CN108700318A - 高效的用于质量传递的系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法、装置和设备，通过该方法、装置和设备系统，可以通过被润湿的固体表面以及供给的空气流控制液体的温度，并且通过与水源接触获取湿气，所述水源以及所述固体表面具有冷却的趋势，通过这种方式，避免因湿度调节过程中引入的液体的温度的降低而导致该设备或基于相同规律和/或现象影响的任意设备损失效率。

Description

高效的用于质量传递的系统和设备

技术领域

本发明涉及一种用于将蒸气分子从液体转移到气流的系统、方法和设备。特别地，它涉及一种用于增强空气和水污染物的加湿和过滤效果以及增加溶解在水中的溶质的系统和设备。具体地，描述了一种用于将水的质量传递到特定空气流的、具有固体表面和/水膜的系统和设备。本发明描述了一种增强质量传递的系统，其中液体(水)分子在接触液体和所述固体表面时通过质量传递的方式转移到气流(空气)中。

背景技术

液体具有一种叫做蒸气压力的物理化学性质。这种性质决定了液体的液相和气相之间的平衡。通过这种性质，液体总是倾向于在液相和气相之间建立平衡。

蒸发现象发生在由于液相和气相之间达到平衡而产生蒸气之时。如果与液相平衡的蒸气被气流吸收，则会产生新的蒸气以重新建立液相和气相之间的平衡。

质量传递是一种现象，它有许多应用，如应用在脱盐设备或环境控制系统中，这里仅仅列举了几个示例。

脱盐设备用于将盐分从海水中分离并去除以获得饮用水。海水含有溶解在其中的矿物盐，不适合人类饮用。饮用大量海水甚至会导致死亡。地球上大约有97.5％的水是含盐的，只有不足1％的水适合人类饮用，因此使海水可饮用是解决饮用水短缺的多种可行方案之一。一段时间以来，尤其是在中东国家，用于生产饮用水的脱盐设备已经被实现，然而，这种工艺成本昂贵，相对来说较少使用。目前全世界每天脱盐水的产量超过2400万立方米。现有的脱盐设备的主要缺点是，在从水中提取盐分的过程中，产生了危害植物和动物的盐类残留物和污染物。然而，这种脱盐工艺的主要问题是通过反渗透、蒸馏、冷冻、闪蒸、水合物形成或电渗析中的任一种工艺都会产生高能耗成本。众所周知，采用最有效的脱盐工艺生产出每立方米饮用水的平均成本约为5至5美元。

在这方面，有许多与脱盐工艺和设备相关的专利。例如，一个中国专利申请描述了一种采用电磁分离法的电渗析海水脱盐装置，该脱盐装置具有与磁极连接的上下电极和允许水流过管道的垂直出口连接管。

另一方面，中国实用新型CN203922783U涉及一种除盐电磁装置，包括设置有罐体的蒸发罐和连接到罐体上的控制器，罐体上设置有蒸气出口端，其中蒸气出口端连接到两个管道单元。这个文献的缺点在于没有在蒸发过程中对为此目标而采用的质量传递的势能进行利用。

在质量传递过程中，空气流遇到与液相平衡的蒸气，平衡被打破，并产生新的蒸气以恢复所述平衡，这里产生的空气是潮湿的空气。

所述质量传递过程应用于一些蒸发式湿度调节器中。

然而，一些湿度调节器应用了使用潮湿的材料的其他工艺，缺点是所述材料会成为真菌、藻类和需氧菌的产生源头。

美国专利号为US5,945,038涉及了一种包含吸收性材料的蒸发式湿度调节器，其中吸收性材料的一部分被淹没，而位于上面的部分暴露在空气中，这个专利还描述了采用浮球阀对水的供应进行控制。

沸腾式湿度调节器将空气流与沸水中获得的蒸气流混合。

所述蒸发器具有能够消除各种微生物的优点，但是这种蒸发器会产生一种“白色粉末”，该白色粉末由来自蒸气流夹带的水中的不溶性盐和矿物质组成。另一方面，蒸发式湿度调节器的缺点是需要消耗大量的能量以将水煮沸。此外，所述湿度调节器没有提供用于消除包含在空气流中的污染物的方法。

暖雾式湿度调节器对处在露点附近的蒸气进行操作。蒸气在快要与空气流接触时被冷却，从而获得蒸气、小水滴和空气的气体混合物。因此，这种设备具有保留空气中污染物的缺点。这种喷雾式湿度调节器同样没有提供用于去除存在于空气流中的污染物的方法。

在冷雾式湿度调节器中，水或含水的液体被喷射后与空气混合。这种设备的不足之处在于潮湿的空气流中的污染物和微生物会被保留。

这种湿度调节器也没有提供用于去除包含在空气流中的污染物的方法。

超声波式湿度调节器利用高频震动使水被喷射、蒸发。不过，它仍然存在需要昂贵的维护费用的缺点。此外，这种湿度调节器也没有提供用于去除包含在空气流中的污染物的方法。

如上所述，沸腾式、暖雾式、冷雾式和超声波式的湿度调节器没有去除包含在空气流中的污染物，因此在这样的湿度调节器中，污染物会与被加湿的空气流夹杂在一起。

另一方面，在蒸发式湿度调节器的例子中，即使通过过滤去除潮湿材料中的灰尘，与潮湿材料接触的灰尘也会导致真菌、藻类和需氧菌的产生。还有，随着时间的推移，在潮湿材料中积累的灰尘具有阻碍空气通过潮湿材料循环的趋势，从而影响水转移至蒸气流。

已知有不同类型的过滤器能够达到去除灰尘的目的。并且，利用泡沫在矿区环境(例如煤矿矿区)中的灰尘含量这一应用已被人所知。这种泡沫由喷射器产生，并在喷射器中与空气流和水流高速混合。

美国专利US 4,000,992(申请日为1977年1月4日)和US 4,400,220(申请日为1983年8月23日)描述了一种利用气旋中的气泡去除灰尘的系统。

最后，由本申请人提出的墨西哥专利264635涉及一种用于实现从液相到气相之间的质量传递并同时去除污染物的系统和装置，其特征在于，包含多个液膜生成单元，其中液膜与气流接触会坍塌，坍塌的液体材料覆盖悬浮颗粒并通过倾析方式去除所述悬浮颗粒，其中膜单元还增加了气流的速度，并使气流以45°的角度撞击液体表面。然而，所述蒸发器在质量传递的阈值上限方面存在不足。

此外，所述系统的接触表面以及水镜(水箱、贮存器、液体容器)会被冷却，所述水镜提供与流经所述系统的空气流接触的固体表面，该空气流吸收了水分；这是由于一种被称为“湿球”的现象，指的是当液体被冷却下来时，液体中的水分子在一种自然温度现象的作用下倾向于压缩自身(在极端情况下形成冰，那时水分子完全成为固体)；这种水分子的冷却方式大大降低了所有已知使用接触表面的冷却蒸发系统的蒸发能力。

本发明旨在提供一种将蒸气分子从液体转移到气流的高效的系统和设备，用于从潮湿的空气流中去除诸如灰尘和污染物的颗粒，除此之外，还用于去除液体(水)中的金属、颗粒和盐，从而充分地克服了上述系统和设备出现的相关问题。通过抑制液体镜(水)中的“湿球”现象实现了效率的提升。本发明的系统、方法和设备基于一个或多个元件，所述一个或多个元件能够利用接触表面增加液体温度，从而将湿度增加到1000％。

为了实施本发明，发明人研究了使用盘状物产生的水膜单元(气泡)的特性，其中，研究和验证了温度对所述盘状物和液体的影响以及使用盘状物产生的水膜单元(气泡)的特性，考虑了空气流速度，并特别地考虑了盘状物上的孔(膜单元)的尺寸。结果表明，在气体流(空气)中转移液体分子(水)的效率随着盘状物上的膜单元的温度和液体的温度的升高而增加。其中，与常规湿度调节器相比，气泡柱能够实现更高的效率。

发明内容

根据本发明，主要目的是提供一种高效的系统和设备，用于将蒸气分子从液体转移到气流。

第二个目的是发明一种高效的质量传递系统和设备，该系统和设备能够采用被加湿并承受空气流的固体表面来控制温度，以避免湿球现象。

本发明的第三个目的是提供一种高效的质量传递系统和设备，该系统和设备能清除来自湿润空气流中的灰尘和污染物并且不产生真菌、藻类和需氧菌。

本发明的第四个目的是提供一种高效的质量传递系统和设备，该系统和设备能清除水中溶解的溶质，例如盐、金属或水中的任何其它颗粒。

附图说明

为了详细描述本发明，在下文中将参考以下附图：

图1示出了本发明的高效的质量传递系统和装置的膜产生装置；

图2A和2B详细示出了本发明的高效的质量传递系统和设备的每个盘状物包含的元件；

图3示出了本发明的高效的质量传递系统和设备的膜的盘状物的装配板；

图4示出了本发明的系统和设备中用于自液体中转移出蒸气分子的膜产生装置的示意图；

图5示出了本发明的高效的质量传递系统和设备的分解示意图；

图6是本发明的通过电磁场感应捕获固体的质量传递系统的侧视剖面图。

具体实施方式

众所周知，利用接触表面实现的冷蒸发设备使水(可蒸发的液体)经过固体或半固体表面，接触表面经受空气流，该空气流具有吸湿能力，这意味着它的相对湿度小于100％，而当该空气流在潮湿的表面上交换湿度时，它吸收部分湿度，导致蒸发现象的出现(经过系统的干燥空气的相对湿度增加)。

在已知的系统中，接触表面和液体都经受空气流动，然后由于“湿球”现象被冷却，并且当它们由于所述湿球现象冷却下来时，由于分子在温度降低时会聚集在一起，因此效率会下降。

特别地，本发明涉及一种方法、设备和系统，通过该方法、设备和系统，经由固体表面可以控制液体的温度，该固体表面被加湿并经受空气流，空气流通过接触水源而变得潮湿；所述水源以及所述的固体表面的温度存在升高的趋势，当发生这种情况时，其效率会因接触表面以及在加湿过程中引入的液体的温度变化被抑制而增加。

根据图1，本发明的高效的质量传递系统包括用于液膜单元产生装置100，该装置包括多个设置在装配板120上的盘状物110，装配板120装配在用于旋转的轴130上，其中所述盘状物110相互平行设置且间距相等，以使产生水膜的多个盘状物110为圆柱形配置。

图2详细示出了包括在膜产生装置100中的多个盘状物中的一个盘状物110。

每个盘状物110具有中空的中心114，中心114包括设置在其周边的多个凹槽111，以及具有多个孔112的固体表面115，所述多个孔112彼此等间距地排列。特别地，每个孔112具有边缘113，水膜是通过边缘113产生的，在本说明书中，所述边缘将被称为膜单元。

如图2所示，所述孔112为椭圆形，并且每个椭圆形的边缘都呈波浪状，以便提供比较大的接触表面，从而有利于液膜的形成，其中，孔112的形状和所述孔112的边缘的形状适于形成液膜。

参照图1和图2，膜产生装置100的盘状物110的所述孔112之中以及盘状物110之间的间隙之中形成液膜，因此在盘状物110之间的间隙中也存在液膜以促进质量传递过程。

液体随气体流经过膜进行扩散(质量传递)，使得输出的空气被改变，其中液体的扩散取决于孔112中的膜的直径、水膜的速度(一定体积的空气中的膜液比)、水的温度，盘状物110的温度，从而导致质量传递系数的增加。

参考图2，每个盘状物110包括热发生器116，热发生器116包括位于每个盘状物110的固体表面115上的孔112之间的至少一个导电元件，其中所述热发生器116的形状呈波浪状(但不限于此)，从而在盘状物110的固体表面115上形成串联或并联的多个电阻器。然而，如图2所示，热发生器116的结构、形状和连接不限于上述配置，因此可以理解的是，替代的布局可以应用在具有不同的规则或不规则图案的盘状物110、孔112和热发生器116之间，且属于本发明的保护范围。

热发生器116由控制元件电驱动，该控制元件控制流经导电元件的电流。通过使用控制装置和温度传感器，形成所述导电元件的电阻器的温度被控制，其目的是为了增加质量传递区域内的点温度，以提高装置的效率。

因此，盘状物110的温度是利用位于其固体表面115上的热发生器116进行控制的，所述固体表面被加湿之后经受空气流，空气流通过与液体源接触反过来被加湿；所述盘状物110会将热量传递给液体源。通过这样的方式，系统内的温度得以被保持和控制，使得液体源镜中的“湿球”现象被抑制，从而将质量传递的效率和性能提高到1000％。

图3所示的装配板由一个矩形的装配板120组成，装配板120上设置沟槽301，其中所述装配板300呈梳子状。盘状物110的槽111(未示出)连接在装配板120的沟槽301中，以形成具有类似于圆柱体结构的膜产生装置。

对本领域技术人员来说显而易见的是，所述盘状物110可以具有任意形状，例如多边形。

参照图2和图4，盘状物110的中空中心114在配置为圆柱形的多个膜单元118内部限定出腔室117。配置为圆柱形的所述膜产生装置100的侧面的盘状物110的中空中心114被一对盖子170覆盖，从而防止气体流进入膜产生装置100的中心。

膜单元118形成于所述盘状物110的固体表面115和装配板120之间的空间中。所述膜单元118的形状为其中一个面被扩展的不规则立方体。多个盘状物110由允许传热和形成水膜的任何金属材料制成。

热发生器116将盘状物110加热到预定温度，从而蒸发浸渍在固体表面115上的液体，并使得所述盘状物110和膜单元112之间的水膜能够破裂。通过喷射气流，膜单元112形成在盘状物110之间。

根据图5，用于将蒸气分子从液体转移到气体流的高效的设备包括：构成设备外壳的第一盖板402和底座401，设备外壳可以由任何材料制成，例如金属或塑料，其中底座401包含待系统处理的液体，底座401可以包括至少一个电阻器，以便有效地对待处理的液体进行加热；第二盖板403，在其上具有供给槽400，用于供应气体或空气；以及喷出槽405，用于从设备中喷出气体。

空气对流装置404包括用于驱使空气或气体在系统内形成对流的任意装置。根据图5和6，所述装置是安装在内部导流器405上的轴流风扇，然而，可以使用产生空气流的任意系统，例如柱塞、涡轮、径向风扇、鼓风机、压缩机等。或者，还可以使用外部气流，例如，来自管道的气流。空气流或气体流可以是间歇性的或连续的。

电机406安装在底座407上，产生旋转运动并通过与齿轮或转动装置408之间的机械耦合将其传动膜产生装置100。

根据图6，由空气对流装置404喷出的空气被驱使经过膜产生装置100，该膜产生装置100包括多个盘状物110，每个盘状物110具有热发生器116，在图1至3中被详细示出。此外，热发生器116对包含在用于将蒸气分子从液体转移至气体流501的高效的设备的底座401中的液体500进行加热。

盘状物110连续或间歇地旋转，使得膜产生装置100在液体500中不断地浸没、露出，从而在构成膜产生装置100的每个盘状物110的孔112中形成液膜，另外，液膜形成在各个盘状物110之间的空间中。

因此，一旦由空气对流装置404注入的空气穿过盘状物110，一部分空气会因膜产生装置100的几何形状和梳子状的装配板120的位置而偏转，从而引导空气偏离。膜产生装置100所在区域内的空气压力是均匀的。

在装配板120所在区域内产生的涡流使空气在这些位置处再次被循环，这是有利的，因为经过盘状物110的气体流被要求必须是湍流，即由涡流值表达的螺旋旋转的湍流。被注入的空气借助于加装的导流器(图中未示出)形成多个向量，其中空气直接流向盘状物110和装配板300。因此，满足了施加在盘状物110上的较大的压力标准，并且确保了膜的破裂。

通过热发生器126将盘状物110加热到预定温度，该热发生器部分浸没在含有液体500的底座401中并达到一定的液位水平。膜产生装置100的盘状物110将产生的一部分热量传递给液体500。如图6所示，由于膜产生装置100的旋转，盘状物110被浸入到A位置。在该位置处，由于液体浸湿了部分盘状物110，因此底座401中的液体会被热发生器126加热到一定的温度。

此后，盘状物110旋转到B位置，曾被浸没的膜孔112中的一半在此时浮出，并且液体500的一部分回流到容器401中。然而，由于液体的表面张力，露出于底座401中的液体表面的每个孔112中会产生水膜。

至少一个水膜形成于膜产生装置100中的液体中，并受到由空气对流装置404注入的空气流的冲击。膜在坍塌时会将其自身喷射为成千上万的微粒。悬浮在空气中的颗粒会在膜的喷射作用下聚集并被倾析。

膜产生装置100中盘状物110的集合给本发明的系统和装置提供了形成通道的方法、时间和空间，以允许仍然分散在气体中的潮湿的微粒沉淀并凝集。

空气流501直接在膜产生装置100的水膜上产生冲击，当水膜接收空气流时破裂，从而将其自身喷射为成千上万个小液体微粒，这些微粒曾是各个水膜的一部分。

在水膜破裂时，伴随在着气体流中的固体颗粒和污染物由于饱和而被倾析。这种作用让悬浮的颗粒被捕获，使得其重量和沉淀比例在气体流中发生变化。

本发明中描述的液膜在与诸如灰尘之类的小颗粒材料接触时坍塌，并且部分塌陷的液膜具有加湿尺寸为1微米的颗粒的能力。这样，空气中的颗粒被收集并凝集。

同时，已塌陷的液膜形成的液体微粒被转移到对其进行加湿的空气流中。可替代地，可以添加香料，该香料也可通过对其芳香化而转移到空气流中。经此过程，最终产生的空气流是完全干净的，并且可以湿润、芬芳环境。

通过破坏膜，液体被喷出，有利于液体到气体流的转移，此外，通过控制液体500的温度，抑制了液体中的“湿球”现象，提高了质量传递的效率。随着液体的冷却，液体中的水分子在自然温度现象的作用下倾向于压缩自身(在极端情况下形成冰，那时水分子完全成为固体)；水分子的这种冷却方式大大降低了蒸发能力。

在本发明的优选实施例中，形成了多个膜单元的多个盘状物110作为膜生成装置100被示出，所述多个盘状物被配置成圆柱形。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，其不限于上述形式或单元的数量，上述配置方式可以改变。例如，它们可以配置成单元块，空气通过单元块循环，其中液体供应装置必须充满或润湿所述单元块。单元块状的膜生成装置包括在本发明保护的范围内。

Claims (14)

1.一种用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，包括：

底座和第一盖板，用于形成所述设备的外壳；

空气对流装置，其驱使空气或气体在所述设备中形成对流；

电机，安装在底座上，所述电机产生旋转运动并将其传递到膜产生装置，其特征在于，所述膜产生装置包括至少一个盘状物，所述盘状物包括：

中空中心；

沿其边缘设置的多个槽；

固体表面，具有在其区域内等间距分布的多个孔；以及

热发生器，其设置在所述固体表面上并排布在所述多个孔之间。

2.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述设备还包括上盖板。

3.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述设备还包括至少一个空气导流器。

4.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述热发生器(116)被控制元件电驱动，所述控制元件控制经过导电元件的电流，以控制组成所述导电元件的电阻器的温度。

5.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其特征在于，还包括：

第二盖板，其具有气体/空气的供给槽以及已过滤的气体/空气的喷出槽(405)，所述已过滤的气体/空气来源于所述设备。

6.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述空气对流装置包括在系统内驱使空气形成对流的装置。

7.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述空气对流装置选自轴流风扇、柱塞、涡轮机、径向风扇、鼓风机、压缩机、间歇性或连续的外部气流，或来自管道的气流。

8.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，位于每个盘状物上的所述孔为椭圆形。

9.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，在每个盘状物上的每个孔的边缘呈锯齿形。

10.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述膜产生装置为圆柱形配置。

11.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述热发生器包括由导电材料制成的电缆。

12.根据权利要求1所述的用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤的设备，其中，所述热发生器在每个盘状物的所述固体表面呈波浪状或波浪排布。

13.一种用于在设备中增强质量传递的方法，所述设备用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过设置在盘状物上的至少一个热发生器加热至少一个盘状物上的固体表面，所述盘状物包括膜产生装置；

将多个盘状物中的至少一个盘状物浸入到液体中以形成膜单元，所述盘状物具有椭圆形槽；

将至少一个热发生器产生的一部分热量传递到液体中，所述热发生器设置在盘状物上；

通过控制装置控制设备中的液相温度，以抑制液体中的湿球现象，从而提高质量传递的效率；

当至少一个椭圆形槽经过所述液体时，通过至少一个椭圆形槽形成液膜；

通过将液膜与其中注入的气体流接触使得液膜坍塌；

喷射气流，从被蒸发的水中除去颗粒，以及从注入的气体中除去固体和污染物。

14.一种用于增强设备中的质量传递的系统，所述设备用于提高湿度并对空气和水中的污染物进行过滤，其特征在于，所述系统包括液膜产生装置，包括至少一个盘状物，所述盘状物包括：

中空中心，多个槽排布在其边缘；

具有多个孔的固体表面，所述多个孔在所述固体表面上等间距地排布；以及

热发生器，设置在固体表面上并排布于多个孔之间。