CN106422378B - 用于水净化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于从输入液体产生净化液体的装置，包括：蒸发室，其中蒸发室充满有输入液体；和具有通道的冷凝室，其中通道布置在输入液体中，其中液体饱和的气体由输入液体在蒸发室中产生，其中液体饱和的气体被引导入通道的第一端部，且其中净化液体在通道的第二端部被输出。

Description

用于水净化的方法和装置

交叉引用

本申请要求来自2012年1月11日提交的、具有申请号61/585,293的标题为“Methodand Apparatus for Water Purification”的临时专利申请，以及来自2012年11月16日提交的、具有申请号61/727,661的标题为“Methods and Apparatuses for WaterPurification”的临时专利申请的优先权。所述申请通过引用并入本文。

发明领域

本发明大体涉及用于水净化的方法和装置，且特别地涉及使用加湿除湿(“HDH”)来水净化的方法和装置。

背景

缺乏清洁的饮用水仍然是世界上许多地方中疾病、痛苦和最终死亡的主要原因。即使水是公众可用的，但很多时候，可用的水受农业中使用的化学品，如受工业污染或受渗入给水中的污水污染。此外，在靠近海洋的地区具有高盐度的水源，且因此不适合饮用。

集中处理的水在世界上许多地方也是不安全的，因为正压在水的分配网络中不是始终被保持。分配网络中的泄漏会导致该系统中水的污染。此外，水在初始处理之后被存储的多个位置如储罐，缺乏任何类型的持续监督和卫生设施。特别地，储罐不经常被清洗，从而成为污染源且拥有它们自己的以各种昆虫、动物、细菌生长和藻类生长的生态系统。

瓶装水的使用已经在大城市增长。然而，在农村地区，这是不可能的，也没有预期的，因为运输瓶装水到最终用户往往是困难的，且因为瓶装水的塑料的乱用已经引起了处置和回收的噩梦。

为了努力解决现有供水的这些难题，在过滤领域已经进行广泛的努力来净化水源。现有的过滤技术要求使用具有多个阶段的过滤器的不断更换的消耗品，以保持系统处于最佳状态。一旦这些消耗品由于疏忽或不可用性而没有被替换，来自这些系统的输出水(另外称作产物水)的质量严重下降，而且在许多情况下由于内部污染而变得比实际输入的水更恶化。

有两种普通类别的水净化技术：一种是基于蒸发和冷凝、或热蒸馏的原理，而另一种是基于膜过滤。在膜过滤技术中，反渗透(“RO”)和电渗析是最具代表性的。对于热蒸馏，存在可用于大规模、高容量设备的各种真空热脱盐技术，以及更适合于小型净化设备的常压蒸馏技术，也称为HDH。

近年来基于RO的技术的迅速发展由于其低的初始投资成本和高能源效率而使RO成为所有水净化技术中的喜爱物。对于海水脱盐，RO的比能成本(当使用能量回收时)为4至7千瓦时/吨净化水之间，而使用MSF(多级闪蒸)和MED(多效蒸发蒸馏)的大部分大的热脱盐设备具有20至200千瓦时/吨之间的比能消耗。HDH系统费用在这方面甚至更糟糕，具有从150千瓦时/吨至超过400千瓦时/吨的范围内的比能成本。该比较的唯一的例外是机械蒸汽压缩(“MVC)，它可以实现与RO的比能消耗水平相媲美的比能消耗水平，范围从4千瓦时/吨至仅低于12千瓦时/吨)。

然而，热蒸馏通常产生具有明显低于1ppm(百万分之一)的TDS(总溶解固体)水平的高度净化的水，而RO设备产生低于20ppm左右的水纯度将是不切实际的。RO还无法滤除重量轻的溶解的化学分子，如果它们的尺寸可比RO膜的平均孔径。RO还更容易发生膜的积垢、结垢和堵塞，并且如果膜直接暴露于空气，快速氧化可以容易地破坏该膜。尽管所有的水净化技术需要预处理或预过滤，以减少积垢的可能性，并确保主净化过程的正确操作，但RO通常需要更多的预处理，以保护其膜免于故障，且RO膜的标准半衰期在两年左右，因此其消耗品的成本代表其总操作成本的大部分。

RO的低初始成本优点主要在于它的特殊的填充密度或面积与体积之比率。虽然热蒸馏依赖于热交换表面来回收潜热，以降低其能源成本，但RO和其他膜技术依赖于大的过滤表面，以分离清洁的水与盐水，因此填充密度在两种类净化技术中起到非常重要的作用。具有大的表面积不仅可以增加水产量，而且可以降低表面负载系数，表面负载系数是每单位表面积的净化水产量的速率。减少表面负载在降低水生产速率的成本上可明显改善操作效率，因为它大大降低了RO系统和热蒸馏设备两者中的内部熵产。

虽然MVC热蒸馏技术在比能成本方面已经在很大程度上紧跟上RO，但由于其低得多的填充密度，其初始投资成本仍远高于可比的RO技术。HDH系统通常在成本上低于RO，并且由于其低温常压操作而具有产生比RO更纯的水的潜力。然而，这些系统的极低比能效率一直是它们被广泛接受的主要障碍。

另一个缺点是，现有的蒸馏技术是太昂贵的以致不能实现，这是因为这些技术使用大量的能量来将水转化为蒸气，之后重新冷凝饱和的气体，和因为这些技术通常由昂贵的不锈钢或其它昂贵的金属建造。

现有的蒸馏技术的主要缺点之一是，需要采用高强度材料，用于容器和热交换壁。HDH部分地通过使用常压蒸发(加湿)和冷凝(除湿)来解决问题，这避免了需要利用高强度材料，并用更便宜且更薄的材料如塑料基材替换它们。

现有的蒸馏技术的另一个缺点是热交换表面的相对较低的填充密度，或者表面与体积之比率。通过举例的方式，螺旋缠绕式过滤器和中空管反渗透过滤器具有较高数量级的填充密度，并对于相同的容量允许建立更小的过滤设备。在蒸馏设备的情况下，较高的填充密度还可能意味着对于相同的水生产能力，热交换表面上较低的负载，这明显提高了潜热回收效率，同时保持相同的水生产能力。

一些现有的蒸馏技术的还另一个缺点是缺乏直接的2相到2相的热交换。为了具有直接的潜热交换，蒸发器和热交换表面的冷凝器侧两者必须属于同一壁。此外，常见的热交换壁的两侧都必须含有2相流，这意味着两侧应在复合流中具有液相成分和气相成分。

图1示出了使用HDH来水净化的现有技术方法和装置的图。现有技术包括在蒸发室12和冷凝室14之间的垂直的热交换壁10。进料水16靠近蒸发室12的顶部，经由喷雾器18向下喷雾。鼓风机20对着来自蒸发室12的底部的进料水的落下的雾气28吹风。在蒸发室12的底部还有盐水托盘22，用于存储浓盐水24，没有蒸发的进料水的残余物。盐水托盘22中的盐水24可通过蒸发室12的盐水出口26被去除。垂直热交换壁10允许潜热从冷凝室14流动到蒸发室12(参见该一般方向的虚线箭头)。当进料水16的一部分蒸发时，饱和的气体被引导至冷凝室14中。冷凝室14然后使饱和的气体冷凝，并产生产物水30。产物水30汇集并经由出口34被引导出冷凝室，用于储存或使用。未冷凝的气体在开环过程中在冷凝室14的底部附近经由空气出口32引导出冷凝室14。由于潜热交换过程不完全回收潜热用于重复使用，所以需要以加热器36的形式的附加热源，来将另外的蒸汽引入冷凝室14并预热进料水。

通过将冷凝室12放置为与蒸发室14并排，仅通过作为热交换壁的共同的壁10分离，从水蒸汽的冷凝产生的潜热被转移到蒸发器，以加热进料水，这消除了HDH蒸馏方法的主要缺点之一。

不幸地，由于现有技术的设计，一些低效率是明显的。首先，垂直热交换壁10未得到充分利用，这是因为大多数的潜热转移从在冷凝室14中的气体被低效率地转移到蒸发室12中的其它气体。这是由于热交换壁10的垂直布置，以及由于进料水16向下进入蒸发室12的雾气。

在垂直热交换壁布置中，首先由Nusselt研究的膜状冷凝，通常被认为是更有效的冷凝机构，因为液膜冷凝物的外边界处释放的潜热被直接转移到热交换表面，而无需通过气体。然而，为了使这种情况发生，热交换表面必须对所述液体具有强的亲和力，即，该表面必须是强亲水性的。这不是具有其塑料热交换表面的现有技术的情况。塑料热交换表面对液体的低亲和力(润湿性)，使得它很难在冷凝器侧冷凝液体，以形成膜状或滴状冷凝，并在蒸发器侧形成膜状蒸发；这明显降低了传热效率并降低了可以回收的潜热的部分。

较低的潜热交换性能增加了内部熵产。如将在下文清楚的，内部熵产的任何增加降低了总的系统效率和/或降低水生产速率。因为机械工作不会将附加熵流引入到系统中，所以在一般情况下优于直接的热输入。然而，当输入热从废热或其他低成本热源得到时，可能更优选使用那些热源作为输入而不是机械工作输入，尽管后者更有效利用能量。

此外，开环过程不重复使用显热，显热仍然保留在通过空气出口32被发送至重新使用的未冷凝的气体中。虽然将非冷凝的气体重新发送至蒸发室的底部可以补偿一些废热，但这样的过程本质上是低效的，由于未冷凝的气体和进料水之间的大的温差。由于现有技术设计的相对低的表面与体积比率，蒸发室12还需要大的体积，以产生任何明显量的产物水。

所述现有技术的另一个主要缺点是其使用热蒸汽注入，以提供蒸发所需要的热输入。如将在下面更详细地大量解释的，通过热流体注入的任何直接热输入或系统的直接加热将连续熵流引入系统中，该连续熵流必须被排出，以便保持系统内的总熵为有限的。这样的熵排出导致能量消耗增加，这降低了总系统效率和/或生产率。

因此，期望提出解决所有上述缺点的用于过滤的新的方法、系统和装置。

发明概述

本发明的目的是提供一种使用HDH的装置和系统，其允许以成本效益的方式高效的直接潜热转移。

本发明的另一目的是提供过滤装置，其中多个蒸发室和冷凝室被放置为提供大的总潜热交换表面，以确保所述交换表面的低负载系数，用于增强潜热重新捕获性能，即使是在高的水生产速率下。

本发明的又一目的是提供一种利用滴状冷凝和渗滤充满的蒸发室来提高潜热交换性能的过滤装置。

本发明的另一个目的是提供一种过滤系统，其中毛细管力被采用在空气动力学效率筛(aerodynamically efficient screen)内，以防止夹带的液滴进入压缩机室和降低由于筛对气流施加的拖动力而造成的雾气保持筛(mist retaining screen)的压降。

甚至更是这样，本发明的另一目的是提供一种具有不可渗透的中空纤维热交换基质的系统，其将蒸发室和冷凝室结合到单一构造中以在填充密度(有效表面积与体积之比率)上媲美其它过滤系统，例如，用于反渗透过滤系统的螺旋缠绕式和半渗透中空纤维膜。

本发明的还又一个目的是提供一种具有增强的盐水沉积装置以保持蒸发室中的盐水浓度为控制水平的装置。

本发明的还又一目的是提供一种具有用于再循环不可冷凝的载气，以将受污染的悬浮颗粒和液滴从输入气流除去到冷凝室中的电力气体过滤(electrical gasfiltration)的过滤系统。

本发明的又一个目的是提供一种过滤系统，其具有自我监测性能与分布式传感器和执行器，用于基于这样的实时传感器输入，预测和估计内部熵产率，以及将系统转向最佳性能的目的。

本发明的另一个目的是提供一种过滤系统，其具有在许多能源之间切换以最小化操作成本的能力。

本发明的还另一个目的是提供一种过滤系统，其具有聚合物热交换基材和改进的各向异性整体导热率和较高的机械强度，用于提高所述聚合物基材的潜热传递特性的目的。

通过参考本说明书的其余部分连同它们相应的附图，本发明的其它目的和优点对于本领域技术人员将变得明显。

简而言之，本发明公开了一种用于从输入液体产生净化液体的装置，其包括：蒸发室，其中蒸发室充满有输入液体；和冷凝室，其具有通道，其中通道被布置在输入液体中，其中由输入液体在蒸发室中产生液体饱和的气体，其中液体饱和的气体被引导入通道的第一端部，且其中净化液体在通道的第二端部被输出。

本发明的一个优点是提供了用于水净化的低成本的方法和装置。

本发明的另一个优点是提供了用于水净化的低能量的方法和装置。

本发明的又一个优点是提供了用于水净化的能量有效的方法和装置。

本发明的还另一个优点是所产生的水的品质保持为高的和一致的。

本发明的另一个优点是本系统的自我监测系统运行状态，并将所述系统自动重新调向最佳性能的能力。

本发明的还另一个优点是多种能量源可以被利用并在它们之间切换，以实时提供接近最佳的运行条件。

附图说明

当结合附图时，本发明的上述和其它目的、方面以及优点可以从本发明的优选实施方案的以下详细描述中被更好地理解，在附图中：

图1示出了使用HDH来水净化的现有技术方法和装置的图。

图2a示出了关于本发明的具有固定边界的热动力系统的一般图示。

图2b示出了具有被充满的蒸发室的用于水净化的本发明的图。

图3示出了具有额外的辅助蒸汽产生器的用于水净化的本发明的另一种实施方案的图。

图4示出了具有蒸发室和冷凝室的多个通道的用于水净化的本发明的图。

图5示出了具有蒸发室和冷凝室的多个面板(panel)的本发明的水净化装置的图。

图6示出了本发明的水净化装置的远端歧管的图。

图7示出了本发明的水净化装置的近端歧管的图。

图8示出了本发明的水净化装置的透视图。

图9示出了具有通过面板的偶数通道的多个穿孔的本发明的冷凝室的面板的俯视图。

图10示出了具有通过面板的奇数通道的多个穿孔的本发明的冷凝室的面板的俯视图。

图11示出了具有通过一些通道和一个间隔物的多个穿孔的本发明的冷凝室的面板的放大的透视图。

图12示出了本发明的冷凝室的多个面板的放大的透视图。

图13示出了管的分组，以形成本发明的冷凝室。

图14示出了用于本发明的冷凝室的矩形管筒。

图15示出了具有间隔物的本发明的冷凝室的管。

图16a示出了本发明的冷凝室的管的端部的放大视图。

图16b-16c示出了本发明的管的间隔物的各种横截面形状。

图17示出了具有矩形管筒的用于水净化的本发明的另一实施方案的图。

图18示出了本发明的去雾器的透视图。

图19示出了本发明的去雾器的另外的透视图。

图20示出了本发明的去雾器的空气动力学翼片。

优选实施方案的详细描述

在以下的详细实施方案详解中，通过形成其一部分的附图展示了可能的本发明的具体实施方案。

以下将描述本发明是如何进行净化污水的。但同时本发明也可同样的用来净化其他液体，包括盐水、被污染的水等其他液体。

本发明依照最小熵产原理使潜热的转换效率达到最高并且通过增加热交换面积的填充密度，以此克服了当前同类装置的许多缺点。另外，本发明提供了系统运行的实时自适应控制，连续地实时重新调整系统参数，以及切换到备用能量源，以保持低运营成本。

图2a展示了一个本发明的具有固定边界的热力系统的一般图示。热流和质量流被输送穿过热力系统的边界。系统的熵产是一个状态变量，如果系统保持在稳定状态，该变量就会成为常量，例如蒸馏系统达到稳态，或者完成了热力循环后，例如内燃机内部的热力循环。类似的，系统的总内能也是一个状态变量。

热力学第一定律(能量守恒定律)显示一个系统的内部总能量的单位时间的变化必须等于总的热量输入(习惯上，将输出热能等于热能的负输出)加上焓的输入如果有质量流存在的话，以及系统的净输入功的总和，其写成，

且热力学第二定律表明，一个系统的总熵的单位时间的变化等于各个直接热输入的熵增率加上各个质量流体所产生的熵流的总和，加上各个不可逆内部熵产率的总和。不可逆熵产率必须全部为正数，并且在理想理论条件下可以为零但是永远不能负数。其写成，

其中S和U分别是系统总熵和系统总内能，m_k是以位置(或端口)k为基准的质量流量，P是净功输入(输出则为负数),c是相对于位置k的比热焓(单位质量)，s_k是质量流相对于位置k的比熵。S_{不可逆的l}是在某位置l的内部熵产率，该项依照热力学第二定律必须为正数。对于一个稳态系统，

和必须如上面所述为零。

举例来说，一个理想的热蒸馏系统340包括蒸发器/冷凝器模块、通过位置1的污水供给、在位置2一个出口用来输出蒸馏后的水、另一个用来排出盐水。假设蒸馏物和化合盐水拥有相同的热力学参数以便讨论，虽然在一般情况下，它们可以从两个端口输出并分开讨论。这个假设在如下条件下成立，排出的盐水和蒸馏物在热力学上高度耦合，并且盐水的TDS浓度没搞高到足以影响其比熵和比焓变。促使蒸馏过程产生的能量由直接加热和机械功在位置0的输入，如电阻加热装置和机械压缩。另外，也可通过注入热蒸汽来替换或补充直接加热的过程，在此不多复述。

对于稳态条件下，能量守恒定律的热力学第二定律变成了以下形式:

Q+P＝m₁(h₂-h₁) (3)

和

其中假设质量流量守恒(输入的质量流量必须等于蒸馏产物和排出的盐水)。

内部的熵产来自于热传导的损失，系统液流的阻力，以及来自机械压缩和其他非理想过程的能量损失。熵产定义为能量变化与温度的比值，两个T1与T2温度间物体的热流Q在热传导过程中的损失可以表示成

这个不等式始终成立的原因是，Q与(T1-T2)始终具有相同的符号，因为热只能从高温物体流向低温物体，即热力学第二定律所述的那样。热传导发生在热交换层的横向的方向顺着着蒸汽的方向来传导热，以及从内部热区域向外部较冷的环境导热。流体的粘度阻止液体的流动，也是内部熵产增加的原因之一。系统自身机械压缩的不高效，马达等，亦导致了系统的内部熵产率。推广来说，通过连续极限，内部熵产率可以用满足变分定律的正积分，最小熵产率发生在热传导和粘度流体力学方程解的时候。可以通过测试函数来估计系统的真实解。

通过物理、数学和电脑科学的变分方法来推测真实热力系统的状态，因为系统的精确解是很难获得的。由于预测的误差可以通过变分方法来预测，测试函数往往能够提供一个很不错的解。对于熵产率的预测，测试函数总会给出一个较大值，因此，它将会是一个保守估计并且是我们希望的，因为我们知道真实解总会比预测的值更好。

机械压缩(通过令Q＝0)和直接加热(通过令P＝0)可以进行性能比较。由于内部熵产率只取决于不可逆过程，并不直接取决于蒸馏过程是依靠直接加热的方式还是机械蒸汽压缩的方式，而是只取决于相关的热力学参数，如热传导率、壁厚、几何形状、流体粘度等。可以基本认为机械功输入和热输入导致的熵产相同。

在系统输入为直接加热的形式下(比如通过电热加热器)，得到能量守恒公式，

Q＝m₁C_P(T₂-T₁) (6)

和熵公式，

对于一个等效的热力蒸馏系统，该项必须远小于1(注意这里的温度单位为绝对温度)，因此对数项的部分可以近似地用泰勒级数第一项来表示，

对比之下，对于机械式压缩，表达式则变成,

P＝T₁·内部熵产 (9)

这与直接加热的情况相比较，所不同的多了一项热泵系数，或

由于热泵系数可表示为远小于1，尤其当T1与T很接近的时候，以上的关系式显示了机械式压缩在热力学效率上大大优于直接加热。此式也显示了降低内部熵产率的重要性。它也指出了为何直接潜热交换可以进行，而不是间接的潜热通过非常的高要求潜热热交换过程。后者对于冷凝器和蒸发器之间的热交换效率要求非常高。如果表面积与体积之比较低的话，表面热力负载系数也低，由此可减小温度梯度并极大地减小熵产率。在本发明中，表面积与体积比通常可以做到700m^-1甚至更大。直接加热效率之所以比机械式压缩式方法低就是因为从Q/T产生的大量熵产。

以上方程提供了一种方法来估计用变分方式输入的能量的要求(机械功或者热)，而内部熵产率可通过测试函数的变分方法来获得。

图2b展示了本净水发明的结构图，蒸发器内是充满水的。本发明所述的一个装置50包括蒸发室52，冷凝室54，蒸发室52和冷凝室54之间的热交换壁56，盐水室68，压缩机60，去雾器62和盐水泵64。通常，输入的水是预处理过的，以避免从输入的水中析出的盐堵塞或附着在蒸发器上，同时也可以大大减少容器的水垢。预处理可以包括使用网眼滤网或者沉积滤网来去除较大的杂质或者悬浮的小颗粒，这些如果进入系统都会对HDH的过程产生一定的影响。更细小的可溶物或不可溶颗粒，包括微生物等可以通过凝聚的方法来预处理，例如电凝聚，生物方法如慢式砂滤或者活性碳等，或者在输入的水中预加氯来防止致病物质留存在管路或者蒸发室里。钙盐等可容物应该使用软化剂或凝结剂来减少在容器壁或者管路上水垢的形成。预处理过程可以在初始步骤进行，或者利用在蒸发过程的运作间隙，当HDH过程非常不稳定时(例如当容器的温度突然降低时，需要通过控制器来将系统带回到最优状态)进行，或其他事宜时机。

预处理的水也可以进行事先加热，以此来提供足够的水蒸气来使蒸汽压缩机更有效地工作。如果在压缩机的进口没有初始的水蒸气种子，由于缺乏从冷凝器到蒸发器的潜热热交换和两者之间的回路，HDH过程将无法进行。水可通过例如太阳能加热装置(未在图中显示)来预加热，通过使用太阳能或其他低质的热源。如果需要进一步的加热，那么第二级加热器(未在图中显示)，例如电加热器，通过使用其他能源来进一步的将输入的水加热至预设的温度。同时第二级加热器可以周期性地将系统加热到一个很高的温度达到消毒的目的，例如当系统运行的温度无法长期保持在一个安全的范围内时。

预处理的输入的水66进入到蒸发室52，充满蒸发室52，随之输入的水66即与热交换器壁56接触。潜热即可从冷凝室54向蒸发室52有效地传导，因为输入的水66完全地与在蒸发室那一侧的热交换壁56接触。这种浸没式蒸发器与疏水冷凝室具有水平(或轻微倾斜的)热交换表面，通过高效的滴式冷凝和浸透式蒸发完成系统循环。在滴式冷凝中，冷凝过程通过在热交换表面形成细小的液珠而不是连续的液膜。通过许多的成核区，液滴慢慢变大，直到张力无法克服重力后突然快速地凝结并且逐渐变大的液滴沿着表面下滑，在过程中扫过更多的表面凝聚更多的液滴并且直接暴露在饱和的水气环境中吸收更多的水。

液滴在快速与周边液滴聚结之前的最大半径称之为离开半径。一般金属表面的离开半径为1-3毫米，但是离开半径也依靠多种其他因素，如表面温度，表面或整体导热率，蒸汽流速率以及流动的机理等。通常来说，滴落的过程发生在当液滴凝聚到一定的尺寸，重力或者其他外力大到表面张力后。在滴式冷凝过程中，由于没有液膜产生来阻止潜热的热交换，滴式冷凝方式可达到的热交换系数可以是膜状冷凝方式的10倍。

液滴滑落的过程可以通过调整热转换表面积的近似水平但倾斜的角度和压缩机的流量和压缩比。大的滑落运动增加了冷凝器额质量产率，同时也减小了液滴的离开半径，这导致了热交换系数的增大。然而，通常增加的热转换系数小于冷凝质量产量的增加，将会导致蒸发器和冷凝器间热交换表面的温度梯度，这降低效率。因此，倾斜的角度是另一个可以用来优化系统效率的参数。

滴式冷凝一般只可以通过使用疏水的表面材料来实现，与膜状冷凝所不同。在蒸发器方面，相同的特性可通过渗透或喷射式蒸发来实现。渗透蒸发是指蒸发器浸没在液体中，液体中充满了渗透气泡，这些气泡是循环自冷凝器近端所产生的。渗透蒸发，相对于滴状冷凝，更适合使用亲水的表面，来自冷凝器端循环使用所产生的气泡，在持续的蒸发中，这些气泡不断从蒸发的液体中吸收水气并不断变大悬浮在热交换表面下。这些串状的气泡附着在热交换壁的下面(蒸发器的上表面)，是与滴式冷凝类似的逆过程，并且由于串状的气泡仅需要很小的接触角度，所以蒸发器的表面应该使用亲水的材料。

在渗透蒸发过程中，气泡串的增大、破裂以及气泡破裂后向上的扯动都极大地增加了潜热热交换的程度。由于在蒸发器表面和液体间没有气膜来阻止热交换，这种情况下的热交换系数将是传统蒸发器数量级上的提高。

尽管在蒸发器表面的热交换面上的接触角度很好地小于90度，而且只要接触角度不接近180度，气泡都能够很好的生成。大的接触角度会增加气泡的临界尺寸，从而降低热交换效率。大多数亲水聚合物的接触角度都小于140度，因此使用这种材料时，基于渗透蒸发的原理，可以令增强的潜热热交换发挥功效。

在HDH过程中，那些无法被冷凝的气体对热交换的过程会产生一个很大很负面的影响，它们会阻止蒸汽分子的与热交换表面的接触，迫使蒸汽分子从它们的表面流过。然而，众所周知，湍流会使热交换的效率大大提高，横向的气体流动使得蒸汽分子与冷凝器端的热交换壁进行热对流。在蒸发侧，液体的湍流运动也可以类似地提高内部的搅动，克服流体自身较弱的热传导性。

为了达到湍流，雷诺数需要达到2200，这对于窄的流道来说往往很难达到，但是流体可以通过设置微小的阻碍物和外部的扰流器来激发湍流。用来循环未冷凝气体至蒸发器的压缩机叶片的脉冲式动作和螺旋式的喷管都能够提供以上描述的湍流激发功能。

流体的湍流运动更好地与热交换壁和非热交换壁刮擦，也带来了其他的利于系统的好处。湍流也直接能够增强滴式冷凝的液滴下滑的运动，它们能够加速邻近液滴的聚结，通过摇摆的运动合并更多聚结的液滴，使它们从微小的成核区分离。这会导致更小的离开半径，进一步地提高热交换效率。

然而，湍流运动的存在同时也会增加流体的阻力，导致压缩机需要更大泵压。因此，在系统设计时，需要权衡压缩机所需提高的功耗和增加的热转换效率。值得注意的是，如果最外层的壁面是优良的绝缘体，那么所有湍流的运动可以最终转化回热能，并可以像使用直接加热的方式那样，使用其直接用来提高冷凝的产率，那么整个系统的效率的降低将是主要来自于湍流生成热与机械式压缩机输入方式下效率的差别。直接热注入与机械式输入的效率比较将在后面的章节详述。

蒸发室52和盐水室68也可以连接起来，这样预处理的输入的水66可以通过重力驱动的方式从蒸发室52流道盐水室68的底部。因此，从理论上来说，蒸发室52的盐含量比盐水室68底部的盐含量低。随着盐水室68里的浓度变得越来越大，渗透压最终会提高蒸发室52中的盐水浓度。盐水室68中的额外层70可以用来增大渗透压行进所需的总路径。

盐水泵64可以将盐水室68中的盐水排出来降低浓度，以此来降低渗透压。盐水泵64可以通过数字方式控制排出的盐水，以此来精确控制盐度。盐水泵64可以按照盐水的浓度自动控制盐水排出量。排出的盐水可以进一步的分离，去除高浓度的盐水和析出的沉淀，其余的盐水可以回收利用送回至蒸发室52。

当气体从蒸发室52蒸发出后，它们高度饱和了经过预处理的输入的水。这些高度饱和的气体从蒸发室52经过去雾器62进入到压缩器60的入口76。压缩机60压缩之前高度饱和的气体后从压缩机60的出口78输出至冷凝室54。压缩机60可以通过数字控制的方式来控制压缩机60的进口76和出口78的流速以及压缩机的压缩比。

去雾器的功能是使气泡在蒸发器中从液体中分离。去雾器通常由一块特殊涂层或无涂层的金属网版构成，网版上具有足够小的网孔用来阻止以雾状形式存在小液滴通过进入压缩机。这些小液滴对于压缩机来说具有腐蚀性所以是不利的，液滴中还可能含有有机或者无机的污染物，交叉感染冷凝器端的冷凝水。然而，由于气体的流速在量级上高于液体流速3个数量级，去雾器的阻流作用会产生不能忽略的压降。这个现象会降低压缩机的效率，并且需要更多的输入能量，导致整个系统能源效率的降低。

由于运行的条件是在低压和低温下，可以将金属的网版用塑料来代替。由于塑料材质可以通过注塑成型，网版的横截面可以被设计成更长更具流线的形状。在空气动力学设计中，在相同的二维阻面积下，可以设计出特殊的形状，比圆柱形减小二至三个数量级的气动阻力。通过这些设计，将极大地减少去雾器的压降，提高系统的总效率。通过去雾器的能量损失其实并没有消失。相反，它们可以转变成热能后，输入至冷凝室再次利用。

由于本装置使用一个近似水平的溢满的蒸发器，在压缩机负压力吸力的作用下，可能将盐水吸入至去雾器的入口处，因此，更有效的水汽和盐水分离装置是很有必要的。一种更好的设计是使用高亲水的塑料材料，如特氟龙作为去雾器网版的材料，它具有更好的抗毛细力作用，阻止盐水的侵入。

过饱和的气体被输入至冷凝室54在热交换器面56上以形成冷凝水(即处理好的水或其它液体产物)。热交换壁56始终保持水平方向，使重力方向基本上垂直于优选高度疏水的热交换壁56，使得冷凝水在热交换壁56表面滴式冷凝。从冷凝室54余下的气体将会重新通过如72所示的路径回流至蒸发室52通过渗透蒸发来增强蒸发和潜热的收集率。冷凝器56可以有一个输出口74使生成的冷凝水(产物水)流至一个贮存水箱(未图示)或另作他用。冷凝室54也包含一个突起80用来进一步的冷凝。突起80可以稍微倾斜使冷凝的水滴至热交换壁56。

由于产物水和预处理的输入的水66在热交换器壁面的两侧，从冷凝器56转换到蒸发室52侧的潜热大大增加了，提高了整个水净化设备的效率。

为了更大地增强热交换的效率，热交换壁基材的整体导热率必须要越高越好，热交换的面积要越高越好，而交换壁的壁厚要越薄越好。热交换器56可以由多种热传导的材料来组成，如聚丙烯、防腐蚀的金属合金、聚碳酸酯或其他材料等。

虽然不锈钢，铜镍合金或钛合金都比塑料基材的如聚丙烯或者聚碳酸酯热交换的整体导热率高出很多倍，但它们都具有过高的润湿性而无法达到滴式冷凝的效果，即使通过化学或者镀金后可以达到较好的表面势能来减小润湿性。塑料基材如聚碳酸酯或者聚丙烯相较于金属类材料更加经济，由于其抗腐蚀性可以将其加工成很薄。并且由于HDH过程是在或接近大气压的条件下进行，塑料所具有的强度虽然比金属基材差但是已经足以满足要求。更薄的壁厚能够补偿聚合物较低的热传导性。

除此以外，聚合物基材可以通过加入高导电性填料如碳黑，碳纤维和纳米管来增大其整体导热率。含碳添加剂如碳黑，可以最高提高多聚物的热传导性达4倍。拥有微细结构的含碳材料如碳纤维、纳米管、石墨等可以具有与纯银相当的热传导性，或在纳米管的情况下，甚至可以具有超过纯银或者纯铜20倍的热传导性，整体导热率的预计的增加可能是高一个数量级。碳纤维和纳米管添加剂也可极大地增加聚合物基材的强度和刚度，使用更加薄的壁厚。

图3展示了另一种拥有额外蒸汽产生器的本发明的水净化系统的实施方案的图。该现有水净化设备50具有一个附加的蒸汽产生器82能使蒸汽直接注入到冷凝室54里。水净化器50在初始阶段，额外的蒸汽产生器82能够提升冷凝和蒸发的进程。这个附加的蒸汽产生器82能够通过机械能、太阳能、热能、电能或其他能量驱动。通过机械能、太阳能或者热能，水净化设备能够达到环保及有效利用自然资源。

图4示出了具有用于蒸发室和冷凝室的多个通道的用于水净化的本发明的图。本发明的水净化100可以通过使蒸发室104的多个通道102与冷凝室108的多个通道106交错来修改。蒸发室104的通道102和冷凝室108的通道106交错，使得在蒸发室104的任何一个通道在冷凝室108的任意两个通道之间，且同样地，冷凝室108的任何一个通道在蒸发室104的任意两个通道之间，除了最外层的通道。此外，蒸发室104的每个通道和冷凝室108的每个通道的界面之间存在热交换壁，例如，热交换壁110。蒸发室104的通道102和冷凝室108的通道106可以基本上沿水平方向对齐，使得冷凝水由于重力会趋向于集中到热交换壁上。

蒸发室104的通道102在其端部连接在一起。同样地，冷凝室108的通道106在它们的端部连接在一起。水净化装置100的压缩机112可以具有来自蒸发室104以接收饱和的气体的入口114和到冷凝室108以输出过饱和气体到冷凝室108的出口116。去雾器118可以连接在蒸发室104和压缩机112之间以为饱和气体除雾。此外，空气过滤设备(未示出)，例如，静电沉淀器或其他电过滤系统，可用于进一步过滤不需要的颗粒的饱和气体。水净化装置100可以经由P-阱124，或通过其它方法或装置，将气体从冷凝室108再循环到蒸发室104。来自冷凝室108的产物水被引导到产物水储存器126。产物水由于重力，或者使用另一种方法从冷凝室108的通道106下降到产物水储存器126。气体也从冷凝室108的通道106降到P-阱124，P-阱124进一步连接到蒸发室104。由于压力在冷凝室108中比在蒸发室104中大，来自冷凝室108的气体将流动通过p-阱124且离开进入至蒸发室104。由于这种较高的压力，在蒸发室104中的输入的水不会通过p-阱124倒流到冷凝室108。气泡产生喷嘴(未示出)或其它气泡产生机构还可以被定位在P-阱124的端部以在气体被引导至蒸发室104时产生气泡。

盐水室128可以将输入的水提供至蒸发室104。盐水室128可以具有多个水平(未示出)，以增加渗透压所采取的路径。并且，可以有来自盐水室128的盐水出口130，以从盐水室128的底部泵送高度浓缩的盐水。盐水室128还可以有入口132，用于将输入的水输入盐水室128和用输入的水充满蒸发室104。

为了增加产物水的量，本发明的水净化装置可以具有包括多个面板的冷凝室，其中每个面板具有多个通道。面板可以在其端部相互连接并彼此间隔开预定距离。面板被进一步布置在空腔中，其中该空腔填充有输入的水以用作蒸发室。因此，输入的水充满面板周围，并且在面板的屏障用作面板的通道内的冷凝水和面板外部的输入的水之间的热交换壁。这种布置的进一步说明在随后的描述中提供。

例如，图5示出了具有用于冷凝室的多个面板的本发明的水净化装置的图。水净化装置150可以有矩形形状的形状因数，其中近侧歧管152被定位在水净化装置150的上侧且远端歧管154被定位在水净化装置150的下侧。此外，冷凝室的面板156可以是矩形的，并且垂直地、水平地或以任何其它角度安装在水净化装置150中。每一个面板156可以具有多个通道(未示出)。并且，冷凝室的面板156也可以是矩形形状，以匹配水净化装置150的总形状因数。水净化装置150的蒸发室可以包括面板156外部，但在水净化装置150内的区域(例如，区域164)、上部部分158和下部部分160。这些区域、上部部分158和下部部分160被连接，使得输入的水和输入的水内的任何气体能自由地在水净化装置150的这三个部分之间流动。

面板156的通道从蒸发室被密封以防止任何输入的水从蒸发室泄漏到面板156的通道。然而，来自面板156的通道的干燥空气经由远端歧管154被再循环到蒸发室。压缩机162可以在上部部分158接收来自蒸发室的高度饱和的气体并输出过饱和气体至连接到面板156的通道的近端歧管152。因此，过饱和气体从面板156的通道的顶部被引导到面板156的通道的底部。面板156的通道中的冷凝水汇集在远端歧管154，并进一步引导到产物水储存器(未示出)或用于使用。

应当理解，水净化装置150的上述形状因数仅仅是可用于实施本发明的许多形状因数之一。很明显，本领域的普通技术人员可以利用本发明来实现各种其它形状因数。因此，本发明的这些其他形状因数也包括在本发明中。

图6示出了本发明的水净化装置的远端歧管的图。远端歧管154包括p-阱172、狭缝174、排水孔176、安装销178和产物水导向装置180。p-阱172将气体从冷凝室的面板156通过狭缝174再循环至蒸发室。狭缝可具有气泡发生装置(未示出)，用于促进气泡产生至蒸发室。排水孔176连接面板156至产物水导向装置180，以允许在面板156中冷凝的产物水被收集，且然后通过产物水导向装置180引导到产物水储存器。安装销178允许面板156被安装和固定在水净化装置内。

图7示出了本发明的水净化装置的近端歧管的图。本发明的近端歧管152包括蒸发器入口182、饱和气体出口184、和安装销186。蒸发器入口182收集来自蒸发室的高度饱和的气体，且然后将这些气体引导至本发明的水净化装置的压缩机的入口。压缩器压缩那些高度饱和的气体，并经由饱和气体出口184将过饱和气体输出至面板156。安装销186用来安装和固定面板150。图8示出了本发明的水净化装置的透视图。如上所述，水净化装置200可以有矩形的形状因数。水净化装置的透视图说明了这样的形状因数。

图9示出了具有通过面板的偶数通道的多个穿孔的本发明的单一面板的俯视图。每个面板可具有多个通道，例如通道1-18。通道可具有一个或多个横截面形状，包括矩形、椭圆形或其它形状。在该实例中，通道的形状为矩形，使得通道的俯视图是矩形的。通道1、3、5、7、9、11、13、15、和17对外部液体和/或气体是基本上不渗透的，而通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18具有穿孔，穿孔将那些通道的内部连接至存在于该面板的外部的外部液体和/或气体。因此，穿孔通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18充满有存在于面板的外部的液体和/或气体。穿孔通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18的端部被密封，以防止任何外部的液体和/或气体进入到冷凝室和任何非穿孔通道。在本质上，非穿孔通道充当冷凝室且多孔通道增大蒸发室。

典型地，面板的通道对从面板的外部泄漏到通道的气体和/或液体是基本上不可渗透的。然而，为了提高热力学过程，沿着面板的每隔一个通道可以具有切入通道的穿孔，穿孔允许穿孔通道充满有包围面板的任何外部液体和/或气体。例如，如果液体包围面板，则液体可从所有侧面包围非穿孔通道，因为面板的相邻通道是穿孔的。

非穿孔通道具有从非穿孔通道的一侧流至非穿孔通道的另一侧的高度饱和的气体，如上详述的。面板的外部与在蒸发室中的液体接触。因此，面板的构成非穿孔通道的壁充当冷凝室和蒸发室之间的热交换壁。被再循环到蒸发室的气体还可以通过被充满的区行进，从而通过穿孔和面板的网络碰撞并盘旋。由于气体的路径被增加，再循环的气体可在被水净化的压缩机的入口收集之前被进一步饱和。

图10示出了具有穿过面板的奇数通道的多个穿孔的本发明的另一个面板的俯视图。通道1、3、5、7、9、11、13、15、和17具有穿孔。穿孔允许那些穿孔通道1、3、5、7、9、11、13、15、和17充满有存在于面板的外部的液体和/或气体。通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18被从面板的外部密封，以防止从面板的外部泄漏到非穿孔通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18。通道1、3、5、7、9、11、13、15和17的端部被密封，以防止任何外部的液体和/或气体进入冷凝室和面板的任何非穿孔通道。

冷凝室可以具有面板的阵列(如图5中所显示)，其中每个面板具有多个通道。如先前所讨论的，每个面板的某些通道可以有穿孔，例如，在沿面板每隔一个通道，使得面板的外部的任何液体和/或气体被基本上防止泄漏到非穿孔通道。来自一个面板和一个相邻面板的穿孔通道可偏移，使得没有可以通过第一面板的一个穿孔通道穿到第二相邻面板的其它穿孔通道的直接的垂直线。目的是增加任何气体可通过不得不穿过冷凝室的穿孔通道而从蒸发室的一端行进到蒸发室的另一端的路径。

因此，多个面板可以被布置成阵列，以形成冷凝室的各部分，其中第一面板在该面板的偶数通道上具有穿孔通道，第二面板在该面板的奇数通道上具有穿孔通道，第三面板在该面板的偶数通道上具有穿孔通道，等等，等等，使得穿孔从任意两个相邻的面板偏移，以增加任何气体可能需要从蒸发室的一侧行进到蒸发室的另一侧的路径。

穿孔还可以具有不同长度。此外，第一面板的穿孔还可以从第三面板的穿孔偏移，以进一步增加任何再循环的气体必须通过蒸发室中的输入的水行进的长度。

图11示出了具有通过一些通道和间隔物的多个穿孔的本发明的面板的放大的透视图。本发明的面板260可包括每隔一个通道被穿孔的通道，并具有隔离物262以将任何两个相邻的面板彼此分离。

图12示出了本发明的几个面板的放大的透视图。多个面板280-286布置为靠近彼此，以形成冷凝室的一部分。每个面板280-286具有穿孔通道。此外，为了结构完整性，间隔物290-296被布置在面板280-286之间。

图13示出了管的分组，以形成本发明的冷凝室。在本发明的实施方案中，多个管例如管300-312，可以组合在一起，以形成本发明的冷凝室的通道。管的壁可作为在管内的冷凝液体-饱和气体和蒸发室的在管的外部的输入液体之间的热交换壁。间隔物例如间隔物320-326，可以定位在管周围，使得在相邻的管组合在一起时，任何两个相邻的管之间存在间隙。当管被浸没在蒸发室内时，在蒸发室中的气体和输入的水淹没管的外部，即在任意两个相邻的管之间的空间，并且因此围绕每个管。

优选地，在蒸发室中的输入液体的体积等于冷凝室的管的内体积。由于在蒸发室中的管的致密堆积，管的热交换壁的总表面积大大增加。例如，在一英尺乘以一英尺乘以两英尺的体积内组合在一起的一组管可具有约700平方英尺或更大的热交换壁的总表面积。因此，一般来说，本发明的填充密度可以媲美一些反渗透过滤系统。

管可以以多种配置被分组在一起，以最大化热交换壁的总表面积和/或最大化蒸发室和冷凝室的其他考虑事项。例如，优选地，管以六边形图案被包装，其中每个管的径向中心与相邻管的径向中心等距。对于管组的边界内的管，即内管，内管将有六个相邻的管。例如，管330是内管和具有六个围绕管330的相邻的管。

由于管被浸没在蒸发室中，管的端部被密封，使得来自蒸发室的输入液体不会泄漏到冷凝室的管。用于从蒸发室密封管的端部的多种方法可被实现。例如，垫圈组件可用于在管的端部，以从蒸发室密封管的内部。该垫圈组件可以路由饱和气体进入管的内部，同时提供紧密的密封，以防止在蒸发室中的输入液体泄漏到管中。该垫圈组件将在下面的描述中变得更加明显。

图14示出了用于本发明的冷凝室的矩形管筒。在本发明的各种实施方案中，本发明的冷凝室的管可以被一起分组在矩形管筒358。矩形管筒358的管的端部通过端帽360和362来密封。矩形管筒358的端帽360和362可被插入到本发明的水净化装置的同伴组件(未示出)，以形成垫圈组件。一旦端帽360和362装配到同伴组件，管的外部和管的内部彼此密封。因此，在蒸发室中在管的外部的输入液体不能泄漏到管的内部。另外，矩形管筒358和垫圈组件在需要时从相应的水净化装置可拆卸，例如如果管需要清洁或更换。此外，管筒还可以成形为各种形状，例如，椭圆形、圆形、梯形等，以适合本发明的水净化装置。

图15示出了具有间隔物的本发明的冷凝室的管。本发明的冷凝室的管可具有在管的外部周围的间隔物。当管被分组在一起时，间隔物用来以物理方式使任意两个相邻的管彼此分离。另外，间隔物用于捕获蒸发室内在管附近行进的气泡。一旦被捕获，气泡沿间隔物被驱动，从而减慢气泡到达蒸发室的端部。

管的间隔物可以具有从管的一端延伸到管的另一端的一个或更多个翼片。例如，管370可具有间隔物372。间隔物372是在管370的外部周围，以螺旋从一端延伸到另一端的单一翼片。间隔物370还可以在翼片的端部具有唇缘或边缘以捕获在管370附近行进的气泡。

在可选择的实施方案中，管370的间隔物可以有多个翼片(未示出)，多个翼片在管370的外部周围以螺旋延伸。此外，代替翼片，管370的间隔物可以是沿管370的长度在不同位置从管370突出的环(例如，如在图13中示出的)。

图16a示出了本发明的冷凝室的管的端部的放大视图。管370的间隔物372可以在管370的远侧具有边缘374，以捕获气泡。边缘374可以相对于间隔物372的其余部分成不同角度设置。边缘374还可以沿着管370的长度与间隔物372一起延伸。另外，边缘374可以沿管370在某些位置成锥形，以允许夹带的气泡逸出间隔物372。

图16b-16c示出了本发明的管的间隔物的各种横截面形状。本发明的间隔物的边缘可以具有不同的形状。例如，间隔物380可以具有延伸到间隔物380的两侧(或任一侧)的弯曲的边缘382。另外，间隔物384可具有延伸到间隔物384的两侧(或任一侧)的平坦的边缘386。基于本公开内容，对本领域的普通技术人员来说明显的是，其他边缘形状还可以结合本发明使用。因此，应该理解的是，本发明还教导了那些不同的边缘形状。

图17示出了具有矩形管筒的用于水净化的本发明的另一实施方案的图。本发明的水净化设备400包括蒸发室402、具有矩形管筒406的冷凝室404、压缩机408、盐水泵410和产物水储器412。蒸发室402充满有输入液体，使得矩形管筒406浸没在输入液体中。矩形管筒406具有第一端盖414和第二端盖416。端盖414和416装入水净化装置400的垫圈组件，以形成密封，以防止输入液体泄漏到矩形管筒406的管的内部。

罩418把饱和气体从蒸发室402路由到压缩机408。压缩机408然后可以加压饱和气体并输出过饱和气体到矩形管筒406的管。过饱和气体通过端帽414行进到管的另一侧，即，具有端帽416的一侧。压缩机408可以位于水净化装置400的热边界内以将其机械能传递到水净化装置400。例如，压缩机408可浸入蒸发室402(未示出)，使得来自压缩机408的机械能被传递以加热输入的水。另外，压缩机408的振动也有助于振动水净化装置400，以从冷凝室404的间隔物和管除去各种盐水和其他杂质。

当过饱和气体在管内冷凝，产物水可排出到产物水储器412中。冷凝室404的管可稍微倾斜一定角度，使得重力可以将产物水拉动进入以下产物水储器412。来自管的干燥空气可以被路由到蒸发室402的底部或冷凝室404的底部。当盐水浓度达到预定水平时，盐水泵410可以被激活以开始从蒸发室402的底部泵送盐水。

对本领域的普通技术人员来说明显的是，本发明中公开的其它特征可结合水净化装置400使用。因此，应理解，那些特征也可以适用于本发明的该实施方案。

图18示出了本发明的去雾器的透视图。本发明的去雾器420可以具有耦合到彼此，例如堆叠到彼此、粘在一起、模制在一起、或用其它制造技术来形成两层的空气动力学翼片的两层422-424。第一层422可以包括由疏水性材料制成，以防止液体润湿翼片的表面的多个空气动力学翼片。第一层422的翼片可以并行地基本对齐。第二层424可以包括由亲水性材料制成以促进在这些翼片的表面处润湿的多个空气动力学翼片。第二层424的翼片也可以并行地基本对齐。第一层422的翼片和第二层424的翼片可以定位为基本上彼此垂直。翼片的其它层，可以根据需要添加或设计。

当气体和液体从蒸发室沸腾，放出的液体将趋于与第一层422接触，但因为第一层是疏水性的，液体将分裂成较小的珠。如果较小的珠继续向上，亲水性的第二层424会促进那些珠在第二层424上润湿，而不是允许珠向前逸出，如压缩机。一旦输入的水的珠聚集在第二层424上，重力将起作用以将输入的水的珠拉回至蒸发室。

图19示出了本发明的去雾器的另外的透视图。优选地，层的任何两个相邻的翼片的中心之间的间隔距离可以是每个翼片的宽度的五分之一。例如，在相同的层的两个相邻的翼片的中心之间的间距440是那层的翼片的宽度442的长度的五分之一。基于本公开内容，其他间距布置对本领域的普通技术人员是明显的。

图20示出了本发明的去雾器的空气动力学翼片。去雾器的空气动力学翼片460可以具有空气动力学设计，以允许气体通过该翼片。

如从上面的公开内容明显的，本发明的目的是提出简单的、模块化的和可负担得起的水净化方法、装置和系统，其能够适合于当地条件，使用较少的功，且甚至可能使用天然可得的能源，如太阳能和风能。本发明可以是自我监测的且是用最少的培训可现场维护的，并且不需要使用消耗品来保持最佳的系统性能。

本发明还可以利用位于水净化装置内的传感器以监测各阶段的温度和湿度，以优化效率和产物水输出。例如，冷凝室中的气流可以被控制，以保持正确的差，以促进最大冷凝。

水净化装置的控制系统可连续监测水净化装置，例如，用于控制输入的水预热、能量管理(包括太阳能和风能发电)、控制各个阶段的温度以保持安全温度以防止霉形成，通过有线/无线的手持设备提供图形用户界面，并且能够记录所有的系统操作，自我维护：每单位时间监测输入的水、排出水和产物水的质量几次，当系统的效率正在下降时检测-很可能由结垢和由此引发自冲洗/清洗周期引起，并连续监测系统的温度，以确保该系统在安全温度区操作，且不会变成起危险的细菌/霉菌的滋生地-通过控制电加热器以定期自动消毒系统。此外，控制系统可以监测TDS水平。

或许更重要的是，控制系统可以采用来通过最小熵产的原理来优化操作用于最大的能量效率。在HDH设备，熵产主要是通过在源和接收器之间的温度差热传递的结果。虽然熵产过程是在系统内部，但是它的数量级可通过实时监测热量输入和输出速率，以及每个外部端口的温度和质量流率来估计。一旦得到总熵产率，MIMO(多输入/多输出)自适应控制算法，可以被使用以通过使用熵产为控制优化的目标函数以保持熵产接近最小水平，因为最能量有效的操作状态也是具有最少熵产的操作状态，反之亦然。可选择地，目标可以被选择为单位能量成本，而不是熵产，以考虑到不同能源的变化的成本。因此，有可能通过辅助蒸汽产生来采用机械压缩和直接加热的混合，以达到最低的总能量成本。

虽然已参照某些优选实施方案或方法描述本发明，但将理解的是，本发明并不限定于这样的具体实施方案或方法。更确切地说，本发明人的论点是，本发明应当以如由以下权利要求反映的其最广泛的含义来理解和解释。因此，这些权利要求被理解为不仅并入本文中所描述的优选的装置、方法以及系统，而且并入如对本领域普通技术人员明显的所有那些其它和另外的改变和修改中。

Claims (17)

1.一种用于从输入液体产生净化液体的装置，包括，

蒸发室，其中所述蒸发室充满有所述输入液体；和

冷凝室，其具有通道，其中所述通道布置在所述输入液体中，其中所述冷凝室是面板的阵列，且其中所述面板中的每个具有所述通道中的多个通道，

其中由所述输入液体在所述蒸发室中产生液体饱和的气体，

其中所述液体饱和的气体被引导入所述通道的第一端部中，且其中所述净化液体在所述通道的第二端部被输出，

其中所述通道的壁是热交换壁，且其中潜热在所述输入液体和所述通道之间经由所述通道的所述壁转移，

且所述装置还包括气泡产生机制，

其中所述冷凝室中的所述液体饱和的气体的一部分经由所述气泡产生机制再循环至所述蒸发室，

其中所述装置还包括用于再循环所述液体饱和的气体的所述一部分的P-阱通道，其中所述P-阱通道将所述蒸发室连接至所述冷凝室，且其中所述冷凝室中的压力超过所述蒸发室中的压力，

其中所述装置还包括沉积室，其中所述沉积室连接于所述蒸发室，用于允许所述输入液体中较重的颗粒沉降在所述沉积室中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述面板的多个通道包括第一组通道和第二组通道，其中所述第二组通道是穿孔的，以允许所述输入液体充满所述第二组通道，其中所述第一组通道和所述第二组通道中的通道是交错的，使得所述第一组通道中的每个通道被所述输入液体包围，其中所述第二组通道的端部被密封以防止所述输入液体充满所述第一组通道。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述通道中的所述多个通道沿着相应的面板以行对齐。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述蒸发室包括与所述冷凝室共用的壁，所述共用的壁具有至少700m^-1的表面积与体积比，以降低表面热力负载系数并且最小化其间的温度差；

其中所述气泡产生机制被定位在所述P-阱通道的端部以在气体被引导至所述蒸发室时产生气泡，并且其中所述蒸发室浸没在液体中，所述液体中充满了渗透气泡，所述渗透气泡适于形成悬浮在所述蒸发室的热交换表面下方的气泡。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述通道是管。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述管各自具有隔离物，其中所述管组合在一起，且其中所述输入液体在所述管之间流入。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述管中的每个的径向中心等距于邻近管的径向中心。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述通道是水平方向、或者倾斜方向、或者垂直方向。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括具有入口和出口的压缩机，其中所述压缩机经由所述入口接收所述液体饱和的气体，其中所述压缩机对所述液体饱和的气体加压，且其中被所述压缩机加压的液体饱和的气体经由所述出口排出到所述通道。

10.根据权利要求4所述的装置，还包括微小的阻碍物、外部的扰流器或螺旋式的喷管，以激发液体的湍流运动。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述沉积室具有用于从所述沉积室泵送颗粒的数控泵。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述沉积室具有多个连通水平，以允许每一个所述连通水平处具有不同的颗粒浓度。

13.根据权利要求1所述的装置，还包括用于净化由所述蒸发室提供的所述液体饱和的气体的静电沉淀器。

14.一种用于从输入液体产生净化液体的装置，包括：

蒸发室，其中所述蒸发室充满有所述输入液体；

冷凝室，其包括面板的阵列，其中所述面板中的每个具有沿着相应的面板以行对齐的多个通道，其中所述通道是水平方向、或者倾斜方向、或者垂直方向，和

压缩机，其具有入口和出口，

其中所述通道被浸没在所述输入液体内，

其中由所述输入液体产生液体饱和的气体，

其中所述压缩机经由所述入口接收所述液体饱和的气体，

其中所述压缩机对所述液体饱和的气体加压，

其中经加压的液体饱和的气体经由所述出口排出到所述通道的第一端部，

其中所述净化液体在所述通道的第二端部被输出，

其中所述通道的壁是热交换壁，且

其中潜热在所述输入液体和所述通道之间经由所述通道的所述壁转移；

其中所述装置还包括：

P-阱通道，其用于再循环所述液体饱和的气体的一部分；

其中所述冷凝室中的所述液体饱和的气体的一部分经由气泡产生机构再循环至所述蒸发室，

其中所述P-阱通道将所述蒸发室连接至所述冷凝室，

其中所述冷凝室中的压力超过所述蒸发室中的压力。

15.根据权利要求14所述的装置，还包括，

沉积室；和

静电沉淀器，其用于净化所述液体饱和的气体，

其中所述通道中的被选择的通道是穿孔通道，

其中所述输入液体进入所述穿孔通道的内部，

其中所述穿孔通道的末端被密封以防止所述输入液体充满所述冷凝室，

其中所述沉积室连接于所述蒸发室，用于允许所述输入液体中较重的颗粒沉降在所述沉积室中，

其中所述沉积室具有用于从所述沉积室泵送颗粒的数控泵，且

其中所述沉积室具有多个连通水平，以允许每一个所述连通水平处具有不同的颗粒浓度。

16.一种用于从输入液体产生净化液体的装置，包括：

蒸发室，其中所述蒸发室充满有所述输入液体；

冷凝室，其包括多个通道，其中所述通道是管；和

压缩机，其具有入口和出口，

其中所述通道被浸没在所述输入液体内，

其中由所述输入液体产生液体饱和的气体，

其中所述压缩机经由所述入口接收所述液体饱和的气体，

其中所述压缩机对所述液体饱和的气体加压，

其中经加压的液体饱和的气体经由所述出口排出到所述通道的第一端部，

其中所述净化液体在所述通道的第二端部被输出，

其中所述通道的壁是热交换壁，

其中潜热在所述输入液体和所述通道之间经由所述通道的所述壁转移，

其中所述管各自具有隔离物，

其中所述管被组合在一起，且

其中所述输入液体在所述管之间流入；

其中，所述装置还包括：

P-阱通道，其用于再循环所述液体饱和的气体的一部分；

其中所述冷凝室中的所述液体饱和的气体的一部分经由气泡产生机构再循环至所述蒸发室，

其中所述P-阱通道将所述蒸发室连接至所述冷凝室，

其中所述冷凝室中的压力超过所述蒸发室中的压力，

其中所述装置还包括附加的蒸汽产生器，用于使蒸汽直接注入到所述冷凝室中。

17.根据权利要求16所述的装置，还包括：

沉积室；和

静电沉淀器，其用于净化由所述蒸发室提供的所述液体饱和的气体，

其中所述管中的每个的径向中心等距于邻近管的径向中心，

其中所述通道基本上以水平方向对齐，

其中所述沉积室连接于所述蒸发室，用于允许所述输入液体中较重的颗粒沉降在所述沉积室中，

其中所述沉积室具有用于从所述沉积室泵送颗粒的数控泵，且

其中所述沉积室具有多个连通水平，以允许每一个所述连通水平处具有不同的颗粒浓度。