CN109477498A - 用于从潮湿的气体混合物中获得水的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从处于第一温度的潮湿的气体混合物中获得水的方法和装置,所述装置具有:压缩机,其适用于将气体混合物从第一压力压缩到第二压力,在第二压力下,气体混合物的露点处于第一温度以上;压力容器,用于接收气体混合物,并且在压力容器中从气体混合物中冷凝出至少第一份额的水;压力交换器,其适用于将第二压力从含水量减小的气体混合物传递至气体混合物的新鲜进料;以及从压力交换器到压力容器的线路,用于将处于第二压力的新鲜进料从压力交换器传输至压力容器中。
Description
本发明涉及一种用于从潮湿的气体混合物中获得水的装置和方法。
在世界的一些地区,现在已经存在很少的饮用水。这个问题在未来几年内将显著增长。其原因一方面是气候变化,另一方面是人口和经济增长。到2020年,水需求预计将增加40%。
在沿海地区产生饮用水和工业用水的一种可能性是海水淡化。通常借助反渗透从海水中产生饮用水和工业用水。然而,这种技术产生大量的高盐浓缩物作为废物。对这种高盐浓缩物的清除经常通过排入海中来进行,在那里对环境造成很大的破坏。
一种用于获得水、尤其是获得饮用水的可能的替换方案是从空气中获得水。
在从空气中获得水时,尤其是已知利用电动冷却器将表面冷却到空气的露点以下。在露点以下,水从空气中冷凝出,因此可以获得水。不利的是,这种技术具有高的能量消耗。即使利用冷却回收设备或者对进入的空气流的预冷却,这种水获得方法的能量消耗也不利地很高。
因此,本发明要解决的技术问题是给出一种使得能够高效节能地从空气水获得水的方法和装置。
上述技术问题利用根据权利要求1的装置和根据权利要求5的方法来解决。
根据本发明的用于从处于第一温度的潮湿的气体混合物中获得水的装置包括压缩机设备,其适用于将气体混合物从第一压力压缩到第二压力,在第二压力下,气体混合物的露点处于第一温度以上。此外,所述装置包括压力容器,用于接收处于第二压力的气体混合物,并且用于在压力容器中从气体混合物冷凝出至少第一份额的水。此外,所述装置包括压力交换器,其适用于将第二压力从含水量减小的气体混合物传递至气体混合物的新鲜进料。压力交换器和压力容器通过线路相互连接,使得可以将新鲜进料在第二压力下从压力交换器引导到压力容器中并且将含水量减小的气体混合物从压力容器引导到压力交换器中。
根据本发明的用于从处于第一温度的潮湿的气体混合物中获得水的方法一方面包括将气体混合物从第一压力压缩到第二压力,在第二压力下,气体混合物的露点处于第一温度以上。然后,将气体混合物引导到压力容器中。在压力容器中,从气体混合物中冷凝出至少第一份额的水,从而从气体混合物中获得至少第一份额的水。此外,将处于第二压力的含水量减小的气体混合物引导到压力交换器中。在压力交换器中,将第二压力从含水量减小的气体混合物传递到压力交换器中的气体混合物的新鲜进料。然后,将处于第二压力的气体混合物的新鲜进料引导到压力容器中。
迄今为止,通过借助使用涡轮机使经过除湿的气体混合物降低压力,并且利用发电机产生电能,在对气体混合物进行除湿之后进行能量回收。然后,为了获得水,又必须利用压缩机对相同量的新鲜的潮湿的气体混合物进行压缩。
通过使用压力交换器,有利地在能量上对压缩气体混合物的方法进行优化。经过除湿的气体混合物将压力输出至气体混合物的新鲜进料,使得可以在更高的压力下、尤其是在第二压力下将新鲜进料引导回压力容器中。压力交换器以处于96-98%的范围内的效率工作,因此与使用涡轮机或者发电机来回收压力能(效率大约为80%)相比,有利地明显更有效。有利地,仅借助压缩机设备对代替分离出的水并且补偿压力交换器中的很小的能量损失的少量的新鲜的气体混合物进行压缩。
此外,有利地避免了必须借助冷却设备将气体混合物的温度冷却到环境温度以下,以使其低于露点。冷却设备不利地经常由于在冷凝器上形成的冰层而具有较低的效率,因为隔离效果不利地削弱了进一步的冷凝过程。
在本发明的一个有利的设计方案和扩展方案中,压力容器包括具有第一表面的热交换器,其中,第一表面适用于将冷凝热传输至环境中。特别有利地,冷凝热借助环境空气传输至环境中。于是,压力容器中的热交换器必须具有足够大的表面,以使得能够与冷却介质空气进行有效的热交换。与在环境压力下利用冷却设备进行冷却相比,在压力容器中在提高的第二压力下利用环境空气进行冷却,可以有利地保证对压力容器中的温度分布进行更好的控制。
在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中,压力交换器是单元环式压力交换器或者旋转压力交换器。这种压力交换器的效率有利地处于96-98%的范围内。
本文中的压力交换器表示适用于在压力操作过程中执行几乎等压的能量传递的设备。尤其是,可以利用压力交换器将液体流或者气体流在经历一个过程之后剩余的压力能传递至进料流,因此将其回收。在这里使用的压力交换器中,在保持液压的情况下进行能量传递。这在技术上通过在压力管中进行空间挤压来实现。处于高的第二压力下的含水量减小的气体混合物将压力传递至压力管中的新鲜进料气体混合物。可移动的屏障、尤其是密封液体或者活塞阻止这两种气体混合物的混合。于是,通过使用高侧阀和低侧阀来交替地连接高压侧和低压侧。
可以借助多个压力管来优化从高压切换到低压时的连续传输和压力平衡。在旋转交换器中,有利地可以特别有效地传递能量。
在旋转压力交换器中布置有圆柱形的转子,转子包括平行于转子轴的孔。具有高的第二压力的含水量减小的气体混合物在一端进入旋转交换器,并且将压力直接传递到转子的另一端处的处于低压的新鲜进料气体混合物流。可移动的屏障、尤其是密封液体或者活塞阻止这两种气体混合物的混合。通过转子转动,连接线路分别在两侧交替打开和关闭。在中间位置,旋转压力交换器关闭两端,因此承担阀的功能。
在本发明的另一个有利的设计方案中,第一温度处于5℃至60℃、尤其是15℃至45℃的范围内。水的冷凝有利地在环境温度下进行。因此,露点有利地处于第一温度以上。
在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中,压力处于1bar至30bar的范围内,尤其是处于1bar至10bar的范围内。一般必须提高压力,使得露点处于存在的压力以下。因此,可以借助露点曲线来确定最小压力。
在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中,压缩机设备通过风轮来驱动或者集成到风轮中。对气体混合物的压缩于是在风轮中借助风能进行。有利地,可以利用风轮直接使用风能来压缩环境空气。在将风轮的旋转能量转换为电力时,大约70%的效率是常见的。在利用电力驱动的压缩机中附加地出现损耗。可以使该损耗明显降低。一般在风轮的中心吸入环境空气,并且在耐压管中借助通过风轮的整个转子横截面捕获的风能对其进行压缩。耐压管可以从转子叶片中间的风轮的中心延伸到地面上的风塔的底部。在耐压管的表面上可以排出在水冷凝时产生的热。
替换地或者附加地,压缩机设备是电动压缩机。有利地,仅利用该电动压缩机压缩由于水冷凝而离开压力容器并且没有被引导通过压力交换器的部分。由此也可以补偿压力交换器中的压力损失。由此有利地在获得水时节约能量。
借助附图详细说明本发明的其它实施方式和其它特征。其是不旨在限制保护范围的示例性的实施方式和特征组合。
在此:
图1示出了具有压力容器、压缩机和压力交换器的水获得设备;
图2示出了用于获得水的方法步骤的概览。
在图1中示出了具有压力容器2、电动压缩机3和压力交换器4的水获得设备1。将潮湿的进料气体混合物30在第一压力P1下引导到压缩机3中。在压缩机3中,潮湿的进料气体混合物被压缩到第二压力P2。潮湿的气体混合物30特别地是空气或者潮湿的废气。在该示例中,进料气体混合物是空气。随后,将压缩到第二压力P2的空气30引导到压力容器2中。在压力容器2中,从潮湿的空气中冷凝出水。然后,可以将水32从压力容器2中引出。冷凝热33可以通过热交换设备输出到环境中。特别优选利用环境空气冷却压力容器2。在这种情况下,压力容器2包括散热片,以尽可能大地设计可用于进行热交换的表面。将经过除湿的气体混合物、即经过除湿的空气34在第二压力P2下引导到压力交换器4中。同样将新鲜的进料气体混合物30引导到压力交换器4中。然后,在压力交换器4中进行第二压力P2从经过除湿的空气34到进料混合物空气30的压力传递。然后,进料气体混合物空气36在第二压力P2下离开压力交换器4,进入压力容器2。经过除湿的气体混合物空气34离开压力容器2。仅必须在压缩机3中将作为水32冷凝并且通过压力交换器而产生压力损失的气体混合物的部分压缩到第二压力。
作为压缩机3的替换或者作为压缩机3的附加,压缩机设备可以是风轮。
在示例性的方法中,环境空气的温度为27℃,相对空气湿度为60%。于是,空气的含水量是13g水/kg空气。借助这种水获得方法,要将空气的含水量干燥为7g水/kg空气的含量。
为此,必须将压力从1bar提高至4bar。在压缩机效率为80%的情况下,对于空气中的该水含量,产生每一升饮用水应当施加0.05kWh的功。针对压力交换器的损耗可以预期96%的效率,从而产生每一升饮用水应当施加0.22kWh。因此,在该示例中,产生每一升饮用水得到0.27kWh的总能量。在稍微更好的气候条件下,即在更高的温度下更潮湿的空气的情况下,还可以得到产生每一升饮用水低于0.2kWh的值。这意味着,这种方法像已经在现有技术中使用的从空气中获得水的方法那样同样是高效节能的。
图2示出了用于从空气中获得水的方法。将进料气体混合物空气在第一压力P1下引入压缩机3中,以压缩到第二压力P2。该步骤作为步骤100进行。在接下来的步骤101中,在压力容器2中在第二压力下从气体混合物中冷凝出水32。随后,将经过除湿的气体混合物34引导到压力交换器4中。在压力交换器4中进行压力交换102。在此,第二压力P2从经过除湿的气体混合物空气34传递至新鲜的进料气体混合物30。在此,经过除湿的气体混合物的压力从第二压力P2降低到第一压力P1,而新鲜的进料气体混合物30从第一压力P1提高到第二压力P2并且可以将其引导到冷凝步骤101。在压力交换102之后,将经过除湿的气体混合物35引导出该过程。
Claims (9)
1.一种用于从处于第一温度的潮湿的气体混合物(30)中获得水(32)的装置(1),所述装置包括:
-压缩机设备(3),其适用于将气体混合物(30)从第一压力(P1)压缩到第二压力(P2),在所述第二压力下,气体混合物的露点处于第一温度以上,
-压力容器(2),用于接收气体混合物(31),并且在压力容器(2)中从气体混合物(31)中冷凝出至少第一份额的水,
-压力交换器(4),其适用于将第二压力(P2)从含水量减小的气体混合物(35)传递至气体混合物的新鲜进料(36),
-其中,压力交换器(4)和压力容器(2)通过线路相互连接,使得能够将处于第二压力(P2)的新鲜进料(36)从压力交换器(4)引导到压力容器(2)中,并且能够将含水量减小的气体混合物(34)从压力容器(2)引导到压力交换器(4)中。
2.根据权利要求1所述的装置(1),其中,压力容器(2)包括具有第一表面的热交换器,第一表面适用于将冷凝热(33)从压力容器(2)传输至环境中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1),其中,压力交换器(4)是单元环式压力交换器或者旋转压力交换器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1),其中,压缩机设备是风轮和/或者电动压缩机(3)。
5.一种用于从处于第一温度的气体混合物(30)中获得水(32)的方法,所述方法包括:
-将气体混合物(30)从第一压力(P1)压缩到第二压力(P2),在所述第二压力下,气体混合物(31)的露点处于第一温度以上,
-将气体混合物(31)引导到压力容器(2)中,
-在压力容器(2)中从气体混合物(31)中冷凝出至少第一份额的水(32),
-将处于第二压力(P2)的含水量减小的气体混合物(34)引导到压力交换器(4)中,
-在压力交换器(4)中将第二压力(P2)从含水量减小的气体混合物(34)传递至气体混合物(30)的新鲜进料,
-将处于第二压力(P2)的气体混合物(36)的新鲜进料引导到压力容器(2)中。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,第一温度处于5℃至60℃的范围内。
7.根据权利要求5或者6所述的方法,其中,第二压力(P2)处于1bar至30bar的范围内。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法,其中,气体混合物的压缩在风轮中借助风能或者以电动的方式进行。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法,其中,利用环境空气冷却压力容器(2)。
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