CN107735531A

CN107735531A - 混合大气水生成器

Info

Publication number: CN107735531A
Application number: CN201680033605.8A
Authority: CN
Inventors: M·巴哈拉米; F·巴盖里
Original assignee: Simon Fraser University
Current assignee: Simon Fraser University
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2018-02-23
Also published as: EP3298204A4; CA3022487A1; IL255746A; US20180209123A1; EP3298204A1; AU2016268784A1; WO2016187709A1

Abstract

一种混合大气水生成器(HAWG)，在某些实施例中，其使用核心大气水生成器(105)和在水冷凝之前增加空气湿度的预处理装置(110)。核心大气装置包括冷凝装置(106)，其具有耦接至冷却源(109)的水冷凝热交换器(107)。预处理装置(110)包括热交换器(112)和吸附装置(114)，吸附装置被配置为存储水分用于当空气通过或靠近时释放。热交换器(112)用于增加移动进入或通过预处理装置(110)的温度，从而增加空气能够存储的水分的量。预处理装置使得每单位能耗生成更多的水和/或在传统大气水生成器无法运行的条件下从环境空气生成水。

Description

混合大气水生成器

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年5月22日提交的美国专利申请No.62/165,728和2015年12月10日提交的美国专利申请No.62/265,880的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

由于人口增长、城市化和工业化，全球人类的用水量每年都在大幅增加。淡水被用于农业、能源生产、工业制造以及人类和生态系统的需求。在各个耗水部门之间，生活部门对清洁水的质量和可获得性更为敏感。1950年至2010年间生活部门全球取水量的变化表明，全球生活用水量增长到最初的3.7倍，相当于过去60年的年平均增长率为2.2％。

全球淡水分布极不均衡，导致区域性水资源短缺或过剩。确定区域水资源量最常用的指标是法尔肯马克压力指数(Falkenmark Stress Indicator)(FSI)，它根据人均液态水资源可用性(PWR)将一个国家归类为不同类别的水短缺。根据这个指标，表1代表预计到2025年将会经历用水压力或水短缺的国家。

表1：预计到2025年将会经历用水压力或水短缺的国家(资料来源：W.A.Jury，H.J.Vaux，新兴的全球水危机：管理稀缺与冲突，95(2007))

由于流失到地表或地下水资源的工业废水和农药释放出难以除去的有毒化合物，常规的基于絮凝、沉淀、砂滤、消毒、臭氧化和脱盐的饮用水处理方法如今被证明不是完全有效的。此外，由于在这些处理程序中利用不同的化学物质去除悬浮物和消毒，出现了一些对人类健康有害的致癌和致突变副产品。除了水处理阶段之外，不仅输水网络的构建和维护成本较高，而且这个网络的任何崩溃都会显著影响人类的健康和安全。

由于全球性的干旱蔓延，以及所谓的集中供水和输水系统的上述挑战/缺点，近二十年来，分散式大气水生成系统的概念已出现并且被研究人员和制造商所追随。大气水生成器(AWG)基于蒸气压缩制冷(VCR)过程操作以通过冷却和除湿从空气中提取水。据估计，地球周围的大气总共含有超过12.9E12立方米的可再生水。这个数量甚至比全世界的沼泽、湿地和河流中可用的淡水总量还要多。根据AWG制造商提供的信息，使用其产品收获1升水的成本为0.01-0.02美元/升，超过普通海水淡化系统(0.45-0.52美元/立方米)的30倍。而且，目前AWG的一个严重问题是干燥地区由于蒸汽压缩制冷(VCR)装置的低性能而导致的高容量下降，蒸汽压缩制冷(VCR)装置是任何AWG的核心。

尽管AWG装置的主要市场应该处于供水不足的干旱地区，但现有装置在那些地区却表现出最差的性能和最低的容量。因此，可利用的装置不能产生足够的水，使得在其主要市场上实际上无用。因此，非常希望开发一种改进的AWG，即使在干旱地区也能确保高效率和低成本的高的水生成率。

大气水生成器(AWG)的发展

1900年，一种可以利用冷却过程从空气中提取水的设备被E.S.Belden申请了专利(美国专利661,944)。基本上，AWG装置是一种典型的蒸气压缩制冷(VCR)，即通过将空气冷却到露点温度以下从空气冷凝水的空调系统。它不包括除普通制冷装置外的任何附加部件，如图1所示，图1是基于蒸汽压缩制冷循环的典型AWG的示意图。在这些装置中，压缩机从蒸发器吸入制冷剂气体，并在压缩之后将高压和高温气体朝冷凝器排放。通过冷凝器，气体由于向二次流(通常为空气或水)放热而冷凝，并且饱和或过冷液体进入膨胀阀。由于通过膨胀阀进行节流，制冷剂的压力和温度急剧下降，低压低温的两相制冷剂流入蒸发器。VCR循环的冷却作用出现在蒸发制冷剂的蒸发器中。这种蒸发导致从蒸发器盘管周围流动的空气流吸收热量，这将其冷却到露点温度以下，并引起水的生成现象。

尽管第一个AWG是在20世纪初建成的，但是AWG装置的首次批量生产始于21世纪初。目前，有几家公司正在批量生产住宅和商业规模的AWG装置。根据系统尺寸和大气条件，这些装置每天能够生成几升到1,000升的水量。现有AWG装置的主要挑战在于，在干旱地区，由于露点温度和环境空气中的含水量明显较低，其水生成量和性能急剧下降。然而，由于水资源短缺，干旱地区对这些装置有较大需求。需要进一步开发AWG技术以满足未来的全球用水需求。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在下文的详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容不意于确定所要求保护的主题的关键特征，也不意于用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。

在一个方面，提供了一种混合大气水生成器(HAWG)。在一个实施例中，HAWG包括：

(a)核心大气水生成器，其具有用于接收含水分空气的入口和用于产生冷凝液态水的冷凝装置；和

(b)预处理装置，其被配置为在将含水分空气引入核心大气水生成器的入口之前增加含水分空气的湿度。

另一方面，提供了使用本文公开的HAWG产生液态水的方法。在一个实施例中，该方法包括：

(a)将预处理装置暴露于具有第一湿度的空气；

(b)在预处理装置内增加空气的湿度以提供具有大于第一湿度的第二湿度的湿空气；

(c)将湿空气引入核心大气水生成器；以及

(d)在核心大气水生成器中产生液态水。

附图说明

结合附图并参照以下详细描述，本发明的上述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解，其中：

图1示出了基于蒸气压缩制冷循环的典型的大气水生成器(AWG)的示意图；

图2A和2B是根据本文公开的实施例的代表性混合大气水生成器(HAWG)的示意图；

图3是根据本文公开的实施例的可用于HAWG的代表性核心大气水生成器的示意图；

图4是根据本文公开的实施例的可用于HAWG的代表性预处理装置的示意图；

图5A和5B是根据本文公开的实施例的可用于HAWG的代表性预处理装置结构的示意图；

图5C和5D是根据本文所公开的实施例的可用于HAWG的代表性填料床预处理装置结构的示意图；

图5E是根据本文公开的实施例的可用于HAWG的代表性干燥剂轮预处理装置的示意图；

图6A是根据本文公开的实施例的包括干燥剂轮的代表性HAWG的示意图；

图6B是根据本文公开的实施例的用于控制诸如图6A的HAWG的控制装置的示意图；

图7A是根据本文公开的实施例的代表性HAWG的示意图，其包括与热驱动激冷器和热交换器热连通的干燥剂轮和热源；

图7B是根据本文公开的实施例的用于控制诸如图7A的HAWG的控制装置的示意图；

图8是根据本文公开的实施例的代表性HAWG的3D透视图；

图9是根据本文公开的实施例的示例性工作填料床HAWG的照片；

图10是根据本文公开的实施例的示例性工作干燥剂轮HAWG的照片；以及

图11是比较基于变化的冷凝器风扇速度和蒸发器风扇速度的示例性HAWG的性能系数的曲线图。

具体实施方式

本发明人的研究表明，现有的AWG装置在湿热的气候条件下表现出最佳性能。然而，当前装置的水生成量在干旱地区或寒冷气候条件下急剧下降。由于水资源不足的大部分地区都处于干旱气候条件下，现有的AWG装置在这些地区表现不佳，因此需要一个新的解决方案。低效率的原因是这些地区的大气含水量和露点温度相对较低。AWG机器的VCR装置在那些地区要消耗其大部分功率以将空气温度降低到明显较低的露点温度以开始提取水分。因此，装置的大部分功耗仅仅为了达到低的露点温度而浪费。然而，在湿热的地区，由于露点温度高，VCR装置的功率的较小一部分用于降低温度(显能)，大部分功率用于水冷凝(潜能)，这是所期望的过程。根据发明人对现有AWG装置的研究，如果在高温和潮湿的进口空气条件下运行，这些装置的运行效率会更高。鉴于这种潜在的改进，所公开的实施例被称为“混合型”大气水生成器(HAWG)，其利用预处理装置以在水冷凝之前增加空气湿度(例如，使用VCR装置)。与传统的大气水生成器(AWG)相比，预处理装置显著提高水生成效率，从而使得每单位能耗生成更多的水(即生成每升水的成本更低)和/或在传统AWG无法运行的条件下从环境空气生成水。

(a)核心大气水生成器，其具有用于接收含水分空气的入口和被配置为产生冷凝液态水的冷凝装置；和

图2A提供了根据所公开的实施例的HAWG的示意图。HAWG 100包括核心AWG 105和预处理装置110，预处理装置110被配置为向核心AWG 105提供湿度高于环境空气的含水分空气。核心AWG 105从含水分空气冷凝并获取液态水，从而提供冷凝水。在图2A所示的实施例中，包括控制器115，该控制器115通信地链接到核心AWG 105和预处理装置110，以控制其期望和/或最佳性能的运行。

预处理装置

预处理装置110用于增加通过装置110的空气中包含的水分(水)的量。为了实现这一点，装置110包括至少一个被配置为存储水分的部件，然后水分可以被释放到通过装置110的空气。

预处理装置110的代表性表示在图4中示出，并且包括至少一个热交换器112和至少一个吸附装置114。吸附装置114(或多个装置)被配置为存储水分以在空气通过或靠近它们时释放水分。热交换器112用于增加进入或通过预处理装置110的空气的温度，从而增加空气能够存储的水分的量，因为较热的空气拥有更多的水分。尽管图4将预处理装置110图示为单个部件，但应该理解的是，在一个实施例中(图5A)，装置110的子部件(即吸附装置114和热交换器112)布置在同一外壳中，而在其它实施例中，两个部件(热交换器112和吸附装置114)是分离的部件，它们彼此相邻布置以保持足够的接近度，从而提供环境空气所需的加热并且将热空气从热交换器112传递到吸附装置114。

在一个实施例中，预处理装置包括：

入口，其被配置为吸入第一湿度的空气；和

与核心大气水生成器连通的出口，其被配置为输出具有大于第一湿度的第二湿度的空气。

通过吸入第一湿度的空气并输出比第一湿度大的第二湿度的空气，预处理装置110执行增加环境空气的水分含量的功能，以允许核心AWG105提取比未使用预处理装置110时更多的冷凝水。与传统的AWG技术相比，这种改进提供了高达并且超过100％的效率提升。

在一个实施例中，HAWG还包括被配置为加热吸附装置的热交换器。热交换器112可以是被配置为将热量传递给其附近通过的空气的任何热交换器。流体填充的盘管和电阻电加热器都是示例性热交换器112。在一个实施例中，预处理装置进一步被配置为在将含水分空气引入到核心大气水生成器的入口之前增加含水分空气的温度和湿度。

吸附床。吸附装置114被配置为存储水分，并且在一个实施例中，预处理装置114包括至少一个吸附床。如本文所用的，吸附床是这样一种材料，其被设置成允许空气通过并收集或释放水分(例如，通过吸收/解吸或吸附/解吸)。在某些实施例中，吸附床是填充有被配置为收集和释放水分的颗粒或多孔固体的容器。

在一个实施例中，吸附床被配置为吸附和解吸水。

在一个实施例中，吸附床包括干燥剂材料。在一个实施例中，干燥剂材料选自由硅胶、分子筛、沸石、活性炭、活性氧化铝、硫酸钙、氯化钙、氧化钙、蒙脱石粘土以及它们的组合的气相、液相或固相构成的组。

在一个实施例中，干燥剂材料被配置为在放热过程中从空气吸附水，并且在吸热过程中将水解吸到空气中。因此，在某些实施例中，当吸附水时使用热交换器来冷却干燥剂材料，以便增强水的捕获并且存储更多的水以随后在解吸期间释放。

在一个实施例中，HAWG还包括被配置为将空气引入预处理装置中的风扇。

现在转到图5C，在预处理装置110的环境中示出吸附床的一个示例，预处理装置110包括热交换器114(被示出为可以是电阻性的或包含流体的盘管)和干燥剂材料的吸附床112。图5D是预处理装置110的变型，其包括干燥剂材料的吸附床112，但是没有缠绕的热交换器，取而代之的是被配置为在进入吸附床之前加热环境空气的热交换器114。

在运行时，吸附床可以通过从空气中吸附水分而被填充，然后通过在填充床上流动热空气而排放。这导致填充/排放循环。可以并行使用几个吸附床，使得在任何时候都有床被填充和排放，从而提供连续的流动。

干燥剂轮。在一个实施例中，预处理装置包括干燥剂轮。如图5E所示，干燥剂轮提供预处理装置110，借此，通过旋转轮提供连续的填充/排放。在这种配置中，预处理装置110包括用干燥剂材料填充或涂覆的旋转轮112，其可以是连续展开的或者是多个填料床(如上所述)的形式。热交换器114向环境空气(“进料”)提供加热，然后环境空气流过轮112的含水分的部分116。然后将“湿空气”移动到核心AWG 105。部分116在这里被示为轮112的楔形部，但是应该理解，可以使用任何尺寸或形状的部分116。轮112连续地或增量式地旋转，以便将干燥剂材料从排放位置移动到填充位置。在填充位置，含有水分的“过程”空气移动通过可选的热交换器115，以在空气接触轮112之前冷却空气，从而将其填充并吸附水分。当轮112旋转时，其(在图像的顶部)被填充并在底部处在部分116中被排放。通过该操作，轮吸附装置112连续地填充和排放用于连续的水生成。

因此，在一个实施例中，干燥剂轮被配置为旋转，以便将干燥剂轮的干燥部分暴露于填充空气流，提供环境空气，并且将干燥剂轮的潮湿部分暴露于引入核心大气水生成器的干燥空气流。在一个实施例中，轮以每小时0.5至60转的速度旋转。在另一个实施例中，轮以每小时6至16转的速度旋转。

核心AWG

核心AWG 105可以是任何AWG，其被配置为从含水分空气提供冷凝液态水。参照图3，核心AWG 105包括冷凝装置106，冷凝装置106通过冷却来自预处理装置110的“湿”空气来产生冷凝的液态水。在一个实施例中，冷凝装置106被配置为使用激冷的流体或蒸发的制冷剂来提供足以冷凝来自含水分空气的液态水的冷却源。

冷凝装置106还包括水冷凝热交换器107和用于热交换器107的冷却源。任何已知的热交换器和冷却源均适合所公开的实施例。

AWG技术是众所周知的，VCR技术通常用于已知的AWG系统。VCR技术适合于所公开的HAWG实施例。在一个实施例中，核心大气水生成器包括蒸气压缩制冷系统(VCR)，其被配置为通过将含水分空气冷却到其露点以下来冷凝来自含水分空气的水。

在一个实施例中，冷凝装置包括耦接至冷却源的水冷凝热交换器。在一个实施例中，冷却源基于选自以下组成的组的系统操作：i)蒸汽压缩制冷(VCR)，ii)吸附冷却；iii)吸收冷却，iv)热电冷却，vi)气体循环冷却，vii)空气循环冷却，viii)磁致冷ix)热声制冷，x)逆斯特林冷却，xi)蒸发冷却，xii)蒸汽喷射冷却，xiii)脉冲管制冷；xiv)被配置为通过将含水分空气冷却到其露点以下而从该含水分空气冷凝水的稀释制冷，以及它们的组合。

控制器

参考图2A，控制器115通过使用传感器监测操作参数并控制加热、冷却、流动速度、旋转速度和其他参数来控制HAWG的运行，以便提供期望的操作特性，例如最佳效率的水生成。控制器115是任何基于电路的逻辑设备，其能够接收传感器输入，基于热经济模型预测来处理输入以提供操作状态，接收基于输入的指令，并且基于输入指令控制HAWG 100的部件以产生期望结果。示例性的控制器115包括集成电路、传感器、致动器、数据采集和存储、无线和蓝牙连接、因特网连接以及用于HAWG、各种类型的计算机、FPGA和ASIC的远程控制和监测的应用程序。

在一个实施例中，HAWG还包括基于优化的操作控制器，其被配置为有效地控制HAWG的功能以实现具有最低能耗强度的高的水生成率。

在一个实施例中，控制器被配置为经由与HAWG的操作相关的一个或多个传感器来监测操作参数。

在一个实施例中，控制器控制从由如下组成的组中选择的操作参数：风扇速度、热交换器冷却和加热能力、轮式干燥器的速度、核心大气水生成器的容量以及它们的组合。

在一个实施例中，HAWG还包括一个或多个传感器，其被配置为监测与HAWG操作有关的空气温度、湿度或其组合。

附加部件

在图2B中所示的HAWG的另一个实施例中，示出了类似于图2A，但是具有附加部件的系统。特别地，HAWG 100还包括水过滤部件120以净化和过滤冷凝水。在一个实施例中，HAWG还包括水过滤系统，其被配置为从冷凝液态水中去除杂质和有机物。在一个实施例中，过滤足以从冷凝的液态水中提供饮用水。过滤技术是众所周知的，将不会被详细讨论。过滤器可以由控制器115监测和控制。

仍然参考图2B，系统还包括被配置为将矿物质添加到冷凝水中以提供具有类似于传统西方饮用水的矿物特性的水的水矿化部件125。在一个实施例中，HAWG还包括被配置为向冷凝水添加矿物质的水矿化系统。HAWG生成的水在矿物质含量、硬度、碱度和pH值方面典型地低。因此，在一个实施例中，HAWG水在最终分配和使用之前被调节/矿化。矿化的目的在于：i)给水分配提供腐蚀防护；和2)添加满足人类饮食需求以及促进HAWG水的其他潜在用途(例如灌溉或农业)所需的主要矿物质。例如，含钙(即石灰、方解石、次氯酸钙)或钙和镁(即白云石)的化学品通常以60至120mg/L(以CaCO₃计)的剂量添加。这种矿化技术是已知的，并且包括在确定体积的水中提供用于提供所需浓度的矿物质的片剂或溶液。该过程可以由控制器115自动完成。

在一个实施例中，矿化足以从冷凝的液态水中提供饮用水。在另一个实施例中，使用过滤和矿化两者来提供饮用水。

如本文所用，“饮用水”被定义为满足在2014年10月可公开获得的加拿大饮用水质量指南中所述特征的水。

在一个实施例中，HAWG还包括一个或多个风扇，每个风扇被配置成将空气移动到HAWG的部件，将空气从HAWG的部件移开，或者使空气在HAWG的部件之间移动。如包括例如图6A的几个附图所示，可以使用多个风扇来驱动空气通过HAWG200，包括供应过程空气以“填充”吸附部件212的风扇，和用于移动环境进料空气通过预处理装置210并进入核心AWG205的第二风扇。

在一个实施例中，HAWG还包括至少一个空气过滤器，该空气过滤器被配置为在进入冷凝部件或吸附部件或两者之前从含水分空气中去除灰尘和杂质。空气过滤器技术是众所周知的，任何过滤器类型都可以应用于HAWG 100。

电驱动HAWG(“EHAWG”)

参考图2A和3，在某些实施例中，电力被用于驱动核心AWG 105，并且特别地用于提供冷却源109。这种实施例在本文被称为EHAWG，因为依靠电力来冷却。在一个实施例中，激冷流体由电驱动激冷器提供。在一个实施例中，通过蒸发由电驱动VCR系统提供的制冷剂来提供激冷流体。

在一个实施例中，电驱动激冷器具有从由如下构成的组中选择的类型：蒸气压缩制冷激冷器、直接膨胀式蒸气压缩制冷系统、热电冷却系统、气体循环冷却系统、空气循环冷却系统、磁制冷系统、热声制冷系统、逆斯特林冷却系统、蒸发冷却系统、蒸汽喷射冷却系统、脉冲管制冷系统、稀释制冷系统及其组合。

在一个实施例中，电驱动激冷器还被配置为接收从冷凝装置返回的温度高于激冷流体的流体。

图6A示出了代表性的HAWG 200系统，其包括具有水冷凝热交换器207和激冷器210的核心AWG 205。在某些实施例中，激冷器210是电驱动的，并且这样的系统被认为是EHAWG。HAWG 200还包括预处理装置210，其包括吸附装置212(以参照图5E描述的干燥剂轮的形式)和热交换器214。还提供了附带的风扇、水过滤、水矿化和控制器215(图6B)。在冷却器210非电动的其它实施例中，所示的HAWG 200不是EHAWG。

仍然参考图6A和6B，HAWG 200通过首先使环境空气流过干燥剂轮212以对干燥剂轮212填充水分而进行操作。空气可选地由热交换器(未示出)冷却。干燥剂112的填充部分随后旋转，直到它遇到由热交换器214提供的热空气。热空气通过填充的干燥剂112并变得温暖且潮湿(“湿润”)。湿润的空气然后进入核心AWG 205，在那里遇到水冷凝热交换器207(被示为冷却盘管)。遇到热交换器207时，水冷凝并被收集。水可选地被过滤并矿化。热交换器207流体地耦接至激冷器210，激冷器210从交换器207吸入相对较热的液体，并将冷却的流体输出至交换器207以保持交换器207的冷却状态。

摄取传感器数据并输出用于各个部件的命令的控制器215控制HAWG 200的所有部件。

热驱动和吸附辅助HAWG(“HSAWG”)

图7A中示出了另一个代表性的HAWG 300系统，其包括核心AWG 305，核心AWG 305包括水冷凝热交换器307和热驱动激冷器309。在图示的实施例中，激冷器309是热驱动的，并且这种系统被认为是HSAWG，因为它是热驱动的而非电驱动的。HAWG 300还包括预处理装置310，其包括吸附装置312(以参照图5E所描述的干燥剂轮的形式)和热交换器314。还提供了附带的风扇、水过滤、水矿化和控制器215(图7B)。

与图6A的HAWG 200不同，图7A的HAWG 300包括向热驱动激冷器309和热交换器314两者提供热量的热源320。在一个实施例中，两个单独的流体流被热源320加热以运行热驱动激冷器309并加热进入吸附装置312的空气流。在一个实施例中，一个流体流被热源320加热并首先通过热驱动激冷器309以使其运行，然后经过热交换器314以加热进入吸附装置312的空气流，然后返回到热源320。

除了向激冷器309和热交换器314提供热量的热源320之外，HAWG 300的操作类似于HAWG 200的操作。

HAWG 300的所有部件，包括热源320，都由摄取传感器数据并输出用于各个部件的命令的控制器315控制。

在一个实施例中，激冷流体由激冷器提供，激冷器是机械驱动激冷器、磁驱动激冷器、热驱动激冷器、声驱动激冷器或其组合。

在一个实施例中，激冷器还被配置为接收从冷凝装置返回的温度高于激冷流体的流体。

在一个实施例中，激冷器使用选自由吸附、吸收和其组合构成的组的机制进行操作。

在一个实施例中，HAWG还包括热能源，该热能源被配置为将加热流体提供给激冷器并接收来自热驱动激冷器的冷却流体。

在一个实施例中，热能源包括选自由如下组成的组的热源：电、燃烧热、化学反应热、核热、太阳能热、烟气、余热、过程热、地热、来自任何应用的废热、热泵、摩擦热、压缩热、辐射热、微波热、感应热及其组合。

在一个实施例中，HAWG还包括热交换器，其被配置为向预处理装置提供热源以便增加含水分空气的温度，其中，热交换器与热能源流体连通，以便向热交换器提供加热流体并接收来自热交换器的冷却流体。

在一个实施例中，HAWG还包括一个或多个热交换器，其被配置为给预处理装置提供热源或冷源，以增加或降低含水分空气和过程空气的温度，其中，热交换器与热源流体连通以向热交换器提供热的或冷的流体并接收来自热交换器的冷却流体，并且其中，存在至少一个加热热交换器和一个冷却热交换器。

在一个实施例中，HAWG不包括电驱动激冷器。

使用本文公开的HAWG生成水的方法

另一方面，提供了使用本文公开的HAWG生成液态水的方法。在一个实施例中，该方法包括：

(a)将预处理装置暴露于具有第一湿度的空气；

(c)将湿空气引入核心大气水生成器；以及

(d)在核心大气水生成器中产生液态水。

在一个实施例中，使用一个或多个风扇移动空气。

在一个实施例中，预处理装置包括至少一个吸附床和被配置为加热吸附床的热交换器，以及其中，该方法还包括以下步骤：

在吸附床中放热地吸附水；以及随后

加热吸附床以解吸水从而给核心大气水生成器提供湿空气。

在一个实施例中，吸附床以线性吸附床的形式。

在一个实施例中，吸附床以多层可堆叠吸附材料的形式。

在一个实施例中，吸附床被结合到轮式干燥器中。

在一个实施例中，吸附床允许连续的水生成。

在一个实施例中，与没有预处理装置的核心大气水生成器相比，液态水以更高的速率生成。

在一个实施例中，与没有预处理装置的核心大气水生成器相比，液态水以100％或更高的速率生成。

在一个实施例中，HAWG的操作参数基于环境温度和湿度被最佳地控制。

在一个实施例中，操作参数选自由如下构成的组：风扇速度、热交换器功率、热交换器冷却和加热能力、轮式干燥器的速度、核心大气水生成器的容量及其组合。

如下示例为了说明而非限制所描述的实施例。

示例

示例1：商用AWG的性能

我们使用不同的操作条件测试和模拟了两个高效的现有AWG装置的性能。市场上两种典型的住宅规模和商业规模的AWG装置已被全面研究。使用包括温度和湿度传感器、数字钳形表和风速计等各种测量设备来测量装置的水生成率和功耗以计算它们的性能。住宅装置与位于加拿大不列颠哥伦比亚省西蒙弗雷泽大学替代能源转换实验室(LAEC)的环境室相连，以模拟各种实际的操作条件。环境室可以在住宅AWG装置的入口处提供多种不同的温度和湿度，使我们能够评估装置在不同操作条件下的性能。我们的测量结果如表2所示。结果表明，由于水生成率最高、相关成本最低，该装置在佛罗里达州夏季表现出最好的性能。此外，结果显示，该装置在例如亚利桑那州夏季的干旱地区每天只能产生3.3升水，成本几乎是佛罗里达州夏季的5倍。

表2：不同环境条件下典型住宅AWG的性能评估

*能源成本根据住宅用户的BC-Hydro关税计算：11.27(美分/kWh)

对商业装置进行了类似的性能评估，结果如表3所示。与住宅装置类似，最好的性能出现在佛罗里达州夏季。最糟糕的情况是马尼托巴的冬天，由于低温和冷凝液滴的冻结，使用VCR装置进行水提取是不可能的。而且，在冬季，所考虑的大部分地区的水资源成本太高。因此，在对市场上现有AWG装置进行性能评估的基础上，湿热的工作环境可以实现最好的性能。此外，现有装置在干旱地区或寒冷气候条件下不能产生足够的水。

表3：不同环境条件下典型商业AWG的性能评估

*能源成本根据非住宅用户的BC-Hydro关税计算：16.86(美分/kWh)

示例2：根据本文公开的实施例的原型HAWG

根据所公开的参数建立HAWG。图8是用于代表性HAWG的设计的3D透视图，以及图9是根据我们的设计的示例性工作填料床HAWG的照片，其是包括吸附/解吸填料床和VCR装置的原型。因为VCR使用电动激冷器，根据本文开发的术语，这个原型将被归类为EHAWG。

在示例性的HAWG中，也是用连接到吸附/解吸床的入口的高效变速风扇将空气吹过系统并且由控制面板控制系统。在吸附步骤中，当风扇将空气吹过床时，VCR关闭。在这个步骤中，空气流从底部出口排放(如图11所示)并且不通过VCR装置。床被完全填充之后，VCR和电加热器打开，底部空气出口关闭。因此，环境空气进入填充床并从床上获得水和热量。因此，湿热的空气离开吸收器床并从底部进入VCR。经过除湿器(蒸发器)盘管并失去大量的水之后，空气流通过VCR装置的冷凝器盘管；将其冷却下来，最后从HAWG装置的顶部排放到环境中。因此，VCR装置仅在解吸步骤中操作并接收湿热的空气流，这使其以最高的性能系数工作。而且，在吸附步骤中，系统功耗仅被风扇限制为相对较低的功耗。

图10是使用干燥剂轮替代填料床干燥剂的原型EHAWG的照片。如图6A所示地操作，该HAWG允许连续操作。图中的原型EHAWG具有通常为每小时6-16转(6-16RPH)的轮速，但能够达到0.5-60RPH以获得更宽泛的性能参数。

由图10的EHAWG生成的水由独立的水测试公司，加拿大不列颠哥伦比亚省萨里的Exova测试，以确定其是否具有“饮用水”质量。测试配置水样的“所测试的参数低于2014年10月的加拿大饮用水质量准则规定的化学和细菌健康相关准则的最大可接受浓度”。所测试的参数包括金属、微生物、物理和聚集性质、“常规水”性质(例如pH值、电导率、硬度、总溶解固体等)。因此，该独立测试证实EHAWG生成的水适合作为饮用水。

示例3：根据本文公开的实施例的示例性HAWG的性能

我们针对各种环境条件(使用环境室)测试了如图9所示的原型HAWG装置的性能，其相比现有AWG装置表现出明显较高的效率和水生成率。表4示出在相同的环境条件下，市场上典型的高效AWG装置(由Dew Point制造，见前面部分)与HAWG装置的性能比较。这个比较选择了不列颠哥伦比亚省夏季的平均环境温度和湿度。需要指出的是，现有的AWG装置在干旱地区不能生成水；然而，由于在进入VCR装置之前空气总是被预处理，所以我们的HAWG的性能并不依赖于环境条件。换句话说，与现有的在干燥地区不工作的AWG装置不同，本发明的HAWG可以不依赖于环境条件而产生期望量的水。因此，本发明的HAWG能够在任何环境条件下可靠地工作，并以比任何现有的AWG装置更高的效率产生期望的水量。

表4：基于VCR的EHAW与常规AWG的性能测试结果的比较

示例4.根据本文公开的实施例的使用基于优化的控制器的EHAWG的性能

表示使用基于优化的控制器的性能改进的示例在图11示出。VCR系统的效率由性能系数(COP)限定，该性能系数是冷却功率输出与输入功耗的比值。图11示出了在相同的环境条件下针对蒸发器风扇的不同速度(由蒸发器风扇吹动的空气质量流率表示)COP值相比冷凝器风扇速度(由冷凝器风扇吹动的空气质量流率表示)的行为。

该图示出，通过针对任何蒸发器风扇速度增加冷凝器风扇速度，COP首先增加到最大值点，然后开始减小。然而，通过进一步提高蒸发器风扇的速度，最佳COP的大小并不明显变化。根据结果，针对每个环境温度，通过改变蒸发器和冷凝器的风扇的速度可以找到最佳COP点。

基于优化的控制器可以找到VCR的这个操作点，并命令它最佳地操作。此外，针对整体效率在HAWG中实现了同样的概念，以便以最低的操作成本实现最高的水生成率。

尽管已经说明和描述了示例性实施例，但是应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变。

Claims

1.其中要求排它性质或特权的本发明的实施例被限定如下：

一种混合大气水生成器(HAWG)，包括：

(b)预处理装置，其被配置为在将所述含水分空气引入所述核心大气水生成器的入口之前增加所述含水分空气的湿度。

2.根据权利要求1所述的HAWG，其中，所述预处理装置还被配置为在将所述含水分空气引入所述核心大气水生成器的入口之前增加所述所述含水分空气的温度和湿度。

3.根据权利要求1所述的HAWG，还包括水过滤系统，其被配置为从所述冷凝液态水中去除杂质和有机物。

4.根据权利要求1所述的HAWG，还包括被配置为将矿物质添加到冷凝水的水矿化系统。

5.根据权利要求1所述的HAWG，还包括一个或多个传感器，其被配置为监测与HAWG操作有关的空气温度、湿度或其组合。

6.根据权利要求1所述的HAWG，还包括基于优化的操作控制器，其被配置为有效地控制所述HAWG的功能从而以最低能耗强度实现高的水生成率。

7.根据权利要求6所述的HAWG，其中，所述控制器被配置为经由与所述HAWG的操作相关的一个或多个传感器来监测操作参数。

8.根据权利要求6所述的HAWG，其中，所述控制器控制从由如下构成的组中选择的操作参数：风扇速度、热交换器冷却和加热能力、轮式干燥器速度、核心大气水生成器容量、及其组合。

9.根据权利要求1所述的HAWG，还包括一个或多个风扇，每个风扇被配置为使空气移动到所述HAWG的部件、移动远离所述HAWG的部件或者在所述HAWG的部件之间移动。

10.根据权利要求1所述的HAWG，还包括至少一个空气过滤器，其被配置为在所述含水分空气进入所述冷凝装置或吸附装置或两者之前从所述含水分空气去除灰尘和杂质。

11.根据权利要求1所述的HAWG，其中，所述核心大气水生成器包括蒸气压缩制冷系统(VCR)，其被配置为通过将所述含水分空气冷却到其露点以下来从所述含水分空气冷凝水。

12.根据权利要求1所述的HAWG，其中，所述冷凝装置包括耦接至冷却源的水冷凝热交换器。

13.根据权利要求12所述的HAWG，其中，所述冷却源基于选自以下构成的组的系统操作：i)蒸气压缩制冷(VCR)，ii)吸附冷却；iii)吸收冷却，iv)热电冷却，vi)气体循环冷却，vii)空气循环冷却，viii)磁致冷，ix)热声制冷，x)逆斯特林冷却，xi)蒸发冷却，xii)蒸汽喷射冷却，xiii)脉冲管制冷；xiv)被配置为通过将所述含水分空气冷却到其露点以下来从所述含水分空气冷凝水的稀释制冷，以及它们的组合。

14.根据权利要求1所述的HAWG，其中，所述预处理装置包括至少一个吸附床。

15.根据权利要求14所述的HAWG，其中，所述吸附床被配置为吸附和解吸水。

16.根据权利要求14所述的HAWG，其中，所述吸附床包括干燥剂材料。

17.根据权利要求16所述的HAWG，其中，所述干燥剂材料选自由硅胶、分子筛、沸石、活性炭、活性氧化铝、硫酸钙、氯化钙、氧化钙、蒙脱石粘土以及它们的组合的气相、液相或固相构成的组。

18.根据权利要求16所述的HAWG，其中，所述干燥剂材料被配置为在放热过程中从空气吸附水并且在吸热过程中将水解吸到空气中。

19.根据权利要求14所述的HAWG，还包括被配置为加热所述吸附床的热交换器。

20.根据权利要求1所述的HAWG，还包括被配置为将空气引入所述预处理装置中的风扇。

21.根据权利要求1所述的HAWG，其中，所述预处理装置包括：

入口，其被配置为吸入第一湿度的空气；和

与所述核心大气水生成器连通的出口，其被配置为输出具有大于第一湿度的第二湿度的空气。

22.根据权利要求21所述的HAWG，其中，所述预处理装置包括干燥剂轮。

23.根据权利要求22所述的HAWG，其中，所述干燥剂轮被配置为旋转，以便将所述干燥剂轮的干燥部分暴露于填充空气流，提供环境空气，并且将所述干燥剂轮的潮湿部分暴露于引入所述核心大气水生成器的干燥空气流。

24.根据权利要求1所述的HAWG，其中，所述冷凝装置被配置为使用激冷流体来提供足以从所述含水分空气冷凝液态水的冷却源。

25.根据权利要求24所述的HAWG，其中，所述激冷流体由电驱动激冷器提供。

26.根据权利要求25所述的HAWG，其中，所述电驱动激冷器具有从由如下构成的组中选择的类型：蒸气压缩制冷激冷器、热电冷却系统、气体循环冷却系统、空气循环冷却系统、磁制冷系统、热声制冷系统、逆斯特林冷却系统、蒸发冷却系统、蒸汽喷射冷却系统、脉冲管制冷系统、稀释制冷系统及其组合。

27.根据权利要求25所述的HAWG，其中，所述电驱动激冷器还被配置为接收从所述冷凝装置返回的温度高于所述激冷流体的流体。

28.根据权利要求24所述的HAWG，其中，所述激冷流体由是机械驱动激冷器、磁驱动激冷器、热驱动激冷器、声驱动激冷器或其组合的激冷器提供。

29.根据权利要求28所述的HAWG，其中，所述激冷器还被配置为接收从所述冷凝装置返回的温度高于所述激冷流体的流体。

30.根据权利要求28所述的HAWG，其中，所述激冷器使用选自由吸附、吸收和其组合构成的组的机制进行操作。

31.根据权利要求28所述的HAWG，还包括热能源，所述热能源被配置为将加热流体提供给所述激冷器并接收来自所述热驱动激冷器的冷却流体。

32.根据权利要求31所述的HAWG，其中，所述热能源包括选自由如下组成的组的热源：电、燃烧热、化学反应热、核热、太阳能热、烟气、余热、过程热、地热、来自任何应用的废热、热泵、摩擦热、压缩热、辐射热、微波热、感应热及其组合。

33.根据权利要求31所述的HAWG，还包括热交换器，所述热交换器被配置为向所述预处理装置提供热源以便增加所述含水分空气的温度，其中，所述热交换器与所述热能源流体连通，以便向所述热交换器提供加热流体并接收来自所述热交换器的冷却流体。

34.根据权利要求31所述的HAWG，还包括一个或多个热交换器，所述热交换器被配置为向所述预处理装置提供热源或冷源，以便增加或降低所述含水分空气和过程空气的温度，其中，所述热交换器与热源流体连通以向所述热交换器提供热的或冷的流体并接收来自所述热交换器的冷却流体，以及其中，存在至少一个加热热交换器和一个冷却热交换器。

35.根据权利要求28所述的HAWG，其中，所述HAWG不包括电驱动激冷器。

36.使用根据前述权利要求中任一项所述的HAWG产生液态水的方法，所述方法包括：

(a)将预处理装置暴露于具有第一湿度的空气；

(b)在所述预处理装置内增加所述空气的湿度以提供具有大于所述第一湿度的第二湿度的湿空气；

(c)将所述湿空气引入核心大气水生成器；以及

(d)在所述核心大气水生成器中产生液态水。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，使用一个或多个风扇移动所述空气。

38.根据权利要求36所述的方法，其中，所述预处理装置包括至少一个吸附床和被配置为加热所述吸附床的热交换器，以及其中，所述方法还包括以下步骤：

在所述吸附床中放热地吸附水；以及随后

加热所述吸附床以解吸水从而给所述核心大气水生成器提供湿空气。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述吸附床以线性吸附床的形式。

40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述吸附床以多层可堆叠吸附材料的形式。

41.根据权利要求38所述的方法，其中，所述吸附床被结合到轮式干燥器中。

42.根据权利要求38所述的方法，其中，所述吸附床允许连续的水生成。

43.根据权利要求36所述的方法，其中，与没有所述预处理装置的核心大气水生成器相比，液态水以更高的速率生成。

44.根据权利要求36所述的方法，其中，与没有所述预处理装置的核心大气水生成器相比，液态水以100％或更高的速率生成。

45.根据权利要求36所述的方法，其中，所述HAWG的操作参数基于环境温度和湿度被最佳地控制。

46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述操作参数选自由如下构成的组：风扇速度、热交换器功率、热交换器冷却和加热能力、轮式干燥器的速度、核心大气水生成器的容量及其组合。