CN107810043A

CN107810043A - 用于从进料流中进行膜辅助湿度收集的系统、其具有的风力涡轮机及其方法

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Publication number: CN107810043A
Application number: CN201680019539.9A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·伯格梅尔; 亨德里克·科内利斯·德·朗格; 西布兰杜斯·雅各布·梅茨
Original assignee: Sprinkler Universal Corp
Current assignee: Sprinkler irrigation equipment Holland Co.
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2018-03-16
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: CN107810043B; US20180021719A1; EP3250764B1; WO2016122315A1; MA41429A; EP3250764A1; US10464016B2; MA41429B1; DK3250764T3

Abstract

本发明涉及一种用于膜辅助湿度收集系统、其提供的一种风力涡轮机及其方法。本发明所述方法包括以下步骤：‑膜单元，其具有：‑膜，‑位于所述膜的第一侧上的进料流入口和进料流出口，和‑位于所述膜的第二侧上的再循环入口和再循环出口；其中，所述膜配置成允许蒸汽从膜的第一侧穿过所述膜渗透到所述膜的第二侧；‑冷凝系统，其设置在所述膜的所述第二侧上，并配置为使蒸汽冷凝；和‑再循环泵，其配置为在所述膜的所述第二侧产生再循环流。

Description

用于从进料流中进行膜辅助湿度收集的系统、其具有的风力涡轮机及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于从诸如环境空气的进料流中进行膜辅助湿度收集的系统。

背景技术

实践中已知许多水生产技术可以获得安全的饮用水。例如，海水淡化技术可以在靠近海洋的地区使用。

EP2181743A1公开了一种使用热泵，冷却单元和接收器从环境空气产生液态水的装置，用于收集在冷却表面上形成为冷凝水的水，其中水蒸气半透膜分离环境空气和冷却表面。该装置通过冷却潮湿的环境空气并且防止能量浪费，来减少获得饮用水的所需能量，该能量浪费是由于没有产生水而产生了不希望的冷空气所导致的。然而，生产饮用水仍然需要大量的能源。

发明内容

因此，本发明的目的之一是减少湿度收集所需的能量和/或为这种收集提供更具成本效益的系统。

该目的通过根据本发明的从进料流进行膜辅助湿度收集的系统实现，该系统包括：

-膜单元，其包括：

-膜，

-在膜的第一侧上的进料流入口和进料流出口，以及

-膜的第二侧上的再循环入口和再循环出口；

其中膜配置成允许蒸汽从膜的第一侧渗透到所述膜的第二侧；

-设置在膜的第二侧上的冷凝系统，其被配置为冷凝蒸汽；和

-配置成在膜的第二侧上产生再循环流动的循环泵。

该系统包括具有膜的膜单元，其中膜具有第一侧和第二侧。进料流入口和进料流出口设置在膜的第一侧上。膜能够将组分从膜的第一侧上的进料流转移到膜的第二侧。例如，在目前优选的实施方案中，膜配置成允许蒸汽从膜的第一侧渗透到膜的第二侧。在膜的第一侧，进料流优选包含潮湿空气。通过提供具有水蒸气选择性膜的膜单元，水蒸气可以从外部空气或环境空气中的其它组分中分离，使得水蒸气在膜的第二侧上浓缩。膜渗透的驱动力是膜的第一面和第二面上的分压差。

通过在膜的第二侧提供冷凝系统，其中冷凝系统被配置为用于冷凝蒸汽以收集液体，例如，可用作饮用水的液态水。这使得能够从例如外部空气或环境空气中生产安全的饮用水。

使用被配置为用于在膜的第二侧上产生再循环流动的再循环泵，在膜的第二侧提供所谓的再循环流动，也称为扫涌或扫流。当在膜的第二面再循环(干燥)空气时，分压被降低，这使得膜上的分压差增加，因此渗透的驱动力也随之增加。例如，由于在更高的压力下工作具有相对高的驱动力，这提高了膜单元将水蒸气从膜的第一侧的环境空气转移到膜的第二侧的效率。真空泵的能量需求被降低。优选地，膜的第二侧是(半)闭合回路的一部分，使再循环流动再循环。

通过来自具有冷凝器的冷凝系统的出口的再循环(干燥)空气来优选的实现到具有膜的膜单元的扫流。这种再循环通过再循环泵实现。

扫流的另一个作用是显著减少与膜相邻或附着的边界层。这降低了蒸汽从膜的第一面到第二面传递阻力。因此，扫流提高了膜单元在从进料流中进行膜辅助湿度收集中的整体效率。

例如,与在环境压力中使用扫流相比,通过在膜的第二面上再循环气体，有效地降低了冷凝气体的能量需求和在膜的第二面上的冷凝水蒸气组分。这防止了能量损失并提高了根据本发明的系统的整体效率。事实上，在根据本发明的当前优选实施例中，系统利用低压再循环扫流来运行。

优选地，该系统包括配置为用于在再循环流动中产生异常低压的压力泵。提供异常低压降低了总渗透侧压力，从而增加穿过膜的蒸汽渗透作用的驱动力。这提高了系统液体收集的效率。

在根据本发明的当前优选实施例中，使用压力泵产生低于正常的,即正常以下的压力与使用吹扫流/再循环流动相结合，以进一步改善穿过膜的蒸汽的渗透作用。在这方面应注意的是,在工业应用中通常难以获得低于20mbar的压力。然而，提供的异常低压与提供的扫流相结合,进一步改善了穿过膜的蒸汽的转移，甚至可能甚至超过仅通过真空转移的量。

优选地，膜的第二侧上的再循环流动中的压力范围是0-200mbar，优选为5-100mbar，更优选为10-65mbar，最优选为20-40mbar。

在根据本发明的当前优选实施例中，冷凝系统被配置为在低于0℃的温度下运行。

提供低于0℃的(冷却)温度进一步增加了蒸汽从膜的第一侧渗透到第二侧的驱动力。在冷凝系统中使用这种低(冷却)温被前面提到的使用低压再循环增强。这进一步提高了从进料流进行湿度收集的性能和能力，包括在干燥且具有低蒸汽压力的区域中的进料流。这增加了根据本发明的系统的适用性，并且能够在例如不能获得安全饮用水的宽范围条件下进行湿度收集。

在根据本发明的当前优选实施例中，冷凝系统包括第一热交换器和第二热交换器。

通过提供第一热交换器和第二热交换器，蒸汽被允许在一个或多个热交换器上冷凝。优选地，两个或更多个热交换器中的至少两个被设置成平行构造，使得再循环流动仅被提供给其中一些热交换器。当在低于0℃的温度下运行，水蒸气在热交换器的表面或其附近结冰时，这是特别重要的。令人惊奇的是，虽然对于冷冻/凝华的潜热和隔离冰层对热交换器的影响存在额外的能量需求，但是在低于冰点的温度下使用热交换器,使得本发明的系统与其他方法相比，能够在更宽的条件范围下应用，包括具有低蒸汽压力的非常干燥的区域。通过提供切换的可能性，例如在再循环流动中包括切换阀，可以将其中一个热交换器设置在流动的外部并且可以被允许解冻，例如使得可以从热交换器收集液体水。

热交换器优选地包括在系统的冷凝系统中，并且可以以不同的配置来实施，包括冷凝板、流通交换器等。

在根据本发明的当前优选的实施方案中，膜组件包括压纺纤维。

对于具有压纺纤维的膜，例如用聚二甲硅氧烷(PDMS)压纺出的纤维，水蒸气具有相对较高的运输速度/渗透性。在另一优选实施方案中，纤维包括Pebax压纺纤维，或者可替换为不含多孔载体的中空纤维。这可以进一步提高水蒸气的渗透性。

在根据本发明的当前优选实施例中，系统还包括位于冷凝系统的出口侧的膨胀阀，并且其中再循环泵包括位于冷凝系统的供给侧的真空泵。

设置真空泵和膨胀阀可以更有效地运行冷凝系统。可以进一步提高提取水的驱动力，从而提高整体处理效率。

本发明还涉及一种包括上述系统的风力涡轮机。

风力涡轮机提供与所描述系统相同的效果和优点。风力涡轮机的使用提供了系统的可持续性。此外，风力涡轮机提供独立运行的应用，使得在偏远地区也可以使用根据本发明的系统来生产安全的饮用水。

本发明还涉及一种从进料流进行湿度收集和/或收集液体的方法，该方法包括以下步骤：

-将进料流提供到膜单元中的膜的第一侧；

-在膜单元中的膜的第二侧上用再循环泵提供再循环流动；

-将组分从进料流输送到再循环流动；和

-在膜的第二侧上的冷凝系统中冷凝至少一部分组分以提供收集的液体流。

该方法提供与所描述的系统和/或风力涡轮机相同的效果和优点。该方法优选地涉及在所描述的实施例之一中提供系统，并且能够以低能量需求和/或包括具有低蒸汽压的干燥区域的广泛适用性，以有效的方式实现湿度的收集。这可以在这样的区域(具有低蒸汽压的干燥区域)中提供饮用水。风力涡轮机的使用进一步提供了可持续的和/或独立运行的应用。

优选地，在异常低压下提供在膜的第二侧的再循环流动。这导致在膜的第二侧的低压扫流，从而减少邻近和/或附着于膜的边界层，从而提高膜的有效性。此外，在相对较低的压力下工作减少了用于冷却扫流的(基于体积)热量需求。

优选地，再循环流动中的压力范围是0-200mbar，优选为5-100mbar，更优选为10-65mbar，最优选为20-40mbar。特别地，再循环和低压的结合在20mbar甚至更高的异常低压下提供有效的收集。这提高了根据本发明的系统和方法的应用的实际可能性。

在目前优选的实施例中，冷凝系统的温度低于0℃。如前所述，这使得可以在非常干燥且低蒸汽压力的区域进行湿度收集，从而在不利于获取安全饮用水的区域提供安全的饮用水。

优选地，第一热交换器和第二热交换器可选地在低于冰点的温度下运行。这使得(半)连续收集的同时，其中一个热交换器处于再循环流的外部，使得经冷冻的水蒸气可以被收集为液态水。或者，仅提供一个热交换器，其以分批处理的方式运行。当液体已经被收集时，再循环流动可以被再次提供给清洁的热交换器。这提供了根据本发明的系统的有效运行。

附图说明

在本发明的优选实施例的基础上阐明本发明的其它优点，特征和细节，参考所附的图纸，其中：

-图1展示了根据本发明的系统；

-图2-图4展示了基于图1所示系统的实验结果；

-图5展示了具有根据本发明的系统的风力涡轮机；和

-图6展示了根据本发明的替代系统。

具体实施方式

系统2(图1)在膜组件8的入口6处接收进料流4。在所示实施例中，流量控制器10设置在进料流4中。在进料流6的流动方向看到进气口6之前，还设置有湿度传感器12。进料流4穿过膜组件8的第一侧14朝向出口16。输出或渗余物18用湿度传感器20测量。膜22膜将组件8的第一侧14与第二侧24隔开。

例如，膜组件8可以被实施为内纤维直径为0.8mm，表面积为0.4m²的中空纤维组件，其中纤维已被磺化聚醚醚酮(SPEEK)涂覆。或者，膜组件8可以被提供为聚二甲硅氧烷(PDMS)组件。应当理解，也可以使用其他的膜。例如，可以应用基于其他材料和/或压纺纤维的膜，例如PDMS纤维和Pebax纤维，来获得膜组件。

在膜22的第二侧24上，再循环回路28中的再循环泵26在具有湿度传感器32和压力传感器34的入口30处提供再循环(干燥)气体。在膜组件8的另一端设有出口36，其中用传感器38,40测量湿度和压力。

水蒸气穿过膜22从膜22的第一侧14到第二侧24。再循环气体离开膜组件8并被运送到冷凝器42。液态水在出口44被收集并且在所示实施例中被收集在集水箱46中。用传感器48测量冷凝器42后的气流的湿度。在所示实施例中，再循环回路28包括缓冲器50。提供真空泵52以在再循环回路28中获得异常低压。使用再循环泵26从缓冲器50中再循环气体。

在所示实施例中，冷凝器42包括冷凝单元42a和冷凝单元42b与切换阀54。应当理解，使用不同的阀的或其他数量的阀的基于不同的切换装置的不同配置是可以被预见的。

系统2的实验已经被执行，其中使用了基于SPEEK材料的膜22。结果如图2-图4所示。

在不同压力下扫流流量对水生产率的影响如图2所示，其中流量为10l/min(Δ)、32l/min(○)，并与没有任何扫描流(□)的系统的结果进行比较。在确定扫流流量影响的实验中，使用15l/min的进料流量。从结果可以看出，再循环对生产水率的巨大影响。此外，没有任何再循环，压力必须最小化并且接近于零，这是不切实际的。在存在扫流的情况下，性能显著增加，使系统2实验装置中的水生产率在20-100mbar甚至更高的高压力下处于0.3-0.4g/min的范围内。例如，高于100mbar的压力进一步增加了在相对高的压力下冷却扫流的能量需求。结果显示了提供扫流和异常低压的组合的显著效果。

进一步的效果是，随着渗透的蒸汽分子在膜组件中的停留时间的减少，扫流进一步降低了平均渗透侧的蒸汽压力。因此，在膜22的第二面24上，渗透的蒸汽分子的停留时间的减少，可以用来解释在较高扫流流量下的更高的生产率。

图3展示了在60mbar的渗透侧压力下，水生产率作为再循环速度的函数，其中没有任何扫流流量(□)，(Δ)为10l/min和(○)为32l/min，进料流量为15l/min，冷凝器温度约为2℃。这表示，没有再循环，则不产生水。从图3可以看出，水生产率达到了稳定水平。这可以解释为一旦蒸汽分子的停留时间变得足够短，则蒸汽分子的停留时间的减少不再起作用。基于这一点，水的生产率几乎保持不变。在实验中，结果如图3所示，这发生在扫流流量为大约20l/min的时候。

图4显示了再循环扫流对不同系统压力下水生产的影响，其中再循环流量为10l/min(▲)和32l/min(●)，其结果与没有任何扫流的水生产率进行比较(■)。这些结果也表明，通过使用扫流，可以显著提高较高压力下水的输出。图2和图4所示的结果之间的存在差异，是由于图4中的结果是使用扫流再循环的从冷凝器收集的。显然，基于冷凝器温度为约2℃、流量为32l/min，获得了可操作的蒸汽压力，在该实验中，在膜界面处蒸汽压力约为7mbar，其可以在系统压力为100mbar时实现，而在较低的扫流流量下，混合效应尚未形成，渗透蒸汽增加渗透侧蒸汽压力，使得压力降低仍然对水产生率的增加有一定影响。

为了生产安全饮用水，系统2通过向膜组件8提供环境空气来运行。同时，再循环泵26被激活以产生穿过膜组件8的再循环流动。冷凝器42在相对低的温度下被激活以冷凝水蒸气并产生安全的饮用水。

风力涡轮机56(图5)被设置在地面58上，其包括具有多个转子叶片62的桅杆60，多个转子叶片62能够围绕机轴64旋转以产生运行系统2所需能量。转子轴线42通过接线66连接到系统2。系统2的输出68设置有阀70和分接头72，能够利用可选的泵74进行安全饮用水的导出。风力涡轮机56提供了系统2的可持续且独立运行的实施例。

替代系统76(图6)包括具有膜80的膜组件78。注意，为了说明的目的，所示实施例中省略了一些组件，例如传感器。应当理解，这些组件可以应用在系统76中。

在替代系统76中的膜80的渗透侧上存在具有再压缩区域82的低压闭环。再压缩区域82包括压缩机泵84，具有集水箱88的冷凝器86，具有真空泵92的缓冲器90和膨胀阀94。

作为示例，对于替代系统76，压力可以是5mbar或者20mbar或者30mbar，其可以由压缩机84压缩至100mbar。来自加热气体的热量可以辐射到环境中和/或在热交换器(未示出)中使用，以节省用于冷却的能量。例如，在约2℃的温度下运行的冷凝器86，从收集器88中收集水并将蒸汽压力降低至7mbar。例如，在缓冲器90和真空泵92后，膨胀阀94将压力降低到20mbar，并且蒸汽压力降至1.4mbar。在膨胀时气体温度可能会下降。可选地，上述热交换器(未图示)用于加热气体。对于替代系统76，集水的驱动力增加。.

应当理解，可以交换系统2和替代系统76的组件，从而产生根据本发明的其它替代实施例。

本发明不限于上述优选实施例。所寻求的权利由所附权利要求限定，在其范围内可以许多修改可以被预见。

Claims

1.用于从进料流中进行膜辅助湿度收集的系统，包括：

-膜单元，其具有：

-膜，

-位于所述膜的第一侧上的进料流入口和进料流出口，和

-位于所述膜的第二侧上的再循环入口和再循环出口；

其中，所述膜配置成允许蒸汽从膜的第一侧穿过所述膜渗透到所述膜的第二侧；

-冷凝系统，其设置在所述膜的所述第二侧上，并配置为使蒸汽冷凝；和

-再循环泵，其配置为在所述膜的所述第二侧产生再循环流。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进料流包括外部空气。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述膜单元包括水蒸气选择膜。

4.根据前面一项或多项权利要求所述的系统，其特征在于，还包括压力泵，该压力泵配置为在所述再循环流中产生异常低压。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述再循环流在所述膜的第二侧处的压力为0-200mbar，优选5-100mbar，更优选10-65mbar，且最优选20-40mbar。

6.根据前面一项或多项权利要求所述的系统，其特征在于，所述冷凝系统配置为在低于0℃的温度下操作。

7.根据前面一项或多项权利要求所述的系统，其特征在于，所述冷凝系统包括第一和第二热交换器。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一和第二热交换器按平行配置方式配置，以使得至少一个热交换器位于实际再循环流的外部。

9.根据前面一项或多项权利要求所述的系统，其特征在于，所述膜单元包括压纺纤维。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述纤维包含Pebax。

11.根据前面一项或多项权利要求所述的系统，其特征在于，还包括位于所述冷凝系统的出口侧的膨胀阀，且其中，所述再循环泵包括位于所述冷凝系统的供给侧的真空泵。

12.风力涡轮机，其包含根据前面一项或多项权利要求所述的系统。

13.用于从进料流中收集液体的方法，包括以下步骤：

-将所述进料流提供至膜单元中的膜的第一侧；

-用再循环泵在所述膜单元中的所述膜的第二侧上提供再循环流；

-将来自所述进料流的成分输送至所述再循环流；和

-在所述膜的第二侧上，使所述成分的至少一部分在一冷凝系统中冷凝，以提供收集的液体流。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述再循环流在所述膜的第二侧处为异常低压。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述再循环流在所述膜的第二侧处的压力为0-200mbar，优选5-100mbar，更优选10-65mbar，最优选20-40mbar。

16.根据权利要求13、14或15所述的方法，其特征在于，所述冷凝系统的温度低于0℃。

17.根据权利要求13-16中一项或多项所述的方法，其特征在于，还包括提供第一和第二热交换器的步骤。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一和第二热交换器中间进行切换的步骤。