CN111278532A

CN111278532A - 基于低温热量从空气中生产水的方法以及用于该方法的机器和系统

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Publication number: CN111278532A
Application number: CN201880069307.3A
Authority: CN
Inventors: V·M·金泰尔; M·西蒙尼特; G·弗莱卡斯特罗
Original assignee: Politecnico di Torino
Current assignee: Politecnico di Torino
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2038-10-01
Also published as: EP3700658A1; CN111278532B; IT201700120788A1; WO2019082000A1; US20200340693A1; US11674699B2

Abstract

一种用于由空气中生产水的方法包括循环和连续地重复以下两个阶段：‑第一阶段a)，它包括以下步骤：a1)从外部吸入空气；a2)朝向焓换热器(EHX)传送所述空气，该焓换热器包含吸附剂材料(MAT_AD)，该吸附剂材料在内部积聚存在于所述空气中的水分；a3)输出干燥空气，以及‑第二阶段b)，它包括以下步骤：bl)通过低温热源向所述焓换热器(EHX)供给热量；b2)传送空气流通过所述焓换热器(EHX)，其中，与所述焓换热器(EHX)接触的所述空气被加热，同时收集包含在所述吸附剂材料(MAT_AD)中的水分；以及b3)使得所述经加热和加湿的空气流达到环境温度，以使得包含于其中的水分冷凝，从而获得水。

Description

基于低温热量从空气中生产水的方法以及用于该方法的机器和系统

技术领域

本发明涉及通过主要利用低温热量来从大气中抽取水的技术。

更详细地说，本发明通过主要利用低温热量(例如通过太阳能热系统来产生的热量)通过一种从大气中抽取水的高效和经济的方法来解决较低水资源的问题，该问题困扰世界上的很多国家。

本发明提出了一种用于从大气中抽取水的方法，该方法基于创新的热力学循环。

另外，本发明提出了一种用于执行所述循环的紧凑系统，该系统的尺寸设置成可以满足一家或一群人的饮用水和卫生用水的需求。

这种循环需要使用极其经济的技术和能量资源，因此对于小规模的应用也很有利，例如用于在没有水资源的环境中向各个家庭或一群人供水。

背景技术

有多个专利提出了通过使用基于消耗来自化石能源的电或热能的不同技术而从空气中抽取水的方法。

生产率方面最有效的方法非常耗能，从而需要大量的电力或化石燃料。

基于可再生能源开发的其它系统在它们从空气中抽取水的最大能力方面受到一些限制，同时有非常大的总体尺寸。因此还没有使用这些专利的技术应用。

在这两种情况下，从空气中生产水的成本都很高，因此很难基于现有的方法来实施该技术，除了极少的情况或非常大的系统。

用于从大气中生产水的技术主要基于两种方法：

i)表面冷却；

ii)通过干燥剂系统的蒸气冷凝。

i)表面冷却。

在前一种情况下，表面冷却至环境空气的露点以下，以便驱动表面自身的蒸气冷凝处理。露点取决于当地的气候条件，并通常低于12℃。气候越干燥，该值越低。

该温度能够这样获得：

(A)通过制冷循环，或

(B)通过利用夜间辐射冷却。

情况(A)的制冷机可以有多种类型：

-机械蒸气压缩机，它的压缩机被供给电能。关于这种系统的可靠性和生产成本，该技术相当成熟，并广泛用于环境制冷和空调领域。向它供给的电力能够通过基于利用化石资源(石油、天然气、煤炭)的常规系统或者通过基于利用可再生资源(太阳能、风能、生物物质等)的替代系统来产生。在前一种情况下，存在关于通过消耗化石资源来进行水生产的环境和经济可持续性的问题。在后一种情况下，关于在可再生资源和蒸气压缩机之间连接的技术问题只能通过增加系统安装成本来解决，因此限制了它的应用领域。

-吸收类型制冷机，它需要热量供给，用于再生在循环中使用的冷却流体。这种热量有通常大约90℃的最低供给温度。这种热量水平能够通过来自工业生产处理或常规动力产生系统的废热来提供。作为替代方式，低温太阳能热系统也能够使用，但是从效率的观点来看，所需的温度限制了它的可用性，因为需要较大的装置表面，从而导致较高的安装成本。从经济的观点来看，这个因素极大地影响了它们的应用。还应当指出，在很多情况下，吸收类型机器使用特别有侵蚀性(aggressive)和有毒的液体，这对于系统维护带来很多严重的问题。

对于情况(B)，存在利用夜间辐射冷却的系统。这些是无源系统，还利用在白天和黑夜之间的热偏移。暴露于天空的表面具有在红外线范围内的辐射发射，从而导致热量由该表面流向天空。当该机构与具有较大夜间热偏移特征的气候相结合时，在裸露表面上的温度能够达到低于当地露点条件的温度。因此，水蒸气冷凝在该表面上，且水进行收集和累积。这样的系统没有能量消耗，但是需要较大的暴露表面来提供大量的水，

ii)使用干燥剂系统。

这些系统基于通过将露点值提高至环境温度来增加处理的空气的水分含量。

这种系统的操作能够表示为两个阶段：

·除湿阶段，其中，与环境空气接触的干燥剂物质捕获空气的水蒸气，并将除湿后的空气释放至环境中。水蒸气积聚至干燥剂中，直到达到饱和状态，在该状态下，蒸气传递机构中断。

·再生阶段，其中，通过向饱和干燥剂材料施加热量，物质传递机构反向，水蒸气从干燥剂物质运动至环境空气中，从而增加了它的水分含量。在此阶段，当空气的露点足够高时，水蒸气将在环境温度下冷凝在表面上。

存在多种干燥剂材料，它们可以是液体或固体。通常，这些材料在工业水平上用于对处理空气除湿或用于分离烃化合物。

下面将列出多个已经发现和进行分析的专利文件，并进行简要说明和确定最重要的缺陷。

-US3299651(1967)“用于提供空气调节和生产淡水的系统”，介绍了一种蒸气压缩机，该蒸气压缩机冷凝在蒸发器处预加湿的空气。在冷凝器处，它使用蒸发冷却技术用于微咸/非净化水。参考技术和热力学循环涉及热泵。环境露点条件通过表面冷却来达到。该系统基于电力消耗。

-US3334026(1967)“通过暴露于来自污染水源的水蒸气而从升高至高湿度的空气中生产淡水”，介绍了从具有高水分含量的气流来生产淡水。大气首先加热，然后通过暴露于非净化水流而加湿。最后，空气冷却，以便冷凝其中包含的水。该系统需要不可饮用水源。它不适用于沙漠地区。

-US3400515(1968)“从大气中生产水”，介绍了通过使用简单装置而直接从大气中生产水。在夜晚储存水汽的亲水性系统(MgSO4*7H2O)通过直接暴露在太阳辐射下而干燥。水冷凝在收集锥形体上。这是生产率低的无源系统。当尺寸设置成生产水平与参考水平相当时，该系统将非常庞大。

-US7043934B2(2006)“用于从空气中收集水的装置”，介绍了一种与不同空调系统结合的、用于从空气中收集水的系统。处理系统是：a)蒸气压缩机，有或没有在蒸发器的上游和下游的热回收单元；具有用于空气运动的单风扇或双风扇，以及b)露天DEC系统，用于冷凝轮下游的再生空气。干燥剂轮的再生是等焓。与热泵相连的系统具有高能量消耗。

-US8584480B1(2013)“可适应的水收集装置”，介绍了一种系统，其中，周围空气借助于吸收机而冷却至露点，来自柴油机的废热供给至该吸收机。该系统的尺寸设置成用于向美国军队的550名军人提供可饮用和卫生的水，并与840kW的柴油机连接。因此，该系统使用化石燃料。

-US7121101B2(2006)“多用途绝热可饮用水生产装置和方法”，介绍了一种基于通过蒸气压缩机来达到露点条件的系统。该系统在降低温度下提供两级冷却，以便提高能够从空气流中抽取的水量。它使用电动热泵。

-US4146372(1979)“用于从大气中回收水的方法和系统”，介绍了一种系统，其中，水通过吸附/吸收方法(基于硅胶)而从空气中回收，该吸附/吸收方法利用在白天和夜晚之间的温度差。太阳辐射用于加热空气以便再生材料。参考转变是等焓的。为了确保良好的可生产性，该系统占用相当大的安装表面和体积。

-US4365979(1982)“水生产装置”，介绍了一种系统，其中，循环基于具有除湿转子的典型DEC系统。再生空气和吸附空气在转子的不同部分中平行地流动。参考转变是等焓的。再生温度较高。空气流的平行和同时操作涉及高吸附速率，从而导致负载损失的问题，因此导致相当大的功率消耗。

-US5203989(1993)“可饮用的空气-水发生器”，介绍了一种嵌入系统，用于通过使用热泵而从空气中生产水，该热泵与过滤和可饮用系统集成在一起。该系统使用蒸气压缩机来用于达到环境露点条件。该机器主要由电能来提供动力。

-US5846296(1998)“用于从潮湿大气中回收水的方法和装置”，介绍了一种用于通过在封闭环境中利用吸收剂材料净化污染源或从空气中回收水的方法。该系统封装在玻璃结构中，该玻璃结构允许太阳辐射通过，用于材料再生。该系统是无源类型。参考转变具有较低生产率。系统的操作只基于白天-夜晚交替。

-US6230503B1(2001)“用于从空气中抽取水的方法和装置”，介绍了一种用于从湿空气中抽取液态水的方法和装置。系统基于压缩、在室温下冷却并使得有限容积的空气减压的机构，用于冷凝其中包含的水量。系统由机械能来提供动力，这要求供应给系统的能量有更高质量(电能)。

-US6336957B1(2001)“从大气中抽取水的方法和装置”，介绍了一种用于通过使用固体或液体吸收剂物质而从大气中抽取水的方法和装置。该材料进行循环加热和冷却，以便改变密封腔室中的压力，从而引起水蒸气压力的变化。该方法基于需要压力密封的压力变化。为了冷凝水，需要产生局部真空，从而有相当大的安装复杂性和较高的操作温度。

-US6481232B2(2002)“用于冷却封闭空间和从湿热空气中生产淡水的装置和方法”，介绍了一种用于冷却封闭空间和收集冷凝水的组合生产的方法和系统，用于湿热气候中。该系统基于达到大气环境的露点条件。

-US6684648B2(2004)“用于从极热和潮湿的空气中生产淡水的装置”，介绍了一种系统，该系统使用常规的蒸气压缩制冷机，用于从空气中冷凝水。另外，紫外线/活性炭可饮用系统使水也可用于紧急情况。该系统基于达到大气环境的露点条件。操作温度较高。该系统需要大量电能，以便获得规定的生产率。

-US6868690B2(2005)“由湿热空气生产人类、动物和植物所需的可饮用水和淡水”，介绍了一种系统，该系统组合不同技术用于达到环境露点条件，以便从空气中冷凝水。水可饮用系统与这些系统相连，以便除去颗粒和其它污染物。该系统基于达到大气环境的露点条件。

-US8118912B2(2012)“低功率大气水发生器”，介绍了一种系统，该系统使用除湿转子，以便从环境空气中捕获水分，然后该转子进行再生，以便冷凝生产的蒸气。水处理和净化系统提供在下游。除湿材料的再生是等焓的。该系统的特征是高再生温度和低生产能力。

-US2006/0005561A1(2006)“冷凝水生产系统”，介绍了一种系统，其中，环境空气首先过滤，然后冷却至露点，然后使它的水蒸气冷凝。水蒸气进行收集和进一步处理，用于可饮用。冷却系统使用电动蒸气压缩机。主要能量源是电。在不发达国家的可用性较差。

-US2008/0022694A1(2008)“具有添加剂控制系统的水生产方法和装置”，介绍了一种用于从空气冷凝物中生产可饮用水的系统。水净化除去颗粒、污染物和细菌。冷凝物通过常规的蒸气压缩系统来生产。该文件着重介绍用于将可饮用系统与制冷机集成在一起的系统的结构。

-US2008/0314062(2008)“水冷凝器”，介绍了一种系统，该系统使用常规的蒸气压缩制冷机来用于从空气中冷凝水。系统基于达到大气环境的露点条件。该系统需要大量的电能来用于提供所需的生产率。

-US2009/0293513A1(2009)“用于从空气中除去水的机器和方法”，介绍了一种系统，该系统使用常规的蒸气压缩制冷机来用于从空气中冷凝水。该系统基于达到大气环境的露点条件。

-US4433552(1984)“用于回收大气水分的装置和方法”，介绍了一种方法和装置，用于通过使用风力驱动发电机来向用于冷凝水分的蒸气压缩制冷机提供动力而从大气中回收水分。该系统由风能可再生能源来提供动力。通过达到环境露点而从空气中冷凝水。

-US6828499B2(2004)“用于收获大气水分的装置和方法”，介绍了一种用于收获水的冷凝面板。它利用每天循环的这些时间(夜晚、早晨)，这时湿度接近100％，只需要很少的冷却来冷凝蒸气。它利用光伏能源向Peltier电池提供动力。该系统部分基于辐射冷却原理，部分基于Peltier电池，用于冷却小容积的表面。

-US6945063B2(2005)“用于收获大气水分的装置和方法”，介绍了一种用于在相对较高湿度的环境中从大气中生产水的系统。表面温度降低，以便促进在限定潮湿环境中的冷凝。该系统包括光伏面板，该光伏面板发电，用于驱动冷却系统。该系统设想用于屋顶安装。在干燥环境中，它的效果将非常差。

-US8221514B2(2012)“用于从空气中收获水的生态清洁方法和装置”，介绍了一种方法，该方法基于当环境空气通过会聚/发散喷嘴进行回旋运动时在该环境空气的热力学状态中发生变化。应用主要集中在飞机系统上。

-US8627673B2(2014)“大气水收获器”，介绍了一种用于从大气中生产水的系统，该系统包括蒸气压缩冷却系统。该系统基于达到大气环境的露点条件。该系统由电能来提供动力。

-US9057557B2(2015)“回收和分配可饮用水的装置和方法”，介绍了一种用于从湿空气中生产净化的饮用水的装置和系统。该装置包括制冷机和杀菌系统。该系统还能够除湿、提高空气质量和提供空气调节。该系统基于达到大气环境的露点条件。该系统由电能来提供动力。

-US2006/0065001A1(2006)“用于从大气中抽取可饮用水的系统和方法”，介绍了一种用于通过使表面冷却至低于露点而生产可饮用水的系统。该系统基于达到大气环境的露点条件。

-US2008/0184720A1(2008)“组合脱水器和冷凝水分配器”，介绍了一种用于供给可饮用水的系统，该系统与由蒸气压缩机供给的冷却电池相连。净化系统提供用于冷凝水的可饮用化的处理。该系统基于达到大气环境的露点条件。该系统由电能来提供动力。

-US2009/0077992A1(2009)“水生产方法和装置”，介绍了一种用于从空气中生产冷凝水以及用于进行净化和灭菌的系统。该系统基于达到大气环境的露点条件。该系统由电能来提供动力。

-US2010/0083673A1(2010)“具有空气旁路的水生产系统和方法”，介绍了一种用于冷凝空气中的水蒸气的装置和方法，它包括导管、空气运动系统和制冷系统。该系统基于达到大气环境的露点条件。该系统由电能来提供动力。

-US2011/0094196A1(2011)“用于从空气中收获水的生态清洁方法和装置”，介绍了一种用于冷凝潮湿风的生态机器。该系统包括一系列依次的喇叭管和翼板状型面。这些使得空气流进行涡流运动，该涡流运动使得它的温度降低至环境露点条件。

因此，该领域可以说非常活跃，但是还没有找到最佳方案，该最佳方案在低成本、可忽略的功率消耗以及在干旱环境中使用的方面完全令人满意。

在北非、中东以及亚洲的中部和南部地区，可饮用水的短缺是特别关键的问题。

常规的蒸馏和/或脱盐系统(例如多级闪蒸和反渗透)的特征是高能耗和相对高的运行成本，这是大型工厂在经济上不可维持的原因。

基于上述方法的大多数可饮用化工厂都由化石资源来提供动力，具有很强的环境(污染物排放)和经济影响。

还必须指出，在任何情况下，这些技术都需要可获得液态(尽管污染)的水。

这种条件并不总是满足，特别是在干旱地区。

发明内容

因此，还需要可以克服上述缺点的方案。

本文提出的方案能够通过根据权利要求1的方法来克服现有技术的缺点。

本文提出的方案还涉及根据权利要求6和10的、用于从空气中获取水的机器和系统。

在提出的方案中，空气流能够在环境温度下冷凝，从而避免使用制冷机。

附图说明

在下面的详细说明中将介绍本发明的其它特征和优点，该详细说明只是通过非限定实例参考附图来提供，附图中：

图1表示了本文所述方案的操作的示例概念方案，该方案里包括阶段a)和阶段b)；

图2和图3是热力学循环的两个图表；

图4表示了由两个机器组成的系统的实例，这两个机器在两个阶段a)和b)中交替工作；

图5、10和11表示了图4的系统的实施例。

图6、7、8和9表示了构成图4的系统的一些元件。

具体实施方式

下面的说明将阐述多种特定细节，这些细节有利于深入理解一个或多个实施例的一些实例。实施例可以在没有一个或多个这种特定细节的情况下或者通过其它方法、组件、材料等来实施。在其它情况下一些已知的结构、材料或操作将不会详细表示或描述，以避免遮蔽实施例的各个方面。在本说明书中，任何涉及“实施例”将表示特殊的设置、结构或特征包含在至少一个实施例中。因此，在本说明书的不同部分中可能存在的短语“在实施例中”和其它类似短语将不需要都涉及相同实施例。而且，在认为合适时，任何特殊的设置、结构或特征可以组合在一个或多个实施例中。

因此，以下参考只是用于简化的目的，并不是限制各种实施例的保护范围。

大气(更确切地说包含于其中的水)能够是上述问题的解决方案。

大气层是一种巨大和广泛分布的可饮用水的可再生资源，估计包含大约12900km³的呈水蒸气形式的水。因为水可以以蒸气状态获得，因此必须进行一系列热力学转变，以便使它冷凝成液态。

空气是各种气态物质(包括水蒸气)的混合物。空气中水蒸气的量由它的分压Pv来确定。

在给定的总空气温度和压力条件下，分压Pv不超过极限值，称为饱和压力Ps。

相对湿度RH定义为在这些项之间的百分比比率：RH＝Pv/Ps。

当温度升高时，饱和压力Ps的值也升高，从而提高了包含水(以蒸气状态)的能力。

通过将蒸气近似为气体，能够应用理想气体的热力学关系PV＝nRT来确定蒸气量，温度和压力条件是已知。

用特定术语确定每千克空气的水量的参数是绝对湿度，表示为“x”，测量单位为gr_H2O/Kg_空气。

例如，在35℃的温度和RH＝20％的相对湿度(干燥气候的典型条件)下，空气包含大约7克水(每千克空气)(x＝7)。

当在相同温度下达到饱和条件时(35℃，100％)，比湿度达到37g/kg，即x＝37。

当空气变为50℃时，在饱和情况下，它将包含大约x＝87g/kg。

表1表示了其它值，该值指示在饱和条件下在升高温度下的比湿度。

表格1

相反，在给定的温度和分压Pv条件下，当减去一些热量时，空气混合物的温度将逐渐降低，相对湿度RH将升高。

当达到相对湿度RH＝100％时，达到所谓的露点。

当减去更多热量时，将驱动冷凝处理，水将从蒸气状态转变为液态。

因此，总而言之，为了从空气中抽取水，必须达到露点。

干燥区域的特征是露点在0-10℃范围内，环境温度在30-45℃范围内。

使用电动制冷机来用于在该温度范围内减少热量需要消耗大量的能量。

通过使用特定的部件和材料，本文提出的方案能够进行使得空气露点提高至超过50℃的热力学循环。这样，气流能够在环境温度下冷凝，从而避免使用制冷机。

这种系统的主要能源是低温热量，该低温热量是能够找到的最丰富和经济的能量源。

本文所述的方案利用了一些干燥剂材料从空气中捕获水蒸气的能力。

当这些材料与环境空气接触时，将驱动除湿处理，该除湿处理使得水蒸气从空气转移至干燥剂材料中。

当达到局部平衡条件时，该蒸气捕获机制结束，这确定了干燥剂材料的饱和条件。

该处理是可逆的，通过供给热量，能够通过除去其中包含的一定量水而“再生”干燥剂或除湿材料。

在这种情况下，水蒸气将从干燥剂或除湿材料转移至周围空气中。

通常，热量是由空气自身提供，该空气预先加热。

为了能够将蒸气接收至空气混合物中，空气必须对干燥剂或除湿材料提供一些热量，这意味着温度降低。

这种类型的热力学转变称为“等焓”，即在转变中焓保持恒定。

在干燥剂或除湿材料的再生过程中发生的空气温度降低使得饱和压力Ps降低，因此使得能够包含在混合物中的水质量降低。

从干燥剂或除湿材料的再生而获得的潮湿空气流能够冷却至它的露点，以便驱动冷凝处理和获得液态水。

在这种情况下，露点将高于外部环境的温度，因为空气混合物的水分含量将大于大气中的水分含量。

本文提出的本发明基于用于抽取液态水的机器的循环，如在图1中示意表示和在图2的温湿图中表示。

根据本发明的方案利用在两个不同阶段之间的交替，即a)从大气中捕获水蒸气，或者吸附阶段；以及b)冷凝捕获的蒸气，或者解吸阶段。

本文考虑的现象是吸附，即与固体有关。

因此，提出的方案利用了已吸附水的材料的等温再生，该等温转变能够降低冷凝温度。

在吸附阶段a)中，机器能够同时交换热量和质量，且使焓换热器EHX与表示为AIR的外部环境空气(即大气)接触。

焓换热器EHX的结构将在下面进一步介绍，该结构由多个金属元件形成，吸附剂(干燥剂或除湿剂)材料布置在该金属元件上，表示为MAT_AD。

焓换热器EHX也可以由其它材料制成，例如高热导率的塑料材料。

特别是，吸附剂材料MAT_AD可以提供成颗粒形式、成覆盖换热器EHX的金属元件的面板的形式、或者成涂覆换热器EHX的金属元件的油漆或涂层的形式。

从外部环境(即从大气)中获得的空气流环绕吸附剂材料MAT_AD(即除湿物质)的接触表面，该吸附剂材料MAT_AD获取水蒸气。

例如，可以使用风扇FAN，以便沿所希望的方向传送空气，即朝向焓换热器EHX的、涂覆有吸附剂材料MAT_AD的金属元件。

在通过焓换热器EHX之后获得的、离开机器的空气能够排入环境中，或者用于需要干燥空气的应用。

空气能够通过机械装置(例如风扇或鼓风机)和/或通过利用空气的自然对流运动来运动。

然后，在吸附阶段a)中进行的处理将继续，直到除湿物质达到与环境条件平衡的饱和条件。

作为替代方式，根据机器控制逻辑，在吸附阶段a)中进行的处理可以更早地中断。

特别是，阶段a)的持续时间将取决于空气的温度、其中包含的水分以及用于从空气中抽取水的机器的尺寸。

在吸附阶段a)结束时，解吸阶段b)将开始。

该解吸阶段b)在较低温度(>50℃)下发生。

热量通过热媒介(thermal vector)或热源HS(例如热空气流)而供给该相同焓换热器EHX，这将使得作为除湿物质的吸附剂材料MAT_AD再生。

特别是，热源HS加热在焓换热器EHX中流动和循环的换热流体(例如空气或液体)。

热源HS可以是太阳能、从生物物质中抽取的热量或其它处理过程中产生的废热。

因此使用低温(50℃至80℃)热源HS。

水蒸气从吸附剂材料MAT_AD中释放，并产生环绕它的接触表面的空气流。

用作除湿物质的吸附剂材料MAT_AD与也能够交换显热的表面接触，即形成焓换热器EHX的元件的高热导率金属或塑料表面。

由热源HS供给的热量通过传导而穿过吸附剂材料MAT_AD，并传递至相同空气流。

同时，该空气流接收显热流和潜流，该潜流来源于水从吸附剂材料MAT_AD向空气的移动。

空气的温度从初始温度开始升高，比湿度也升高。

由空气进行的热力学转变能够在温湿图中表示为在图3中所示的等焓转变的较陡线。

下面将参考图3介绍在等焓转变和等温转变之间的差异。

在图3中，横坐标线表示温度(℃)，纵坐标线表示绝对湿度值(gH2O/kg空气)。

在已经获得专利的、基于使用吸附剂材料的系统中，空气进行转变，该转变基本上能够确定为等焓的，即其中，潜在含量(湿度)的变化将在损失显性含量(温度)的情况下发生。

这意味着，当通过利用等焓转变(连接点P1-P2_H的线)再生吸附剂材料时，空气的潜在含量(因此湿度)将增加，而显性含量(即它的温度)将减小。

相反，本文提出的循环基于等温(与等焓相反)材料再生。

这种类型的转变具有明显的优势，这能够通过比较两个点P2_T(等温转变)和P2_H(等焓转变)而直观地猜出。

从50℃开始，点P2_T达到明显更高的绝对湿度值，大约87g/kg，相比等焓转变的43g/kg。

而且，在等焓转变的情况下，与等温转变相比，显性跳变实际上很小(在实例中，参考环境温度35℃)。

因此，当热力循环基于等温再生而不是等焓再生时，尺寸和占用空间以及系统每生产单位质量的水的特定成本都降低。

仍然参考图1，第二解吸阶段b)可以包括用于热回收的第一区块HX_REC1。

特别是，第一区块HX_REC1接收离开焓换热器EHX的空气(表示为标号P2)，回收热量，并输出两个流体流：第一流体流P1，它送回至焓换热器EHX的进口；以及空气流P2_R，它发送至第二热回收区块HX_REC2。

空气流P2_R发送至第二区块HX_REC2，用于热回收，最后送至冷凝器COND(散热器)，该冷凝器COND冷凝其中包含的水。在冷凝器COND的进口处有流体流P3，该流体流P3在收集腔室中被冷凝。

在各种实施例中，流体流P3送回至第一热回收区块HX_REC1的进口作为流体流P4。

在图1中用符号P1、P2、P3和P4表示的流体流是空气流，该空气流处于图2的温湿图中所示的温度和湿度条件。

特别是，在一个实施例中，相同的焓换热器EHX在第一吸附阶段a)中操作第一时间段，并且在第二解吸阶段b)中操作第二时间段。

当提供至空气的显热量足以补偿由于水蒸发而引起的温度降低时，转变能够是等温的，即在相同的温度下，如图3所示，和/或当提供的显热量较大时被加热，如由图2中连接点P1-P2的线所示。

空气流能够通过机械方式运动，例如通过风扇FAN(图1)和/或自然对流。

在通过换热器EHX之后，流体流到达点P2，并朝向冷凝器COND前进。

在点P2处，空气流已经达到这样的温度和湿度条件，使得大量的水能够在冷凝器COND(散热器)处冷凝，甚至同时向环境温度(例如35℃)输出热量。

例如，在空气流量为100m3/h的情况下，能够在点P2处达到50℃的温度和100％的相对湿度。

通过在35℃的环境温度下冷凝该流体流，生产的液态水的流量为大约0.1lt/min。

空气流在闭合回路中运动，且在经过冷凝器COND之后，在点P4处返回换热器EHX(可选地，在再次经过第一热回收区块HX_REC1之后)。

双重热回收系统置于换热器EHX和冷凝器COND之间：

-空气/空气换热器，标记为HX_REC1(见图7)；和/或

-液体/空气换热器，表示为HX_REC2(见图8)。

第一热回收区块HX_REC1能够在离开HX_REC2的空气流(表示为P2_R)和离开冷凝器COD的空气流(表示为P4)之间进行换热。

因此，进入换热器EHX的空气流的温度高于冷凝温度。

第一热回收区块HX_REC1的尺寸可以设置成用于最多到达点P2的温度。

第二热回收区块HX_REC2位于第一热回收区块HX_REC1的下游，并能够将热量从冷凝流回收至介质，该介质供给由热源HS产生的热量。

这种回收例如能够通过闭环水流来进行，该水流通过泵PUMP来运动。

再生所需的热量必须在只是稍微高于最大再生温度(在本示例中为50℃)的温度下供给。这也使得能够使用太阳能热系统、来自废热的热量或其它低温热源。

当除湿物质(即吸附剂材料MAT_AD)完全再生时，解吸阶段b)将结束，吸附阶段a)将再次开始。

作为替代方式，根据系统控制逻辑，解吸阶段b)可以更早地中断。

在吸附阶段a)中，并不由相同换热器EHX产生液态水。

因此，当空气流经机器时，它从吸附剂材料吸收水分(先前积累在其中)，并从在换热器EHX中循环的换热流体中吸收热量。

流过的空气并不与换热流体直接接触，而是存在具有高接触热导率的金属或塑料表面。特别是，所述接触表面包括管道或导管(换热流体在其中流动)以及翅片或薄片面板。薄片面板显著增加了接触和换热面积。在本发明的各个实施例中，能够考虑由两个机器组成的系统，即包括两个焓换热器EHX1和EHX2的系统，如图4中所示。在示例实施例中，两个焓换热器EHX1和EHX2有共同的回收区块HX_REC1和HX_REC2以及冷凝器区块COND。

由换热器EHX1和EHX2组成的系统的尺寸设置成使得在空气和除湿物质之间的焓交换将连续并延伸较长时间。

特别是，参考图4，在左侧部分(A)中，换热器EHX1执行第二解吸阶段b)，换热器EHX2执行第一吸附阶段a)。相反，在右侧部分(B)中，换热器EHX1执行第一吸附阶段a)，而换热器EHX2执行第二解吸阶段b)。

这样，没有停机时间，且液态水生产的效率提高。

因此，在图4(A)中，换热器EHX1执行水冷凝循环，且换热器EHX2执行从空气中捕获蒸气的步骤。相反，在图4(B)中，换热器EHX1执行从空气中捕获蒸气的步骤，而换热器EHX2执行水冷凝循环。

为了保证不间断的操作，两个换热器EHX1和EHX2以交替方式并行地工作。

图5以示意形式表示了系统的设置，该系统在交替并行操作中使用两个换热器EHX1和EHX2，如图4中所示。特别是，所有部件布置成提供紧凑的系统设置。

参考图4和5以及图10和11，两个换气阀VS1和VS2能够切换床2，从而产生用于再生的换热器EHX的闭合回路，并使得另一换热器EHX与外部环境连通。

参考图4(A)，阀VS1和VS2处于这样的位置，使得换热器EHX1处于解吸阶段b)，从而使得换热器EHX1与外部空气隔离，且换热器EHX2处于吸附阶段a)，从而使得换热器EHX2与外部空气接触。

相反，在图4(B)中，阀VS1和VS2处于这样的位置，使得换热器EHX2处于解吸阶段b)，从而使得换热器EHX2与外部空气隔离，且换热器EHX1处于吸附阶段a)，从而使得换热器EHX1与外部空气接触。

因此，在图4(A)中，阀VS1对于换热器EHX1关闭，并对于换热器EHX2打开，而阀VS2对于换热器EHX1关闭，并对于换热器EHX2打开。

相反，在图4(B)中，阀VS1对于换热器EHX1打开，并对于换热器EHX2关闭，而阀VS2对于换热器EHX1打开，并对于换热器EHX2关闭。

第一热回收区块HX_REC1布置在两个换热器EHX1和EHX2之间。在第一回收区块HX_REC1的下游，依次有第二热回收区块HX_REC2、冷凝器12和冷凝水收集箱11(见图10和11)。

水通过从冷凝器12竖直滴下而收集至水箱11中。

空气通过会聚的弯头和槽道14来传送，并环绕两个换热器EHX1和EHX2，以便实现上述转变。

当空气流机械地运动时，风扇7和8可以布置成靠近换气阀VS1和VS2(见图5、10和11)。

部件的尺寸设置成用于低负载损失，风扇7和8的最大功率不超过30W。风扇7和8可以根据控制逻辑来调节，用于处理可变的流量。

作为替代方式，还可以利用再生热量来驱动自然对流运动，该自然对流运动将引起空气流过部件。

热量通过换热器5来供给，该换热器5将由热源HS供给的再生热量传递给收集器16，并通过管道15而分配给床2。

泵6使得热水在管道15中循环，阀4只将流体流分配给处于再生的床2，即在阶段a)中，而热水并不在处于阶段b)的另一换热器EHX中循环。

冷凝器12通过收集器9和10而将环境温度的热量输出至散热器。用于使流体6、7和8循环以及用于驱动切换阀SV1、SV2和阀4的电子部件具有70W的最大吸附。

系统能够不间断地工作，操作的小时数取决于热源的可用性。假设使用太阳能热系统，平均每天八小时可获得太阳能辐射，这相当于以100m³/h的处理空气流量来生产大约四十五升的可饮用水。

参考图6，焓换热器EHX表示为处于两个操作阶段。

特别是，图6(A)表示了解吸阶段b)，图6(B)表示了吸附阶段a)。

在正常循环中，在阶段a)中，来自外部的、处于环境温度的空气Al朝向焓换热器EHX传送，并在与吸附剂材料接触地流过时失去它的一部分水分，且在换热器EHX出口处产生干燥空气流A2。

在阶段b)中，来自热量回收区块HX_REC的空气流A3朝向焓换热器EHX传送，同时热源HS向焓换热器EHX供给热量(热空气或水)，且流体流A3在通过换热器EHX时加热并获取水分，该水分在前面阶段中被捕获至吸附剂材料中，因此产生了湿热的空气流A4，该空气流A4再送向冷凝器。

图7表示了第一换热器HX_REC1的实施例，其中，热空气从顶部向底部运动，而冷空气从左侧向右侧运动，其中，术语顶部、底部、左侧和右侧是参考图7中所示。

图8表示了第二换热器HX_REC2的实施例，其中，湿热空气从顶部向底部运动，而干冷空气从右侧向左侧运动，其中，术语顶部、底部、左侧和右侧是参考图8中所示。

特别是，图9表示了焓换热器EHX的实施例。图9A表示了侧视图，其中，成导管或管道形式的多个金属元件形成散热器，加热的流体(空气或水)在散热器中流动，并向外部环境输出热量。多个薄片面板布置在该导管上(见图9B)，这增加了暴露面积。图9C表示了沿图9A中所示的线AA的剖视图。

在所示实例中，有三个导管，类似于图9A中所示，这三个导管相互连接至两个进口和出口阀。

图9D表示了吸附剂材料的两种不同的应用设置。在第一实施例中，吸附剂材料施加在薄片面板上，例如作为涂层(通过喷涂、浸入或沉积)，而在第二实施例中，吸附剂材料成颗粒形式，并布置在两个相邻的面板之间。

因此，空气在流过机器时从吸附剂材料中接收水分(先前在阶段a中积累)，并从在换热器EHX中循环的换热流体中接收热量。

流过的空气不与换热流体直接接触，而是存在金属接触表面。特别是，所述金属接触表面包括：管道或导管，换热流体在该管道或导管中流动；以及翅片或薄片面板。薄片面板显著增加了接触和换热面积。

吸附剂材料分布在管道(换热流体在该管道中流动)和薄片面板的金属表面上。如前所述，它可以成颗粒或面板的形式，或者可以分配在金属元件上以便形成涂层。

总而言之，提供了以下：

i)创新的参考热力学循环；

ii)在干燥气候下用于家庭或至少一群人的、紧凑的水生产系统；

iii)与竞争技术相比功率消耗可忽略(最大70W)；

iv)能够与尽可能广泛的热源相容。

而且，提出的方案能够在非常干旱和难获得水资源的情况下生产可饮用的卫生水：利用提出的循环能够创造紧凑的系统，该系统的尺寸能够设置成满足家庭或一群人的水需求；而且，由于本发明的固有模块式方法，能够“组装”该系统，以便在需要时增加液态水的生产；因此能够根据用户的需要来扩展应用；尽管这里已经提出本发明用于生产卫生和可饮用的水，但实际上也存在其它应用领域，其中，水的需求结合热的可获得性而使得希望使用本发明。

下面将列出上述方案的优点。

-它利用等温转变，而不是等焓转变；因此，当热力学循环基于等温再生而不是等焓再生时，尺寸和占用空间以及系统每生产单位质量的水的特定成本较低。

-低再生温度：等温转变优于等焓转变的附加优点在于，在除湿床出口处的热湿条件相同，即假设循环生产能力相同，在等焓转变情况下，供热温度明显更高；例如，假设在床出口处的温度为45℃，相对湿度为100％，当冷凝温度为35℃时，水生产为大约3lt/hr；在等焓转变情况下，进口温度为大约113℃，因此供热温度必须稍微高于该值；在等温转变情况下，供热温度必须稍微高于45℃；这方面有重要的实践和经济影响：等焓转变需要在明显更高温度下供给热量，即更贵的主要资源(与等温转变情况相比)；对于等温再生，低温太阳能系统可能就足够(它经济，需要很少维护，没有操作成本，并使用低技能技术)，而对于等焓再生，必须采用高温太阳能系统(一种更先进技术，有较高维护成本和复杂性)或燃烧系统(生物物质或碳氢化合物)，这大大限制了它在不发达国家的适用性。

-封闭的再生循环：操作循环在吸附阶段打开，以便从大气中积聚水；相反，它在再生阶段关闭，即总是相同空气经过各个阶段，而在再生完成之前不会排放至外部环境中；这是与其它系统(该系统研究用于和基于吸附剂材料)相比的一个重要区别；特别是，该措施进一步提高了循环生产能力，减少了由于在再生过程中发生的大气交换而导致的浪费。实际上，离开冷凝阶段的空气的相对湿度接近100％，而环境条件明显较低；例如，干燥气候的相对湿度值不超过35％；当再生空气直接排入环境中时，从吸附剂材料中除去的水也将排出；使用上面已经研究过的循环作为参考，再生温度为45℃，冷凝温度为35℃，将生产大约3lt/hr，且大约2.5lt/hr将排放至环境中；这样排放的量(尽管花费了热量来将它从吸附剂中抽取)不能回收，这转变为费热能；相反，在封闭循环的情况下，该量总是在系统中再循环，且不需要除去另外的热量；在上述假设中，每升冷凝水的单位热量消耗的范围从在封闭循环情况下的2.7kWh/lt至开放循环情况下的大约4.7kWh/lt。

-因此，更高效的系统将更小、更经济。

-低功率消耗：这里介绍的系统的功率消耗值与用于使得涉及的流体运动的辅助系统有关，即用于使得再生空气流运动的风扇和用于使得供给再生热的热流体循环的泵；而且，在干燥条件下发生水冷凝的情况下，即通过利用环境空气(例如在35℃)，也必须考虑冷凝器辅助单元的功率消耗；通过良好估算和使用高度保守的方法，涉及的电功率值能够估计如下：循环泵的电功率为20W；用于使得再生空气运动的电功率为30W(100m³/h，总负载损失为300Pa)；用于使得冷凝空气运动的电功率为350W(干制冷器，4000m³/h，总负载损失为100Pa)，在最坏情况下的总电功率为400W；在相同的操作和生产条件下，能够在本文介绍的系统和等效的蒸气压缩制冷机之间在牵拉电功率方面进行比较；为了从35℃和35％的环境中获得大约3lt/hr的水流量，必须减去大约6.3kW的空气制冷功率；当相对湿度降低时(这是干燥环境的典型条件)，该值增加；假设使用传统的热泵(COP＝3)，压缩机的电吸收为大约2.1KW；在冷凝器中的热功率(要排放至环境中)将为8.4kW(相对于等温再生循环中为2.3kW)；因此，可以合理地假设冷凝器风扇的功率将大大高于先前估计的350W；因此结论是，本文提出的系统具有400W的最大功率消耗，这比在相同操作条件(2.7kW)下的传统热泵(COP＝3)少大约85％；这些400W功率能够很容易地从光伏技术中获得，而压缩机(该压缩机通过交流电来操作)需要交流电，因此需要通过变流器，从而导致更高的安装成本和更低的效率。

-高环境可持续性：无侵蚀性/有毒流体；当与太阳能热系统组合时，没有气体排放；热驱动制冷循环(吸收机)利用化学侵蚀性和有毒的流体，例如氨、溴化锂；蒸气压缩式制冷机使用制冷流体，该制冷流体通常对环境有很大影响(全球变暖潜势)；例如，最常用于空调目的的一种流体(R410a)的GWP值为2090，即释放至大气中的1kg R410a对环境的影响等效于2090kg CO2。

-低技能的技术：适用于该循环的吸附剂材料种类很多，从高性能的贵重材料(例如合成沸石)到较便宜的材料(该便宜材料在从空气中捕获水分的能力方面仍然有良好的性能，例如硅胶(3€/kg))；极差的材料也很有兴趣，例如有盐添加剂(如氯化钠)的膨胀粘土。本文提出的循环操作所需的其它部件是水/空气交换器、空气/空气交换器和低温太阳能系统。

-高适应性，范围从小规模到大规模。

本文提出的方案通过从空气中抽取水来操作。

当可获得脏水或受污染的水时，它能够喷射至朝向机器传送的空气中，以便抽取水。在处理结束时，净化水将从脏水开始获得，该脏水蒸发至供给机器的空气流中。

当然，在不损害本发明原理的情况下，实施例的形式和实施细节可以与这里只通过非限定实例来介绍和表示的实施例广泛地变化，而不脱离如在附加权利要求中提出的本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于由空气生产水的方法，包括循环和连续地重复以下两个阶段：

-第一阶段a)，所述第一阶段包括以下步骤：

a1)从外部吸入空气；

a2)朝向焓换热器(EHX)传送所述空气，所述焓换热器包含吸附剂材料(MAT_AD)，所述吸附剂材料在内部积聚存在于所述空气中的水分；

a3)输出干燥空气，以及

-第二阶段b)，所述第二阶段包括以下步骤：

bl)通过低温热源向所述焓换热器(EHX)供给热量；

b2)传送空气流通过所述焓换热器(EHX)，其中，与所述焓换热器(EHX)接触的所述空气被加热，同时收集包含在所述吸附剂材料(MAT_AD)中的水分；以及

b3)使得被加热和加湿的所述空气流达到环境温度，以使得包含于其中的水分冷凝，从而获得水。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：第二阶段b)包括在所述步骤b2)和所述步骤b3)之间的、回收热量的中间步骤b2.1)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：回收热量的所述中间步骤b2.1)包括两个步骤：

r1)通过空气/空气交换器(HX_REC1)来回收热量；以及

r2)通过液体/空气交换器(HX_REC2)来回收热量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：回收热量的所述中间步骤b2.1)通过重复利用在各个步骤之后获得的空气而产生闭环循环，以便回收仍然包含在再循环空气中的水分。

5.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：使用两个焓换热器(EHX1、EHX2)，这两个焓换热器并行和依次地在两个阶段a)和b)中工作，其中，在第一时间段中，第一焓换热器(EHX1)在第一阶段a)中工作，第二焓换热器(EHX2)在第二阶段b)中工作，在第二时间段中，第一焓换热器(EHX1)在第二阶段b)中工作，第二焓换热器(EHX2)在第一阶段a)中工作。

6.用于由空气生产水的机器，包括：焓换热器(EHX)，所述焓换热器包含吸附剂材料(MAT_AD)，所述吸附剂材料适用于在内部累积包含在空气中的水分，其中，所述焓换热器(EHX)在吸附阶段中工作第一时间段，在所述吸附阶段中，模块从外部吸入空气，并将空气传送至所述焓换热器(EHX)中，然后所述焓换热器输出干燥空气，所述焓换热器(EHX)在解吸阶段工作第二时间段，在所述解吸阶段，低温热源(HS)向所述焓换热器(EHX)供给热量，空气流传送通过所述焓换热器(EHX)，与所述焓换热器(EHX)接触的所述空气被加热，同时收集包含在所述吸附剂材料(MAT_AD)中的水分，被加热和加湿的所述空气流达到环境温度，以使得包含于被加热和加湿的所述空气流中的水分冷凝，从而获得水。

7.根据权利要求6所述的机器，还包括：热回收模块。

8.根据权利要求7所述的机器，其中：所述热回收模块包括空气/空气交换器(HX_REC1)和液体/空气交换器(HX_REC2)。

9.根据权利要求8所述的机器，其中：所述热回收模块通过重复使用离开所述焓换热器(EHX)的空气来产生闭环循环，以便回收仍然包含在再循环空气中的水分。

10.用于从空气中生产水的系统，包括两个根据权利要求6至9中任意一项所述的机器，其中，所述机器并行和依次地在两个吸附阶段和解吸阶段中工作，其中，在第一时间段中，第一机器在吸附阶段工作，第二机器在解吸阶段工作，在第二时间段中，第一机器在解吸阶段工作，第二机器在吸附阶段工作。