10和蒸发冷却单元12可以优化以用于再循环空气的生活使用，所述再循环空气的温度在约70℉至85℉的范围内，并且所述再循环空气的相对湿度在约55%至65%的范围内。类似地，在某些实施例中，除湿单元10和蒸发冷却单元12可以优化以用于在商业建筑再循环空气系统中对外部空气除湿，被其除湿的入口空气14A的温度在约55℉至110℉的范围内，并且相对湿度在约55%至100%的范围内。出口空气14B具有小于入口空气14A的湿度，并具有与入口空气14A大约相同的温度，除非对出口空气14B执行冷却以外。
由于需要用于对空气14A除湿的压力相对低，本文说明的除湿单元10比传统除湿系统需要的操作功率更少。这至少部分地归因于以下事实，即，界面20（即，透水蒸气膜）能够有效地从空气14去除水蒸气26，而无需过大的压力来迫使水蒸气26通过界面20。例如，在一个实施例中，操作除湿单元10所需要的最小功率仅包括：使空气14运动通过除湿单元10所需要的风扇功率；将水蒸气26压缩到近似饱和压力（例如压缩到约1.0psia，或者压缩到与例如约100℉的给定冷凝温度对应的饱和压力）的真空泵52的压缩功率；冷凝单元54的泵送和/或风扇功率（例如，依据冷却塔水或环境空气是否用作冷却介质）；在环境条件下排出来自冷凝单元54的液态水的液体泵60的泵送功率；以及净化泄漏到除湿单元10的水蒸气真空容积28中的不冷凝成分30的真空泵62的功率。这样，操作除湿单元10所需要的相对主要的功率成分仅是真空泵52的将水蒸气26压缩到近似饱和压力（例如仅压缩到约1.0psia，或者压缩到与诸如约100℉的给定冷凝温度对应的饱和压力）的压缩功率。如上所描述地，该功率相对地低，并且因此，操作除湿单元10相对便宜，这与传统制冷压缩除湿系统相反。此外，实施例的计算表明，除湿单元10具有的性能系数（COP）至少是这些传统除湿系统的两倍高（或者，依据操作条件，甚至达到五倍高）。另外，除湿单元10能够对空气除湿，却无需如传统除湿系统经常做地将空气温度降低到所需空气温度。
在某些实施例中，如以上指出，参照图1至图7所述的除湿单元10可以与一个或更多个蒸发冷却单元12结合使用。例如，图8是根据本发明实施例的HVAC系统72的示意图，所述HVAC系统72具有布置在除湿单元10上游的蒸发冷却单元74。图8的HVAC系统72具有与图1、图6和图7的HVAC系统8大致相同的功能。然而，如图8中所示，HVAC系统72专门包括布置在除湿单元10上游的蒸发冷却单元74。因而，HVAC系统72首先将相对湿的入口空气14A接收进入蒸发冷却单元74而不是除湿单元10中。蒸发冷却单元74降低相对湿的入口空气14A的温度，并且驱逐较冷（但仍然相对地湿）的空气14B，所述空气14B经由导管76被导引到除湿单元10中。如上所描述地，较冷（但仍然相对地湿）的空气14B继而在除湿单元10中被除湿，并且作为相对干的空气14C被驱逐到被空气调节的空间中。
图8的蒸发冷却单元74可以是直接蒸发冷却单元或间接蒸发冷却单元。换言之，当蒸发冷却单元74使用直接蒸发冷却技术时，相对冷且潮湿的介质78（例如，相对冷的水）被直接添加到相对湿的入口空气14A。然而，当蒸发冷却单元74使用间接蒸发冷却技术时，相对湿的空气14A可以例如横过热交换器的板的一侧流动，而相对冷且潮湿的介质78横过热交换器的板的另一侧流动。换言之，一般而言，来自相对冷且潮湿的介质78的一些相对冷的湿气被间接地添加给相对湿的空气14A。不论在蒸发冷却单元74中使用直接蒸发冷却技术还是使用间接蒸发冷却技术，都影响流经图8的HVAC系统72的空气14的湿度去除速率和温度降低。然而，总的来说，图8的蒸发冷却单元74将空气14初始冷却到尽可能低的温度以用于特定应用场合，并且除湿单元10在近似恒定的温度下降低湿度比。
如图所示，图8的HVAC系统72的许多部件可以认为与图1、图6和图7的HVAC系统8的部件相同。例如，如上所描述地，图8的HVAC系统72包括冷凝单元54，所述冷凝单元54所接收的水蒸气26B的分压力如上所描述地正好足够高到有助于冷凝。在某些实施例中，图8的HVAC系统72还可以包括储器58，用于暂时储存饱和蒸汽和液态水。然而，如上所描述地，在其它实施例中，可以不使用储器。在任一种情况下，来自冷凝单元54的液态水可以被导引进入液体泵60，来自冷凝单元54的液态水的压力在所述液体泵60内增大到约大气压力（即，约14.7psia），从而使得液态水可以在环境条件下排出。
另外，图7的控制系统64还可以在图8的HVAC系统72中使用以与以上参照图7所述的方式类似的方式控制HVAC系统72的操作。例如，如上所描述地，控制系统64可以构造成通过开启或关闭真空泵52（或分离的真空泵62）或者通过对真空泵52（或分离的真空泵62）去除水蒸气26A的不冷凝成分30的速率加以调节，来控制去除水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的不冷凝成分30的速率。更具体地，在某些实施例中，控制系统64可以接收来自水蒸气真空容积28中的传感器的信号，所述传感器检测何时水蒸气真空容积28中容纳的水蒸气26A具有的不冷凝成分30过多。
另外，控制系统64可以调节水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力，从而修改除湿单元10的水蒸气去除能力和效率比。例如，控制系统64可以接收来自水蒸气真空容积28、水蒸气通道18中的压力传感器的信号，以及除此之外由与蒸发冷却单元74、除湿单元10或二者中的空气14的特征（例如，温度、压力、流速、相对湿度等）相关的传感器产生的信号。
控制系统64可以使用该信息来确定如何调节水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力以增大或减小将水蒸气26从空气通道16作为H2O通过除湿单元10的界面20（即，作为水分子、气态水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子等，通过界面20）去除到水蒸气通道18的速率。例如，如果期望去除更多的水蒸气，则可以减小水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力，并且相反地，如果期望去除更少的水蒸气，则可以增大水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力。此外，如上所描述地，除湿（即，去除水蒸气）的量可以循环以提高除湿单元10的效率。更具体地，在某些操作条件下，除湿单元10可以在更高的水蒸气去除速率下更加有效地发挥功能。这样，在某些实施例中，除湿单元10可以循环，以便在一段时间内从空气14去除最大量的水蒸气，然后在一段时间内相对地不从空气14去除水蒸气，再在一段时间从空气14去除最大量的水蒸气，以此类推。换言之，除湿单元10可以以全水蒸气去除能力操作数个周期，这数个周期与不去除水蒸气的其它数个周期交替。
此外，控制系统64还可以构造成控制蒸发冷却单元74的操作。例如，控制系统64可以选择地调节如何（直接地或间接地）在蒸发冷却单元74中发生蒸发冷却。作为示例，阀可以被致动以控制相对冷且潮湿的介质78流经蒸发冷却单元74的流速，由此直接影响蒸发冷却单元74中的（直接或间接）蒸发冷却的量。另外，可以同时地控制蒸发冷却单元74和除湿单元10的操作。此外，控制系统64可以构造成控制蒸发冷却单元74和除湿单元10的开机和停机顺序。
图9A和图9B是根据本发明实施例的流经图8的蒸发冷却单元74和除湿单元10的空气14的温度和湿度比的温湿图80、82。更具体地，图9A是根据本发明实施例的流经图8的直接蒸发冷却单元74和除湿单元10的空气14的温度和湿度比的温湿图80，图9B是根据本发明实施例的流经图8的间接蒸发冷却单元74和除湿单元10的空气14的温度和湿度比的温湿图82。具体而言，在每个图表80、82中，x轴84对应于流经图8的蒸发冷却单元74和除湿单元10的空气14的温度，y轴86对应于流经图8的蒸发冷却单元74和除湿单元10的空气14的湿度比，曲线88表示针对流经图8的蒸发冷却单元74和除湿单元10的空气14的给定相对湿度比的水蒸气饱和曲线。
如由图9A的线90所示，因为相对冷且潮湿的介质78被直接引入到流经直接蒸发冷却单元74的空气14中，从直接蒸发冷却单元74离开的空气14B的湿度比（即，点92）基本高于进入直接蒸发冷却单元74中的入口空气14A的湿度比（即，点94）。然而，从直接蒸发冷却单元74离开的空气14B的温度（即，点92）基本低于进入蒸发冷却单元74中的入口空气14A的温度（即，点94）。如由图9A的线96所示，由于水蒸气26从流经除湿单元10的空气14B去除，因此，来自除湿单元10的出口空气14C的湿度比（即，点98）低于进入除湿单元10中的空气14B的湿度比（即，点92），但出口空气14C和空气14B的温度是基本相同的。实际上，直接蒸发冷却单元74对空气14进行增湿和冷却，而随后除湿单元10在基本恒定的温度下对空气14进行除湿。
如由图9B中的线100所示，由于相对冷且潮湿的介质78间接地冷却流经间接蒸发冷却单元74的空气14，因此，从间接蒸发冷却单元74出来的空气14B的湿度比（即，点102）与进入间接蒸发冷却单元74中的入口空气14A的湿度比（即，点104）是基本相同的。然而，从间接蒸发冷却单元74出来的空气14B的温度（即，点102）基本低于进入间接蒸发冷却单元74中的入口空气14A的温度（即，点104）。如由图9B的线106所示，由于水蒸气26从流经除湿单元10的空气14B去除，来自除湿单元10的出口空气14C的湿度比（即，点108）低于进入除湿单元10中的空气14B的湿度比（即，点102），但出口空气14C和空气14B的温度是基本相同的。实际上，间接蒸发冷却单元74对空气14加以冷却（基本不对空气14增湿），而随后除湿单元10在基本恒定的温度下对空气14除湿。
如上所描述地，图8的控制系统64可以构造成控制蒸发冷却单元74和除湿单元10的操作。例如，当在图8的蒸发冷却单元74中分别使用直接和间接蒸发冷却技术时，控制系统64可以构造成调整空气14的点92、94、98和点102、104、108落入图9A和图9B的温湿图80、82中的位置。
图10是根据本发明实施例的HVAC系统110的示意图，所述HVAC系统110具有布置在除湿单元10下游的蒸发冷却单元74。图10的HVAC系统110具有与图1、图6和图7的HVAC系统8和图8的HVAC系统72大致相同的功能。然而，如图10中所示，HVAC系统110首先将相对湿的入口空气14A接收进入除湿单元10中。如上所描述地，相对湿的入口空气14A首先在除湿单元10中被除湿，并且作为相对干的空气14B驱逐到导管76中。蒸发冷却单元74继而降低干空气14B的温度，并且将较冷的干空气14C驱逐到被空气调节的空间中。
如以上参照图8所述，图10的蒸发冷却单元74可以是直接蒸发冷却单元或间接蒸发冷却单元。换言之，当蒸发冷却单元74使用直接蒸发冷却技术时，相对冷且潮湿的介质78（例如，相对冷的水）被直接添加到导管76中的相对干的空气14B。然而，当蒸发冷却单元74使用间接蒸发冷却技术时，相对干的空气14B可以例如横过热交换器的板的一侧流动，而相对冷且潮湿的介质78横过热交换器的板的另一侧流动。换言之，一般而言，来自相对冷且潮湿的介质78的某些相对冷的湿气被间接地添加到导管76中的相对干的空气14B中。不论在蒸发冷却单元74中使用直接蒸发冷却技术还是使用间接蒸发冷却技术，都影响流经图10的HVAC系统110的空气14的湿度去除速率和温度降低。然而，总的来说，除湿单元10初始在近似恒定的温度下降低湿度比，并且蒸发冷却单元74将空气14冷却到尽可能低的温度以用于特殊应用场合。
如图所示，图10的HVAC系统110的许多部件可以认为与图1、图6和图7的HVAC系统8和图8的HVAC系统72的部件相同。例如，如上所描述地，图10的HVAC系统110包括冷凝单元54，所述冷凝单元54接收的水蒸气26B的分压力如上所描述地正好足够高以有助于冷凝。在某些实施例中，图10的HVAC系统110还可以包括储器58，所述储器58，用于暂时储存饱和蒸汽和液态水。然而，如上所描述地，在其它实施例中，可以不使用储器。在任一种情况下，来自冷凝单元54的液态水可以被导引进入液体泵60中，在所述液体泵60内来自冷凝单元54的液态水的压力增大到约大气压力（即，约14.7psia），从而使得液态水可以在环境条件下排出。
另外，图7和图8的控制系统64还可以在图10的HVAC系统110中使用，以与以上参照图7和图8所述的方式类似的方式控制HVAC系统110的操作。例如，如上所描述地，控制系统64可以构造成通过开启或关闭真空泵52（或分离的真空泵62）或者通过调节真空泵52（或分离的真空泵62）去除水蒸气26A的不冷凝成分30的速率，来控制去除水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的不冷凝成分30的速率。更具体地，在某些实施例中，控制系统64可以接收来自水蒸气真空容积28中的传感器的信号，所述传感器检测何时水蒸气真空容积28中所容纳的水蒸气26A的不冷凝成分30过多。
另外，控制系统64可以调节水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力，以修改除湿单元10的水蒸气去除能力和效率比。例如，控制系统64可以接收来自水蒸气真空容积28、水蒸气通道18中的压力传感器的信号，以及除此之外由与除湿单元10、蒸发冷却单元74中的空气14的特征（例如，温度、压力、流速、相对湿度等）相关的传感器产生的信号。
控制系统64可以使用该信息来确定如何调节水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力以增大或减小将水蒸气26从空气通道16作为H2O通过除湿单元10的界面20（即，作为水分子、气态水蒸气、液态水、吸附/解吸的水分子、吸收/解吸的水分子等，通过界面20）去除到水蒸气通道18的速率。例如，如果期望去除更多的水蒸气，则可以减小水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力，并且相反地，如果期望去除更少的水蒸气，则可以增大水蒸气真空容积28中的水蒸气26A的更低的分压力。此外，如上所描述地，除湿（即，去除水蒸气）的量可以循环以提高除湿单元10的效率。更具体地，在某些操作条件下，除湿单元10可以在更高的水蒸气去除速率下更加有效地发挥功能。这样，在某些实施例中，除湿单元10可以循环，以便在一段时间内从空气14去除最大量的水蒸气，然后在一段时间内相对地不从空气14去除水蒸气，再在一段时间内从空气14去除最大量的水蒸气，以此类推。换言之，除湿单元10可以以全水蒸气去除能力操作数个周期，这数个周期与不去除水蒸气的其它数个周期交替。
此外，控制系统64还可以构造成控制蒸发冷却单元74的操作。例如，控制系统64可以选择地调节如何（直接地或间接地）在蒸发冷却单元74中发生蒸发冷却。作为示例，阀可以被致动以控制相对冷且潮湿的介质78流经蒸发冷却单元74的流速，由此直接影响蒸发冷却单元74中的（直接或间接）蒸发冷却的量。另外，可以同时地控制蒸发冷却单元74和除湿单元10的操作。此外，控制系统64可以构造成控制蒸发冷却单元74和除湿单元10的开机和停机顺序。
图11A和图11B是根据本发明实施例的流经图10的除湿单元10和蒸发冷却单元74的空气14的温度和湿度比的温湿图112、114。更具体地，图11A是根据本发明实施例的流经图10的除湿单元10和直接蒸发冷却单元74的空气14的温度和湿度比的温湿图112，图11B是根据本发明实施例的流经图10的除湿单元10和间接蒸发冷却单元74的空气14的温度和湿度比的温湿图114。具体而言，如以上参照图9A和9B所述，x轴84对应于流经图10的除湿单元10和蒸发冷却单元74的空气14的温度，y轴86对应于流经图10的除湿单元10和蒸发冷却单元74的空气14的湿度比，曲线88表示针对流经图10的除湿单元10和蒸发冷却单元74的空气14的给定相对湿度比的水蒸气饱和曲线。
如由图11A中的线116所示，由于水蒸气26从流经除湿单元10的较湿的入口空气14A去除，来自除湿单元10的相对干的空气14B的湿度比（即，点118）低于进入除湿单元10中的相对湿的入口空气14A的湿度比（即，点120），而相对干的空气14B和相对湿的入口空气14A的温度是基本相同的。如由图11A的线122所示，由于相对冷且潮湿的介质78被直接引入到流经直接蒸发冷却单元74的相对干的空气14B中，来自直接蒸发冷却单元74的出口空气14C的湿度比（即，点124）基本高于进入直接蒸发冷却单元74中的相对干的空气14B的湿度比（即，点118）。然而，来自直接蒸发冷却单元74的出口空气14C的温度（即，点124）基本低于进入直接蒸发冷却单元74中的相对干的空气14B的温度（即，点118）。实际上，除湿单元10在基本恒定的温度下对空气14除湿，而直接蒸发冷却单元74随后对空气14增湿和冷却。
如由图11B中的线126所示，因为水蒸气26从流经除湿单元10的相对湿的入口空气14A去除，来自除湿单元10的相对干的空气14B的湿度比（即，点128）低于进入除湿单元10中的相对湿的入口空气14A的湿度比（即，点130），但相对干的空气14B和相对湿的入口空气14A的温度是基本相同的。如由图11B的线132所示，由于相对冷且潮湿的介质78间接地冷却流经间接蒸发冷却单元74的相对干的空气14B，来自间接蒸发冷却单元74的出口空气14C的湿度比（即，点134）与进入间接蒸发冷却单元74中的相对干的空气14B的湿度比（即，点128）是基本相同的。然而，来自间接蒸发冷却单元74的出口空气14C的温度（即，点134）基本低于进入间接蒸发冷却单元74中的相对干的空气14B的温度（即，点128）。实际上，除湿单元10在基本恒定的温度下对空气14除湿，而间接蒸发冷却单元74冷却空气14（基本不对空气14增湿）。
如上所描述地，图10的控制系统64可以构造成控制除湿单元10和蒸发冷却单元74的操作。例如，当在图10的蒸发冷却单元74中分别使用直接和间接蒸发冷却技术时，控制系统64可以构造成调整空气14的点118、120、124和点128、130、134落入图11A和图11B的温湿图112、114中的位置。
图8和图10的HVAC系统72、110的实施例不是除湿单元10可以与蒸发冷却单元74组合使用的仅有方式。更具体地，图8和图10示出彼此串联的单个除湿单元10和单个蒸发冷却单元74的用法，在其它实施例中，任何数量的除湿单元10和蒸发冷却单元74可以彼此串联使用。例如，图1示出了具有布置在除湿单元10的两侧上（即，上游和下游两侧）的蒸发冷却单元的除湿单元10。作为另一个示例，在一个实施例中，第一除湿单元10之后可以是第一蒸发冷却单元74，所述第一蒸发冷却单元74之后继而是第二除湿单元10，所述第二除湿单元10之后继而是第二蒸发冷却单元74，以此类推。然而，任何数量的除湿单元10和蒸发冷却单元74实际上可以彼此串联使用，其中，离开每个单元10、74的空气14被导引到串联顺序中的下一个下游单元10、74中（除了串联的最后的单元10、74以外，空气14从所述最后的单元10、74被驱逐到被进行空气调节的空间中）。换言之，离开串联顺序中的每个除湿单元10的空气14被导引到下游的蒸发冷却单元74中（或者，如果该下游的蒸发冷却单元是串联顺序中的最后的单元的话，那么空气被导引到被空气调节的空间），并且离开串联顺序中的每个蒸发冷却单元74的空气14被导引到下游的除湿单元10中（或者，如果该下游的除湿单元是串联的最后的单元的话，那么空气被导引到被空气调节的空间）。这样，空气14的温度可以相继地在串联顺序中的除湿单元10之间的每个蒸发冷却单元74中降低，并且空气14的湿度比可以相继地在串联顺序中的蒸发冷却单元74之间的每个除湿单元10中降低。该处理可以在任何数量的除湿单元10和蒸发冷却单元74中持续进行，直到实现空气14的期望的最终温度和湿度比条件为止。
图12A和图12B是根据本发明实施例的流经多个除湿单元10和多个蒸发冷却单元74的空气14的温度和湿度比的温湿图136、138。更具体地，图12A是根据本发明实施例的流经多个除湿单元10和多个直接蒸发冷却单元74的空气14的温度和湿度比的温湿图136，并且图12B是根据本发明实施例的流经多个除湿单元10和多个间接蒸发冷却单元74的空气14的温度和湿度比的温湿图138。具体而言，在每个图表136、138中，x轴84对应于流经多个除湿单元10和多个蒸发冷却单元74的空气14的温度，y轴86对应于流经多个除湿单元10和多个蒸发冷却单元74的空气14的湿度比，曲线88表示针对流经多个除湿单元10和多个蒸发冷却单元74的空气14的给定相对湿度比的水蒸气饱和曲线。
如由图12A中的线140所示，因为从流经多个除湿单元10中的每个除湿单元的相对湿的空气14去除了水蒸气26，空气14的湿度比基本降低，但空气14的温度在多个除湿单元10中的每个除湿单元中保持基本相同。如由图12A中的线142所示，由于相对冷且潮湿的介质78被直接引入到流经多个直接蒸发冷却单元74中的每个直接蒸发冷却单元的相对干的空气14中，空气14的湿度比增大，但空气14的温度在多个直接蒸发冷却单元74中的每个直接蒸发冷却单元中基本降低。换言之，多个除湿单元10中的每个除湿单元在基本恒定的温度下相继地对空气14除湿，而多个直接蒸发冷却单元74中的每个直接蒸发冷却单元相继地对空气14增湿和冷却，直到实现期望的最终温度和湿度比条件为止。更具体地，如图12A中所示，线140、142从入口空气14的初始温度和湿度比条件（即，点144）到出口空气14的最终温度和湿度比条件（即，点146）大致形成“阶梯函数”级数。
如由图12B中的线148所示，由于从流经多个除湿单元10中的每个除湿单元的相对湿的空气14去除了水蒸气26，空气14的湿度比基本降低，但空气14的温度在多个除湿单元10中的每个除湿单元中保持基本相同。如由图12B中的线150所示，由于相对冷且潮湿的介质78间接地与流经多个间接蒸发冷却单元74中的每个间接蒸发冷却单元的相对干的空气14相互作用，空气14的湿度比保持基本相同，但空气14的温度在多个间接蒸发冷却单元74中的每个间接蒸发冷却单元中基本降低。换言之，多个除湿单元10中的每个除湿单元在基本恒定的温度下相继地对空气14除湿，而多个间接蒸发冷却单元74中的每个间接蒸发冷却单元在基本恒定的湿度比下相继地冷却空气14，直到实现期望的最终温度和湿度比条件为止。更具体地，如图12B中所示，线148、150从入口空气14的初始温度和湿度比条件（即，点152）到出口空气14的最终温度和湿度比条件（即，点154）大致形成“锯齿状”级数。
由于在除湿单元10之间使用了蒸发冷却单元74，每个除湿单元10将接收的空气14更冷，并处于比上游的除湿单元10更低的水蒸气分压力下。这样，多个除湿单元10中的每个除湿单元将在基本不同的操作条件下操作。因此，控制系统64可以用于调节除湿单元10的操作参数（例如，水蒸气真空容积28中的水蒸气分压力），从而对除湿单元10之间的变量加以考虑。类似地，由于在蒸发冷却单元74之间使用了除湿单元10，每个蒸发冷却单元74也将接收更冷的、处于比上游的蒸发冷却单元74更低的水蒸气分压力下的空气14。这样，蒸发冷却单元74中的每个蒸发冷却单元也将在基本不同的操作条件下操作。因此，控制系统64也可以用于调节蒸发冷却单元74的操作参数（例如，相对冷且潮湿的介质78的流速），从而对蒸发冷却单元74之间的变量加以考虑。另外，控制系统64还可以同时协调多个除湿单元10和多个蒸发冷却单元74的操作以对变量加以考虑。
通过例如使空气14通行经过潮湿的纤维垫，图8和图10的蒸发冷却单元74不经可以降低空气14的温度，而且可以清洁空气14。另外，除湿单元10和蒸发冷却单元14可以以可变速度或固定速度操作，以实现不同的初始温度和湿度条件（即，在图12A和图12B中分别为操作点144和152）与最终温度和湿度条件（即，在图12A和图12B中分别为操作点146和154）之间的优化操作。此外，蒸发冷却单元74是相对低能的单元，由此将全部操作成本减到最小。
虽然本发明可以容易具有各种修改方案和可替代形式，但是特定的实施例已经在附图和制表中以示例方式示出，并且已经在本文中详细地说明。然而，将应理解，实施例意在不受所公开的特殊形式的限制。而是，本发明将覆盖落入如由所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围内的所有修改方案、等同方案和可替代方案。另外，虽然本文讨论了各个实施例，但是本发明意在覆盖这些实施例的所有组合。

Claims (20)

1.一种用于从空气流去除水蒸气的除湿系统，该除湿系统包括：
通过膜分离的第一通道和第二通道，其中，所述膜被构造用于，通过帮助来自水蒸气的H2O通行经过所述膜的能渗透容积至所述第二通道并基本上阻隔空气流的所有其它成分通行经过所述膜，实现帮助从流经所述第一通道的空气流去除水蒸气；
第一蒸发冷却单元，所述第一蒸发冷却单元被构造用于在所述膜的下游冷却空气流；
第二蒸发冷却单元，所述第二蒸发冷却单元被构造用于在所述膜的上游冷却空气流；
压力增大装置，所述压力增大装置被构造用于在所述第二通道内产生比所述第一通道内更低的水蒸气分压力，以便使H2O运动经过所述膜至所述第二通道，其中，所述压力增大装置还被构造用于将所述压力增大装置的出口处的水蒸气压力增大至在适于随后冷凝成液态水的范围内的水蒸气分压力，其中空气流在大致大气压力下传递至所述膜；以及
控制器，所述控制器被构造用于控制所述除湿系统的操作。
2.根据权利要求1所述的除湿系统，其中，所述第二蒸发冷却单元处于所述第一通道的上游，并导引空气流至所述第一通道中。
3.根据权利要求2所述的除湿系统，其中，所述第一蒸发冷却单元处于所述第一通道的下游，并接收来自所述第一通道的空气流。
4.根据权利要求1所述的除湿系统，包括冷凝装置，所述冷凝装置被构造用于接收来自所述压力增大装置的水蒸气，并将水蒸气冷凝成液态水。
5.根据权利要求4所述的除湿系统，包括输水装置，所述输水装置被构造成用于运输来自所述冷凝装置的液态水。
6.根据权利要求1所述的除湿系统，其中，所述膜包括沸石。
7.一种系统，包括：
用于从空气流去除H2O蒸汽的除湿单元，所述除湿单元包括：
空气通道，所述空气通道被构造用于接收入口空气流和排出出口空气流；和
与所述空气通道相邻的透H2O材料，其中，所述透H2O材料被构造用于选择性地允许来自入口空气流中的H2O蒸汽的H2O通行经过所述透H2O材料至所述透H2O材料的抽吸侧，并基本上阻隔入口空气流中的其它成分通行经过所述透H2O材料至所述透H2O材料的抽吸侧，其中所述入口空气流在大致大气压力下传递至所述透H2O材料；
蒸发冷却单元，所述蒸发冷却单元被构造用于冷却空气流；和
压力增大装置，所述压力增大装置被构造用于在所述透H2O材料的抽吸侧上产生比入口空气流中的H2O蒸汽的分压力更低的H2O蒸汽的分压力，从而驱动来自入口空气流中的H2O蒸汽的H2O通行经过所述透H2O材料，并使得在所述压力增大装置的出口处的压力增大到适于将H2O蒸汽冷凝成液态H2O的H2O蒸汽的分压力。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述蒸发冷却单元处于所述除湿单元的上游，并导引入口空气流至所述空气通道中。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述蒸发冷却单元处于所述除湿单元的下游，并接收来自所述空气通道的出口空气流。
10.根据权利要求7所述的系统，包括冷凝装置，所述冷凝装置被构造用于接收来自所述压力增大装置的出口的H2O蒸汽，并且将H2O蒸汽冷凝成液态H2O。
11.根据权利要求10所述的系统，包括液体泵，所述液体泵被构造用于运输来自所述冷凝装置的液态H2O。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述透H2O材料包括透H2O膜。
13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述透H2O材料包括沸石。
14.根据权利要求7所述的系统，其中，所述除湿单元是能变速的除湿单元，并且所述蒸发冷却单元是能变速的蒸发冷却单元。
15.一种方法，包括：
接收包括H2O蒸汽在内的空气流至除湿单元的空气通道中，其中，空气流具有H2O蒸汽第一分压力，并且其中，空气流在大致空气压力下传递至所述除湿单元；
经由蒸发冷却单元冷却空气流；
利用横过所述除湿单元的透H2O材料的压差将H2O通过所述透H2O材料抽吸到所述除湿单元的H2O蒸汽通道中，其中，所述透H2O材料包括沸石，并且所述H2O蒸汽通道具有低于空气流的H2O蒸汽第一分压力的H2O蒸汽第二分压力；和
将来自所述H2O蒸汽通道的H2O蒸汽接收到压力增大装置中，并且将来自所述压力增大装置的H2O蒸汽的压力增大到高于所述H2O蒸汽第二分压力的H2O蒸汽第三分压力。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：在将空气流导引到所述除湿单元中之前，经由所述蒸发冷却单元冷却空气流。
17.根据权利要求15所述的方法，包括：在从所述除湿单元接收空气流之后，经由所述蒸发冷却单元冷却空气流。
18.根据权利要求15所述的方法，包括：在将空气流导引到所述除湿单元中之前，经由第一蒸发冷却单元冷却空气流，并且在从所述除湿单元接收空气流之后，经由第二蒸发冷却单元冷却空气流。
19.根据权利要求15所述的方法，包括：将来自所述压力增大装置的H2O蒸汽接收到冷凝装置中，并且将该H2O蒸汽冷凝成液态H2O。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，空气流所具有的H2O蒸汽第一分压力在约0.2psia至1.0psia的范围内，所述H2O蒸汽第二分压力是在约0.1psia至1.0psia的范围内，并且所述H2O第三蒸汽分压力是在约0.25psia至1.1psia的范围内。
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