CN112585421B - 热和物质交换器 - Google Patents

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Abstract

交换器(100)包括：‑基本上平行和垂直的膜(30)，其可渗透蒸汽且不可渗透液体，这些膜界定区域，所述区域中的每一个交替地属于第一类型的区域和第二类型的区域；‑所述第一类型的区域在上部中包括被构造成沿着基本上平行于所述膜的平面(R)蒸发液体的喷嘴(20)，并且在下部中包括与所述第二类型的区域独立且分开的第一收集器(50)，‑第一管(10)，其向所述第一类型的区域(Z20)的所述喷嘴(20)供给液体。

Description

热和物质交换器
背景技术
本发明涉及热和物质交换器。
在现有技术中的热和物质交换器中已知的特别是在喷射的液体和气体之间使用直接接触的交换器。这种类型的交换器允许热和物质的有效交换，但是具有与气流中液滴的夹带有关的主要缺点。液滴的这种夹带构成了当液体具有毒性或腐蚀性时的风险。
还已知的是允许间接交换的交换器，其中流体被蒸汽可渗透但液体不可渗透的膜分开。由于在由膜形成的管道中流动的液体的静压，这种交换器的实施是精密的。这种压力会导致密封问题，并且需要具有与蒸汽渗透性相矛盾的特定机械性能的膜，这使得它们效率低下并且制造成本高。
本发明提出了一种热和物质交换器，其不具有现有技术的缺点。
本发明的目的和概述
本发明涉及一种交换器，包括：
-基本上平行的膜，所述膜布置为基本上竖直的，其可渗透蒸汽且不可渗透液体，这些膜界定区域，这些区域中的每一个交替地属于第一类型的区域或第二类型的区域；
-所述第一类型的区域在上部中包括被构造成沿着基本上平行于所述膜的平面喷射液体的喷嘴，并且在下部中包括与所述第二类型的区域独立并分开的第一液体收集器，和
-第一管，其设置成向所述第一类型的区域的喷嘴供给所述液体。
在本发明的一个具体实施方案中，膜由聚丙烯或聚酰胺制成。
根据本发明，液体可以是或多或少富盐的水溶液或无盐的水溶液。
在第一实施方案中，根据本发明的交换器包括允许在第二类型的区域中循环气体的通道。
在该第一实施方案的具体布置中，根据本发明的交换器包括风扇，该风扇允许改善第二类型的区域中的气体循环。
本发明还涉及一种使用根据该第一实施方案的交换器的方法，该方法包括：
-在第二类型的区域中循环较热且潮湿的气体的步骤；
-在第一管道中循环较冷且富盐的液体的步骤，该液体由在第一类型的区域中的喷嘴喷射；和
-在第一收集器中收集温热且稀释的液体的步骤。
本发明涉及使用根据本发明第一实施方案的交换器的另一方法，该方法包括：
-在第二类型的区域中循环较冷的气体的步骤；
-在第一管道中循环较热且贫盐的液体的步骤，该液体由在第一类型的区域中的喷嘴喷射；和
-在第一收集器中收集冷却且浓缩的液体的步骤。
在这两种方法中，喷嘴在与第一类型的区域中的气体压力相同的压力下分散液体。当液体比气体更热并且当其蒸汽压力大于气体的蒸汽压力时，在第二类型的相邻区域中循环的气体被加热并且被蒸汽饱和。
在相反的情况下，如果液体比气体更冷并且其蒸汽压力比气体的蒸汽压力更低，则气体被冷却并且其蒸汽浓度被降低。
在交换之后，冷却且浓缩或加热且稀释的液体(或溶液)被收集在收集器中，该收集器被设置成使得液体和气体之间不接触。
在根据本发明的交换器的第二实施方案中：
-所述第二类型的区域在上部中包括被构造为沿着基本上平行于所述膜的平面蒸发液体的喷嘴，并且在下部中包括与所述第一类型的区域独立且分开的收集器；和
-向所述第二类型的区域的喷嘴供给液体的第二管道。
在该第二实施例中，物质的交换和热的交换发生在由膜分开的两种液体之间。
本发明还涉及使用根据该第二实施方案的交换器的方法。该方法包括：
-在第一管道中循环较冷且贫盐的液体的步骤，该液体由在第一类型的区域中的喷嘴喷射；
-在第二管道中循环较热且富盐的液体的步骤，该液体由在第二类型的区域中的喷嘴喷射；
-在第一类型的区域的下部的第一收集器中收集温热且稀释的液体的步骤；和
-在第二类型的区域的下部的第二收集器中收集冷却且浓缩的液体的步骤，该第二收集器与第一收集器分开以防止收集的液体的混合。
在该实施方案中，热且稀释的溶液通过将其热和一些蒸汽释放到第二冷溶液中而浓缩，该第二冷溶液被温热且稀释。
因此，本发明提出了一种通过膜在液体和气体之间或在两种液体之间的热和物质交换器，该热和物质的交换是由于两种流体之间的温差和蒸汽压差。膜对液体溶剂的蒸汽的渗透性允许蒸汽在两种流体之间转移。
因此，表述“热”、“冷”、“稀释”、“浓缩”、“富盐”、“贫盐”必须在相对意义上理解，以表达在膜的任一侧上的流体状态之间的差异，从而允许在第一类型的区域和第二类型的区域之间的热和物质的交换，而不是在绝对意义上去理解。
本发明尤其可用于：
-通过蒸发或冷凝在对溶剂蒸汽可渗透的膜的任一侧上总压无间隙的蒸汽来浓缩或稀释溶液；
-通过与冷且浓缩的溶液或热且稀释的溶液交换来脱水或加湿气体，而不与溶液接触。
附图的简要说明
本发明的其它特征和优点将在以下通过非限制性实例并参考附图给出的给定实施方案的描述中出现，其中：
图1示出了符合本发明第一实施方案的交换器；
图2示出了符合本发明第二实施方案的交换器；和
图3和4示出了符合本发明第三实施方案的交换器。
第一实施方案
图1示出了符合本发明第一实施方案的交换器100。其可用于更新和除湿在由可渗透水蒸汽的膜30界定的区域Z30中循环的热和潮湿的空气(例如25℃和60％RH)。风扇40可用于吹送热空气。
在这里描述的实施方案中，其上具有喷嘴20的区域Z20位于每个空气循环区域Z30的任一侧。这些喷嘴20由管道10供给，冷(通常为15℃)且富盐的液体在管道10中循环。喷嘴20将液体基本上喷成平行于膜30的平面R。
在本发明的该实施方案中，如在下文所述的实施方案中那样，喷嘴上游的液体供给压力可以在2巴的数量级。
当富盐的液体由区域Z20中的喷嘴20喷出时，包含在这些区域Z20中的空气释放出水分，其被盐吸收。它变得比区域Z30中的空气更冷且更干燥。
区域Z30中的空气冷却并且其湿度通过膜30向区域Z20迁移，如水平箭头所示。稀释Z20区中的液体；它在收集器50中被回收，该收集器50被布置成使得收集的液体不与区域Z30接触。
在该实施方案中：
-由喷嘴20喷射的液体用盐浓缩越多，越有利于在区域Z30中的热且潮湿的空气的除湿；和
-由喷嘴20喷射的液体越冷，越有利于在区域Z30中循环的空气的冷却。
第二实施方案
图2示出符合本发明第二实施方案的交换器200。它可用于冷却和浓缩热且贫盐或甚至无盐的液体。
在这里所描述的实施方案中，该液体由喷嘴21在由可渗透水蒸汽的膜30界定的区域Z21中(例如在35℃)喷雾，喷嘴由管11供给。喷嘴21基本上在平行于膜30的平面R中喷射液体。
如在第一实施方案中那样，区域Z21由区域Z30分开，空气在区域Z30中循环。但在该实施方案中，在这些区域Z30中的空气比在区域Z21中喷射的液体更冷。区域Z30中的空气例如在环境温度，例如在24℃。
在区域Z21中，与热喷液体接触的空气被加热并充入湿气。液体冷却并浓缩。它被收集在收集器51中，该收集器51被布置成使得收集的液体不与区域Z30接触。
水蒸汽通过膜30从区域Z21迁移到区域Z30，如水平箭头所示。在区域Z30中，空气被加热并充入湿气。
由于蒸发现象，本发明的第二实施方案有利地允许将液体冷却到在区域Z30中循环的空气的温度之下，直到它达到湿球温度。
第三实施方案
图3和4示出了本发明的第三实施方案。它可用于对液体进行脱盐。
在该实施方案中，交换器300包括：
-向喷嘴20供给冷的贫盐或甚至无盐的液体的管10，该液体由在区域Z20中的喷嘴20喷射；和
-向喷嘴21供给热的浓缩盐液体的管11，该液体由在区域Z21中的喷嘴21喷射。
区域Z20和Z21是交替的并由可透过水蒸汽的膜30隔开。在每个区域中，喷嘴20,21以基本上平行于膜的平面R喷洒液体。
在区域Z21中，与热液体接触的空气被加热并充入湿气。水蒸汽通过膜30向区域Z20迁移。
在区域Z20中，由于来自区域Z21的水蒸汽的迁移，空气被加热并装入水蒸汽，如水平箭头所示。
在区域Z20中，空气将其热释放至冷且贫盐的液体流，增加了水量。热且稀释的液体被收集在收集器50中，该收集器50被设置成使得该液体不与区域Z21接触。
在区域Z21中，水量由于迁移而减少，并且富盐液体得到浓缩。冷且浓缩的液体通过U形管排出，该U形管穿过开口61进入收集器51，该收集器51设置成使得该液体不与区域Z20接触。
该实施方案实现了将引入到管道11中的富盐液体进行浓缩：它可以用于脱盐操作。
在本发明的第三实施方案中，交换器300具有与膜30连接的结构7。收集器50和51具有其中插入这些膜30的肩部，从而避免不同液体之间的任何接触。
这种类型的设置也可以用在前面参考图1和2描述的交换器100和200中，以避免在收集器50,51中的液体和在区域Z30中循环的空气之间的接触。
本发明的其它使用实施方案
如前所述，在图1的实施方案中，在收集器50中回收的溶液被从区域Z30迁移通过膜30的水蒸汽稀释。
有必要能够在管道10的入口处重新使用它，从而撤掉已经加入管道10的水。
为了进行该操作，可以将收集器50中回收的稀释溶液加热并将其注入图2的交换器的管11中，从而降低其温度并将其浓缩。

Claims (6)

1.交换器，包括：
-基本上平行的膜，所述膜布置为基本上竖直的，其可渗透蒸汽且不可渗透液体，所述膜界定区域，所述区域中的每一个交替地属于第一类型的区域和第二类型的区域；
-所述第一类型的区域在上部中包括被构造成沿着基本上平行于所述膜的平面喷射液体的喷嘴，并且在下部中包括与所述第二类型的区域独立且分开的第一收集器，
-向所述第一类型的区域的所述喷嘴供给液体的第一管道。
2.根据权利要求1所述的交换器，其特征在于，其包括：
-允许气体在所述第二类型的区域中循环的通道。
3.使用根据权利要求2所述的交换器的方法，包括：
-在所述第二类型的区域中循环较热且潮湿的气体的步骤；
-在所述第一管道中循环较冷且富盐的液体的步骤，所述液体由在所述第一类型的区域中的所述喷嘴喷射；和
-在所述第一收集器中收集温热且稀释的液体的步骤。
4.使用根据权利要求2所述的交换器的方法，包括：
-在所述第二类型的区域中循环较冷的气体的步骤；
-在所述第一管道中循环较热且贫盐的液体的步骤，所述液体由在所述第一类型的区域中的所述喷嘴喷射；和
-在所述第一收集器中收集冷却且浓缩的液体的步骤。
5.根据权利要求1所述的交换器，其特征在于：
-所述第二类型的区域在上部中包括被构造成沿着基本上平行于所述膜的平面蒸发液体的喷嘴，并且在下部中包括与所述第一类型的区域独立且分开的第二收集器，
所述交换器还包括：
-向所述第二类型的区域的喷嘴供给液体的第二管道。
6.使用根据权利要求5所述的交换器的方法，包括：
-在所述第一管道中循环较冷且贫盐的液体的步骤，所述液体由在所述第一类型的区域中的所述喷嘴喷射；
-用于在所述第二管道中循环较热且富盐的液体的步骤，所述液体由在所述第二类型的区域中的所述喷嘴喷射；
-在所述第一类型的区域的下部中在第一收集器中收集温热且稀释的液体的步骤；和
-在所述第二类型的区域的下部中在第二收集器中收集冷却且浓缩的液体的步骤。
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