CN107485874A

CN107485874A - 逆流式热/质量交换反馈控制

Info

Publication number: CN107485874A
Application number: CN201710652010.7A
Authority: CN
Inventors: 普拉卡什·戈文丹; 马克西姆斯·圣约翰; 卡里姆·彻海耶博; 林嘉辉
Original assignee: Gradiant Corp
Current assignee: Gradiant Corp
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2017-12-19
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: CN107485874B; CA2934026C; CA2934026A1; WO2015095513A1; US20150166362A1; CN105980025A; US20200384381A1; US10239765B2; CN105980025B; US9579590B2; US20190209947A1; US10688409B2; US20170113947A1; US11052326B2

Abstract

本申请涉及逆流式热/质量交换反馈控制。一种逆流式热及质量同时交换装置被通过如下方式来操作：即，引导两种流体流以多个初始质量流速进入一个热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的。在这些流体中测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了这两种流体流在进入和离开该装置的点处的热力学状态。测量这些流体在进入和/或离开该装置的点处的流速；并且改变这两种流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想变化变得更接近是相等的。

Description

逆流式热/质量交换反馈控制

本申请是申请日为2014年12月18日，申请号为201480068492.6，发明名称为“逆流式热/质量交换反馈控制”的申请的分案申请。

背景

在本世纪，淡水的短缺将超过能量的短缺而成为全球人道主义的关注点；并且这两项挑战紧密关联，例如在《经济学家》(The Economist)的2010年5月20日发布的“关于水的专题报告(Special Report on Water)”中解释的。淡水是人类和其他生物的最根本的需求之一；每个人每天需要消耗最少约两升水。世界还面临着农业和工业过程中更大的淡水需求。

水供应不足导致的危害是特别尖锐的。淡水的短缺可能导致各种危机，包括饥荒、疾病、死亡、被迫大规模迁徙、地区之间的冲突/战争、以及崩溃的生态系统。尽管对淡水的需要是危急的并且短缺的后果是重大的，但淡水的供应仍是特别受限制的。地球上97.5％的水是咸水，并且剩余部分中约70％作为冰被锁住(大多数在冰冠和冰川中)，从而仅留下地球上所有水中的一小部分作为可供使用的淡水(非咸水)。

此外，地球上作为淡水且可用的水是不均匀分布的。例如，人口稠密的国家，像印度和中国，有许多地区遭遇了供应短缺。还进一步，淡水的供应通常是季节性不一致的。同时，对淡水的需求在全球正变得紧张。水库在干涸；含水层在下沉；河流在干枯；并且冰川和冰冠在消退。增长的人口增大了需求，农业的转变和增大的工业化也是如此。气候变化在许多地区提出了甚至更多威胁。因此，面临水短缺的人口数量在增加。然而，天然存在的淡水总体上被限制在区域性流域中；并且水的运输是昂贵且耗能的。

此外，可以有利地从污染的废水流中(例如，从油和气产物中)提取出水，以便既生产出淡水又浓缩废水流并减小其体积，由此减少污染和污物并降低成本。

尽管如此，许多现有的用于由海水(或盐味水或污染的废水流)生产淡水的工艺要求大量的能量。反渗透(RO)是当前领先的除盐技术。在大规模工厂中，所要求的比电量可以低至30％的回收率4kWh/m³，相比之下理论最小值是约1kWh/m³；较小规模的RO系统(例如，船上的)是效率较低的。

其他现有的海水除盐系统包括基于热能的多级闪蒸(MSF)、以及多效蒸馏(MED)，二者均是能量密集且资本密集的工艺。然而在MSF和MED系统中，最大盐水温度和输入热量的最大温度是受到限制的以避免硫酸钙、氢氧化镁、以及碳酸钙析出，这会导致在热传递设备上形成软垢和硬垢。

增湿-除湿(HDH)除盐系统包括增湿器和冷凝器作为其主要部件并且使用载气(例如，空气)来对盐水流除盐。这种技术的一种简单形式包括增湿器、冷凝器、以及用来加热盐水流的加热器。在增湿器中，热的盐水与干燥空气直接接触，并且此空气变成加热和增湿的。在冷凝器中，使加热和增湿的空气与冷凝剂(例如，冷的盐水)(间接)接触并且变得被除湿，从而产生纯水和除湿的空气。HDH工艺与MSF和MED系统相比在更低的顶部盐水温度下运行，因此在某种程度上避免了结垢组分的析出。

在美国专利号8,119,007B2(A.Bajpayee等人)中描述的另一种途径使用了定向溶解水但不溶解盐的定向溶剂。定向溶剂被加热来从盐溶液中将水溶解到该定向溶剂中。剩余的高度浓缩的盐水被去除，并且定向溶剂与水的这个溶液被冷却来使基本上纯的水从该溶液中脱溶出来。

本申请的发明人也是以下包括对HDH和用于纯化水的其他工艺的额外讨论的专利申请的发明人之一：在2009年9月4日提交的美国申请序列号12/554,726；在2009年10月5日提交的美国申请序列号12/573,221；在2011年2月15日提交的美国申请序列号13/028,170；以及在2011年9月23日提交的美国申请序列号13/241,907；在2012年7月16日提交的美国申请序列号13/550,094；在2013年6月12日提交的美国申请序列号13/916,038；以及在2013年8月5日提交的美国申请13/958,968。

发明内容

在此描述了用于逆流式热及质量同时交换的设备和方法。这些设备和方法的多个不同实施例可以包括下文描述的这些元件、特征和步骤中的一些或全部。

在该方法的一个实施例中，一种逆流式热及质量同时交换装置被通过如下方式来操作：即，引导两种流体流以多个初始质量流速进入一个热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的。通过一个或多个传感器在这些流体中测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了这两种流体流在进入和离开该装置的点处的热力学状态。测量这些流体在进入和/或离开该装置的点处的流速；并且改变这两种流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想变化变得更接近是相等的。

这些方法和设备允许通过控制该系统中的多个流量控制器，例如泵、鼓风机和阀等等，来控制这些流体的流量而操作热及质量交换装置，使得该装置始终在热力学效率的角度上最佳地或接近最佳地运行。这些方法和设备例如可以在由包括溶解的物种的水性来源组合物来生产淡水的增湿-除湿过程中用于热和质量交换。

本申请还涉及以下内容：

1)一种用于操作逆流式热及质量同时交换装置的方法，该方法包括：

引导两种流体流以多个初始质量流速进入热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的；

在这些流体中测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了这两种流体流在进入和离开该装置的这些点处的热力学状态；

在以下位置中的至少一者处测量这些流体的流速：(a)进入该热及质量交换装置的点以及(b)离开该热及质量交换装置的点；并且

改变这两种流体中的至少一者的流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想变化更接近是相等的。

2)如1)所述的方法，其中该热及质量交换装置是从经增湿的载气中使蒸气冷凝的冷凝器。

3)如2)所述的方法，其中该蒸气是水。

4)如1)所述的方法，其中该热及质量交换装置是从液体给送料中使挥发性组分汽化的增湿器。

5)如4)所述的方法，其中该蒸气是水。

6)如5)所述的方法，其中该液体给送料是选自油气提取中的回流水和生成水中的至少一者。

7)如1)所述的方法，进一步包括：基于所测量的状态变量和所测量的速率来计算热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来改变这些流体中的至少一者的流速。

8)如7)所述的方法，进一步包括：迭代计算该热容量比率并且如果该热容量比率不在为1的指定误差容限之内，则改变该流速。

9)一种操作具有至少两个彼此流体地相联接的逆流式热及质量同时交换装置的网络的方法，该方法包括：

使至少两种流体流以多个初始质量流速逆流地流动穿过这些热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的；

在这些流体流中测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了所有这些流体流在以下位置中的至少一者处的热力学状态：(a)进入这些热及质量交换装置的点以及(b)离开这些热及质量交换装置的点；

在以下位置中的至少一者处测量这些流体的流速：(a)进入这些热及质量交换装置的点以及(b)离开这些热及质量交换装置的点；并且

改变这些流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该至少两个热及质量交换装置中的至少一者的这两种流体的总焓率的理想变化更接近是相等的。

10)如9)所述的方法，其中这些热及质量交换装置包括增湿器和冷凝器，该方法进一步包括：

在该增湿器中使挥发性组分从给送液体中汽化；

用载气将该汽化的挥发性组分输送至该冷凝器；并且

在该冷凝器中使该汽化的挥发性组分从该载气中冷凝出。

11)如10)所述的方法，其中该挥发性组分是水。

12)如11)所述的方法，进一步包括：

(a)在该增湿器的中间级提取这些流体中的至少一者并且将所提取的流体注入该冷凝器的中间级，或者(b)在该冷凝器的中间级提取这些流体中的至少一者并且将所提取的流体注入该增湿器的中间级；

在所提取的流体穿过该增湿器与冷凝器之间时测量所提取的流体的选自温度、压力和浓度中的至少一种特性；

在所提取的流体穿过该增湿器与冷凝器之间时测量所提取的流体的流速。

13)如12)所述的方法，其中该增湿器和该冷凝器中的至少一者包括多个增湿级或冷凝级，这些流体穿过这些级，并且其中该增湿器和该冷凝器中的至少一者中的中间级是位于多个增湿级或冷凝级之间的。

14)如13)所述的方法，其中这些增湿级或冷凝级包括泡罩塔，这些流体中的至少一者通过这些泡罩塔起泡。

15)如11)所述的方法，进一步包括：基于所测量的状态变量和所测量的速率来计算热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来改变该载气和该给送液体中的至少一者的流速。

16)如15)所述的方法，进一步包括：迭代计算该热容量比率并且如果该热容量比率不在1的指定误差容限之内，则改变该给送液体和该载气中的至少一者的流速。

17)一种用于操作具有彼此流体地相联接的至少一个逆流式热及质量同时交换装置和至少一个热交换装置的网络的方法，该方法包括：

使至少两种流体流以多个初始质量流速逆流地流动穿过该热及质量交换装置并且穿过该热交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的；

测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了所有这些不同流体流在进入和离开该热及质量交换装置和该热交换装置的点处的热力学状态；

在进入和/或离开该热及质量交换装置和该热交换装置的点处测量这些流体的流速；并且

改变这些流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该至少一个热及质量交换装置和该至少一个热交换装置中的至少一者的这两种流体的总焓率的理想变化变得更接近是相等的。

18)如17)所述的方法，其中该热及质量交换装置是增湿器或冷凝器。

19)如18)所述的方法，其中这些流体流中的至少一者包括(a)在该增湿器中从该流体流中汽化得到的水、或(b)在该冷凝器中从该流体流中冷凝得到的水。

20)一种增湿-除湿装置，包括：

增湿器，该增湿器包括载气入口、载气出口、给送液体入口、和盐水出口；

冷凝器，该冷凝器包括载气入口、载气出口、用于冷凝浴液体的液体入口、以及用于冷凝浴液体和冷凝物的液体出口；

将该增湿器的载气出口与该冷凝器的载气入口相连接的载气导管；

多个传感器，这些传感器用于在该载气导管中、在该增湿器的载气入口处、以及在该冷凝器的液体入口和出口处检测以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度；

冷凝浴液体流速传感器，该冷凝浴液体流速传感器被配置成检测在该液体入口和该液体出口中的至少一者处该冷凝浴液体的流速；

载气流速传感器，该载气流速传感器被配置成检测穿过该增湿-除湿装置的载气的流速；

至少一个载气流量控制器，该载气流量控制器被配置成控制该载气导管中的载气流量；以及

与处理器通信的、包括计算机可读存储器的自动化控制器，其中这些传感器和该流量控制器是与该自动化控制器通信的，并且其中该计算机可读存储介质存储有软件代码以用于由来自这些传感器的检测值计算出热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来生成命令并将该命令发送至该载气流量控制器以便控制载气的质量流量。

21)如20)所述的增湿-除湿装置，进一步包括：

与该冷凝器的液体入口相联接的第一液体导管；

与该冷凝器的液体出口相联接的第二液体导管；

多个传感器，这些传感器用于在该第一和第二液体导管中的至少一者中检测这些状态变量中的至少一者；以及

用于控制穿过该冷凝器的冷凝浴液体的流量的液体流量控制器，

其中该软件代码包括指令，这些指令用于基于在该第一或第二液体导管中的至少一者中检测到的状态变量来计算出热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来生成命令并将该命令发送至该液体流量控制器以便控制该冷凝浴液体的流量。

22)如21)所述的增湿-除湿装置，其中该冷凝器和该增湿器中的至少一者包括多个级，并且其中，至少一个用于检测状态变量的传感器被安装在多个级之间，该装置进一步包括：

连接在该冷凝器和增湿器中间的中间交换导管；

用于在该中间交换导管中检测状态变量的传感器；以及

用于检测该中间交换导管中的流体的流速的流速传感器；

用于控制穿过该增湿器与冷凝器之间的中间交换导管的流体流量的流量控制器，

其中该软件代码包括指令，这些指令用于基于在该中间交换导管中检测的状态变量来计算出热容量比率。

附图简要说明

图1是逆流式热交换器的示意性展示。

图2展示了图1的热交换器中的流量、温度和浓度指示符发送器。

图3是流程图，展示了操作该系统的方法的步骤。

图4是逆流式冷却塔的示意性展示。

图5是逆流式冷凝器的示意性展示。

图6a是增湿-除湿(HDH)系统的示意性展示，该系统在测量系统参数的这些不同位置做出了标记并且展示了流动动力学特性。

图6b是来自图6b的HDH系统的冷凝器的示意性展示，其中该冷凝器包括两个级，每个级包括三个塔板。

图7是图6a的HDH方法在没有中间提取时的流程图。

图8是具有单一中间提取的HDH方法的流程图。

图9和10提供了使用图6a的设备、具有单一中间提取的两级HDH方法的流程图。

图11是对于该方法的实例而言在不同水温下所得的输出比率(GOR)与质量流量比率的曲线图。

图12是对于该方法的实例而言无量纲的焓产生速率与热容量比率的曲线图。

在附图中，贯穿这些不同的视图，类似的参考号指代相同或相似的部分；并且使用撇号来区分共享相同参考号的这些相同或相似物项的多个例子。这些图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在展示下文讨论的具体原理上。

详细说明

从以下对本(这些)发明的较宽界限内的多种不同概念和具体实施例的更具体说明中，本发明的各个方面的以上以及其他的特征和优点将变得清楚。上文介绍的且在下文更详细讨论的主题的多个不同方面可以按众多方式中的任一种来实现，因为该主题不局限于任何具体的实现方式。具体实现方式和应用的实例主要是为了展示的目的来提供的。

除非本文另作定义、使用或表征，否则本所文使用的术语(包括技术类和科学类术语)应解释为具有与其在相关领域的背景下可接受的含义相一致的含义、并且不得在理想化的或过度正式的意义上进行解释，除非本文明确地如此定义。例如，如果提及了具体的成分，则该成分可以基本上是纯的但不是完全纯的，因为可能适用了实际而不完美的现实；例如，潜在存在至少痕量杂质(例如，少于1％或2％)可以理解为是在本说明的范围之内；同样，如果提及具体的形状，则该形状旨在包括相对于理想形状的不完美变体，例如由于制造公差。本文表达的百分比或浓度可以是由按重量计或按体积计来代表的。下文描述的工艺、程序和现象可以在环境压力(例如，约50-120kPa-例如约90-110kPa)和温度(例如-20℃至50℃—例如约10℃-35℃)下发生。

虽然本文使用了术语第一、第二、第三等等来描述不同的要素，但这些要素不受这些术语的限制。这些术语只是用来将一个要素与另一个要素进行区分。因此，如下文讨论的第一要素可以被称为第二要素，而并不背离这些示例性实施例的传授内容。

为了描述方便，本文可以使用与空间相关的术语，例如“下方”、“下方”、“左”、“右”、“前方”、“后方”等等来描述一个要素相对于另一个要素的关系，如附图中展示的。应理解的是，这些与空间相关的术语以及所展示的构型旨在除了本文描述的和附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在运行中的不同取向。例如，如果将附图中的设备翻转，则描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素将定向成在这些其他要素或特征的“上方”。因此，示例性的术语“上方”可以涵盖上方和相反取向二者。可以按其他方式来定向这种设备(例如，旋转90度或处于其他取向)并且本文使用的与空间相关的描述语句应相应地进行解释。

又另外，在本披露中，当一个要素被称为“在”、“连接到”、“联接到”、或“接触”(等等)另一个要素上时，它可以是直接地在、连接到、联接到、或接触到该另一个要素上，或者可以是存在介入要素的，除非另外指明。

本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的的而并不旨在限制示例性的实施例。如本文所使用的，单数形式如“一个”和“一种”旨在也包括复数形式，除非上下文另外指明。此外，术语“包括”、“包括了”、“含有”和“含有了”指明了所叙述的要素或步骤的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他要素或步骤。

此外，本文所指明的这些不同部件可以以组装的或成品的形式提供的；或者这些部件中的一些或全部部件可以被包装在一起并作为套件与用于使顾客进行组装和/或修改来产生成品产品的说明书(例如，书面的、视频的或音频的形式)一起被出售。

依赖式与独立式热及质量交换装置

在此描述了依赖式热及质量交换装置。

“独立式”热及质量交换装置具有不依赖于该装置的运行的入口状态(例如，流速的选择)。换言之，独立式热及质量交换装置具有仅依赖于外部条件的入口状态。

相比之下“依赖式”热及质量交换装置具有依赖于该装置的运行的入口状态(例如，流速的选择)。这种依赖性的存在通常是因为，热及质量交换(HME)设备的出口用作其他HME装置的入口或与其相联，并且所联接的HME装置的出口可以用作该HME装置的入口或其相联。例如，在增湿-除湿(HDH)系统中，冷凝器和增湿器是依赖式HME装置，因为例如改变冷凝器中的空气流速将影响增湿器的运行(因为该增湿器是相同流速的)并且因此影响该增湿器的出口处、具体地空气出口处的输出。离开该增湿器的空气进入了冷凝器；因此该冷凝器的入口处的输入随着该冷凝器中空气流速的改变而改变。

当控制独立式HME装置时，仅需要确定输入的状态并且计算出热容量比率(HCR)、并将新的质量流速比率(MR)设定为MR_新＝MR_旧/HCR_d。HCR_d是经修正的热容量率比率并且在下文进一步进行描述。

不需要迭代，因为改变流速不会影响入口状态。相比之下，当控制依赖式HME装置时，这个过程迭代地进行，因为改变流速将改变入口状态并且还将影响HCR_d的值。

热及质量交换的优化的简化展示

在图1的展示中，使两种流体逆流地穿过热及质量交换器10，使得在这两种流体之间进行热和质量的交换，其中且并且其中且其中是来自该热及质量交换器10的第一或第二流体源12或14的一种流体的能量损失/增益/传递，并且其中是质量流速。在一个实例中，来自第一源12的第一流体是被冷凝/除湿的潮湿空气，而来自第二源14的第二流体是被用来将该第一流体除湿的纯水。

在图2的展示中，包括流量指示符发送器(FIT)16、温度指示符发送器(TIT)18、以及浓度指示符发送器(CIT)20的多个传感器的一种构型被在这两个流体导管中安装在热及质量交换器10上游的流体管线A和C中及其下游的流体管线B和D中。等效地，也可以使用没有指示器的传感器/发送器(例如，温度发送器、流量发送器和浓度发送器)。穿过这些导管的流体的流量是由这些输入导管中的相应流量控制装置22响应于从这些传感器/发送器16、18和20接收到的流量、温度和/或浓度信号来进行控制(即，增大或减小)的。可选地，还可以包括压力指示符发送器或压力发送器来测量这些导管中的压力；并且这些读数可以被该控制系统采纳以作为用这个或这些流量控制装置22来控制这个或这些流体的流量的基础。

图3中示出了以FIT 16、TIT 18和CIT 20获取测量值24来开始的控制操作的流程图。这些发送器将其测量值籍由信号传达给自动化控制器，例如可编程逻辑控制器(PLC)26，用于流量控制的等式被存储在该控制器中。该PLC计算出的值接着可以可选地被发送至存储器装置(例如，计算机硬盘驱动器)28进行非瞬态存储；并且包括所希望的流速的信号被发送至这个或这些流量控制装置22。接着将这个过程反复迭代，以FIT 16、TIT 18和CIT20获取的新测量值重新开始。

该流量控制的目标是实现以下条件：其中和表示该第一和第二流体的总焓率的最大可能变化。相应地，对于图1和2中的热及质量交换装置而言，前一个等式可以被扩展为其中h_A是在来自第一源12的第一流体的实际状态下评估的比焓，该比焓可以用以下这些参数来定义：管线A中的温度(T_A)、管线A中的浓度(C_A)、和管线A中的压力(P_A)；是在该装置的出口处以来自第一源12的第一流体的理想状态下评估的比焓，该比焓可以用以下这些参数来定义：管线C中的温度(Tc)、饱和浓度(C_sat)、和管线B中的压力(P_B)；是在流体2的理想状态下评估的比焓(可以由参数T_A和P_D)来定义；h_C是在流体2的理想状态下评估的比焓(可以由参数Tc和Pc)来定义；并且是出口处的理想质量流速。

直接接触式热及质量交换器

接下来，我们考虑作为热及质量交换器并且作为控制体积CV起作用的逆流式冷却塔(图4所示)，其中第一流体流是盐水并且第二流是空气与水蒸气的混合物。由于在潮湿空气流36(第二流)中进入该装置中的所有干空气都在潮湿空气流36中离开，因此干空气的质量流速是恒定的，如以下等式所反映的：

其中m是质量；da是干空气；I是输入；并且o是输出。

冷却塔中的水的质量平衡通过以下等式给出了在水流34(第一流体流)中离开增湿器的水的质量流速：

其中w是水；a是空气流；并且ω是湿度比率(即，该潮湿空气混合物中，kg蒸气/kg干空气)。

为了确定焓率的最大可能变化，我们确定是空气流36还是水流34是热的(更暖的)流。

当水比空气更热地进入时，水流34可以获得的理想条件是，该水流在出口处的温度等于在空气流入口37处空气流36的湿球温度。这种相等对应于焓驱动力，就是这两个流34与36之间的、驱动热和质量传递的潜在焓差，该焓差在水流34的出口33处变为零。该潮湿空气流可以达到的理想条件是在水流34的入口温度下饱和并且是这些速率过程强加的一个极限(T_a,o≤T_w,i)。当空气流36比水流34更热地进入冷却塔时，空气流36和水流34可以实现的理想条件与在热水进入热及质量交换器10的情况下不同。这些条件再次对应于相应流的驱动焓差变为零。

基于以上讨论，有热水进入的、逆流式直接接触型热及质量交换(HME)装置的效率定义被写成如下。右侧项的分母表示总焓率的理想变化。

情况I，

情况II，

注意，第一定律对冷却塔给出了：

其中是给送水流34的总焓率变化，并且是潮湿空气流36的总焓率变化。当在入口37处热空气流36进入冷却塔时，可以类似地得出效率定义。

间接接触式热及质量交换器：

现在考虑作为热及质量交换器10起作用的逆流式冷凝器(如图5所示)，其中一个流体流是纯水并且另一个流是空气与水蒸气的混合物。该空气-蒸气混合物流(空气流36)将热量传递给水流34。在这个过程中，混合物中的一些水蒸气冷凝出来并形成单独的冷凝物流38。由于进入冷凝器的空气流36中的所有干空气和另一个流体流(水流34)中的所有水也都离开了冷凝器，因此干空气的质量流速和水的质量流速是恒定的，如以下等式所反映的：

以及 (6)

冷凝水38的质量流速可以使用以下简单的质量平衡来计算：

为了计算可能的最大总焓率变化，确定了入口温度和质量流速。如以上解释的，理想条件对应于焓驱动力在水流34的出口处或在空气流36的出口处变为零。空气流36在出口39处可以达到的理想条件是在水的入口温度下饱和。水可以最佳地达到空气在其入口37处的干球温度。同样，这对应于焓驱动力在空气入口37处达到零。

基于以上讨论，逆流式间接接触型HME装置(热及质量交换器10)的效率定义被写成如下。在以下等式中，右侧项的分母表示焓率的理想变化：

情况I，

情况II，

注意，针对该冷凝器，第一定律可以如下表示：

其中是给送水流34的总焓率变化，并且是潮湿空气流36的总焓率变化。

HDH系统综述

在如图6a所示的实施例中，以压裂(fracking)水或生成水(来自油或气产物)形式的水性给送料50被供送到中间盐水容纳箱52中，从这里被供送穿过预加热热交换器54并且接着穿过第二热交换器56，在该第二热交换器中该水性给送料50接收从锅炉传递的热，然后这种加热的水性给送料被喷洒到增湿器68中，如在US 2013/0015051A1中描述的，在该增湿器中纯水从该水性给送料50中汽化。水性给送料50经由穿过多个液体导管的通路被循环穿过该装置，这些液体导管连接了该系统的多个部件。在其他实施例中，增湿器级58和60可以是泡罩塔增湿器，如在美国申请号13/916,038中描述的。

环境空气62也经由流量控制器(例如风扇或泵)被泵送穿过增湿器级58和60、并且用作增湿器级58和60中的汽化水的载气。经增湿的载气接着穿过载气导管并且被供送穿过两级泡罩塔冷凝器(冷凝器级64和66)(如在US 2013/0074694 A1中描述的)并且在其中被冷却而使水析出。在图6b的实施例中，冷凝器级64和66各自包括多个泡罩塔塔板65和67。同一级64/66中的塔板65/67处于相同流速的水和空气下(并且保持在通常的固定温度下)，而空气的质量流速(和温度)随着在级64与66之间移动而改变。经增湿的载气的额外中间流从增湿器68中被提取出并且经由中间交换导管72被注入冷凝器70的中间位置。析出的水74经由流量控制器(例如，泵)从冷凝器70循环穿过该预热热交换器54(在这里，来自析出的水74的热量传递给水性给送料50)。析出的水74的相应部分接着(a)被供送到该锅炉、(b)被去除以用于输送至顾客、和(c)被再循环到泡罩塔冷凝器70。

同时，来自水性给送料50的、在水被从其蒸发后留在增湿器68中的盐水76经由盐水出口从增湿器中排出并且被供送穿过结晶器、渣料稠化器、和压滤机从而产生盐产品(从该系统中被去除)和盐水排放物(被引导到盐水容纳箱52中(并且被再循环))。

增湿器68在这个实施例中是双塔泡罩塔增湿器，并且冷凝器70是泡罩塔除湿器。来自增湿器68的经增湿的载气62在冷凝器70的最低区段处(从增湿器68的顶部起)并且在中间交换导管72处(从增湿器68的中间位置起)被供送到冷凝器70中。水随着载气62在向上穿过泡罩塔冷凝器70的这些级66和64时发生冷却而从该载气中析出、并且被收集以用于生产性用途或用于排放。同时，经除湿的载气在穿过了级66之后从冷凝器70的顶部被释放。

用于HDH的控制算法(以一个质量流速比率运行)：

参见图6a，在没有提取或注入的、其中给送流速和淡水流速是指定的系统中，在选择空气流速以得到HCR_d＝1(或在1以上或以下指定的误差容限之内，其中该指定的误差容限可以与由于所使用的这个或这些传感器的精度而导致的潜在误差相匹配)并且因此得到最大能力效率方面存在灵活性(在这个部分，这些不同参数的下标表示流动路径中的这些不同点，如图6a中标记的，其中这些指定的特性可以是使用以上指明的这些不同传感器/发送器的设施来测量的)。如图7的一般流程图中所示，对于N＝0(参照图6a的设备)其中N是提取次数，确定此流速的第一步骤是经由位于这些指定位置处的传感器来测量82以下参数以便完全确定点W1和A3的热力学状态：

·W1处的压力(P_W1)；

·W1处的温度(T_W1)；

·W1处的体积流速(F_W1)；

·A3处的温度(T_A3)；

·A3处的体积流速(F_A3)；

·A3处的相对湿度以及

·A3处的压力(P_A3)。

这些特性可以是直接或间接测量的。间接测量的实例包括测量质量(这将确定体积)以及测量湿度比率(这将给出相对湿度)。

在下一个步骤中评估84这两个点的以下热物理学特性：

·ρ_W1＝在T_W1、P_H1下的水密度；

·ρ_A3＝在T_A3、下的潮湿空气密度；

·ω_A3＝在T_A3、下的湿度比率；

·ω_A4,min＝在饱和状态、T_W1下的湿度比率；

·h_w,W2,max＝在T_A3、P_W1下水的焓；

·h_w,W1＝在T_W1、P_W1下水的焓；

·h_da,A3＝在T_A3、P_A3下干空气的焓；

·h_da,A4,min＝在T_W1、P_A3下干空气的焓；

·h_v,A3＝在T_A3、P_A3下水蒸气的焓；

·h_v,A4,min＝在T_W1、P_A3下水蒸气的焓；以及

·h_fg,a3＝在T_A3、P_A3下的汽化焓。

从这些值来如下地计算出86质量流速

·

接着根据以下等式来计算88该泡罩塔除湿器中经修正的热容量比率HCR_d：

将HCR_d与值1进行比较89。如果HCR_d大于1，则增大90空气流速。如果HCR_d小于1，则减小92空气流速。在等待94该系统达到稳定运行之后，用测量82来重复这个过程。如果HCR_d非常接近1(在由于测量导致的误差之内)，则这是这些条件的最佳运行点；并且，在等待96了用户规定的取样时间之后，用测量82来重复这个过程。

在这个实施例中，系统规范如下

·T_A1＝25℃；

·T_wb,A1＝25℃；

·T_B6＝90℃；

·

·T_B4＝30℃；

·增湿器高度＝3m；

·冷凝器中塔板个数＝6；

·第一热交换器(HX1)中的端温差(TTD)＝3℃；并且

·骤冷器75中的TTD＝5℃。

该系统中来自该过程的迭代(步骤)序列的结果被呈现在下表中：

如何增大或减小干空气质量流速的额外细节

如图8的特定流程图中所示，通过HCR_d的计算88来进行与以上叙述的相同的程序。接着在步骤93中修正质量流速比率MR，使得(a)新的质量流速比率MR＝(前一个质量流速比率MR_前一个)/(计算出的HCR_d)，或者(b)如果水的质量流速恒定，则新的干空气质量流速＝(前一个干空气质量流速)x(计算出的HCR_d)。该系统接着在步骤94中等待建立稳态运行。

用于两级HDH的控制算法(具有单次提取)：

图9和10的流程图列出了用于在增湿器的泡罩塔级之间(在级60与58之间)和冷凝器的泡罩塔级之间(在级66与64之间)具有单次中间提取的两级增湿-除湿工艺的处理，但该处理也可以在增湿器68和冷凝器70中的额外级之间存在多次提取的情况下实施。

这个范例以级66中的三个塔板和级64中的三个塔板来实施。每个增湿器级58/60的高度为1.5米。

首先，该系统作为单级运行(即，到中间导管72的提取流导管是关闭的)；并且使用以上的算法来找到98适当的空气62的质量流速，使得HCR_d＝1。

接下来，由多个传感器进行100以下测量以便确定点W20和A3的热力学状态：

·W20处的压力(P_W20)；

·W20处的温度(T_W20)；

·W20处的体积流速(F_W20)；

·A3处的温度(T_A3)；

·A3处的体积流速(F_A3)；

·A3处的相对湿度以及

·A3处的压力(P_A3)。

接下来，评估102以下热物理学特性以便确定W20和A3的热力学状态：

·ρ_W20＝在T_W20、P_W20下的水密度；

·ρ_A3＝在T_A3、下的潮湿空气密度；

·ω_A3＝在T_A3、下的湿度比率；

·ω_A7,min＝在饱和状态、T_W20下的湿度比率；

·h_w,W2,max＝在T_A3、P_W20下水的焓；

·h_w,W20＝在T_W20、P_W20下水的焓；

·h_da,A3＝在T_A3、P_A3下干空气的焓；

·h_da,A7,min＝在T_W20、P_A3下干空气的焓；

·h_v,A3＝在T_A3、P_A3下水蒸气的焓；

·h_v,A7,min＝在T_W20、P_A3下水蒸气的焓；以及

·h_fg,a3＝在T_A3、P_A3下的汽化焓。

从这些值来如下地计算出104质量流速

·

·以及

·

接着根据以下等式来计算106该泡罩塔除湿器中经修正的热容量比率HCR_d,2：

接着将HCR_d,2与值1进行比较107；并且如果HCR_d,2为1(或在1的误差容限之内)，则在步骤112中进行以下附加测量：

·W1处的压力(P_W1)；

·W1处的温度(T_W1)；

·W1处的体积流速(F_W1)；

·A8处的温度(T_A8)；

·A8处的体积流速(F_A8)；

·A8处的相对湿度以及

·A8处的压力(P_A8)。

如果HCR_d,2≠1，则在步骤112之前对第二(热)级64中的质量流速比率MR进行修正108，使得新的质量流速比率MR₂＝(前一个质量流速比率MR_2,前一个)/(计算出的HCR_d.2)。

接下来，如作为图9流程图的延续的图10流程图中所示，在冷却器级66上执行相同的程序：即，评估114以下特性以便确定点A8和W1的热力学状态：

·ρ_W1＝在T_W1、P_W1下的水密度；

·ρ_A8＝在T_A8、下的潮湿空气密度；

·ω_A8＝在T_A8、下的湿度比率；

·ω_A4,min＝在饱和状态、T_W1下的湿度比率；

·h_w,W20,max＝在T_A8、P_W1下水的焓；

·h_w,W1＝在T_W1、P_W1下水的焓；

·h_da,A8＝在T_A8、P_A8下干空气的焓；

·h_da,A4,min＝在T_W1、P_A8下干空气的焓；

·h_v,A8＝在T_A8、P_A8下水蒸气的焓；

·h_v,A4,min＝在T_W1、P_A8下水蒸气的焓；以及

·h_fg,a8＝在T_A8、P_A8下的汽化焓。

从这些值来如下地计算出116质量流速

·

接着根据以下等式来计算118该泡罩塔除湿器中经修正的热容量比率HCR_d,1：

将HCR_d,1和HCR_d,2与值1进行比较119；并且如果HCR_d,1≠1，则对第一(较冷)级66中的质量流速比率进行修正120，使得新的质量流速比率MR₁＝(前一个质量流速比率MR_1,前一个)/(计算出的HCR_d,1)。

从对H20和A3的特性的测量100开始重复这个过程，直到HCR_d,1＝HCR_d,2＝1(或尽可能接近)，或直到迭代之间的所得输出比率(GOR)和回收比率(RR)的变化变得可忽略。

在上表中以及本文的其他地方，[-]表示无量纲数。

范例：

用于增湿-除湿(HDH)的过程优化等式

可以使用以下等式来在使用图6a的设备(并参照图6a中以变量的下标所示的流动流)生产淡水和/或从水性组合物中浓缩并去除污染物的增湿-除湿循环中进行过程优化。

预加热器54的热力学平衡(其中c_p,W2是热级中的比热)可以表示如下：

增湿器热级58的热容量比率(HCR)的无量纲数(其中WB是湿球温度并且其中热级58被标记为H2)可以表示如下：

增湿器冷级60(标记为H1)的无量纲数可以表示如下：

泡罩塔冷凝器70的热级64和冷级66的无量纲数可以表示如下：

并且 (15)

其中D1表示冷凝器70的第一级66，并且其中D2表示冷凝器70的第二级64。

泡罩塔冷凝器70的冷级66的最佳系统条件可以表示如下：

HCR_D1＝1[-]在稳定状态。 (17)

最后，泡罩塔冷凝器70的热级64的最佳系统条件可以表示如下：

HCR_D2＝1[-]在稳定状态。 (18)

图11示出了编程仿真的结果。GOR是生成的水的能量损失的量度并且被定义为(生成的水的质量流速)/(净化水所需的动力)。这个等式中的动力被表示为所消耗的流的质量流速[(流的质量流速)＝(除盐过程中消耗的热能)/(水的汽化潜热)]。结果是，较高的GOR导致系统运行更有效。

确切而言，图11是对平衡的效果的图形例示。每条线表示一个不同的峰值盐水温度。每条线中的峰值表明，对于每个峰值盐水温度，存在一个最佳质量流量比率。此外，这些质量流量比率各自是该峰值盐水温度特有的。

图12是来自类似的仿真的结果并且表明，当HCR等于1时，焓的产生被最小化，而与进入流的温度无关。这个结果是重要的，因为过去对增湿-除湿的研究已经显示了存在最佳质量流量比率而且指示了这些最佳比率中的每一者都是一组温度条件所特有的。HCR是比质量流量比率更适合的、限定热及质量交换器的平衡条件的一种量度，因为平衡后的HCR值始终是相同的(即，1)。

自动化控制系统

本披露的系统和方法(包括控制通过该系统的这些流体的流量)可以是使用计算系统环境来实施的。可以适合于与这些系统和方法一起使用的众所周知的计算系统环境及其部件的实例包括但不限于导致不同形式的自动化控制器，例如微控制器、个人计算机、服务器计算机、手提或膝上设备、平板设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上系统或设备中任一者的分布式计算环境等等。在许多现有专利(例如在微软集团拥有的US 7,191,467)中描述了典型的计算系统环境及其操作和部件。

这些方法可以经由非瞬态计算机可执行指令(例如程序模块)来实施。一般地，程序模块包括执行具体任务或实现具体数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。这些方法还可以在其中由通过通信网络来链接的远程处理设备来执行任务的分布式计算环境中进行实践。在分布式计算环境中，程序模块可以非瞬态地存储在本地和远程计算机存储介质二者中，包括存储器存储设备。

本披露的这些系统和方法可以利用计算机(例如，以微控制器的形式)来执行在此描述的这些过程。该计算机的部件可以包括但不限于：计算机处理器、用作存储器的计算机存储介质、以及包括该存储器在内的部件与计算机处理器的联接装置。微控制器是小型计算机，包括含有处理器内核、非瞬态计算机存储介质(存储器)、以及可编程输入/输出外围设备的单一集成电路，并且可以用作嵌入式系统。该微控制器存储器可以包括存储紧凑机器代码形式的预编程软件的永久(非易失性)只读存储器(ROM)、以及用于临时数据存储的易失性读写存储器。该微控制器还可以包括模数转换器(如果它所电子联接的光检测器以模拟格式发送其亮度数据的话)以及用于控制例如LED指示灯的激活持续时间的可编程间隔计时器。

在本披露的说明中描述的这些不同过程可以被编码成存储器中的软件指令并且由处理器来执行来实施执行过程。

在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括以类似方式起作用而实现类似结果的技术上和功能上的等效物。此外，在本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情形下，这些要素或步骤可以用单一要素或步骤替代；同样地，单一要素或步骤可以用起到相同目的的多个要素或步骤来替代。进一步，在本文针对本发明的实施例指定了多种不同特性的参数或其他值的情况下，这些参数或值可以上下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等等)、或调整其四舍五入近似值，除非另外指明。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以对其在形式和细节上作出多种不同替代和更改而不背离本发明的范围。又另外的其他方面、功能和优点也是在本发明的范围之内的；并且本发明的所有实施例不必实现所有这些优点或者具有上文描述的所有特性。此外，本文结合一个实施例所讨论的步骤、要素和特征可以同样地结合其他实施例来使用。本文全篇引用的参考文献的内容(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)都以其全部内容通过援引并入本文；并且来自这些参考文献中的适当的部件、步骤和特征可以包括在或可以不包括在本发明的实施例中。还进一步地，背景部分中明确的部件和步骤是与本披露一体的并且可以结合在本发明的范围内在本披露的其他地方描述的部件和步骤来使用、或代替这些部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中(为了方便引用而添加了或未添加顺序性的前序字符)，这些级不得解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非用术语和短语另外指明或暗示出。

Claims

1.一种用于操作逆流式热及质量同时交换装置的方法，该方法包括：

改变这两种流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想变化更接近是相等的。

2.如权利要求1所述的方法，其中该热及质量交换装置是从经增湿的载气中使蒸气冷凝的冷凝器。

3.如权利要求2所述的方法，其中该蒸气是水。

4.如权利要求1所述的方法，其中该热及质量交换装置是使挥发性组分从给送液体中汽化的增湿器。

5.如权利要求4所述的方法，其中该蒸气是水。

6.如权利要求5所述的方法，其中该给送液体是选自油气提取中的回流水和生成水中的至少一者。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：基于所测量的状态变量和所测量的速率来计算热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来改变这些流体中的至少一者的流速。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：迭代计算该热容量比率并且如果该热容量比率不在为1的指定误差容限之内，则改变该流速。

9.一种操作具有至少两个彼此流体地相联接的逆流式热及质量同时交换装置的网络的方法，该方法包括：

10.如权利要求9所述的方法，其中这些热及质量交换装置包括增湿器和冷凝器，该方法进一步包括：

在该增湿器中使挥发性组分从给送液体中汽化；

用载气将该汽化的挥发性组分输送至该冷凝器；并且

在该冷凝器中使该汽化的挥发性组分从该载气中冷凝出。