CN104096459B - 使用选择性传递膜的流体处理系统和方法 - Google Patents

使用选择性传递膜的流体处理系统和方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于对来自流体的组分进行冷却和/或从流体分离该组分的系统和方法。此类系统和方法可包括分离器(例如除湿器)、制冷器和/或气体发生器中的一个或多个，它们中的每一个可包括选择性传递膜。此类系统和方法可用于广泛的应用，包括例如对空气进行冷却和/或除湿。

Description

使用选择性传递膜的流体处理系统和方法
本申请是申请日为2011年9月7日、申请号为201180043124.2且发明名称为“使用选择性传递膜的流体处理系统和方法”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2010年9月7日提交的美国临时申请No. 61/380,520的优先权，该申请全文以引用方式并入本文中。
背景技术
如今的绝大多数热泵和制冷系统采用在蒸气-压缩动力学循环上的变化。这种方法改变惰性工作流体的压力以调控其相关的饱和温度，这使得可以在流体改变相时横跨金属表面传递显热。该技术是成熟的，并且已深入发展，但仍存在一些缺陷。例如，许多最高效的制冷剂对大气具有不期望的效应，例如由氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)制冷剂造成的臭氧层耗竭。虽然氢氟烃(HFC)制冷剂不消耗臭氧层，但其具有显著的直接全球变暖潜势(GWP)。尽管制冷剂通常包含在封闭系统中，但目前的工业实践在2007年通过释放这些高全球变暖潜势(GWP)气体而向大气中增加了144.9公吨CO2的等同物。此外，使用在隔离制冷剂的壁上的显热传递往往需要在湿空气的饱和温度以下的过冷却，以通过冷凝降低其水含量，该要求限制了过程的可能热力学效率。
因此，一直需要改善的空调和制冷系统。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种用于独立地对空气进行冷却和除湿的方法。在一个实施例中，该方法包括：提供穿过除湿器的湿空气流动以提供分离后的水蒸气和除湿后的空气流，其中除湿器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于湿空气在一定条件下在第一膜的第一表面附近的流入和除湿后的空气在第一膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许水蒸气穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面附近提供分离后的水蒸气；提供穿过冷却器的暖空气的流动以提供冷却后的空气流，其中冷却器包括热交换器，该热交换器用于使用冷却后的含水液体进行冷却且被构造用于流过交换器的暖空气的流入和冷却后的空气的流出，暖空气的流入导致变暖的液体，并且其中热交换器被构造成使变暖的液体流到制冷器，其中制冷器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于变暖的液体在一定条件下在第二膜的第一表面附近的流入和变冷后的液体在第二膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许水蒸气穿过第二膜输送至第二膜的第二表面，以在第二膜的第二表面附近提供分离后的水蒸气；以及通过气体发生器对分离后的水蒸气加压以便除去，其中气体发生器包括第三选择性传递膜，该第三选择性传递膜被构造用于使分离后的水蒸气在一定条件下在第三膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许水蒸气的至少一部分穿过第三膜输送至第三膜的第二表面。
在某些实施例中，用于独立地对空气进行冷却和除湿的上述方法还可包括一种用于通过使用第四选择性传递膜从第二含水液体传递水而补充热交换器所用的含水液体中的水的方法，其中邻近第四膜的第一表面的第二含水液体中的水的浓度足够高于邻近第四膜的第二表面的热交换器含水液体中的水的浓度，以造成水从第四膜的第一表面向第四膜的第二表面的正向渗透，同时基本上限制邻近第四膜的第一表面的第二含水液体的其它组分向第四膜的第二表面的传递，从而增加邻近第四膜的第二表面的热交换器含水液体中的水的浓度。在一些实施例中，在第四膜的第一和第二表面之间的水浓度的差异由增加水的分压的热梯度引起。热梯度可以例如通过使用例如太阳能热源、地热和/或废热排放捕获环境温差而引起。可选地，第二含水液体还可包括诸如防冻剂的添加剂。可选地，第二含水液体还可包括溶解的盐和/或矿物。此类用于补充水的方法可根据需要用于本文所述其它系统和方法中。
在另一个实施例中，本发明提供一种用于独立地对空气进行冷却和除湿的系统。在一个实施例中，该系统包括：除湿器，其被构造成提供穿过除湿器的湿空气流动以提供分离后的水蒸气和除湿后的空气的流，其中除湿器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于湿空气在第一膜的第一表面附近的流入和除湿后的空气在第一膜的第一表面附近的流出，所述湿空气的流入允许水蒸气穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面附近提供分离后的水蒸气；冷却器，其被构造成提供穿过冷却器的暖空气的流动以提供冷却后的空气流，其中冷却器包括热交换器，该热交换器用于使用冷却后的含水液体进行冷却且被构造用于流过交换器的暖空气的流入和冷却后的空气的流出，暖空气的流入导致变暖的液体，并且其中热交换器被构造成使变暖的液体流到制冷器，其中制冷器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于变暖的液体在第二膜的第一表面附近的流入和变冷后的液体在第二膜的第一表面附近的流出，所述变暖的液体的流入允许水蒸气穿过第二膜输送至第二膜的第二表面，以在第二膜的第二表面附近提供分离后的水蒸气；以及气体发生器，其被构造成通过气体发生器对分离后的水蒸气加压并除去，其中气体发生器包括第三选择性传递膜，该第三选择性传递膜被构造用于使分离后的水蒸气在第三膜的第一表面附近流动，以允许水蒸气的至少一部分穿过第三膜输送至第三膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于对空气除湿的方法。在一个实施例中，该方法包括：提供穿过除湿器的湿空气流动以提供分离后的水蒸气和除湿后的空气的流，其中除湿器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于湿空气在一定条件下在第一膜的第一表面附近的流入和除湿后的空气在第一膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许水蒸气穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面附近提供分离后的水蒸气；以及通过气体发生器对分离后的水蒸气加压并除去，其中气体发生器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于使分离后的水蒸气在一定条件下在第二膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许水蒸气的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于对空气除湿的系统。在一个实施例中，该系统包括：除湿器，其被构造成提供穿过除湿器的湿空气流动以提供分离后的水蒸气和除湿后的空气的流，其中除湿器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于湿空气在第一膜的第一表面附近的流入和除湿后的空气在第一膜的第一表面附近的流出，所述湿空气的流入允许水蒸气穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面附近提供分离后的水蒸气；以及气体发生器，其被构造成通过气体发生器对分离后的水蒸气进行加压并除去，其中气体发生器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于使分离后的水蒸气在第二膜的第一表面附近流动，以允许水蒸气的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于独立地对来自流体(例如湿空气)的组分（例如水）进行冷却和分离的方法。在一个实施例中，该方法包括：提供具有第一组分的流体穿过分离器的流动，以提供分离后的第一组分和至少一部分已除去第一组分的流体的流，其中分离器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于具有第一组分的流体在一定条件下在第一膜的第一表面附近的流入和具有至少一部分第一组分已被除去的流体在第一膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许第一组分的至少一部分穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面的附近提供分离后的第一组分(例如，水蒸气)；提供穿过冷却器的暖流体的流动以提供冷却后的流体流，其中冷却器包括热交换器，该热交换器用于使用具有第二组分(例如水)的冷却后的液体(例如，含水液体，其可选地包括诸如防腐蚀添加剂和防冻剂的添加剂)进行冷却且被构造用于流过交换器的暖流体的流入和冷却后的流体的流出，暖流体的流入导致变暖的液体，并且其中热交换器被构造成使变暖的液体流到制冷器，其中制冷器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于具有第二组分的变暖的液体在一定条件下在第二膜的第一表面附近的流入和变冷后的液体在第二膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许第二组分的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面，以在第二膜的第二表面附近提供分离后的第二组分(例如水蒸气)；以及通过气体发生器对分离后的第一和/或第二组分加压并除去，其中气体发生器包括第三选择性传递膜，该第三选择性传递膜被构造用于使分离后的组分在一定条件下在第三膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许第一和/或第二组分的至少一部分穿过第三膜输送至第三膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于独立地对来自流体(例如湿空气)的组分（例如水）进行冷却和分离的系统。在一个实施例中，该系统包括：分离器，其被构造成提供具有第一组分的流体穿过分离器的流动，以提供分离后的第一组分和至少一部分已除去第一组分的流体的流，其中分离器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于具有第一组分的流体在第一膜的第一表面附近的流入和至少一部分已除去第一组分的流体在第一膜的第一表面附近的流出，所述流入允许第一组分的至少一部分穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面的附近提供分离后的第一组分(例如，水蒸气)；冷却器，其被构造成提供穿过冷却器的暖流体的流动以提供冷却后的流体流，其中冷却器包括热交换器，该热交换器用于使用具有第二组分(例如水)的冷却后的液体(例如，含水液体，其可选地包括诸如防腐蚀添加剂和防冻剂的添加剂)进行冷却且被构造用于流过交换器的暖流体的流入和冷却后的流体的流出，暖流体的流入导致变暖的液体，并且其中热交换器被构造成使变暖的液体流到制冷器，其中制冷器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于具有第二组分的变暖的液体在第二膜的第一表面附近的流入和变冷后的液体在第二膜的第一表面附近的流出，所述变暖的液体的流入允许第二组分的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面，以在第二膜的第二表面附近提供分离后的第二组分(例如水蒸气)；以及气体发生器，其被构造成通过气体发生器对分离后的第一和/或第二组分加压并除去，其中气体发生器包括第三选择性传递膜，该第三选择性传递膜被构造用于使分离后的组分在第三膜的第一表面附近流动，以允许第一和/或第二组分的至少一部分穿过第三膜输送至第三膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于冷却流体的方法。在一个实施例中，该方法包括：提供穿过制冷器的具有组分(例如水)的暖流体(例如，含水流体，其可选地包括诸如防腐蚀添加剂和防冻剂的添加剂)的流动，以提供冷却后的流体流，其中制冷器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于具有该组分的暖流体在一定条件下在第一膜的第一表面附近的流入和变冷后的流体在第一膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许该组分的至少一部分穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面附近提供分离后的组分(例如水蒸气)；以及通过气体发生器对分离后的组分加压并除去，其中气体发生器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于使分离后的组分在一定条件下在第二膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许该组分的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于冷却流体的系统。在一个实施例中，该系统包括：制冷器，其被构造成提供穿过制冷器的具有组分(例如水)的暖流体(例如，含水流体，其可选地包括诸如防腐蚀添加剂和防冻剂的添加剂)的流动，以提供冷却后的流体流，其中制冷器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于具有该组分的暖流体在第一膜的第一表面附近的流入和变冷后的流体在第一膜的第一表面附近的流出，所述暖流体的流入允许所述组分的至少一部分穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面附近提供分离后的组分(例如水蒸气)；以及气体发生器，其被构造成通过气体发生器对分离后的组分加压并除去，其中气体发生器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于使分离后的组分在第二膜的第一表面附近流动，以允许该组分的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于从流体分离组分的方法。在一个实施例中，该方法包括：提供具有组分(例如水)的流体（例如湿空气）穿过分离器的流动，以提供分离后的组分和至少一部分已除去该组分的流体的流，其中分离器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于具有该组分的流体在一定条件下在第一膜的第一表面附近的流入和至少一部分已除去该组分的流体在第一膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许该组分的至少一部分穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面的附近提供分离后的组分(例如，水蒸气)；以及通过气体发生器对分离后的组分加压并除去，其中气体发生器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于使分离后的组分在一定条件下在第二膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许该组分的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于从流体分离组分的系统。在一个实施例中，该系统包括：分离器，其被构造成提供具有组分(例如水)的流体（例如湿空气）穿过分离器的流动，以提供分离后的组分和至少一部分已除去该组分的流体的流，其中分离器包括第一选择性传递膜，该第一选择性传递膜被构造用于具有该组分的流体在第一膜的第一表面附近的流入和至少一部分已除去该组分的流体在第一膜的第一表面附近的流出，所述流入允许该组分的至少一部分穿过第一膜输送至第一膜的第二表面，以在第一膜的第二表面的附近提供分离后的组分(例如，水蒸气)；以及气体发生器，其被构造成通过气体发生器对分离后的组分加压并除去，其中气体发生器包括第二选择性传递膜，该第二选择性传递膜被构造用于使分离后的组分在第二膜的第一表面附近流动，以允许该组分的至少一部分穿过第二膜输送至第二膜的第二表面。
在另一方面，本发明提供一种用于从流体分离组分的方法。在一个实施例中，该方法包括提供具有组分(例如水)的液体穿过分离器的流动，以提供分离后的组分和至少一部分已除去该组分的流体的流，其中分离器包括：选择性传递膜，其被构造用于具有该组分的流体在一定条件下在该膜的第一表面附近的流入和至少一部分已除去该组分的流体在该膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许该组分的至少一部分穿过该膜输送至膜的第二表面，以在膜的第二表面附近提供分离后的组分(例如水)；以及在膜的第二表面附近用于吸收分离后的组分的第二含水流体流。该方法允许该组分从一个液体流传递到另一个液体流。
在另一方面，本发明提供一种用于从流体分离组分的系统。在一个实施例中，该方法包括提供具有组分(例如水)的液体穿过分离器的流动，以提供分离后的组分和至少一部分已除去该组分的流体的流，其中分离器包括：选择性传递膜，其被构造用于具有该组分的流体在一定条件下在该膜的第一表面附近的流入和至少一部分已除去该组分的流体在膜的第一表面附近的流出，所述条件足以允许该组分的至少一部分穿过该膜输送至膜的第二表面，以在膜的第二表面附近提供分离后的组分(例如水)；以及在该膜的第二表面附近用于吸收分离后的组分的第二流体流。该方法允许该组分从一个液体流传递到另一个液体流。
上述方法和系统可以适于大型和小型空调和热泵应用两者。由于设备和膜结构的类型，装置将为紧凑的且具有轻的重量，从而使其适于运输应用以及固定装置。在某些实施例中，本文所公开的方法和系统可提供包括下列中的一个或多个的优点：显著的能耗减少；例如由更低能耗导致的更低的排放；和/或消除或减少会破坏臭氧层的有害的产生氟烃的制冷剂气体的使用。
如本文所用，“一个”、“一种”、“该”和“至少一个”可互换使用，并且表示一个或一个以上。
如本文所用，与“包括”或“包含”同义的术语“具有”是包含性、开放式的，并且不排除额外的未引述元素或方法步骤。
本发明的各种实施例的以上简要描述并非意图描述本发明的每个实施例或每一种实施。相反，通过参考结合附图的以下描述和权利要求，对本发明的更全面的理解将变得显而易见并得到共识。此外，应当理解，可以使用其它实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行结构修改。
附图说明
图1是用于对空气除湿的选择性质量交换器的实施例的示意图。
图2是用于对含水液体制冷的选择性质量交换器的实施例的示意图。
图3是用于对空气加湿的选择性质量交换器的实施例的示意图。
图4是膜类空调系统的实施例的示意图。
图5是示例性热泵系统的一个实施例的示意图。
图6是如示例2中描述的示例性专用室外空气系统的一个实施例的示意图。
图7是使用外部制冷器的示例性膜除湿器专业室外空气系统的一个实施例的示意图。
图8是如示例3中描述的示例性蒸发制冷器系统的一个实施例的示意图。
图9是示例性水冷膜除湿器的一个实施例的示意图。
图10是示例性的膜循环加热或饮用热水系统的一个实施例的示意图。
图11是示例性的膜循环冷却或制冷系统的一个实施例的示意图。
图12是将水分/液体膜和贮液器结合到信号部件中的一个实施例的示意图。
图13是示例性膜正向渗透系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
本文公开了用于冷却组分和/或从流体分离该组分的系统和方法。此类系统和方法可包括分离器(例如除湿器)、制冷器和/或气体发生器(即加湿器)中的一个或多个。上述装置中的每一个可采用选择性传递膜来通过受控的固态渗透的机制控制组分与一流体的分离和/或到另一流体的吸收，同时使相应的流体保持分离。组分与一流体的分离和其被另一流体的吸收可具有多种应用所期望的热力学效应。例如，水分与空气流(流体)的分离是除湿器所期望的。再如，水分通过相变与水体分离以冷却该水体是制冷器所期望的。又如，水分从选择性传递膜向流体(空气)中的吸收是加湿器所期望的。可以为每个分离器(例如除湿器)、制冷器和/或气体发生器(例如加湿器)使用相同或不同的选择性传递膜。此类系统和方法可用于广泛的应用，包括例如对空气进行冷却和/或除湿。
选择性传递膜
当空气和其它流体基于下面的材料时，改变它们的温度和湿度的许多新方法变得可能：该材料能选择性地传递水分子(或某些其它目标分子)，同时防止氧气、氮气和空气的其它组分及常见气体从膜的一个表面传送至相同膜的第二表面。
例如，已经开发出一类聚合物膜，其使用束缚电荷的纳米级组织结构将分子级别的水从较高蒸气压力选择性地传递至较低蒸气压力侧。膜可以自组织成从膜的第一表面到膜的第二表面邻接的亲水性域和疏水性域。邻接的疏水性域可以是基本上不可渗透水和气体的。邻接的亲水性域可以渗透具有大的介电常数的小分子，同时基本上不可渗透大分子，并且大分子和小分子两者都具有低的介电常数。基于大小和介电常数的渗透性质可使膜具有选择性。由于膜是选择性的，并且严重地限制了氧气、氮气和/或其它大气气体的传递，用于水分传递的驱动力可以很大程度上独立于水分的分压。可用的示例性聚合物和制备此类聚合物的方法公开于例如下列专利中：美国专利No. 5,468,574 (Ehrenberg等人)、No. 5,679,482 (Ehrenberg等人)、No. 6,110,616 (Sheikh-Ali等人)、No. 6,306,419 (Vachon等人)、No. 6,383,391 (Ehrenberg等人)、No. 6,413,298 (Wnek等人)、No. 6,841,601(Serpico等人)、No. 7,179,860 (Cao等人)、No. 7,582,702 (Wright等人)、No. 7,585,916 (Wright等人)、No. 7,592,390 (Bening等人)、No. 7,625,979 (Atwood等人)、No. 7,737,224 (Willis等人)、No. 7,847,022 (Wright等人)、No. 7,887,926 (Ober等人)、No.7,919,565 (Willis等人)、No. 7,977,432 (Bening等人)和No. 7,981,970 (Willis等人)；美国专利申请公开No. 2004/0142910 Al (Vachon等人)、No. 2006/0292208 Al(Vachon)和No. 2010/0170776 Al (Ehrenberg等人)；PCT国际公布No. WO 2005/030812Al (Cao等人)、No. 2008/141179 Al (Ehrenberg等人)、No. 2009/002984 A2 (Vachon等人)；以及美国序列号61/293,637 (Ehrenberg)。
可以设想在这些系统中使用其它材料。对于候选材料的示例性限制条件包括例如选择性(即，在不通过材料传递过量的非目标气体的情况下在材料上保持强的绝对压差的能力)和通量能力(即，从材料的一侧向另一侧快速传递目标流体(通常为水)的能力)。
可能的候选材料包括(但不限于)用作质子交换膜的含氟聚合物(例如，可以商品名NAFION获得的聚合物)、聚酯、聚氨酯和类似于在能量回收通风器中使用的那些的干燥剂处理过的非织造物。在一些实施例中，这些材料的实用性可能受限于包括例如水通量率、透气率和/或成本的因素。
膜操作的一般描述阐述为：该膜内的水含量与膜的表面处存在的蒸气压力处于动态平衡。膜将水分子吸收到其亲水区域中并允许分子在这些区域内移动。在膜的表面处，在从周围流体吸收到膜中的水分子与从膜解吸到流体中的水分子之间存在动态平衡。在两个膜表面紧邻但暴露于反映不同蒸气浓度的不同蒸气压力(即，薄膜暴露于两种不同的流体)的情况中，水分子在膜内的移动性使得在两个表面之间可以动态平衡，从高蒸气压力流体向膜中吸收的水分子比解吸的更多，并且从膜向低蒸气压力流体解吸的水分子比吸收的更多。因此，在这两个表面之间的蒸气压差驱使水分子的净通量通过膜。
选择性质量交换器
在该系统中的一个概念是选择性质量交换器，其在任一方向上通过膜传递工作流体的分子，同时减少过程流体的交叉或泄漏。在图2中，除湿器、制冷器和气体发生器均为这种选择性质量交换器概念的形式。在它们之间就在膜的任一侧上的流体的温度、组成和相而言存在差异，但在每种装置的几何形状之间也可存在相似之处。
图1、图2和图3将除湿器、制冷器和气体发生器示出为具有相同基本几何形状的三种应用，其中管状选择性传递表面进料到公共联箱（header）或从公共联箱进料。该布局可存在许多变型，包括但不限于：交换器可具有在传递管的两端处的联箱；选择性传递表面可以是非管状的，或者具有延伸表面以增加面积；或者该装置可以布置成棱柱阵列，其中膜的平坦表面堆叠成阵列。所有这些选项均为本领域的技术人员的设计决策；本发明所示仅为优选实施例。
在某些实施例中，在选择性传递表面中使用的膜的一个特征为双向操作。例如，在图1中的除湿器和气体发生器之间的一个区别是质量传递的方向。这意味着部件可通过不同模式操作。在一种模式中，该部件可以是除湿器，但当该系统被置于热泵模式时，可能要求相同部件充当加湿器。
膜除湿器
膜除湿器的概念利用蒸气压差从流体流中吸出水分。参看图1，潮湿流体流(在本例中为湿空气22)被提供给水传递表面24的第一表面，同时，水传递表面24的第二表面通过真空联箱21被抽空至较低蒸气压力。压差将驱动水分子从第一表面向第二表面迁移。只要在该方向保持压差，通量将继续，并且离开的干空气23将被除湿。
如果水传递表面24对于氧气、氮气和氩气是高度可渗透的，则这些分子也将从第一表面向第二表面迁移，并且可能需要由真空源抽空。水传递表面的一个示例是选择性膜，其被设计成允许水分子优先传递，同时限制其它物种。本文所述膜中的一些对于空气而言高度不可渗透，因此水分子通常以使得装置能够有效操作的速率被优先传递。因此，在第二表面处初始地提供的任何氧气、氮气或氩气被抽空，从而确保在第二表面处的水分子与空气分子的高比率，这至少出于两种原因能改善性能。首先，因为抽空第二表面所需能量严重依赖于质量流量，所以优选的是，膜是选择用于被传递的所需分子(例如，在这种情况下为水)的。低选择性可导致消耗的能量用来移动空气而不是水分子。其次，高度选择性的膜可以在过程流中留下空气分子，从而确保装置真正地对空气流进行干燥和除湿，而不仅仅是转移质量。
膜制冷器(例如，如图2和图8所示)。
参看图2，膜制冷器可与除湿器具有相似性，但在第一表面处的流体可以是液体或包含水或其它分子的液体混合物，该分子能通过所选膜容易地传递。当膜的第二表面被抽吸至低于在第一表面处的液体的蒸气压力的压力时，穿过膜的水分子的通量包括从一侧上的液体向另一侧上的蒸气的状态变化。这种相变所需的蒸发热量可来自留下的液态水，从而降低液体的温度，这就是蒸发冷却的原理。这种冷却效应可用来使水变冷以在显热交换器或盘管中使用。参见例如如图8中所示的水/空气热交换器16，其可以在HVAC-R工业中普遍使用。
膜制冷器可具有相比其它制冷器的多种优点。例如，在某些实施例中，膜制冷器不需要使用类似蒸气压缩循环中使用的制冷剂的制冷剂。最常见的制冷剂可具有显著的全球变暖潜势并且面临将禁止日常使用的压力，而低全球变暖潜势制冷剂尚未达到相同的商业接受水平。又如，蒸发性制冷器(被称为湿垫冷却器)已在干燥气候中使用，但其不能将空气温度或水温度降低至外部空气的湿球温度以下。由于选择性传递膜第二表面能在大气压以下操作，与第一表面接触的水的温度能从大气湿球温度降低至冻结点的几度内。对第二膜表面压力的控制设定与膜的第一表面接触的水体内的温度。温度范围和控制允许制冷器用来从空气调节平稳调整到变为制冷装置。
气体发生器(例如，如图3所示)。
基于真空的除湿的一个局限一直是从系统除去水蒸气以留出更多空间的问题。将蒸气压缩至大气压并允许其流出在技术上是可能的，但可能需要大的能耗。除湿所需的典型蒸气压力为1kPa绝对压力，并且达到大气压所需的大约100:1的压缩比将水蒸气的焓增加1570kJ/kg(假设75%的压缩机效率)并将温度升高至几乎1450°F。在能耗和用于处理出口温度的材料要求方面，这可能是让人无法接受的。
使用本文所公开的选择性膜提供了一种避开这个问题的方式。穿过膜的水分传递受蒸气压差驱动，并且很大程度上不受O2和N2分子的浓度影响。即使在最坏情况下，ASHRAE除湿设计条件(Biloxi, MS)也具有仅3.76kPa的蒸气压力；由O2和N2分子提供的分压的其余97.57kPa不显著阻碍水分子的移动。一旦在膜的过程侧上的蒸气压力升高至3.76kPa以上，水分子就开始传递到环境空气中。参见例如图3中的干空气22和湿空气23。如果在过程侧上不存在O2或N2分子，则绝对压差可能表现为对抗这种水分传递，但该绝对压差实际上不影响水分子的迁移。
膜的这种性质可以被我们称为“气体发生器”的装置所利用。低压水蒸气(典型地但非排他地来自膜除湿器和/或膜制冷器)在气体发生器中被压缩并以高于流过膜的第二表面的流体中的水蒸气的分压的蒸气压力进给至膜的第一表面。水分子从膜的第一表面传递至膜的第二表面，从而对在第二表面处的流体加湿并以节能方式从系统排出水分。参见例如图3中的干空气22和湿空气23。
气体发生器也可被液体冷却。在这种情况下，经过膜表面以除去蒸气的流体通常为水，但可以更一般地为包含水和其它物质的混合物或具有穿过用来形成气体发生器表面的膜的高渗透率的任何流体。如果流体为纯水，则在以上提出的分压之间的区别不再适用，因为与膜相互作用的所有分子均为水。然而，在由膜的该表面经受的液体温度和蒸气压力之间存在关系。如果在第一表面处的蒸气源对膜提供的蒸气压力高于由在第二表面处的流体施加的蒸气压力，则将存在水分子的净移动以冷凝成在第二表面处的流体。
作为系统的一般用途
总而言之，过程流体(通常但非排他地为空气)借助于横跨可选择性渗透的材料(下文称之为膜)的潜在能量交换而被调节(为所选蒸气的所需温度和浓度而被调整)。显能通过热交换器而从过程流体交换到工作流体(通常但非排他地为水)，但工作流体的温度由横跨膜的潜能交换来控制。
典型应用(随后将描述其它应用)涉及减小封闭物(过程流体)内部的空气的温度和湿度，同时使封闭物外部的多余热量和湿度移动至更温暖且具有更高蒸气压力的环境，该环境条件防止在所需方向上的自发传递。这些相同原理中的许多可以容易地应用于略微不同的情况中，例如用来控制除水之外的流体的蒸气压力，但在图4所示系统中，我们将讨论使用水作为工作流体的空气调节。
该系统的原理和部件中的一些在例如美国专利申请公开No. 2010/0031817 Al(Ehrenberg等人)和No. 2010/0170776 Al (Ehrenberg等人)中进一步描述。
在这种情况下，使用封闭的抽空的系统来将水蒸气从封闭物内部的两个源传递到外部环境。水蒸气的第一源是过程流体本身 - 蒸气横跨膜被吸入抽空的系统，因为其绝对压力小于过程流体中的水的蒸气压力。这发生在被称为除湿器的部件内部。水蒸气的第二源是在被称为制冷器的部件内部的液态水流。这种液态水与膜的一个表面接触，同时抽空的系统与另一表面接触。由于抽空的系统的绝对压力再次低于水的蒸气压力，水分子穿过膜蒸发到真空中。蒸发的热量从液态水被提取，从而引起剩余液体的蒸发冷却，该液态水可接着循环通过冷却盘管以降低过程流体的温度。
从除湿器和制冷器抽出的水蒸气接着被压缩并在封闭物外部移动至室外质量交换器。在压缩之后，水蒸气仍处于非常低的绝对压力(2-5kPa)，但膜的选择性渗透能力确保蒸气主要为水或过程流体。在膜的另一表面上流通的外部空气可以处于比水或过程流体更高的压力，但水分子仅构成总体组合物的一部分并且具有比水或过程流体更低的分压。因此，蒸气压差驱动水传递到抽空的系统之外，从而将水分子分散到大气中。
图4中的图示出了连接到室外质量交换器的真空泵5，其通过除去任何空气而将系统抽低至操作压力。一旦系统处于真空，该泵就可以在正常操作期间关闭。任何真空系统都会有泄漏，并且当氧气和氮气进入时，它们将被截留，不能穿过膜离开或对抗绝对压力梯度向外泄露。随时间推移，这种不可冷凝的气体开始升高压缩机的背压并且降低使水分子与膜接触的能力。为了解决这个问题，真空泵可以定期重启以吹扫系统并使其恢复到操作压力。然而，这是一种应尽可能避免的巨大能量损耗，这就是限制不可冷凝气体传递的能力之所以成为选择膜材料的因素的原因。另外图4中省去了在最终实施中将存在的控制阀、管道和配件。
提供以下示例以进一步说明本发明的各种具体实施例和技术。然而应当理解，在不保持在本发明的范围内的同时，可以进行本领域的普通技术人员理解的许多变型和修改。因此，本发明的范围并非意图受下列示例的限制。
示例
示例1：如图4所示的舒适空调
该系统的最常见用途之一可能是内部空间的舒适空调，即对随后循环到给定空间内的空气进行冷却和除湿。该系统本身可以被包装成任何形式(例如，包装的屋顶空调机，其将空气从空间抽出并再循环；分体系统，其具有将蒸气导向至外部质量交换单元的内部空气处理器；等等)。
图4中示出了基本的舒适空调系统的示意图。当真空泵5抽空由质量交换器蒸气/空气传递膜2、水分/空气传递膜14、水分/液体传递膜10、压缩机12、以及在它们之间的连接表示的封闭系统时，系统操作开始。真空泵除去驻留于封闭系统的空气和任何气体，直到压力达到小于其所暴露于的空气或水系统中所需的最低蒸气压力的所选值。一旦处于设计压力，就关闭真空泵，除非在本文讨论的吹扫操作中。
在系统中存在标以蒸气/空气传递膜2、水分/空气传递膜14和水分/液体传递膜10的三种选择性质量交换器。在此处所示操作模式中，水分/空气传递膜14起到除湿器的作用，水分/液体传递膜10充当制冷器，并且蒸气/空气传递膜2充当气体发生器。随后将描述选择性质量交换器的其它构型。
水分/空气传递膜14对从封闭空间抽出的回流空气13除湿，但不显著改变空气的温度，因为水分子(水蒸气11)被从空气抽入抽空的系统内部的低压条件中。RH受控的空气15以比其进入时更低的蒸气压力离开水分/空气传递膜14，并且行进通过制冷水盘管水/空气热交换器16，在这里其被显冷以使空气温度达到所需的离开设定点。在没有温度变化的情况下除湿是空调技术中的进步，其允许独立控制两个变量，这增加了用户的舒适度并避免需要空气的过冷和再加热的能量密集策略。
RH受控的空气15传送到制冷水盘管水/空气热交换器16，然后作为冷却器调节后的供应空气17离开。变冷后的水在因其从空气获得热量而增加温度之后离开水/空气热交换器16，并且可以在再次进入盘管之前被制冷。这可以由水环路31实现，该环路使水从水/空气热交换器16循环到水分/液体传递膜10，水分/液体传递膜10将水置于选择性传递表面的一个表面上，并且使相对表面暴露于上述抽空的系统。由于液体中的水分子的蒸气压力高于抽空的系统的压力，存在从液体穿过膜进入抽空的系统中的水分子(水蒸气11)的净蒸发。这种相变从液态水提取热量，从而降低其温度并使其准备好返回制冷水盘管水/空气热交换器16。
水分传递膜10和水分传递膜14两者生成进入上述封闭的真空系统的水蒸气。这些水分子可以被除去，以保持传递水所需的蒸气压差。这可由蒸气压缩机12实现，其使蒸气分子移动至更高压力的压缩水蒸气6状态，在该状态下，其分压高于外部空气1的分压。由于水分传递膜的选择性确保存在的气体在压缩水蒸气6中包括显著更高百分比的水分子，这种分压通常出现在远低于外部空气1的压力的绝对压力处。在这种分压差的驱动下，水蒸气经过蒸气/空气传递膜2并随排气3离开。通过不可避免的泄漏进入真空的痕量的氮气、氧气等基本上不能经过膜，并且不能在正常温度下容易地被捕获为液体；因此，它们被称为不可冷凝的气体4。不可冷凝气体4用来增加压缩机12所需的能量，因此它们能由初始地抽空系统的相同真空泵5从系统吹扫出。
由于存在离开水环路的净质量传递，在一些实施例中，期望提供补充水源的系统。由于在一些实施例中水是水源中唯一容易地穿过膜的分子，水环路中的所有其它组分(颗粒物、化学物等)能随时间推移变浓，因为替换水会引入新的污染物。因此，期望提供定期吹扫机构8，该机构能排空所述系统中其污染物已变浓的水并将其替换成新鲜水源。
图4所示简单机构为标以水贮存器9的储罐。水贮存器9提供用于最小化水吹扫频率的水量，并且是水位传感器的适宜位置，该传感器为系统补水的需求发出信号通知引入补给水7。
示例2：如图5所示的热泵舒适空调。
该系统的最常见用途之一可以是通过处理随后循环到被调节的空间中的空气而对内部空间加热和加湿。该系统类似于示例1中的系统，并且可以被包装成任何形式(例如，包装的屋顶空调机，其将空气从空间抽出并再循环；分体系统，其具有将蒸气导向至外部质量交换单元的内部空气处理器；等等)。
该系统的部件可双向作用并且除了压缩机12之外以相同方式连接。压缩机12被重新布管以从蒸气/空气传递膜2抽出水分。外部空气1在穿过蒸气/空气传递膜2时被除湿，然后作为排气3排出。压缩机12生成压缩水蒸气6，并将其送至水分/空气膜14和水分/液体膜10。由于在与压缩机12同侧上存在更高的蒸气压力，水蒸气离开系统并进入回流空气13和/或RH受控的空气15。
回流空气13在经过水分/空气膜14时被加湿，变成RH受控的空气15。在某些实施例中，在该步骤中存在显著少的热传递，因为不涉及相变。RH受控的空气5经过水/空气热交换器16以变成调节后的供应空气17。
示例3：专用室外空气系统(图6)
专用室外空气系统(DOAS)是在暖通空调写字楼中越来越流行的概念。也被称为100%外部空气系统，该系统被设计成与在空间内再循环的空气分开地调节引入建筑物的新鲜通风空气。这使得可以在不考虑室内空间的冷却要求的情况下输送适当的通风空气流，并且有助于保持舒适的室内湿度水平。参见例如Murphy, ASHRAE Journal 2006, 48 (30-37)。
对于DOAS设计的通用方法是创造一种系统，该系统通过将通风空气冷却至55°F而对其除湿，然后将空气再加热以在空间中立温度(典型地70-75°F)对其进行输送，通常称为中立空气系统的构型。在DOAS系统设计中的两个趋势是输送比中立空气系统所需更进一步除湿的通风空气或在比空间中立更冷的温度下输送通风空气。输送干燥空气能消除由单独的再循环系统处理的潜在负荷，这意味着第二系统可利用干燥盘管操作或者可以是不具有潜在能力的类型。当空气将最终被再循环系统处理并第二次冷却以除去内部热负荷时，输送冷空气能消除将空气再加热至中立温度的无用步骤。
在输送来自DOAS系统的冷空气时，存在可能需要解决的操作约束和困难。内部空间中的一些可能被过冷超出其占用者的舒适水平，尤其是在部分负荷条件下。如果过冷后的室外空气被直接进给到再循环单元中，其将降低冷却负荷而不减少空气流，从而潜在地打破空气处理器的设计平衡。如果允许室外空气与被调节的空间直接混合(解耦应用)，则其避免了这个问题，但可能由于过冷的空间而引起冷凝问题。因此，大多数冷空气系统包括再加热以调控空气输送温度。
能够独立于空气温度对空气进行除湿(即，能够直接降低湿度，而不将其温度降低至露点以下以引起冷凝)的单元可具有一个或多个优点，例如，在不消耗能量以用于再热的情况下输送空间中立空气的能力；在除去足够水分以处理内部空间的潜在负荷的同时输送空间中立温度的能力；以及调控温度和湿度两者以对建筑物条件做出反应的能力。
图6是示意图，示出了带有选择性质量交换器的能量回收通风与封闭真空系统的组合，该真空系统用来将水分从流入的通风空气穿梭至流出的排气，同时也通过为显冷目的蒸发而对液态水源进行制冷。
新鲜通风空气(外部空气1)被引入固定板能量回收通风器ERV芯19，在这里其释放热量和湿气，并在其从被排出建筑物的回流空气13通过纳米结构的水分传递膜(MTM)的相对侧时变成进给空气18。来自被调节的环境的回流空气13从外部空气1吸收感觉温度和潜在水分，从而变成中间空气20。这种吸收可由如例如在美国专利No. 6,841,601(Serpico等人)、No. 6,413,298(Wnek等人)和No. 6,383,391 (Ehrenberg等人)中描述的选择性传递膜居中调节。中间空气20具有比外部空气更低的湿度和温度，并且将吸收额外的显热温度和潜在湿度，从而将系统的总体效率增加至超出通过简单地使用经过蒸气/空气膜2的外部空气所能达到的水平。
再次参看图6，在离开芯之后，新鲜通风空气(进给空气18)穿过直接传递除湿器部分(水分/空气传递膜14)，其由在一端处通向真空联箱21的选择性传递膜的管组成(参见图1)。其绝对压力低于经过管的空气(湿空气22)的蒸气压力的真空的存在造成水分子向真空中的净传递，从而将空气除湿(干空气23)而不显著降低温度。
除湿后的空气(RH受控的空气15)接着穿过制冷水盘管(水/空气热交换器16)以降低至合适的供应温度并变成调节后的供应空气17。在水环路31中循环的水在其返回至用来保持适当水位的贮存器9时以较高温度离开盘管，但这种多余的热量可由蒸发制冷器(水分/液体膜10，图6中示出且在图2中详细示出)从在水环路31(图6)中循环的水除去，该蒸发制冷器在结构上非常类似于直接接触的除湿器(水分/空气传递膜14)。这里，真空从在管的外部上的液态水抽出水分子，从而通过蒸发冷却液态水，直到其离开制冷器并返回到制冷水盘管。
除湿器(水分/空气传递膜14)和制冷器(水分/液体传递膜10)两者产生低压水蒸气的稳定供应。本文所述方法和系统的实用性可依赖于以下事实：所选膜很大程度上不可渗透氧气、氮气、二氧化碳和我们的空气中的大部分分子。由于这些分子不能大量地穿过膜，真空系统只需要处理水蒸气，而很少受惰性分子影响且需要更多能量。虽然这些分子可能在启动时存在于真空系统中，但将系统降低至其操作压力的真空泵将把大部分(如果不是全部)分子排出到外部空气。当在膜的外部上的压力降低至露点以下时，水蒸气开始穿出，并且真空泵关闭。没有一种真空系统是完全不泄漏的，因此空气和其它不可冷凝气体4预计将随时间推移进入系统。真空泵将定期通电并除去积聚的气体以使系统恢复至峰值效率，或者可以在低水平下连续运行以实现相同效果。
由除湿器和制冷器产生的水蒸气11被导引至蒸气压缩机(压缩机12)，其被设计成通过至少1的压力比使大体积的非常低压力的蒸气移动。压缩机将这种较高压力的水蒸气(压缩水蒸气6)推入气体发生器(蒸气/空气传递膜2，图6中示出)。气体发生器与除湿器部分基本上相反。在该实施例中，水蒸气处于比在膜的外部上的空气更高的蒸气压力，并且水分子从蒸气传递到空气(排气3)。该过程完成整个循环，从而释放吸收的热量和湿气，同时调节了通风空气。
也可为该示例设想备选方法。例如，一个实施例使用相同的水分传递膜来构造ERV以作为在除湿器、制冷器和气体发生器中所示的水传递表面。存在其它形式的能量回收，并且某些已结合了冷却系统，以使DOAS比直接的蒸气压缩循环更有效。此处所述除湿器、制冷器和气体发生器的布置形成此前尚未结合到DOAS中的独特的系统，并且当然可以将这些部件与焓轮或备选形式的能量回收通风装置结合以制造本文所设想的系统。
示例4：如图7所示的独立式除湿系统。
图7示出了类似于在其它示例中所述那些的系统，不同的是该图示出仅具有除湿功能(水分/空气膜14)的DOAS系统。该系统使用制冷水盘管(水/空气热交换器16)来除去冷却空气的显热。制冷水盘管使用水环路41从远程独立式制冷器进料。水环路41可附接到任何冷水源。
示例5：如图8所示的独立式蒸发制冷器。
使用选择性质量交换器作为制冷器在独立式应用中也可用来形成变冷后的水或其它冷液体。大量HVAC和工业应用依赖于蒸气压缩循环以从过程液体向工作流体传递热量，工作流体可以在耗散多余的热能之前被循环到另一位置。通常，工作流体以可感测的方式穿过热交换器的壁向散热器传递热量。该散热器可以是环境空气、深海水、地热温差或在其蒸发时耗散热量的蒸发液体。通常，蒸气压缩装置被称为制冷器，而散热装置则被称为冷却塔。
图8示出了类似于其它示例中所述那些的系统，不同的是该图显示选择性质量交换器可以使用过程流体作为工作流体并通过将物质蒸发到低压蒸气的封闭区域中而冷却流体。蒸气可然后被压缩和在较高压力下移动至第二选择性质量交换器，其中蒸气可以被传递到环境条件。
图2示出了使用管状膜结构的制冷器的一种可能的结构。其它非管状结构是可行的，例如棱柱板和螺旋。水通过水传递表面24吸收到膜中。水传递表面24的管状结构包含由真空联箱21分配的真空，真空联箱21邻近水传递表面24的第二表面。暖水25邻近水传递表面24。水被吸收到膜表面中并选择性地渗透到第二表面，水在这里经历至气体的相变并且被抽出到真空联箱21中。这种相变冷却所述膜和邻近该膜的第一表面的水，从而产生冷水26。冷水被循环至制冷器盘管，例如图4中的水/空气热交换器16。
示例6：如图9所示的膜除湿器(水冷)。
存在这样的应用，其中优选地使用上述水冷的气体发生器来取代示例1和示例5中的空冷气体发生器。示例包括但不限于其中存在在低于环境空气的湿球温度的温度下容易获得的液体的情况或其中期望形成淡水以用于附加用途的情况。
在这些情况中，水环路51能被穿过气体发生器(水分/液体膜10)的空气流代替。压缩机12可以将蒸气加压，直到其蒸气压力超出气体发生器中的冷流体的压力。通过膜传递的水分子能在其冷凝时升高流体温度，因此水循环通过水/空气热交换器16以将该热量排放到环境中。存在许多排放这种热量的可行方法，例如，地下环路可以将该能量倾入地下，环境空气可用来冷却水，可以在诸如预热水的工业过程中使用所述热量，或者此处未描述的任何数量的方法。该过程导致贮存器中的水分子的净增益，因此该过程产生清洁水。整个过程在图9中示出，其类似于在其它示例中描述的系统。
对该应用的一个附注是，在某些实施例中，由所述过程形成的水可能比在相反意义上的除湿效应更重要。在一些工业或其它应用中，该系统可用来从环境空气或另一来源提取饮用水，并且将该饮用水注入穿过气体发生器的流体(其可以是从纯净的蒸馏水到水与其它组分的混合物的任何流体)中。通过这种方法引入建筑物的水将是可饮用的，从而使这种水成为满足水市场中某些需求的可行来源。
图9所示应用的另一个方面是所示封闭的水环路可以被修改以用于贯穿流。在这个意义上，水/空气热交换器16和贮存器9基本上被水供应和去除系统代替，该系统为气体发生器带来稳定的冷水流，然后在这种水已被额外的水分子加热和扩充之后处理掉。
示例7：如图10所示的独立式热泵循环加热系统。
图10示出了类似于其它示例中描述的那些的系统，不同的是该图示出了其中水分/液体膜10质量交换器直接连接到水贮存器9的标准热泵构型。由于该系统造成水分被吸收到选择性传递膜的第一表面中，膜变热。热水从膜的第二表面被解吸，并且被水环路13传递到贮存器9，从而将其加热。贮存器水可以被泵送至远程循环加热热交换器，以加热结构。
示例8：如图11所示的独立式循环冷却或制冷系统。
图11示出了类似于图10所示系统的系统，不同的是该图示出了其中水分液体膜10质量交换器直接连接到水贮存器9的标准空调构型。由于该系统造成水分从选择性传递膜的第一表面被解吸，膜变冷。冷膜造成与膜的第二表面接触的水变冷，并且被水环路32传递到贮存器9，从而将其冷却。贮存器水可以被泵送至远程循环冷却热交换器，以冷却该结构。该示例可以被扩展到制冷。对与膜的第一表面接触的水蒸气压力的控制设定膜和与膜的第二表面接触的水的温度。膜的温度范围可以延伸至水的冰点及以下，从而使该系统适用于制冷。如果在贮存器9中需要低于水的冰点的工作液体温度，则可以将诸如防冻剂的添加剂加到液体中，并且可选地可以使贮存器9绝缘。
示例9：如图12所示的贮存器9和水分/液体膜10的组合。
图12示出了类似于其它示例中所述那些的系统，并且显示，膜结构和贮存器的组合能加热或冷却流过其中的水，例如接收压缩的水蒸气以用于加热或除去水蒸气以用于冷却。图12将贮存器9和水分/液体膜的组合显示为一个机构。该组合能取消如例如图4、图5、图6和图8(水环路31)以及图10和图11(水环路32)所示的水环路。水环路的取消可使利用这样的组合的所有系统更节能，因为引起使水在环路内流动的能量的寄生损失和该水环路从环境引起的热损失或增益。该系统可被构造成接收压缩的水蒸气以用于加热流过贮存器的水或除去水蒸气以用于冷却流过贮存器的水。到组合的水分/液体膜和贮存器的外部连接将根据其功能而改变。
示例10：如图13所示的液体到液体的正向渗透。
对其中湿蒸汽被传递到与膜的第二表面接触的液体的示例6和示例7进行扩展，选择性膜能够根据组分在两种液体流之间的浓度差而将液体组分从一液体流传递到第二液体流。图13示出了两个液体环路33a和33b。液体环路33a邻近选择性传递膜29的第一表面，而液体环路33b则邻近膜的第二表面。如果贮存器28具有比贮存器30更高的所选组分(即水)的浓度，则所选组分将穿过膜传递并且沉积在贮存器30中，直到所选组分的浓度在两个贮存器之间相等。贮存器内的液体中的其它组分不被传递。当一个贮存器正在失去水并且使该贮存器中的其它组分浓缩时，这种正向渗透性质尤其有用。可以将纯水添加到该贮存器中，而不添加其它组分。这样的一个示例是当贮存器28像图8的贮存器9那样工作时的情况。水的损失使贮存器9中溶解的组分不断浓缩。将图13所示实施例增加到图9将通过使组分的浓度保持在恒定水平而取消吹扫水循环。另一个示例是图11的形式，其中循环加热系统具有防冻剂和防腐蚀组分。可以将水添加到贮存器以补充系统损失，而不影响其它组分的浓度。这可以减少或消除对用于在贮存器的内容物变得太浓缩时将其除去的吹扫循环的需求，并且可以减少或消除对贮存器内容物在环保意义上困难的处置的需求，该内容物在高浓度下可能是有毒的。
本文引述的专利、专利文献和出版物的完整公开全文以引用方式并入，就像各自单独地并入那样。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对本发明的各种修改和变型对于本领域的技术人员将变得显而易见。应当理解，本发明并非意图被本文阐述的示例性实施例和示例不当地限制，并且这样的示例和实施例仅以举例方式提供，本发明的范围旨在仅由本文阐述如下的权利要求限制。

Claims (17)

1.一种用于独立地对空气进行冷却和除湿的方法，所述方法包括：
提供穿过除湿器的湿空气流动以分离水蒸气和提供除湿后的空气的流，其中所述除湿器包括第一选择性传递膜，所述第一选择性传递膜被构造用于所述湿空气在一定条件下在所述第一选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供所述除湿后的空气在所述第一选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述条件足以允许水蒸气穿过所述第一选择性传递膜输送至所述第一选择性传送膜的第二表面，以在所述第一选择性传递膜的所述第二表面附近分离所述水蒸气；
提供穿过冷却器的暖空气的流动以提供冷却后的空气流，其中所述冷却器包括热交换器，所述热交换器用于使用冷却后的含水液体进行冷却且被构造用于流过所述交换器的暖空气的流入和所述冷却后的空气的流出，所述暖空气的所述流入导致变暖的液体，并且其中所述热交换器被构造成使所述变暖的液体流到制冷器，其中所述制冷器包括第二选择性传递膜，所述第二选择性传递膜被构造用于所述变暖的液体在一定条件下在所述第二选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供冷却后的液体在所述第二选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述条件足以允许水蒸气穿过所述第二选择性传递膜输送至所述第二选择性传递膜的第二表面，以在所述第二选择性传递膜的所述第二表面附近提供分离所述水蒸气；以及
通过气体发生器加压已经被分离的所述水蒸气以便除去，其中所述气体发生器包括第三选择性传递膜，所述第三选择性传递膜被构造用于使已经被分离的所述水蒸气在一定条件下在所述第三选择性传递膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许所述水蒸气的至少一部分穿过所述第三选择性传递膜输送至所述第三选择性传递膜的第二表面。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用第四选择性传递膜从第二含水液体传递水而补充在所述热交换器所用的含水液体的水，其中邻近所述第四选择性传递膜的第一表面的第二含水液体中的水的浓度足够高于邻近所述第四选择性传递膜的第二表面的所述热交换器含水液体中的水的浓度，以造成水从所述第四选择性传递膜的所述第一表面向所述第四选择性传递膜的所述第二表面的正向渗透，同时限制邻近所述第四选择性传递膜的所述第一表面的所述第二含水液体的其它组分向所述第四选择性传递膜的所述第二表面的传递，从而增加邻近所述第四选择性传递膜的所述第二表面的所述热交换器含水液体中的水的浓度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述第四选择性传递膜的所述第一和第二表面之间的水浓度的差异由增加所述水的局部压力的热梯度引起。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述热梯度通过捕获选自包括太阳能热源、地热和废热排放在内的组的环境温差而引起。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二含水液体还包括防冻剂。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二含水液体还包括溶解的盐和/或矿物。
7.一种用于独立地对空气进行冷却和除湿的系统，所述系统包括：
除湿器，其被构造成提供穿过所述除湿器的湿空气流动以分离水蒸气和提供所述除湿后的空气的流，其中所述除湿器包括第一选择性传递膜，所述第一选择性传递膜被构造用于所述湿空气在所述第一选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供所述除湿后的空气在所述第一选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述湿空气的所述流入允许水蒸气穿过所述第一选择性传递膜输送至所述第一选择性传递膜的第二表面，以在所述第一选择性传递膜的所述第二表面附近分离所述水蒸气；
冷却器，其被构造成提供穿过所述冷却器的暖空气的流动以提供冷却后的空气流，其中所述冷却器包括热交换器，所述热交换器用于使用冷却后的含水液体进行冷却且被构造用于流过所述交换器的暖空气的流入和所述冷却后的空气的流出，所述暖空气的所述流入导致变暖的液体，并且其中所述热交换器被构造成使所述变暖的液体流到制冷器，其中所述制冷器包括第二选择性传递膜，所述第二选择性传递膜被构造用于所述变暖的液体在所述第二选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供冷却后的液体在所述第二选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述变暖的液体的所述流入允许水蒸气穿过所述第二选择性传递膜输送至所述第二选择性传递膜的第二表面，以在所述第二选择性传递膜的所述第二表面附近分离所述水蒸气；以及
气体发生器，其被构造成通过所述气体发生器对已经被分离的所述水蒸气加压并除去，其中所述气体发生器包括第三选择性传递膜，所述第三选择性传递膜被构造用于使已经被分离的所述水蒸气在所述第三选择性传递膜的第一表面附近流动，以允许所述水蒸气的至少一部分穿过所述第三选择性传递膜输送至所述第三选择性传递膜的第二表面。
8.一种用于对来自流体的组分独立地进行冷却和分离的方法，所述方法包括：
提供具有第一组分的流体穿过分离器的流动，以分离第一组分和提供至少一部分已除去所述第一组分的所述流体的流，其中所述分离器包括第一选择性传递膜，所述第一选择性传递膜被构造用于具有所述第一组分的所述流体在一定条件下在所述第一选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供至少一部分已除去所述第一组分的所述流体在所述第一选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述条件足以允许所述第一组分的至少一部分穿过所述第一选择性传递膜输送至所述第一选择性传递膜的第二表面，以在所述第一选择性传递膜的所述第二表面的附近分离所述第一组分；
提供穿过冷却器的暖流体的流动以提供冷却后的流体流，其中所述冷却器包括热交换器，所述热交换器用于使用具有第二组分的冷却后的液体进行冷却且被构造用于流过所述交换器的暖流体的流入和所述冷却后的流体的流出，所述暖流体的所述流入导致变暖的液体，并且其中所述热交换器被构造成使所述变暖的液体流到制冷器，其中所述制冷器包括第二选择性传递膜，所述第二选择性传递膜被构造用于具有所述第二组分的所述变暖的液体在一定条件下在所述第二选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供冷却后的液体在所述第二选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述条件足以允许所述第二组分的至少一部分穿过所述第二选择性传递膜输送至所述第二选择性传递膜的第二表面，以在所述第二选择性传递膜的所述第二表面附近分离所述第二组分；以及
通过气体发生器将已经被分离的第一和/或第二组分加压并除去，其中所述气体发生器包括第三选择性传递膜，所述第三选择性传递膜被构造用于使已经被分离的所述第一和/或第二组分在一定条件下在所述第三选择性传递膜的第一表面附近流动，所述条件足以允许已经被分离的所述第一和/或第二组分的至少一部分穿过所述第二选择性传递膜输送至所述第二选择性传递膜的第二表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述流体为空气，并且所述第一组分为水。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述已经被分离的水为水蒸气。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述液体为具有作为所述第二组分的水的含水液体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述已经被分离的第二组分为水蒸气。
13.一种用于对来自流体的组分独立地进行冷却和分离的系统，所述系统包括：
分离器，其被构造成提供具有第一组分的流体穿过所述分离器的流动，以分离第一组分和提供至少一部分已除去所述第一组分的所述流体的流，其中所述分离器包括第一选择性传递膜，所述第一选择性传递膜被构造用于具有所述第一组分的所述流体在所述第一选择性传递膜的第一表面附近的流入和至少一部分已除去所述第一组分的所述流体在所述第一选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述流入允许所述第一组分的至少一部分穿过所述第一选择性传递膜输送至所述第一选择性传递膜的第二表面，以在所述第一选择性传递膜的所述第二表面的附近提供已经被分离的第一组分；
冷却器，其被构造成提供穿过所述冷却器的暖流体的流动以提供冷却后的流体流，其中所述冷却器包括热交换器，所述热交换器用于使用具有第二组分的冷却后的液体进行冷却且被构造用于流过所述交换器的暖流体的流入和所述冷却后的流体的流出，所述暖流体的所述流入导致变暖的液体，并且其中所述热交换器被构造成使所述变暖的液体流到制冷器，其中所述制冷器包括第二选择性传递膜，所述第二选择性传递膜被构造用于具有所述第二组分的所述变暖的液体在所述第二选择性传递膜的第一表面附近的流入和提供冷却后的液体在所述第二选择性传递膜的所述第一表面附近的流出，所述变暖的液体的所述流入足以允许所述第二组分的至少一部分穿过所述第二选择性传递膜输送至所述第二选择性传递膜的第二表面，以在所述第二选择性传递膜的所述第二表面附近分离所述第二组分；以及
气体发生器，其被构造成通过所述气体发生器对已经被分离的第一和/或第二组分加压并除去，其中所述气体发生器包括第三选择性传递膜，所述第三选择性传递膜被构造用于使已经被分离的第一和/或第二组分在所述第三选择性传递膜的第一表面附近流动，以允许所述第一和/或第二组分的至少一部分穿过所述第三选择性传递膜输送至所述第三选择性传递膜的第二表面。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述流体为空气，并且所述第一组分为水。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述已经被分离的水为水蒸气。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述液体为具有作为所述第二组分的水的含水液体。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述已经被分离的第二组分为水蒸气。
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