CN108430606B - 使用选择性转移膜的蒸发冷却系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文中公开了紧凑型膜蒸发冷却器、使用紧凑型膜蒸发冷却器冷却工艺流体（例如空气）的方法、以及包括紧凑型膜蒸发冷却器的空气调节系统和方法。如本文所公开的紧凑型膜蒸发冷却器可有利地减少或消除循环工作流体所需的功耗。

Description

使用选择性转移膜的蒸发冷却系统和方法
本申请要求2015年10月7日提交的美国临时申请62/238,433的权益，其全部内容通过引用并入本文。
政府权利声明
本发明是依据能源部高级能源研究计划署(ARPA-E)授予的合同号DE-AR0000371利用政府支持完成的。政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
目前绝大多数热泵和制冷系统利用蒸气-压缩热力循环的变化。这种方法改变惰性工作流体的压力以控制其相关的饱和温度，这允许在流体相变时通过金属表面传递显热。这项技术是成熟的并且已经有很大的发展，但是仍然有一些限制。例如，许多最有效的制冷剂对大气有不良影响，例如氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)制冷剂对臭氧层的损耗。尽管氢氟烃(HFC)制冷剂不会消耗臭氧层，但它们具有显著的全球变暖潜力(GWP)。尽管制冷剂名义上包含在封闭系统内，但目前的行业惯例在2007年通过释放这些高全球变暖潜力(GWP)气体，将144.9公吨二氧化碳的等价物添加到大气中。此外，在隔离制冷剂的壁上的显热传递的使用趋向于需要在低于湿空气的饱和温度的情况下进行局部冷却，以通过冷凝降低其含水量，该要求限制了该过程的可能热力学效率。
因此，不断需要改进的空气调节和制冷系统。
发明内容
在一个方面，本发明提供了用于冷却工艺流体的紧凑型膜蒸发冷却器。在一个实施方式中，紧凑型膜蒸发冷却器包括：第一选择性转移膜；邻近第一选择性转移膜的第一侧的热交换器，热交换器构造成提供未冷却的工艺流体进入热交换器的流入和冷却的工艺流体离开热交换器的流出；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室，其配置为将工作流体与工艺流体物理隔离，并且提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧相邻的至少一层工作流体；以及与第一选择性转移膜的第二侧相邻的蒸气室，蒸气室构造成将室中的工作流体的分压保持为小于工作流体隔室中的相同流体的分压并且收集通过膜转移并蒸发到蒸气室中的工作流体的蒸气，其中紧凑型膜蒸发冷却器被配置用于将热量从热交换器传递到工作流体室中的工作流体。
另一方面，本发明提供了一种使用如本文所公开的紧凑型膜蒸发冷却器来冷却工艺流体的方法。在一个实施方式中，该方法包括：提供未冷却的工艺流体进入热交换器的流入和冷却的工艺流体离开热交换器的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器构造成将工作流体与工艺流体隔离；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供工作流体，以提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧相邻的至少一层工作流体，维持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的工作流体的分压低于工作流体隔室中的工作流体的分压，导致至少一部分工作流体通过膜转移并蒸发进入蒸气室作为蒸汽，其中工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体室传递，以将工作流体保持在比工艺流体更低的温度，从而导致热量从工艺流体中抽出，使得工艺流体流出的温度低于工艺流体流入温度。
另一方面，本发明提供了一种空气调节系统。在一个实施方式中，空气调节系统包括：如本文所述的冷却器，其中工艺流体是空气并且工作流体是水；压缩机，用于压缩通过膜从工作流体转移并蒸发到室中的水蒸气；冷凝器，将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物；以及将冷凝物返回到工作流体隔室的通道。
另一方面，本发明提供了一种使用如本文所述的空气调节系统来冷却空气的方法。在一个实施方式中，该方法包括：提供未冷却的工艺空气进入热交换器的流入和冷却的工艺空气离开热交换器的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器被配置为将水工作流体与工艺空气隔离；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供水工作流体，以在第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧附近提供至少一层水工作流体；维持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的水工作流体的分压低于工作流体隔室中的水工作流体的分压，导致至少一部分水工作流体通过膜转移并作为水蒸气蒸发进入室中，其中水工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体室传递，以将工作流体维持在比工艺空气低的温度，这从而使得热量从工艺空气中被吸取，使工艺空气流出的温度低于工艺空气流入的温度；压缩水蒸气；将压缩的水蒸气传送到冷凝器，以将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物；并将冷凝物返回到工作流体隔室。
上面引用的方法和系统可适用于例如大型和小型空气调节和热泵应用。由于设备类型和膜结构，该设备紧凑、重量轻，使得其适用于运输应用以及固定安装。在某些实施方式中，本文公开的方法和系统可以提供包括以下一个或多个的优点：明显的能量消耗减少；例如由较低的能量消耗导致的较低的排放；和/或消除或减少使用产生可损害臭氧层的制冷剂气体的有害氟碳化合物。
定义
如本文所使用的，“一个”、“该”和“至少一个”可互换使用并且表示一个或多于一个。
如本文所使用的，与“包括”或“含有”同义的术语“包含”是包容性的和开放式的，并且不排除另外的未列举的元素或方法步骤。
在本文中，通过端点叙述的数值范围包括归入在该范围内的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。
以上对本发明的各种实施方式的简要描述并非旨在描述本发明的每个实施方式或每个实现。相反，通过考虑附图并参考以下描述和权利要求，对本发明的更完整的理解将变得清楚并被理解。此外，应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其它实施方式并且可以进行结构改变。
附图说明
图1是紧凑型膜冷却器的示例性实施方式的示意图。
图2是紧凑型膜冷却器的示例性实施方式的透视图。
图3是使用具有蒸气压缩机的紧凑型膜冷却器的蒸发冷却系统的示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
例如，在美国专利号8,470,071B2和9,283,518B2中描述了各种通过热和/或质量移动通过选择性膜来调节工艺流体(通常空气，但不限于空气)的方法。本发明提供了可以向用户提供重要优点的额外概念。
本领域已知的是提供单独的热交换器，以将热量从工艺流体吸入工作流体中，然后使工作流体循环至单独的蒸发冷却组件。然而，在这种布置中，工作流体随着热量进入而变暖，并且逐渐失去驱动热量穿过分离材料所需的温差。通常，这种分开的方法需要工作流体的高循环速率，以确保其从热交换器排出并且快速被更冷的流体替代，从而限制温度升高。反过来，输入到循环泵的功率是系统上的一个重要的额外载荷。
对于本文公开的一个或多个实施方式，在将冷凝物再次引入到蒸发冷却器之前，不需要将冷凝物从冷凝器饱和压力泵送到大气压力。本文公开的实施方式可以彼此独立地应用，但是该组合可以导致这样一个系统，其可以消除高头压冷凝泵，将工作流体循环泵尺寸减小几个数量级，并且使冷却的工作流体和工艺流体之间的温差最小化。
在某些实施方式中，如本文所公开的紧凑型蒸发膜冷却器可以在选择性膜和金属热交换表面之间保持工作流体薄层，其促进热量从工艺流体传出并通过工作流体传导至在选择性膜的表面处的分子。当工作流体分子通过膜蒸发时，这种热可以为相变提供动力；如果没有足够的热量供应，靠近膜的工作流体的温度会下降，并且通过膜的蒸发速率会降低。可以配置几何形状，以提供通过工作流体薄层的充分的导热传递，
消除循环工作流体所经历的温度下降，可以充分提高工作流体的温度，以从工艺流体吸取设计热负荷。较高的最小蒸气压力可以驱动通过选择性膜的蒸发，从而降低将蒸气分子泵送或压缩至足够高的能量状态所需的压力比，以拒绝焓至指定的槽(sink)。
由于循环速率并不重要，因此可以使用基本停滞或缓慢流动的工作流体。这可以减小循环泵的尺寸和额外能量消耗，可能会减小多个数量级。
本文公开了包括至少一种选择性转移膜的蒸发冷却系统和方法。这样的系统和方法包括至少一个紧凑型冷却器，其可以使用选择性转移膜，以通过受控固态渗透机制控制一种流体或一种流体的一种成分的分离和/或吸收。例如，通过相变从水体分离水分以冷却水体对于冷却器来说是理想的。这种系统和方法可用于各种应用，包括例如冷却空气。
选择性转移膜
当它们基于能够选择性地传输水分子(或某些其他目标分子)同时防止氧气、氮气和空气的其他组分和常见气体从膜的一个表面通过并到达相同膜的第二表面的材料时，许多改变空气和其他流体的温度和湿度的新方法变得可能。
例如，已经开发了一类聚合物膜，其使用结合电荷的纳米级组织结构，以在分子水平将水从较高蒸气压侧选择性地转移到较低蒸气压侧。膜可以自组织成从膜的第一表面到膜的第二表面连续的亲水区域和疏水区域。连续的疏水区域可以基本上不透水和不透气。连续的亲水区域对于具有大介电常数的小分子是可渗透的，同时对大分子以及具有低介电常数的大分子和小分子都基本不可渗透。基于尺寸和介电常数的渗透性能可以使膜有选择性。由于膜是选择性的并且严格地限制氧气、氮气和/或其他大气气体的传输，所以湿气传输的驱动力可以在很大程度上独立于湿气的分压。例如在美国专利号5,468,574(Ehrenberg等人)、5,679,482(Ehrenberg等人)、6,110,616(Sheikh-Ali等人)、6,306,419(Vachon等人)；6,383,391(Ehrenberg等人)、6,413,298(Wnek等人)、6,841,601(Serpico等人)、7,179,860(Cao等人)、7,582,702(Wright等人)、7,585,916(Wright等人)、7,592,390(Bening等人)、7,625,979(Atwood等人)、7,737,224(Willis等人)、7,847,022(Wright等人)、7,887,926(Ober等人)、7,919,565(Willis等人)、7,977,432(Bening等人)和7,981,970(Willis等人)；美国专利申请公开号2004/0142910A1(Vachon等人)、2006/0292208A1(Vachon)和2010/0170776A1(Ehrenberg等人)；PCT国际公开号WO 2005/030812A1(Cao等人)、2008/141179A1(Ehrenberg等人)、2009/002984A2(Vachon等人)；和美国系列号61/293,637(Ehrenberg)中公开了有用的示例性聚合物和制备这种聚合物的方法。
在具体的实施方式中，至少一个膜包含改性的(例如磺化的、氢化的、脱氢的、还原的、酰亚胺化的和/或酰胺化的)大分子。包含在至少一个膜中的分子(包括大分子)包括但不限于核酸(核苷酸)、氨基酸、肽、多肽、蛋白质、糖蛋白、生物聚合物、低聚物和/或聚合物和/或含有例如烯烃和/或芳烃部分的共聚物。
可理解地，其他材料可以用在这些系统中。候选材料的示例性限定性条件包括例如选择性(即，保持跨材料强绝对压力差而不会将过量的非目标气体转移通过材料的能力)和通量能力(即快速地将目标流体(通常是水)从材料的一侧转移到另一侧的能力)。
可能的候选材料包括(但不限于)用作质子交换膜的含氟聚合物(例如以商品名NAFION可获得的那些)、聚酯、聚氨酯和与能量再生通风机中使用的那些类似的去湿处理过的无纺布。在一些实施方式中，这些材料的效用可能受到包括例如水通量率、透气性和/或成本的因素的限制。
膜运行的一般描述是指膜内的水含量与该膜表面处存在的蒸气压力处于动态平衡。膜将水分子吸收到其亲水区域中，并允许分子在这些区域内移动。在膜的表面，在从周围的流体吸收到膜中的水分子和从膜上解吸到流体中的水分子之间存在动态平衡。在两个膜表面接近但暴露于反映不同蒸气浓度的不同蒸气压力(即暴露于两种不同流体的薄膜)的情况下，膜内水分子的可动性允许两个表面之间的动态平衡，从高蒸气压流体吸收进入膜中的水分子比解吸的更多，并且从膜中解吸进入低蒸气压流体中的水分子比吸附的更多。因此，两个表面之间的蒸气压差驱动净通量水分子通过膜。
提供以下实例以进一步说明本发明的各种具体实施方式和技术。然而，应该理解的是，可以在本发明的范围内进行本领域普通技术人员所理解的许多变化和修改。因此，本发明的范围并非旨在被以下实例所限制。
紧凑型膜冷却器
该系统中的一个概念是紧凑型膜冷却器，其包括可以将工作流体的分子转移穿过膜的选择性转移膜。
膜冷却器可以在膜的第一表面具有流体，其可以是含有水或可以容易地通过所选择的膜转移的其他分子的液体或液体混合物。当膜的第二表面被降低到低于第一表面处的液体的蒸气压的压力时，水分子通过膜的通量包括从一侧的液体到另一侧的蒸气的状态变化。该相变所需的蒸发热可以来自留在后面的液体水，从而降低了液体的温度，这是蒸发冷却的原理。这种冷却效果可用于冷却水，以用于显热交换器或线圈。
与其他冷却器相比，膜冷却器可以具有多种优点。例如，在某些实施方式中，膜冷却器不需要像在蒸气压缩循环中所使用的制冷剂。最常见的制冷剂可能具有显著的全球变暖潜力，并且正面临禁止通常应用的压力，低全球变暖潜力的制冷剂尚未达到相同的商业接受程度。又如，蒸发冷却器(称为“湿垫冷却器”)已被用于干燥气候中，但它们不能将空气温度或水温降至低于外部空气的湿球温度。由于选择性转移膜的第二表面可以在低于大气压的压力下运行，因此与第一表面接触的水的温度可以降至大气湿球温度下至冷冻的几度内。第二膜表面压力的控制设定与膜的第一表面接触的水体内的温度。温度范围和控制允许冷却器起作用，以从空气调节平稳调整变成制冷设备。
一方面，本发明提供了用于冷却工艺流体的紧凑型膜蒸发冷却器。在一个实施方式中，紧凑型膜蒸发冷却器包括：第一选择性转移膜；邻近第一选择性转移膜的第一侧的热交换器，热交换器构造成提供未冷却的工艺流体进入热交换器的流入和冷却的工艺流体离开热交换器的流出；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室被配置为将工作流体与工艺流体物理隔离，并且提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧相邻的至少一层工作流体；以及与第一选择性转移膜的第二侧相邻的蒸气室，蒸气室构造成保持室中的工作流体的分压小于工作流体隔室中的相同流体的分压，并且收集通过膜转移并蒸发到蒸气室中的工作流体的蒸气，其中紧凑型膜蒸发冷却器被配置用于将热量从热交换器传递到工作流体室中的工作流体。
在某些实施方式中，控制蒸气室中的压力设定工作流体转移通过膜的速率，并且因此设定蒸发冷却速率。因此，控制蒸气室中的压力间接控制了紧凑型膜冷却器中流体的平衡温度。对于其中工艺流体足够热或工作流体的饱和蒸气压力足够低的实施方式，甚至可以在蒸气室中的压力高于大气压的情况下运行冷却器。
参考图1，示出了紧凑型膜冷却器10的示例性实施方式的示意图。此图仅用于说明。引用的各种温度和性质并不意味着以任何方式限制本申请。紧凑型膜冷却器10包括选择性转移膜1(在上文已经描述过)、热交换器2和蒸气室7。
热交换器2与选择性转移膜1的第一侧相邻，并被配置为提供未冷却的工艺流体进入换热器2的流入3和冷却的工艺流体离开热交换器2的流出4。在一些实施方式中，热交换器2包括具有高比表面积的金属、塑料、陶瓷或复合表面。
紧凑型膜冷却器10还包括在选择性转移膜1和热交换器2之间的工作流体隔室5。工作流体隔室5被配置为将工作流体6与流动的工艺流体(4、5)物理隔离，并且提供邻近选择性转移膜1的第一侧和热交换器2的第一侧的至少一层工作流体6。在一些实施方式中，工作流体隔室5包括能够填充工作流体6的网状物。在一些实施方式中，工作流体隔室5包括能够填充工作流体的多孔泡沫。在示例性实施方式中，网状物或多孔泡沫可以包括金属、塑料、陶瓷、复合材料或其组合。在一些优选实施方式中，包括这种网状物或多孔泡沫的主要目的之一是减小工作流体隔室的体积并且增加热交换器2的第一侧和选择性转移膜1之间的空间的热导率，因此减少将来自工艺流体(4、5)的给定量的热量传递到在选择性转移膜1处蒸发的工作流体6所需的那些表面之间的温差。
紧凑型膜冷却器10还包括与选择性转移膜1的第二侧相邻的蒸气室7。蒸气室7构造成保持室中的工作流体6的分压小于工作流体隔室中的相同流体6的分压。蒸气室7还构造成收集通过膜转移并蒸发到蒸气室7中的工作流体6的蒸气8。在一些实施方式中，蒸气室7中的工作流体蒸气8保持在小于大气压的绝对压力下。
紧凑型膜冷却器10还构造成用于将来自热交换器2的热量传递到工作流体室5中的工作流体6。液体的蒸气压力通常由流体温度控制，该流体温度在很大程度上独立于绝对压力设定饱和压力。这可以允许处于低于环境绝对压力的液体通过选择性膜蒸发进入真空空间(plenum)，水分子从该真空空间被吸入蒸气压缩机以保持跨膜蒸气压差。来自该相变的蒸发热损失可以冷却工作流体并随后冷却工艺流体。
图2是与图1中所述的紧凑型膜冷却器类似的紧凑型膜冷却器10的透视图的图示。除了上文关于图1所述的紧凑型膜冷却器的特征之外，在图2中的紧凑型膜冷却器10示出了一些额外的特征。
图2示出了工作流体蒸气8可以从蒸气室7转移到压缩机(图2中未示出)的通道11。压缩机可以压缩通过膜1转移并且蒸发到蒸气室7中的工作流体蒸气7，使得加压蒸气可以通过冷凝器(例如，显热冷凝器)中的第二工作流体流冷却，该冷凝器可以提供液态的冷凝的工作流体。在一些实施方式中，压缩机是机械蒸气压缩机。在一些实施方式中，压缩机是电化学蒸气压缩机。可选地，压缩的工作流体蒸气可以通过穿过降温喷嘴(下面进一步讨论)被进一步冷却以除去多余的热量，并且在将压缩的工作流体蒸气传递到冷凝器之前提供冷却的压缩的工作流体蒸气。
冷凝器(在图2中未示出)可以是流体冷却冷凝器、辐射冷却冷凝器、传导冷却冷凝器、热电冷却冷凝器或其组合。在某些实施方式中，冷凝器是空气冷却或水冷却显热冷凝器。
在某些实施方式中，紧凑型膜冷却器10包括构造成将冷凝的工作流体返回至工作流体隔室5的通道(在图2中未示出)。在某些实施方式中，紧凑型膜冷却器10包括计量泵，该计量泵构造成可选地使一部分冷凝的工作流体从返回通道转移到降温喷嘴，该喷嘴配置成将雾化的冷凝工作流体喷射到压缩机和冷凝器之间的蒸气流中，以产生额外的蒸发冷却。
在某些实施方式中，将冷凝的工作流体返回到工作流体隔室的通道被构造成将工作流体隔室5保持在小于或等于冷凝器内的压力的压力，这可以允许冷凝物受重力和/或压力差的影响返回到工作流体隔室5。
在某些实施方式中，紧凑型膜冷却器10还包括通过隔离阀连接到冷凝器并被配置为可选地去除不可凝气体的粗抽泵(在图2中未示出)。
在其中压缩机是电化学压缩机的某些实施方式中，紧凑型膜冷却器10可以进一步包括压力调节装置，其构造成在第一压力下接收工作流体蒸气8和来自返回冷凝工作流体通道的电化学载气的混合物，并且可以构造成将该压力降低到第二较低的压力，该第二较低的压力足以将冷凝的工作流体返回到蒸气室7而不损害蒸气室7中的工作流体的分压。
在一些实施方式中，紧凑型膜冷却器10的工作流体隔室5还包括用于通过入口13添加额外工作流体的入口阀12。在一些实施方式中，紧凑型膜冷却器10的工作流体隔室5还包括用于通过出口15排出工作流体和任何溶解的固体的排放阀14。在一些实施方式中，冷凝的工作流体可以从冷却器系统移除，并且可以向工作流体隔室提供额外的工作流体，从而允许产生通过选择性转移膜1净化的纯净的工作流体，而其他物质和杂质已通过排出一部分浓缩工作流体6而从工作流体隔室5中去除。
在紧凑型膜冷却器10包括冷凝器的某些实施方式中，冷凝器可以可选地包括第二选择性转移膜，并且压缩的蒸气可以被提供给第二选择性转移膜的第一表面，并且排放流体可以被提供给第二选择性转移膜的第二表面，其中排放流体中的工作流体的分压低于第二选择性转移膜的第一表面处的工作流体的分压，使得工作流体运送通过第二选择性转移膜。
在某些实施方式中，工作流体6可以进一步包括至少一种不易通过选择性转移膜1转移的额外组分，并且工作流体6和至少一种额外组分可以是混合物、悬浮液、乳液、浆液、胶体或其组合的形式。
另一方面，本发明提供了一种使用如上文所述的紧凑型膜蒸发冷却器来冷却工艺流体的方法。在一个实施方式中，该方法包括：提供未冷却的工艺流体进入热交换器的流入和冷却的工艺流体离开热交换器的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器构造成将工作流体与工艺流体隔离；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供工作流体，以提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧相邻的至少一层工作流体，维持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的工作流体的分压低于工作流体隔室中的工作流体的分压，导致至少一部分工作流体通过膜转移并作为蒸气蒸发进入蒸气室，其中工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体室转移，以将工作流体保持在比工艺流体更低的温度，从而导致热量从工艺流体中吸取，使得工艺流体流出的温度低于工艺流体流入的温度。
在一些实施方式中，工艺流体可以是空气。在某些实施方式中，流入的工艺流体(例如未冷却的空气)可以处于-1℃(30℉)至82℃(180℉)的温度。在某些实施方式中，流出的工艺流体(例如，冷却的空气)可以处于-3℃(26℉)至81℃(179℉)的温度。
在一些实施方式中，工作流体6是水。在某些实施方式中，工作流体6可以在工作流体室5中保持在-4℃(25°F)至80℃(176°F)的平均温度下。在一些实施方式中，蒸气室中的水工作流体的分压保持在小于47kPa绝对压力。
在某些实施方式中，工作流体从热交换器2的表面到选择性转移膜1的距离足够小，使得通过该层的传导热传递有效地将期望量的热量从工艺流体传递到选择性转移膜1的蒸发表面。
在某些实施方式中，工作流体6可以在工作流体隔室5中保持处于不高于选定的设计值的温度，而不保持工作流体6的质量流量。在某些实施方式中，工作流体可以是具有0.6W/m-K的热导率和2462J/g的蒸发热的水。如果在热交换器2的第一表面和选择性转移膜1之间保持一层1.2mm厚的液态水，那么在整个该液态水上，对于每1K温差，可以保持500W/m2的传导热通量。进而，这种传导热通量驱动每平方米膜和1K温差的水的0.73kg/hr的蒸发，而没有水工作流体6的任何大量的质量流量。在某些实施方式中，工作流体6基本停滞在工作流体隔室中。
蒸发冷却系统
另一方面，本发明提供了一种利用具有蒸气压缩机的蒸发膜冷却器的蒸发冷却系统。在某些实施方式中，蒸发冷却系统可以是空气调节系统，其将在本文中用于示例性实施方式的说明性描述。在一个实施方式中，空气调节系统包括：如本文所述的冷却器、用于压缩从工作流体通过膜转移并蒸发到室中的水蒸气的压缩机；将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物的冷凝器；以及将冷凝物返回到工作流体隔室的通道。
空气调节系统的典型应用包括降低壳体内的空气(工艺流体)的温度和湿度，同时将壳体外的多余热量和湿度移至较暖且具有较高蒸气压和沿期望的方向阻止自发转移的条件的环境。这些相同的原理中的许多可以容易地应用在稍微不同的情况下，例如控制除水之外的流体的蒸气压力，但是在图3所示的系统中，水被示为示例性工作流体。简而言之，借助于选择性渗透材料(以下称为膜)上的潜在能量交换来调节(调整期望的温度和所选蒸气的浓度)工艺流体(通常空气，但不限于此)。显热是通过热交换器从工艺流体交换到工作流体(通常为水，但不限于此)，但工作流体的温度是通过跨膜的潜在能量交换来控制。
图3是利用具有蒸气压缩机的蒸发膜冷却器的蒸发冷却系统(例如，空气调节系统)的示例性实施方式的示意图。
参考图3，空气调节系统包括紧凑型膜冷却器120，其可以类似于图1和图2中所示的紧凑型膜冷却器10。为了简单起见，紧凑型膜冷却器120的所有特征未在图3中示出，但是紧凑型膜冷却器120通常包含紧凑型膜冷却器10的一些特征，并且在一些实施方式中，紧凑型膜冷却器120包含紧凑型膜冷却器10的所有特征。
在图3所示的示例性实施方式中，工艺流体是空气并且工作流体是水。紧凑型膜冷却器120包括工艺空气入口101和工艺空气出口102。工艺空气流入入口101和流出出口102，这可以通过进气扇122的操作来控制。紧凑型膜冷却器120还包括补充阀118，用于通过入口109添加额外的补充水。紧凑型膜冷却器120还包括用于通过排水管110排出工作流体和任何溶解的固体的排出阀119。
图3示出了将水工作流体蒸气103从紧凑型蒸发冷却器120的蒸气室传输到蒸气压缩机121。在一些实施方式中，蒸气压缩机121是机械蒸气压缩机。在某些实施方式中，蒸气压缩机是电化学蒸气压缩机。
蒸气压缩机121可以压缩水工作流体蒸气103，使得压缩的水蒸气104可以被冷凝器113(例如，显热冷凝器)中的第二工作流体流冷却，该冷凝器113可以提供处于液态的冷凝水工作流体108。在图3中示出了在冷凝器113中使用的示例性第二工作流体流，其中外部空气106进入冷凝器113并且排出空气107离开冷凝器113。或者，冷凝器113可以通过不同的流体(例如液态水)或通过不同的机制(例如，辐射冷却、传导到像地面的固体储层、热电冷却等)冷却。
可选地，压缩的水蒸气104可以通过穿过降温喷嘴114(下面进一步讨论)进一步冷却以除去多余的热量，并在将水蒸气传递到冷凝器113之前提供冷却的水蒸气105。压缩水蒸气104在压缩过程中获得的温度高于期望值(例如，冷凝器113可能具有材料温度限制)的实施方式中包括降温喷嘴和计量泵115。在此用途中，将小量、计量数量的雾化冷凝物108喷射到蒸气流中可产生可降低蒸气温度的额外的蒸发冷却。只要冷凝器113的尺寸合适，额外的蒸气负载就可以恢复。计量流量可以控制进入冷凝器113的水蒸气的温度，但是环路可以关闭或从物料清单中消除，系统仍然可以在没有这种形式的温度控制的情况下运行。
显热冷凝器113可以是流体冷却冷凝器、辐射冷却冷凝器、传导冷却冷凝器、热电冷却冷凝器或其组合。在某些实施方式中，显热冷凝器113是空气冷却或水冷却显热冷凝器。
在某些实施方式中，空气调节系统包括构造成使冷凝的工作流体返回到紧凑型膜冷却器120的通道。在某些实施方式中，紧凑型膜冷却器120包括计量泵115，计量泵115构造成可选地将一部分冷凝的工作流体从返回通道转移至降温喷嘴114，该降温喷嘴114构造成将雾化的冷凝工作流体喷射到压缩机和冷凝器之间的蒸气流中，以产生额外的蒸发冷却。
在某些实施方式中，将冷凝的水工作流体108返回到紧凑型膜冷却器120的工作流体隔室的通道被配置为将工作流体隔室维持在小于或等于冷凝器113内的压力的压力，这可以允许冷凝物108在重力和/或压差的影响下返回到紧凑型膜冷却器120的工作流体隔室。在一些实施方式中，冷凝物108返回到紧凑型膜冷却器120的工作流体隔室，而没有输入额外的机械能来移动冷凝物108。因为紧凑型膜冷却器120不需要高循环流速，所以该系统可以被配置用于将冷凝的水工作流体108重力返回到紧凑型膜冷却器120，这意味着水工作流体可以在紧凑型膜冷却器120中在冷凝器113中保持的饱和压力下运行。该压力是冷凝器113中设计操作温度的函数，并且可以是相对于大气压力的几乎任何值，但是在大多数冷却情况下，其可以显著低于环境绝对压力。
在某些实施方式中，空气调节系统还包括通过隔离阀116连接到冷凝器113并且被配置为可选地将不可凝气体111去除到环境空气112的粗抽泵117。因为可能需要将系统降低到正确的操作压力并定期清除积聚在冷凝器中的不可凝气体，系统通常可以安装一个间歇运行的粗抽真空泵。该过程不可避免地将一些工作流体分子与不可凝气体一起抽出，因此该系统可以设置有补充阀118，该补充阀118允许以工作流体初始填充系统和定期补充以保持正确的水平。考虑到可能存在的压差，大多数补充系统可能不需要额外的泵送；工作流体可以喷入低压系统。将该补充系统放置在可以捕获和去除补充流体中存在的任何不可凝气体的位置可能是有利的。最后，系统可以配备排水阀119，尽管低压系统可以在任何流体排出之前，使用系统吹扫(purge)将内部压力升高到环境压力。
在蒸气压缩机121是电化学压缩机的某些实施方式中，空气调节系统可以进一步包括压力调节装置，该压力调节装置构造成在第一压力下接收水工作流体蒸气103和来自返回冷凝工作流体通道的电化学载气的混合物，并且构造成将该压力降低到第二较低压力，该第二较低压力足以将冷凝的工作流体返回到紧凑型膜冷却器120的蒸气室，而不损害紧凑型膜冷却器120的蒸气室中的工作流体的分压。
在一些实施方式中，可将冷凝的工作流体从冷却器系统移除，并且可将额外的工作流体提供至工作流体隔室，从而允许产生已经通过紧凑型膜冷却器120的选择性转移膜净化的纯净的工作流体，同时通过将一部分浓缩的工作流体通过排放阀119排到排水管110而将其他物质和杂质从紧凑型冷却器120的工作流体隔室中除去。
冷凝器113可以可选地包括第二选择性转移膜，并且压缩的蒸气可以被提供给第二选择性转移膜的第一表面，并且排放流体可以被提供给第二选择性转移膜的第二表面，其中排放流体中的工作流体的分压低于第二选择性转移膜的第一表面处的工作流体的分压，使得工作流体输送通过第二选择性转移膜。
在某些实施方式中，水工作流体可以进一步包括不易于通过紧凑型膜冷却器120的选择性转移膜转移的至少一个额外组分，并且水工作流体和至少一个额外组分可以是混合物、悬浮液、乳液、浆液、胶体或其组合的形式。
另一方面，本发明提供了一种使用如本文所述的空气调节系统来冷却空气的方法。在一个实施方式中，该方法包括：提供未冷却的工艺空气进入热交换器的流入和冷却的工艺空气离开热交换器的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器被配置为将水工作流体与工艺空气隔离；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供水工作流体，以在第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧附近提供至少一层水工作流体；维持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的水工作流体的分压低于工作流体隔室中的水工作流体的分压，导致至少一部分水工作流体通过膜转移并作为水蒸气蒸发进入室中，其中水工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体室传递，以将工作流体维持在比工艺空气低的温度，其因而使得从工艺空气中吸取热量，使工艺空气流出的温度低于工艺空气流入的温度；压缩水蒸气；将压缩的水蒸气传送到冷凝器以将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物；并将冷凝物返回到工作流体隔室。
在某些实施方式中，流入的未冷却的空气101可以处于-1℃(30℉)至60℃(140℉)的温度。在某些实施方式中，流出的冷却的空气102可以处于-3℃(26℉)至59℃(139℉)的温度。
在某些实施方式中，水工作流体可以在紧凑型膜冷却器120的工作流体室中保持在-4℃(25℉)至59℃(138℉)的平均温度下。在一些实施方式中，紧凑型膜冷却器120的蒸气室中的水工作流体的分压保持在小于47kPa绝对压力。
在某些实施方式中，工作流体从热交换器表面到紧凑型膜冷却器120的选择性转移膜的距离足够小，使得通过该层的传导热传递有效地将期望量的热量从工艺流体传递到紧凑型膜冷却器120的选择性转移膜的蒸发表面。
在某些实施方式中，水工作流体可以以不高于选定设计值的温度保持在紧凑型膜冷却器120的工作流体隔室中，而无需维持水工作流体6的质量流量。在某些实施方式中，工作流体可以是具有0.6W/m-K的热导率和2462J/g的蒸发热的水。如果在热交换器2的第一表面和选择性转移膜1之间保持一层1.2mm厚的液态水，那么在整个该液态水上，对于每1K温差，可以保持500W/m2的传导热通量。进而，这种传导热通量驱动每平方米膜和1K温差的水的0.73kg/hr的蒸发，而没有水工作流体6的任何大量的质量流量。在某些实施方式中，工作流体基本上停滞在紧凑型膜冷却器120的工作流体隔室。
本文引用的专利、专利文献和出版物的完整公开内容通过引用整体并入，如同每个单独并入。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对本发明的各种修改和替换对于本领域技术人员将变得显而易见。应该理解的是，本发明并非意图被本文阐述的说明性实施方式和实例不适当地限制，并且这些实例和实施方式仅通过示例的方式给出，而本发明的范围旨在仅由如下所述的权利要求限制。

Claims (44)

1.一种用于冷却工艺流体的紧凑型膜蒸发冷却器，包括：
第一选择性转移膜；
热交换器，其邻近第一选择性转移膜的第一侧，热交换器构造成提供进入热交换器的未冷却的工艺流体的流入和离开热交换器的冷却的工艺流体的流出；
工作流体隔室，其在第一选择性转移膜和热交换器之间，工作流体隔室被配置为将工作流体与工艺流体物理隔离，其中所述工作流体隔室与第一选择性转移膜和热交换器直接物理接触，从而所述工作流体隔室提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧同时接触的至少一层工作流体，工作流体隔室包括能够填充工作流体的网状物或多孔泡沫；和
蒸气室，其邻近第一选择性转移膜的第二侧，蒸气室构造成保持室中的工作流体的分压小于工作流体隔室中的相同流体的分压，并且收集通过第一选择性转移膜转移并蒸发到蒸气室中的工作流体的蒸气，其中紧凑型膜蒸发冷却器被配置用于将热量从热交换器传递到工作流体隔室中的工作流体。
2.根据权利要求1所述的冷却器，其中蒸气室中的工作流体保持在小于大气压的绝对压力下。
3.根据权利要求1所述的冷却器，其中热交换器包括具有高比表面积的金属、塑料、陶瓷或复合表面。
4.根据权利要求1所述的冷却器，其中网状物或多孔泡沫包括金属、塑料、陶瓷、复合物或其组合。
5.根据权利要求1所述的冷却器，还包括压缩机，用于压缩通过第一选择性转移膜转移并且蒸发到蒸气室中的工作流体的蒸气，使得加压蒸气通过冷凝器中的第二工作流体流冷却，所述冷凝器提供液态的冷凝的工作流体。
6.根据权利要求5所述的冷却器，其中冷却器还包括构造成将冷凝的工作流体返回到工作流体隔室的通道。
7.根据权利要求5所述的冷却器，其中压缩机是机械蒸气压缩机或电化学蒸气压缩机。
8.根据权利要求5所述的冷却器，其中冷凝器是显热冷凝器。
9.根据权利要求8所述的冷却器，其中显热冷凝器选自由流体冷却冷凝器、辐射冷却冷凝器、传导冷却冷凝器、热电冷却冷凝器及其组合组成的组。
10.根据权利要求8所述的冷却器，其中显热冷凝器是空气冷却或水冷却显热冷凝器。
11.根据权利要求5所述的冷却器，还包括计量泵，计量泵构造成可选地将冷凝的工作流体的一部分从返回通道转移到降温喷嘴，降温喷嘴被配置成将雾化冷凝的工作流体喷射到压缩机和冷凝器之间的蒸气流中，以创造额外的蒸发冷却。
12.根据权利要求5所述的冷却器，还包括粗抽泵，粗抽泵通过隔离阀连接到冷凝器并且被配置为可选地去除不可凝气体。
13.根据权利要求5所述的冷却器，其中将冷凝的工作流体返回到工作流体隔室的通道被配置为将工作流体室保持在小于或等于冷凝器内压力的压力，其允许冷凝物在重力和/或压差的影响下返回工作流体隔室。
14.根据权利要求5所述的冷却器，其中压缩机是电化学压缩机，并且系统还包括压力调节装置，压力调节装置构造成在第一压力下接收工作流体蒸气和来自返回冷凝的工作流体通道的电化学载气的混合物，并且被配置成将该压力减小到第二较低的压力，所述第二较低的压力足以将冷凝的工作流体返回到冷却器的工作流体隔室，而不损害蒸气室中的工作流体的分压。
15.根据权利要求5所述的冷却器，其中冷凝器包括第二选择性转移膜，并且压缩蒸气被提供给第二选择性转移膜的第一表面，并且排放流体被提供给第二选择性转移膜的第二表面，其中排放流体中的工作流体的分压低于第二选择性转移膜的第一表面处的工作流体的分压，从而引起工作流体通过第二选择性转移膜输送。
16.根据权利要求1所述的冷却器，其中工作流体隔室还包括用于添加额外工作流体的入口和/或用于排出工作流体和任何溶解的固体的排水管。
17.根据权利要求1所述的冷却器，其中工作流体还包括至少一个额外组分，至少一个额外组分不易于通过第一选择性转移膜转移，并且工作流体和至少一个额外组分呈混合物、悬浮液、乳液、浆液、胶体或其组合的形式。
18.一种使用根据权利要求1所述的紧凑型膜蒸发冷却器来冷却工艺流体的方法，所述方法包括：
提供进入热交换器的未冷却的工艺流体的流入和离开热交换器的冷却的工艺流体的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器配置成将工作流体和工艺流体隔离；
在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供工作流体，以提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧同时接触的至少一层工作流体，
保持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的工作流体的分压低于工作流体隔室中的工作流体的分压，从而导致至少一部分工作流体通过第一选择性转移膜转移和作为蒸气蒸发进入蒸气室，其中工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体隔室传递，以将工作流体保持在比工艺流体更低的温度，从而导致热量从工艺流体吸取，使得工艺流体流出的温度比工艺流体流入的温度更低。
19.根据权利要求18所述的方法，其中工艺流体是空气。
20.根据权利要求19所述的方法，其中未冷却的空气处于-1℃（30°F）至82℃（180°F）的温度。
21.根据权利要求19所述的方法，其中冷却的空气处于-3℃（26°F）至81℃（179°F）的温度。
22.根据权利要求18所述的方法，其中工作流体是水。
23.根据权利要求22所述的方法，其中工作流体在工作流体隔室中保持在-4℃（25°F）至80℃（176°F）的平均温度下。
24.根据权利要求22所述的方法，其中蒸气室中的水工作流体的分压保持在小于47kPa绝对压力。
25.根据权利要求18所述的方法，其中工作流体从热交换器表面到第一选择性转移膜的距离足够小，使得通过该膜的传导热传递有效地将期望量的热量从工艺流体输送到第一选择性转移膜的蒸发表面。
26.根据权利要求25所述的方法，其中工作流体在不维持工作流体的质量流量的情况下以不高于选定设计值的温度保持在工作流体隔室中。
27.根据权利要求18所述的方法，其中工作流体基本停滞在工作流体隔室中。
28.一种空气调节系统，包括：
根据权利要求1所述的冷却器，其中工艺流体是空气并且工作流体是水；
压缩机，用于压缩通过第一选择性转移膜从工作流体转移并蒸发到室中的水蒸气；和
冷凝器，用于将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物；以及将冷凝物返回到工作流体隔室的通道。
29.根据权利要求28所述的空气调节系统，其中压缩机是机械蒸气压缩机或电化学蒸气压缩机。
30.根据权利要求28所述的空气调节系统，其中冷凝器是显热冷凝器。
31.根据权利要求30所述的空气调节系统，其中显热冷凝器选自由流体冷却冷凝器、辐射冷却冷凝器、传导冷却冷凝器、热电冷却冷凝器及其组合组成的组。
32.根据权利要求30所述的空气调节系统，其中显热冷凝器是空气冷却或水冷却显热冷凝器。
33.根据权利要求28所述的空气调节系统，还包括计量泵，计量泵构造成可选地将一部分冷凝物从返回冷凝物通道转移至降温喷嘴，降温喷嘴被配置为将雾化冷凝物喷射到压缩机和冷凝器之间的蒸气流中，以创造额外的蒸发冷却。
34.根据权利要求28所述的空气调节系统，还包括粗抽泵，粗抽泵通过隔离阀连接到冷凝器并且被配置为可选地移除不可凝气体。
35.根据权利要求28所述的空气调节系统，其中将冷凝物返回到工作流体隔室的通道被配置为将工作流体隔室保持在小于或等于冷凝器内部压力的压力，其允许冷凝物在重力和/或压差的影响下返回工作流体隔室。
36.根据权利要求28所述的空气调节系统，其中压缩机是电化学压缩机，并且系统进一步包括压力调节装置，压力调节装置构造成在第一压力下接收水蒸气和来自返回冷凝物通道的电化学载气的混合物，并且构造成将该压力降低到第二较低的压力，该第二较低的压力足以使冷凝物返回到冷却器的蒸气室而不损害蒸气室中的水工作流体的分压。
37.一种使用根据权利要求28所述的空气调节系统冷却空气的方法，所述方法包括：
提供进入热交换器的未冷却的工艺空气的流入和离开热交换器的冷却的工艺空气的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器构造成将水工作流体和工艺空气隔离；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供水工作流体，以提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧同时接触的至少一层水工作流体；
维持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的水工作流体的分压低于工作流体隔室中的水工作流体的分压，导致至少一部分水工作流体通过第一选择性转移膜转移并作为水蒸气蒸发进入室中，其中水工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体隔室传递，以将工作流体维持在比工艺空气低的温度，其因而使得热量从工艺空气中吸取，使工艺空气流出的温度低于工艺空气流入的温度；
压缩水蒸气；
将压缩的水蒸气传送到冷凝器以将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物；和
将冷凝物返回到工作流体隔室。
38.根据权利要求37所述的方法，其中冷凝物返回到工作流体隔室而不输入额外的机械能来移动冷凝物。
39.根据权利要求37所述的方法，其中未冷却的空气处于-1℃（30°F）至60℃（140°F）的温度。
40.根据权利要求37所述的方法，其中冷却的空气处于-3℃（26℉）至59℃（139℉）的温度。
41.根据权利要求37所述的方法，其中水工作流体在-4°C（25°F）至59°C（138°F）的平均温度下保持在工作流体隔室中。
42.根据权利要求37所述的方法，其中工作流体从热交换器表面到第一选择性转移膜的距离足够小，使得通过该层的传导热传递有效地将期望量的热量从工艺空气输送到第一选择性转移膜的蒸发表面。
43.根据权利要求42所述的方法，其中水工作流体在不维持水工作流体的质量流量的情况下以不高于选定设计值的温度维持在工作流体隔室中。
44.根据权利要求38所述的方法，其中水工作流体基本停滞在工作流体隔室中。
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