CN105032115A - 使用隔离壳体的水吸附 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水吸附装置及从气体吸附水方法，该吸附装置使用收纳水吸附材料的可密封的壳体和热泵。

Description

使用隔离壳体的水吸附
技术领域
本发明涉及一种从气体吸附水的装置以及从气体吸附水的方法。
背景技术
存在许多从气体提取水的方法，但是许多方法效率低并且需要大量能量。
热泵在用于传输热时是有效率的。泵可以传输的能量与可以传输的能量的总量之间的比被称为性能系数(CoefficientofPerformance,即COP)。该COP因子取决于诸如温度和使用何种冷却介质等的大量参数。当热泵从一个位置向另一位置传输热时，在热泵中形成冷表面和热表面。该热表面可以用于加热，而冷表面可以用于冷却。
还可以使用冷表面来从空气冷凝蒸发的水。从1m3空气可以冷凝的水的量取决于其初始温度和在空气中蒸气的量，并且取决于空气被冷却的温度大小。
由于被冷凝的水在0℃结冰，因此这种冷凝来自空气的蒸气的方法具有缺点。这导致了在冷面/冷侧(coldside)上形成冰并且导致不能传送冷凝后的水。由于空气具有小于0℃的露点，因此为了使蒸气冷凝则需要将空气冷却到0℃以下。当然，当热泵可以用于从空气冷凝水时，这成为限制。现今，一种解决该问题的方法是有规律地停止热泵，加热冷表面来去除已形成的冰。然而，这同时消耗了时间和能量。
用于提取蒸气的另一方法是使用吸湿材料来吸附水。通过使用吸湿材料，空气中的蒸气可以被吸附且存储在该材料中。能够存储在该吸湿材料中水的量取决于材料的在不同湿度下的吸附能力。在吸湿材料被加热的情况下，该材料的蒸气压力增大。在吸湿材料中的蒸气压力变得高于周围的蒸气压力的情况下，所吸附的水被蒸发。采用这种方式，可以使吸湿材料再生并且再利用。通过下式来说明每秒可以吸附/释放的水的量。
r · = k b A σ ( P m - P a ) - - - [ 1 ]
其中是每秒吸附/释放的水的量、k是材料常数、A是吸湿材料的面积、Pm是吸湿材料的蒸气压力且Pa是空气中的蒸气压力。
为了使被吸附的水离开吸湿材料，需要使水蒸发，为此需要蒸发能量。该能量以热的形式被消耗并实现冷却。这冷却了吸湿材料，导致在水蒸发的情况下吸湿材料中具有较低的蒸气压力。然后，为了保持材料热，需要添加更多的热。
现有技术的系统具有诸如形成冰及由于蒸发而导致吸湿材料被冷却等的一些缺陷。克服这些问题将得到更有效率的方法来控制空气湿度和冷凝水蒸气。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服了现有技术的缺陷的装置。
在第一方面，本发明涉及一种水吸附装置，其包括：
隔热壳体，所述隔热壳体具有能够密封的入口和能够密封的出口；
容器，所述容器在所述壳体内、将所述壳体分隔成第一室和第二室，所述容器具有至少一个入口和至少一个出口，其中，所述容器的入口与所述壳体的能够密封的入口连通且所述容器的出口与所述壳体的能够密封的出口连通，由此气体能够从所述第一室流入所述容器并且从所述容器离开以进入所述第二室；
水吸附材料，所述水吸附材料被收纳在所述容器内；
由此，所述装置被构造成允许气体从所述壳体的能够密封的入口通过所述容器流动到所述壳体的能够密封的出口，在经过所述容器时所述气体与所述容器中的所述水吸附材料接触，
其中，所述壳体具有至少一个冷凝面，其中所述冷凝面被配置于所述壳体中以使气体中的水蒸气冷凝；
所述装置还包括加热装置，所述加热装置配置于所述冷凝面和所述容器之间的空间，和/或所述加热装置与所述水吸附材料和/或所述容器热接触；
其中，所述装置还包括热泵，所述热泵被构造成加热所述水吸附材料且被构造成冷却所述冷凝面。
在第二方面，本发明涉及一种从气体吸附水的方法，所述方法包括：
a.提供根据本发明的装置；
b.使气流与所述水吸附材料接触；
c.使所述水吸附材料从气体吸附水蒸气或水；
d.密封所述壳体；
e.加热所述水吸附材料，直到所述壳体的内表面与所述容器之间的空间具有大于0摄氏度的露点；
f.继续加热所述水吸附材料；
g.使水蒸气在所述冷凝面上冷凝；
h.收集冷凝后的水；以及
i.解除对所述壳体的密封。
以下的实施方式适用于本发明的以上两方面。
附图说明
图1a和图1b是根据本发明的装置的实施方式的截面。
图2是示出了壳体内的对流的截面图。
图3是根据本发明的装置的一实施方式的截面。
具体实施方式
在本申请中，可互换地使用词汇“水吸附(聚积)材料”和“吸湿材料”。
根据本发明的装置被设计成用于从气体、例如从空气吸附水。本装置可以被一体化到另一装置中或者可以是单独的装置。
现在参照图1a和图1b。根据本发明的水吸附装置10包括隔离壳体(insulatedhousing)20，该隔离壳体20具有可密封入口22和可密封出口24，其中所述入口和出口两者都是可以利用任意适当的手段进行密封的，以关闭且密封所述入口和出口。该壳体具有将该壳体分隔成第一室27a和第二室27b的容器26。该容器具有至少一个入口28和至少一个出口30，该至少一个入口28和至少一个出口30分别与壳体的可密封入口22和可密封出口24连通。该容器优选地是隔热的且优选地由不锈钢制成。该容器包括水吸附材料32，该水吸附材料可以是例如分子筛、活性炭、沸石、硅胶、LiCl、CaCl、NaNO3、木材、硫酸盐或者本领域人员已知的任意适当的材料或它们的组合。该水吸附材料的形状可以是颗粒、粉末或立方体(solid)。壳体和容器的入口和出口可以被配置成使得气体33可以从壳体的可密封入口22流入第一室27a中、并且经由容器的入口28流入容器26中，使得气体与水吸附材料32接触。然后，气体将通过出口30离开容器26、并且进入第二室27b、然后通过壳体20的可密封出口24离开。图1中的虚线箭头表示气流。壳体的冷凝面42配置在壳体中以使气体中的蒸气冷凝。面42可以被定为成至少部分地面对容器的入口和/或出口、或者被定为成与容器的入口和/或出口垂直。在一实施方式中，面42在壁36和容器26之间形成了空间37。加热装置34配置在该空间37中(图1a)和/或与水吸附材料32和/或容器26热接触(图1b)。面42可以被配置成在气流的方向上与容器的出口30相对和/或与容器的入口28相对。容器可以采用网、笼或多孔面的形式且可以由例如金属或合金制成、例如由铝制成。该装置还包括热泵43，该热泵43被构造成加热吸湿材料32并且被构造成在壳体20内提供冷凝面42，其中所述面允许水在该面上冷凝。面42具有足够低的温度，以便气流中的蒸气在所述面上冷凝。热泵43可以被限定成包括用于冷却/加热介质的循环系统45。该系统45顺序包括冷凝面42、压缩机44、加热器47和膨胀箱(expansiontank)46，其中所有部件都经由适当的管线连接并且被配置成使得冷却/加热介质进行循环。加热器47可以被配置在空间37中和/或与水吸附材料32和/或容器26热接触。
冷凝面42可以配置在空间37中(图1a和图1b)或者可以配置在内表面38上或配置成内表面38(图2和图3)。压缩机44和膨胀箱46可以均配置在隔离壳体内或配置在隔离壳体外。应该优选地对管线进行隔离(绝热)以便使能量损失最小化。
当热泵43开始发热而该热可以经由加热器47传递给水吸附材料的情况下，可以关闭加热装置34或者加热装置34至少不用必须全效运转，由此节约了能量。可以使用电力、燃料电池、太阳能或采用任意其它适当的方式来操纵加热装置34，并且可以经由电力、微波(例如经由微波炉原理)或者经由太阳能供给热。
还可以使该加热装置34连接到密封控制机构，以使可密封入口和可密封出口的打开和关闭过程及水吸附材料开始加热的程序最优化。此外，优选地采用如下方式构造壳体：在被密封的容器内的气体体积在对水吸附材料进行加热期间保持大致恒定。这可以通过在关闭之后固定或锁定密封件或者使用止回阀作为密封件来实现。
本发明基于如下实际情况：在容器中容纳的水吸附材料从周围的气体、优选空气吸附水、并且在吸附到一定程度之后可能还进行吸附，例如吸附到饱和点。因而，在已经使水吸附材料吸附水之后，使用盖或任意适当的盖子来密封壳体，然后使用加热装置加热水吸附材料，再之后还用加热器加热水吸附材料。通过气体中水和水吸附材料中吸附的水的蒸气压力差来驱动水从水吸附材料释放的过程。可以如上所述地通过式[1]来说明从水吸附材料释放到周围的水的量。
在使水被蒸气化的情况下，其在吸湿材料中实现了冷却。通过下式说明基于蒸发的冷却。
P c = r · E V - - - [ 2 ]
其中PC为冷却能量，而EV为蒸发能量。在空间37中，被释放的水蒸气将增加露点(dewpoint)。在露点的温度比冷凝面42上的温度高的情况下，将发生冷凝。在本发明中，冷凝面上的温度大于0摄氏度。
当水蒸气在冷凝面42上进行冷凝时，冷凝产生热。以等价的方式通过下式说明冷凝的水蒸气在冷凝面上产生的热。
P H = c · E V - - - [ 3 ]
其中PH为加热能量，而为每秒被冷凝的水蒸气的量。然后，经由加热器47使能量PH转移回水吸附材料。于是，由加热装置保持吸湿材料处于恒定温度所需的能量减小了PH。
因而，在处于如下条件的特定情况下：
PH＝PC[4]
所有的蒸发能量会转移回吸湿材料。还通过吸湿材料和容器的热对流、热传导和热辐射来加热冷凝面。该热能还可以经由加热器被转移回吸湿材料。
冷凝面可以由金属或合金或任何其它导热材料制成。容器和/或壳体的壁可以由金属和合金制成，但是不限于金属和合金。由隔热材料制成的壁将减小热损耗。因此，壳体的壁优选地由隔热材料制成。
壳体可以与具有水吸附材料的容器、加热器和加热装置热隔离，使得在对水吸附材料进行加热期间不会加热壳体。壳体可以由不透明材料制成，在一实施方式中，壳体具有用于检查的小窗口。
现在参照图2和图3(这些图是示意性的且没有公开装置的全部特征)。参见图2，在容器26与冷凝面42和/或壳体36的壁之间的壳体中形成的对流50被确信是有利的，这是由于该对流50增大了水蒸气从容器和水吸附材料向冷凝面的传输。参见图3，为了增大或改进壳体中的对流，可以在壳体中配置风扇或者壳体可以在壳体内具有圆角52。
冷凝面的温度应该为至少0℃、优选地为大于20℃、或者优选地为大于40℃、或者优选地大于60℃，但是要小于120℃、或者小于100℃、或者小于80℃。在一实施方式中，温度为40℃至90℃。在另一实施方式中，温度为65℃至75℃、优选地为70℃。
水吸附材料的温度应该高于冷凝面的温度，优选地为70℃或更高、或者为90℃或更高、或者为110℃或更高。在一实施方式中，水吸附材料的温度在100℃至140℃之间、诸如是110℃至130℃、优选地为120℃。
为了实现水蒸气更好地传输、由此实现能量效率更好的系统，可以以使得舍伍德数(Sherwoodnumber)被最大化的方式选择容器和冷凝面之间的高度、长度和温度差。可以使用舍伍德数来评估容器和冷凝面之间的对流的水蒸气传输。舍伍德数被用于衡量由于在壳体中实现的循环运动而产生的扩散系数(diffusioncoefficient)。通过下式给出舍伍德数。
Sh = 0.42 R a 1 4 S c 0.012 ( L H L G ) - 0.3 = 0.42 ( gβPr L G 3 ( T h - T c ) ν ) 1 4 μ ρD ( L H L G ) - 0.3 - - - [ 5 ]
其中Ra为瑞利数(rayleighsnumbers)、Sc为施密特数(Schmidtnumber)、LH为壳体的高度、LG为容器表面和冷凝面之间的距离、g为重力加速度、β为热膨胀，Pr为普朗特数(prandtlsnumber)、TH为容器表面的温度、Tc为冷凝面的温度、v为气体的运动粘度(kinematicviscosity)、μ为动态粘度(dynamicviscosity)、ρ为密度且D为二元蒸气质量扩散系数(binaryvapormassdiffusioncoefficient)，其中通过得到该热膨胀β，为容器表面和冷凝面之间的温度的平均值。
热泵43的加热/冷却介质取决于加热器和冷凝面想要的温度。在一实施方式中，该加热/冷却介质为沸点在50℃至150℃之间、优选地在65℃至120℃之间的介质。还优选地是，该介质具有高蒸发能量，优选地大于1000kJ/kg、或者大于1500kJ/kg、或者大于2000kJ/kg。该介质可以从水或诸如C1-C5醇等的低级醇或它们的混合物中选择，但是不限于以上材料。在一实施方式中，混合物为水-乙醇或水-异丙醇。
可以优选地采用能收集液化的水的方式来构造壳体20的壁和底部或冷凝面42。这可以通过使得在壳体的壁或冷凝面中或沿着壳体的壁或冷凝面具有槽、沟、通道等来实现，该槽、沟、通道等可以沿着壳体的底板朝向收集部位进一步延伸。这些槽、沟或通道可以由吸湿材料制成或者由吸湿材料覆盖。可以采用能收集来自壁和来自吸湿材料的全部水的方式来构造底板。这可以通过使底部向一个或多个部位倾斜来实现。壳体优选地具有排水元件，该排水元件可以是阀门、水龙头或出口，但是不限于这些结构，或者壳体可以包括可移除的托盘，在该托盘处收集冷凝水并且可以从该托盘排出水。
本发明的目的在于从气体、优选地从空气提取水，以便或者生产水或者从气体去除水。后者可以例如用于从室内环境除湿或用在空调装置中除湿，但是不限于这些用途。

Claims (10)

1.一种水吸附装置，其包括：
隔热壳体(20)，所述隔热壳体具有能够密封的入口(22)和能够密封的出口(24)；
容器(26)，所述容器在所述壳体(20)内、将所述壳体分隔成第一室(27a)和第二室(27b)，所述容器具有至少一个入口(28)和至少一个出口(30)，其中，所述容器(26)的入口(28)与所述壳体的能够密封的入口(22)连通且所述容器(26)的出口(30)与所述壳体的能够密封的出口(24)连通，由此气体能够从所述第一室(27a)流入所述容器(26)并且从所述容器(26)离开以进入所述第二室(27b)；
水吸附材料(32)，所述水吸附材料被收纳在所述容器(26)内；
由此，所述装置被构造成允许气体从所述壳体的能够密封的入口(22)通过所述容器(26)流动到所述壳体的能够密封的出口(24)，在经过所述容器(26)时所述气体与所述容器中的所述水吸附材料(32)接触，
其中，所述壳体具有至少一个冷凝面(42)，其中所述冷凝面被配置于所述壳体中以使气体中的水蒸气冷凝；
所述装置还包括加热装置(34)，所述加热装置配置于所述冷凝面(42)和所述容器之间的空间(37)，和/或所述加热装置与所述水吸附材料和/或所述容器热接触；
其中，所述装置还包括热泵(43)，所述热泵被构造成加热所述水吸附材料(32)且被构造成冷却所述冷凝面(42)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体由不透明材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述冷凝面的温度为40℃至90℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，为了增大对流，在所述壳体中配置风扇。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器由不锈钢制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷凝面配置于所述壳体的壁，或者所述冷凝面被定位成至少部分地面对所述容器的入口和/或出口，或者所述冷凝面被定位成与所述容器的入口和/或出口垂直。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述热泵使用蒸发能量大于1000kJ/kg的介质。
8.一种从气体吸附水的方法，所述方法包括：
a.提供根据权利要求1至7中任一项所述的装置；
b.使气流与所述水吸附材料接触；
c.使所述水吸附材料从气体吸附水蒸气或水；
d.密封所述壳体；
e.利用所述加热装置或利用来自所述热泵的热加热所述水吸附材料，直到所述壳体的内表面与所述容器之间的空间具有大于0摄氏度的露点；
f.继续加热所述水吸附材料；
g.使水蒸气在所述冷凝面上冷凝；
h.收集冷凝后的水；以及
i.解除对所述壳体的密封。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述冷凝面具有20℃至100℃的温度。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在步骤e中，所述水吸附材料被加热到100℃至140℃的温度。
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