CN103391799A - 蒸气-液体热量和/或质量交换装置 - Google Patents

蒸气-液体热量和/或质量交换装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能够用在一体的热量和/或质量传递系统中的蒸气-液体的热量和/或质量交换装置。为了实现较高的热量和质量传递率，优化温度分布，减小尺寸并提高性能，在解吸器的一个或多个功能部段中使用适当尺寸的具有微观特征的流道以及工作流体溶液、蒸气流和/或耦合流体之间的逆流流动构造。在本发明的一个示例实施例中，解吸部段使用沿大体向上方向流动的加热流体和在重力作用下沿大体向下方向、相对于上升解吸蒸气流逆流流动的浓缩溶液。为了进一步提高系统的效率，能使用各种类型的塔构造。此外，微通道的表面能改变以实现更好地传递热量。

Description

蒸气-液体热量和/或质量交换装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC§119(e)要求2010年8月10日提交的、题为“Vapor-Liquid Heat and/or Mass Exchange Device（蒸气-液体热量和/或质量交换装置）”的美国临时专利申请第61/372,213号的权益，其全部内容以参见的方式纳入本文。
技术领域
本发明总地涉及热量和/或质量交换装置。
背景技术
吸收型热泵是对于使用合成制冷剂的蒸气压缩系统的有利于环境的替代，该合成制冷剂通常用在家用和商用空调、冷却器以及热泵中。不同于将高级别电气或机械能量作为输入来驱动系统的蒸气压缩系统，吸收型热泵靠更易于获得且低级别的热能来运行，该低级别热能能够通过生物燃料和化石燃料的燃烧来获得、能够来自于大量不使用的废热源以及来自于太阳热能。例如，来自于卡车或柴油发电机的废气的热量能用作热输入。
在冷却模式运行中，该热输入用于提供冷却和/或去湿，而在加热模式运行中，热输入用于将环境热量泵到更高的温度由于原则上蒸气压缩系统的压缩机在吸收型热泵中被以下部件的组合所替代：解吸器、吸收器、液体溶液泵以及回热溶液热交换器，所以，这些吸收型热泵的热量与质量交换更加强烈，由此，需要添加传递表面面积和/或热量和质量传递能力。由于相对较大的热量和质量传递率的需求，吸热型热泵通常与大规模的商用和工业冷却器应用有关。
迄今为止，在输送高性能系数（COP）的同时实现具有较小覆盖面积的紧凑设计变为主要的挑战。COP能定位为所期望的输出、冷却或加热与输入能量的比值。若干个诸如双重效果、三重效果和用来改善COP而开发的发生器-吸收器热交换循环之类的先进吸收循环，均依赖于附加的内部回热来提高性能，还着重于对高的单位体积热量与质量传递率的需要。在传统的系统中，尤其是在小容量或紧凑的系统中，这些循环还未广泛地得到实施，主要因为缺乏实际可行和紧凑的热量与质量交换装置。
在使用两个普通的工作流体对（即，溴化锂-水和氨-水）的吸收系统中，在诸如吸收和解吸之类的二元流体过程中，包括二元流体的耦合热量和质量传递。对于其它不够普通的工作流体，则需要多组分（超过两种）的热量与质量传递过程。在氨-水系统中，由于在全部系统内存在着液态和蒸气态的吸收剂（水）和制冷剂（氨），如此的二元流体过程发生在系统内的所有部件中，包括冷凝器、蒸发器、精馏器和回热式热交换器。
对于在可利用分散提供的在容量上比工业规模小的废热或太阳热能的紧凑的高通量结构中实施吸收系统，则热量与质量交换器通常包括若干特征。这些特征可包括工作流体的较低热量和质量传递阻力、工作流体和将其耦合于紧凑容积的外部热源和散热器的所需传递表面积、耦合流体的较低阻力、较低的工作流体和耦合流体压降，从而由于部件中压降带来的饱和温度下降而减少寄生功率消耗并且还减小驱动温差损耗，以及甚至是工作流体或耦合流体在整个部件上的分布。典型的传统吸收部件的概念不符合对于实现紧凑高通量设计极为重要的这些标准中的一个或多个。
发明内容
简而言之，本发明的示例实施例是一种蒸气-液体热量和/或质量传递装置，该传递装置便于在相对紧凑的环境内在蒸气和液体流之间进行热量和/或质量传递。为了对于给定的部件容积在包括例如解吸或吸收的过程中实现所期望程度的质量/热量交换，根据本发明的实施例，提供逆流流动结构，其中耦合流体沿相对于工作流体溶液逆流的方向流动。在一些示例中，工作流体溶液是通过使氨吸收在水中而构成的二元流体。根据耦合流体用作加热还是冷却功能，升高或降低工作流体溶液的温度，致使氨从水溶液中解吸出或者吸收到水溶液中。
这些解吸和吸收过程是能由这些实施例实现在二元或多组分流体中所进行的逆流相变热量和质量传递过程的两个代表性示例。在本发明的示例实施例中，本发明是解吸器，该解吸器由匹配垫片形成，这些匹配垫片在连结好后形成微通道或其它蒸气-液体空腔。成对匹配垫片（本文有时称为单元）能与其它匹配垫片或单元配对，以提高解吸器的解吸能力，因此使得部件能适用于匹配各种应用，而无需进行显著的重设计或重加工。
在本发明的一个示例实施例中，一种用在一体的热量和质量传递设备中的交换装置包括：传递部段，该传递部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且该传递部段具有至少一个热交换区域，该至少一个热交换区域由多排紧凑流道所限定，而这些紧凑流道由第一单元的匹配且连结垫片形成；其中在耦合流体和工作流体溶液引入交换装置时，该多排流道在耦合流体和工作流体溶液之间提供逆流流动型式；该交换装置定向成使得耦合流体沿大体向上方向行进，而工作流体溶液借助重力沿大体向下方向行进；以及该逆流流动型式在蒸气和工作流体溶液之间产生关联。
在本发明的一个示例实施例中，一种用在一体的热量和质量传递设备中的蒸气/液体热量和/或质量交换装置包括：热量和/或质量传递部段，该传递部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且该热量和/或质量传递部段具有至少一个热交换区域，该至少一个热交换区域由多排紧凑流道所限定，而这些紧凑流道由第一单元的匹配且连结垫片形成；以及所述多排流道在耦合流体和工作流体溶液之间产生逆流流动型式，藉此耦合流体沿大体向上方向行进，而工作流体溶液借助重力沿大体向下方向行进，以从工作流体溶液的至少一部分中解吸出蒸气或者将蒸气吸收到工作流体溶液的至少一部分中。
在本发明的另一示例实施例中，解吸组件能用在实现多元热量和质量传递过程的一体设备中。该解吸组件包括解吸部段，而该解吸部段由第一单元的匹配且连结的垫片形成。本发明的解吸组件包括至少一个热交换区域，该至少一个热交换区域由多排微通道所限定，这些微通道由该单元的匹配且连结的垫片形成。为了提供热交换，多排微通道构造成在耦合（在该情形中，加热）流体和工作流体溶液（在该情形中，浓缩溶液）之间产生逆流流动型式，藉此加热流体沿大体向上方向行进，而浓缩溶液借助重力沿大体向下方向行进，以从浓缩溶液的至少一部分中解吸出蒸气，该蒸气再借助浮力向上流动，且因此沿相对于浓缩溶液逆流的定向流动。
在本发明的另一示例实施例中，解吸器包括：顶部端板，该顶部端板具有端口，用以将加热流体和浓缩溶液引到解吸器中，并且将加热流体、浓缩溶液和蒸气输送出解吸器；分布板，该分布板用于将加热流体和浓缩溶液分布到解吸组件中，并且将加热流体、浓缩溶液以及蒸气分布出解吸组件；解吸部段，该解吸部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且该解吸部段具有至少一个热交换区域，该至少一个热交换区域由多排微流道所限定，而这些微通道由成单元的匹配且连结垫片形成；其中多排微流道在加热流体和浓缩溶液之间产生逆流流动型式；藉此加热流体沿大体向上方向行进，而浓缩溶液借助重力沿大体向下方向行进，以从浓缩溶液的至少一部分中解吸出蒸气，该蒸气再借助浮力向上流动，且因此沿相对于浓缩溶液逆流的定向流动；以及底部端板，该底部端板提供流体屏障。
在本发明的另一示例实施例中，一种热量和/或质量交换的方法包括：将耦合流体输送到传递部段中，该传递部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且该传递部段具有至少一个热交换区域，该至少一个热交换区域由多排流道所限定，而这些流道由第一单元的匹配且连结垫片形成；提供多排流道，以便于在耦合流体和工作流体溶液之间产生逆流流动型式的关系；将工作流体溶液输送到传递部段中，其中多排流道便于在耦合流体和工作流体溶液之间产生逆流流动型式；以及在传递部段中进行组分传递。
在本发明的一些示例实施例中，浓缩溶液包括氨和水。
在本发明的一些实施例中，为了提高解吸器的热量和/或质量交换能力，解吸部段还有多个第二单元的匹配且连结的垫片形成。
在本发明的一些实施例中，提供精馏部段，以使来自解吸或分析部段的蒸气纯化。
在本发明的一些实施例中，提供分析部段，该分析部段用于使浓缩溶液和蒸气之间进行回热和/或质量交换，以在浓缩溶液被引入解吸部段之前对该浓缩溶液进行预加热，并且有利地通过与溶液进行直接的热量和质量交换而改变蒸气浓度。
在本发明的一些实施例中，交换器一侧内的流道包括选自如下组的几何形状：垂直定向的塔、对角定向的塔；蜿蜒型通道；以及交替对角定向的塔。
在本发明的一些实施例中，流道还包括具有盘的塔、具有液池的塔、具有翅片组的塔以及具有填料件的塔中的一个或多个。
在本发明的一些实施例中，能改变流道的内表面的一部分，以具有各种表面变型结构，从而提供改进的流动分布和/或热量和质量传递，这些表面变型结构包括但不局限于：凹坑表面；具有升高位点的表面；影线表面；交叉影线表面；以及粗糙表面。
在本发明的一些实施例中，耦合流体包括由选自如下组的热源所加热的流体：生物燃料和化石燃料的燃烧；废热源；以及太阳热能。
前述内容概括了本发明的一些有益方面，但并不意图反映所要求的本发明全部范围。本发明的附加特征和优点在下文的说明书中阐述、从说明书中显而易见或者通过实践本发明而得到教示。此外，前述发明内容和以下详细描述是示例性的和说明性的，并且意图对所要求的本发明提供进一步的解释。
附图的简要描述
包含于此并构成本说明书一部分的附图示出本发明的多个示例实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。它们并不意图以任何方式来显著本发明的范围。本文所提供的标题仅仅是为了方便起见，而不会影响所要求发明的范围或意思。
图1是示出根据本发明一实施例的、用在一体的热量和/或质量交换装置中的解吸器/精馏器中蒸气分离的视图。
图2是示出根据本发明一实施例的、用在一体的热量和/或质量交换装置中的示例解吸单元的分解视图。
图3是示出根据本发明一实施例的、用在一体的热量和/或质量交换装置中的解吸器/分析器/精馏器的流道的视图。
图4是示出根据本发明一实施例的、用在一体的热量和/或质量交换装置中的解吸器/精馏器的示例分布板的视图。
图5a-5c是能用在根据本发明实施例的一个或多个流道中的示例表面处理的微观图。
图6是热量和/或质量交换装置的替代实施例的正视图，该交换装置使用蜿蜒蒸气流路和一系列液盘或液池。
图7是示出根据本发明一实施例的、用在一体的热量和/或质量交换装置中的解吸器/分析器/精馏器中垫片的斜角视图。
图8a和8b示出能根据本发明一实施例使用的两种表面处理。
详细描述
在专门满足法定条件的情形下，对本发明各个实施例的主题进行描述。然而，描述本身并不意图限制所要求发明的范围。反而，已设想的是，能以其它方式使用所要求的发明，从而结合现有的或将来的技术来包括与本文所描述构件类似的不同构件。
应注意的是，如说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非文中清楚地另有说明。术语“包括(comprising)”或“包含(containing)”或“具有(including)”表示至少所指的部件、构件、设备或方法步骤存在于系统或物件或方法中，然而不排除其它部件、材料、设备或方法步骤的存在，即使其它此种部件、材料、颗粒和方法步骤与所指的部件、材料、颗粒和方法步骤的功能相同仍如此。
在紧凑的模块化设计中产生了新发展，能应用这些紧凑模块化设计来既在单个部件中又在总体热泵组件中实现高通量的热量和质量传递，同时解决了现有技术构造的缺点。这些设计表示小型化技术，可高度适用于各种设计条件，并且也可适用于多工业中的二元流体加热和质量传递中包含的若干系统。
紧凑的热致动热泵技术所需要的一个此种部件是解吸器，其中通过使富含制冷剂的吸收溶液沸腾来产生制冷剂蒸气。在实际上不缺少可获得的热交换表面积的大规模工业应用（“房地产”）中，即使解吸器的性能极为重要，但仅仅通过增大解吸器的尺寸就能更容易地实现目的。在尺寸极为关键的诸如住宅、汽车之类更紧凑的应用中，解吸器的较高热量和质量传递率性能对于满足尺寸限制极为关键。已发现，液体溶液和蒸气流之间的逆流定向在解吸器出口处产生更冷、更高纯度的制冷剂蒸气。此种构造便于蒸气和液体流之间产生优良的质量传递，并且能潜在地降低为产生高浓度制冷剂蒸气流所需的热量输入，这还能增强热泵的总体性能。
应注意到，本发明的各实施例能用在各种热量和/或质量传递装置中。以下描述是为了对能结合解吸过程使用的本发明示例实施例进行说明。以下描述并不确切地也不隐含地陈述本发明局限于解吸器。
图1是用在本发明中的示例对流设计的视图。加热流体100存在于热传递屏障102的一侧。在以下描述中，加热流体也可称为耦合流体。由于加热流体100泵送到系统中的方式，加热流体100沿大体向上方向行进。加热流体100能包括各种类型的由各种热源加热的加热流体，这些热源包括但不局限于汽车废气热量、由外部过程加热的水或气流、燃烧热量、废热源、太阳热能等等。
富有制冷剂的吸收溶液104位于屏障102的另一侧，该吸收溶液沿与加热流体100逆流的方向行进。在以下描述中，吸收溶液104也可称为工作流体溶液。溶液104可根据所使用的制冷剂以及所使用的流体类型而在各应用中变化。通常的示例是氨-水，然而本发明并不局限于此，因为诸如溴化锂-水之类具有类似功能的其它流体组合、离子液体-制冷剂溶液以及其它溶液也能用在本发明中。
在溶液104沿着屏障102向下运动时，溶液104经由与加热流体100的热传递而加热。热量通过屏障102从加热流体100传递到溶液104中。在溶液104的温度升高时，由于来自加热流体100的热量输入，在氨-水示例中，氨106从溶液104解吸出并进入蒸气流108。由于加热流体100和溶液104之间的逆流流动型式，在整个解吸塔保持两个流体之间的有利温差，其中通过整个屏障102发生热交换，且两个流体沿逆流方向经过该屏障。此外，溶液104和蒸气106之间的逆流定向提供附加的优点，也就是说，蒸气在顶部离开部件，接近与处于其进口处的溶液104平衡。该蒸气在顶部附近以较冷的状况离开（而非如同同向流动的情形那样，与底部附近的较热输出溶液平衡），这会减小解吸热量输入需求、增大蒸气纯度并且减小精馏器上的负荷。因此，对于给定的热量和/或质量交换表面积来说，本发明的逆流流动提供增大纯度的蒸气流108，即在本示例中，蒸气流108主要是氨而仅仅较小部分是水。
通过使用逆流流动，吸收或解吸单元的尺寸会由于给定纯度水平（即，热量和/或质量交换）所需的表面积减小而减小。图2是解吸组件200的视图，该解吸组件设计成使用多个匹配垫片来形成解吸组件200的流道。每个垫片设计成与另一垫片配对以形成一个单元。在一示例基本构造中，本发明的解吸组件200可以是包括两个垫片来形成流道的一个单元。该单元通常能够具有特定的或设定的热量和/或质量交换能力。单元的数量能基于所需要的热量和/或质量的交换能力而增多或减少。
为了形成用于使用的单元，垫片能使用各种构造技术来结合。例如，借助示例但并不作限制，垫片能使用热量、压缩、粘合剂、密封件、扩散粘结以及真空或保护气体钎焊而粘结或密封。垫片还能使用各种制造技术而由各种材料形成。例如并且并不作限制，垫片可以是铸造或锻造金属、塑料、聚合物或组合物，或者能使用蚀刻、成形或CNC加工或制造工艺而形成。能使用快速成型法、注塑或铸造工艺，其中能形成在一件内能包含所有必需特征的单块材料。这能有助于降低成本、制造时间需求以及在本发明各个实施例中所描述的对多个垫片进行粘结或密封的难度。
在图2中示出能形成解吸组件200的示例板件。顶部端板202与分布板204结合。顶部端板202形成在解吸组件200和环境之间的主要流体屏障。根据该构造，顶部端板202能包括各个进口和出口，来用于解吸所使用的各个流体。分布板204便于使用在解吸组件200中的各个流体行进通过顶部端板202。虽然顶部端板202能构造成具有流道进口和出口来与分布板204协配，然而在大多数应用中，较佳的是减少暴露于环境的进入解吸组件200的穿孔数量。这有助于降低泄漏可能性。底部端板210形成与顶部端板202交替的流体屏障。
如上所述，使用一个或多个垫片匹配对来构造根据本发明一示例实施例的解吸单元。每个垫片设计成作为典型解吸单元中流道的一个半部。换言之，单元“分割”成两个半部，并且在这两个半部放置在一起时形成该单元。垫片206是能够结合另一垫片使用的一个垫片的示例。垫片206包括微型流道，这些微型流道形成解吸单元中解吸功能的基础。这些流道能够使用各种工艺来形成，包括蚀刻、研磨、铣削或冲压。形成微型通道的其它类型的工艺也被认为落在本发明的范围内。应注意到，虽然示出的是交替的对角型流道，然而根据本发明的解吸器的各个部段的流道可改变。下文将更详细地描述示例替代实施例。
在将垫片、例如垫片206与其匹配垫片结合时，形成单元。这在图2中通过垫片组件208来进行说明。垫片组件208包括一个或多个成对（或成单元）的垫片。在一个构造中，垫片组件208的流道设计成使得垫片组件208中的单元并行地工作。也就是说，在并行构造中，行进到垫片组件208中的流体通常同向流动地进入每个垫片对，且离开垫片组件208的流体通常同向流动地离开每个垫片对。在另一构造中，垫片组件208的流动设计成提供串行流动型式。在此种构造中，在垫片组件208中，一个垫片单元的输出是另一个垫片单元的输入。本发明还可在垫片组件208中包括并联和逆流流动构造的各种组合，以满足设计的热量和质量传递需求和流体温度分布。
图3是形成能用在本发明示例实施例中的解吸器-精馏器300的垫片302的视图。应注意到，仅仅作为示例来示出解吸器和精馏器的组合，因为本发明并不局限于需要使用精馏器的解吸器。如上所述，本发明示例实施例中的垫片302形成有交替垫片（未示出）以形成单个单元。在解吸器-精馏器300的解吸部段304中，诸如图1所示溶液104之类的浓缩溶液在进入端口C处进入解吸器-精馏器300的塔D，并且由于重力作用而沿侧壁向下流动。在本发明的一些示例实施例中，可对浓缩溶液进行预加热。
诸如图1所示加热流体100之类的解吸器-精馏器300的加热流体在头部L处进入垫片、通过通道J向上流动并且通过头部K从垫片离开。在浓缩溶液沿侧壁向下流动时，热量从加热流体传递至该浓缩溶液。解吸部段304中发生的热传递致使浓缩溶液蒸发，从而产生制冷蒸气。该制冷蒸气由于浮力而向上流动，从而在溶液和制冷蒸气之间产生对流结构。剩下的稀释溶液收集在通道M的下部中，并且通过溶液热交换器返回至吸收器。
解吸器-精馏器300的效率可通过使用分析部段而升高。在本发明的一个实施例中，分析部段306位于解吸部段304和精馏部段308之间。分析部段306能通过允许进入的浓缩溶液和上升的制冷蒸气之间发生附加的回收热量和质量交换而改进系统的效率。此种直接接触的热量和质量交换用于在浓缩溶液进入解吸部段304之前对该浓缩溶液进行预加热，并且在上升蒸气流进入精馏部段308之前使该上升蒸气流部分地纯化，而无需外部热传递。如同解吸部段304那样，在本发明的一些示例实施例中，蒸气流和进入浓缩溶液处于逆流流动构造中。
因此，包含分析器用于减少在解吸部段300中进行加热和在精馏部段308中进行冷却的需要，从而提高系统的总体效率。在此实现的蒸气纯化降低了精馏器中的回流冷凝，并且允许蒸发器中具有较高的冷却负荷。应理解的是，本发明受益于但并非必需使用分析部段306。
在分析部段306中，浓缩溶液在头部A处进入垫片302，通过分析通道B向下流动，并通过端口C进入解吸器-精馏器300塔D。在溶液沿通道B向下流动时，该溶液由解吸部段304中产生的、通过塔D向上流动的制冷蒸气加热。该制冷蒸气另一方面经受部分冷凝而冷却。经冷凝的回流溶液由于重力作用而沿塔D的侧壁向下流动，而蒸气沿塔持续地上升至精馏部段308。在端口C处进入塔D的新鲜浓缩溶液沿侧壁向下流入到解吸部段304中。
虽然本发明并非必需使用精馏器，然而在本发明的一些实施例中，如果希望进一步增大纯度则可使用精馏器。精馏器通常用于通过对吸收剂进行择优地冷凝而使诸如解吸部段304之类解吸器中产生的制冷蒸气的浓度浓缩。然而，对于挥发性的流体对来说，其中一些量的制冷剂在该过程中也会冷凝。优选的精馏器设计能增强在该过程中发生的热量和质量传递，因此产生具有较高冷却能力的高纯度制冷剂。
在解吸器-精馏器300中，解吸部段304下游的精馏部段308通过使来自离开解吸部段304的蒸气流中的过量水蒸汽冷凝而进一步增大制冷剂蒸气流的浓度。为了提供制冷剂需要的冷却，冷却剂流穿过该部段，散除来自上升蒸气的热量，并使水-氨溶液例如从蒸气流中冷凝出来。如同在解吸部段304中那样，精馏器也是对流的，其中冷却剂流和上升蒸气沿相反方向流动。此外，回流液体也与制冷剂蒸气成逆流定向。此种定向以及相对应的浓度和温度分布使蒸气相和液相之间的热量和质量交换最大，从而增大精馏效率。
解吸部段304中产生的制冷剂蒸气由于浮力而通过塔D上升，穿过分析部段306，在此该制冷剂蒸气在进入精馏部段308之前经受部分精馏。冷却剂（循环加热的耦合流体或从溶液泵离开的浓缩氨-水溶液）在头部F处进入垫片302，沿冷却剂通道E向下流动，并通过头部G离开垫片。沿塔D上升的制冷剂蒸气与该冷却剂进行热交换，经受部分冷凝并且随后精馏至所希望的浓度。
经纯化的制冷剂蒸气通过通道H穿入到头部I中，在此该制冷剂蒸气持续进入用在热量和/或质量交换系统中的冷凝器（未示出）。在精馏过程中形成的回流沿塔D的壁向下流动，与剩余的稀释溶液混合直到在M处被收集为止，并且返回至用在热量和/或质量交换系统中的吸收器（未示出）。图4是分布板400的视图，该分布板能用于使各种流体通过端口进入和离开解吸器、例如图3所示的解吸器-精馏器300。
其它构造能结合本发明的一个或多个示例实施例而使用。本发明的另一实施例使用单独的垫片来用于耦合流体和工作流体，且在相邻的垫片而非通过垫片的平面来发生热传递。对于一些系统设计并且对于一些制造处理选择来说，此种设计被证明是制造起来较容易且较便宜的。此外，具有不同厚度和不同微观特征的垫片能用于工作流体和耦合流体，从而可能产生优良的材料利用。
本发明的其它实施例利用一体的蒸气捕获结构，这防止蒸气通过液体端口离开该部件，并且便于蒸气和液流在这些紧凑封壳中发生对流操作。这些结构通常与解吸部段304的下部成一体（但它们也可放置在他处），并且使用相对较短的液柱来相对于蒸气流来密封液体出口。如果需要的话，端口也可附加于部件来允许进行传感器安装，以监测内部操作。这些传感器包括、但不局限于pH计、温度探测器或热电偶、流量计、压力传感器以及其它传感器。
在一些实施例中，可以提高有效的热量和/或质量传递面积，促进流体流在部件内的混合，并且提供有利的流体流型式。例如，垫片各个部件的表面能改变，以提高热量和/或质量传递的效率或效能。图5a-5c示出可使用的一些示例表面处理。
图5a是凹坑表面的示例。凹坑表面具有形成表面的峰部500和谷部502。在凹坑表面中，峰部500是表面的基部，而谷部502蚀刻到该表面中。如图5b所示，表面504能由多个升高位点或隆起506所形成。在图5c所示的另一示例表面处理中，表面处理包含影线型式（hatch pattern）508。影线型式508能进一步改变成交叉影线型式。就像能使用其它表面那样，各种类型的处理可用于形成图5a-5c所示的表面。例如，表面可以大体是毛面的或经处理的。这些和其它类型的表面处理能提供各种益处，包括但不局限于，促进部件壁的润湿，促进有利的流动区和流分布，改变流体流的方向或者根据需要收集液体或蒸气流，例如使过量液体流通过管道流入良好形成的溪流以露出壁区域或者加速流体从部件的排出。
虽然使用倾斜流道来说明本发明，然而本发明并不局限于任何具体设计的流道。各种类型的流道几何形状可用在解吸组件内的流道中。例如，垂直或对角定向的塔能用于促进降膜或薄膜的形成，盘或液池能用于形成可发生液池沸腾处理的区域，且蜿蜒型通道能用于增大表面积并且延长流体流的驻留时间。其它设计可包括在流道内使用翅片组或填充件（例如拉西环），进一步促进流体混合并增大热量和质量传递区域。
图6是使用相同逆流设计的交替的热量和/或质量交换器的正视图。该实施例使用蜿蜒流路，该蜿蜒流路具有液盘600或液池，从而在加热部件的情形中促进液池沸腾处理，或者在冷却部件的情形中包含冷凝物。在任一情形中，液池或液盘为彼此逆流流动的蒸气和液流之间的热量和/或质量传递提供接触区域。此种方案的变型可包括改变盘尺寸和盘间距，匹配蜿蜒通道区域来匹配蒸气流量，或者其它尺寸变化来允许所希望的流动状况或现象。此外，能改变盘和/或蜿蜒流路的数量，以改变流体的容量和流动特征。该设计也能包含分析或精馏部段。这些部段能包含各种较小的或微型的特征来辅助该热量/质量传递过程。例如，能使用上文所述的各种翅片组或其它表面处理。蒸气和液体进口和出口位置能相对于图中示出的位置改变，以允许使用一体的解吸、精馏和分析部段，或者允许改变流路。
图7是使用垂直塔来包含蒸气和溶液流的本发明替代设计的斜角视图，且耦合流体流过相邻垫片上的微通道。在各种实施例中，蒸气流通过垂直塔向上流动，而溶液相对于蒸气逆流地向下流动。在该实施例中，能对塔的壁进行处理，以包含各种表面，从而促进热量/质量传递和有益的流体流动现象。
图8a和8b示出能用在垂直塔实施例或其它类型实施例中的两个表面处理。图8a示出由对角、波状通道构成的蚀刻表面处理，该表面处理能用在垂直塔或其它类似设计中。所示出的几何形状设计成促进液体溪流的形成，这有助于排除热量/质量交换装置的冷却部段中的冷凝物。通过使蒸气流在塔壁处暴露于未润湿的热传递区域，该过程还有助于蒸气热传递。各种几何形状的设计能用于改变流体流并且促进热量和质量交换。
图8b示出由影线阵列的蚀刻通道构成的另一表面处理。该几何形状设计成促进对热量/质量交换器的各个部段中的塔壁进行完全润湿，其中增大溶液与壁表面积接触对于改进性能并减小尺寸极为重要。各种其它类型的几何形状也可用于实现同等的效果。
如各个附图所示并且如上所述，虽然本发明结合了多个示例实施例进行了描述，然而应理解的是，也可使用其它类似的实施例或者能对所描述的实施例进行各种修改和附加，来执行本发明的类似功能而不会偏离这些功能。因此，本发明不应局限于任何单个实施例，而是根据以下权利要求所限定的范围进行解释。

Claims (40)

1.一种用在一体的热量和质量传递设备中的交换装置，所述交换装置包括：
传递部段，所述传递部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且所述传递部段具有至少一个热交换区域，所述至少一个热交换区域由多排紧凑流道所限定，而所述紧凑流道由所述第一单元的匹配且连结垫片形成；
其中在耦合流体和工作流体溶液引入所述交换装置时，所述多排流道在所述耦合流体和所述工作流体溶液之间提供逆流流动型式；
所述交换装置定向成使得所述耦合流体沿大体向上方向行进，而所述工作流体溶液借助重力沿大体向下方向行进；以及
所述逆流流动型式在蒸气和所述工作流体溶液之间产生关联。
2.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述交换装置是热交换器。
3.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述交换装置是质量交换装置。
4.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述交换装置是组合的热量和质量交换装置。
5.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述关联是从所述工作流体溶液解吸和吸收到所述工作流体溶液中的一种传递。
6.如权利要求5所述的交换装置，其特征在于，所述工作流体溶液和所述逆流蒸气之间的传递通过由垫片所限定的流道的特定几何形状来实现，而不会致使所述工作流体溶液由于从所述工作流体溶液解吸的或者吸收到所述工作流体溶液中的蒸气而溢流或回流。
7.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述工作流体溶液包括氨和水。
8.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述传递部段还由多个第二单元的匹配且连结的垫片形成。
9.如权利要求8所述的交换装置，其特征在于，所述传递部段在所述多个单元中的至少两个之间提供并行流动。
10.如权利要求8所述的交换装置，其特征在于，所述传递部段在所述多个单元中的至少两个之间提供串行流动。
11.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述传递部段是吸收部段。
12.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述热量和/或质量传递部段是解吸部段。
13.如权利要求12所述的交换装置，其特征在于，还包括：精馏部段，所述精馏部段对所述蒸气进行纯化。
14.如权利要求13所述的交换装置，其特征在于，所述蒸气的至少一部分的温度通过与冷却剂进行热交换而降低。
15.如权利要求14所述的交换装置，其特征在于，所述冷却剂包括循环加热的耦合流体或浓缩氨-水溶液中的一种。
16.如权利要求12所述的交换装置，其特征在于，还包括：分析部段，所述分析部段用于使所述工作流体溶液和所述蒸气之间进行回热交换，以在所述工作流体溶液被引入所述解吸部段之前对所述工作流体溶液进行预加热，以部分地纯化所述蒸气。
17.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述多排微通道包括选自如下组的几何形状：垂直定向的塔、对角定向的塔；蜿蜒型通道；以及交替对角定向的塔。
18.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述多排微通道还包括具有盘的塔、具有液池的塔、翅片组以及填料件中的一个或多个。
19.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述多排微通道中的至少一个的内表面的至少一部分选自如下组：凹坑表面；具有升高位点的表面；影线表面；交叉影线表面；一定图案的表面；以及粗糙表面。
20.如权利要求1所述的交换装置，其特征在于，所述耦合流体包括由源自如下组的热源所加热的流体：生物燃料和化石燃料的燃烧；废热源；以及太阳热能。
21.一种用在一体的热量和质量传递设备中的解吸器，所述解吸器包括：
顶部端板，所述顶部端板具有多个端口，用以将加热流体和浓缩溶液输送到所述解吸器中，其中所述顶部端板构造成将所述加热流体、所述浓缩溶液和蒸气输送出所述解吸器；
分布板，所述分布板用于将所述加热流体和所述浓缩溶液分布到所述解吸组件中，并且将所述加热流体、所述浓缩溶液以及所述蒸气分布出所述解吸组件；
解吸部段，所述解吸部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且所述解吸部段具有至少一个热交换区域，所述至少一个热交换区域由多排具有微观特征的流道所限定，而所述流道由所述第一单元的匹配且连结垫片形成；
其中所述多排具有微观特征的流道在所述加热流体和所述浓缩溶液之间提供逆流流动型式；
所述解吸器定向成使得所述加热流体沿大体向上方向行进，而所述浓缩溶液借助重力沿大体向下方向行进；
所述逆流流动型式在蒸气和所述浓缩溶液之间产生关联，以从所述浓缩溶液的至少一部分中解吸出所述蒸气；以及
底部端板，所述底部端板提供流体屏障。
22.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，所述浓缩溶液包括氨和水。
23.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，所述解吸部段还由多个第二单元的匹配且连结的垫片形成。
24.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，还包括：精馏部段，所述精馏部段通过与冷却剂热交换而对蒸气进行纯化，以降低所述蒸气的至少一部分的温度。
25.如权利要求24所述的解吸器，其特征在于，所述冷却剂是循环加热的耦合流体或浓缩的氨-水溶液。
26.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，还包括：分析部段，所述分析部段用于使所述浓缩溶液和所述蒸气之间进行回热和质量交换，以在所述浓缩溶液被引入所述解吸部段之前对所述浓缩溶液进行预加热，以事先部分地纯化所述蒸气。
27.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，所述多排具有微观特征的流道包括选自如下组的几何形状：垂直定向的塔、对角定向的塔；蜿蜒型通道；以及交替对角定向的塔。
28.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，所述多排具有微观特征的流道还包括具有盘的塔、具有液池的塔、翅片组以及填料件中的一个或多个。
29.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，所述多排具有微观特征的流道中的至少一个的内表面的至少一部分选自如下组：凹坑表面；具有升高位点的表面；影线表面；交叉影线表面；一定图案的表面；以及粗糙表面。
30.如权利要求21所述的解吸器，其特征在于，所述加热流体包括由源自如下组的热源所加热的流体：生物燃料和化石燃料的燃烧；废热源；以及太阳热能。
31.一种热量和/或质量交换的方法，所述方法包括：
将耦合流体输送到传递部段中，所述传递部段由第一单元的匹配且连结垫片形成，且所述传递部段具有至少一个热交换区域，所述至少一个热交换区域由多排流道所限定，而所述流道由所述第一单元的匹配且连结垫片形成；
提供多排流道，以便于在所述耦合流体和工作流体溶液之间产生逆流流动型式的关系；
将所述工作流体溶液输送到所述传递部段中，其中所述多排流道便于在所述耦合流体和所述工作流体溶液之间产生逆流流动型式；以及
在所述传递部段中进行组分传递。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，在所述传递部段中进行组分传递包括从所述工作流体溶液的至少一部分中解吸出蒸气。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，还包括：对所述蒸气进行精馏。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括：通过与冷却剂进行热交换而降低所述蒸气的至少一部分的温度。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括循环加热的耦合流体或浓缩氨-水溶液中的一种。
36.如权利要求32所述的方法，其特征在于，还包括：在所述工作流体溶液和所述蒸气之间提供回热和质量交换，以对所述工作流体溶液进行预加热。
37.如权利要求32所述的方法，其特征在于，组分传递通过由垫片所形成的流道的特定几何形状来实现，而不会致使所述工作流体溶液由于从所述工作流体溶液解吸的蒸气而溢流或回流。
38.如权利要求31所述的方法，其特征在于，在所述传递部段中进行组分传递包括将蒸气吸收到所述工作流体溶液的至少一部分中。
39.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述工作流体溶液包括氨和水。
40.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括：使多个第二单元连结于所述第一单元。
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