CN114370084B - 一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置及产水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置及产水方法，属于空气中取水的技术领域，装置中压缩单元Ⅰ、压缩单元Ⅱ对空气进行压缩与换热冷却，常温常压的空气被第一段压缩机、第二段压缩机升温升压，后经换热器降温进入气水分离器进行液态水与空气分离；升温升压后的空气提高了空气中水蒸气的分压，增大了水蒸气的露点温度，降低了水蒸气液化的条件，使得常温空气可为水蒸气液化提供冷能。且高压空气被用于驱动膨胀机产生机械能和冷能，满足产水装置的部分需求，减少产水装置对外界的依赖。发明本发明中，压缩机组电能来源广泛，对空气湿度要求较低，应用范围广，不受空间地域的限制，操作简单，为产水行业提供了一种新的操作方案。

Description

一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置及产水方法

技术领域

本发明属于空气中取水的技术领域，涉及一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置及产水方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭和人们对环境质量要求的提高，越来越多的可再生能源得到人们的利用。像太阳能丰富的沙漠地区和风能丰富的岛屿，同时还存在饮用水短缺的问题。近些年，可再生能源或普通电能作为能源，用于从空气中提取液态水成为热门研究。

发明专利CN201817855U公开了一种太阳能吸附制水装置，利用固体复合吸附剂对空气中水蒸气的吸附作用，太阳能提供热能脱附冷凝获得液态水，但该装置只能在有太阳能的时候生产液态水，此外，空气湿度较低时，固体复合吸附材料不一定能吸附到足够数量的水蒸气，因此，对固体复合吸附材料的吸附能力要求极高。发明专利CN207714426U公开了一种沙漠空气水分收集装置，该装置需要安装冷凝器，也就是外界需要为系统提供冷能才能更好地实现沙漠空气中水分收集。发明专利CN104014219A公开了一种膨胀降温去除空气中水分的方法，该方法使用膨胀机对空气降温降压，使空气中的水蒸气直接变为液态和固态，达到去除空气中水分的目的，该方法中所需冷能全部由膨胀机做功提供，液化或固化水会对膨胀机的正常工作产生负面影响。发明专利CN108463596B公开了从空气中获取水的方法，容积式压缩机被安装在海面以下，利用潮汐能驱动压缩机压缩水分饱和的空气，并在冷凝器中与海水换热，空气中水蒸气冷凝获得液态水，但该发明依赖潮汐能和海水环境，应用范围受限。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，以解决现有技术中对吸水材料的吸附能力要求极高、或空气冷却完全依赖于外界提供冷能、或冷能全部依靠膨胀机提供等问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，包括压缩单元Ⅰ、压缩单元Ⅱ、膨胀机、储水罐及高压储气罐；

所述压缩单元Ⅰ包括：电动机A、第一段压缩机、换热器A和气水分离器A；用于提供电能的电动机A连接第一段压缩机；第一段压缩机、换热器A和气水分离器A通过管道顺次相接，气水分离器A出口分别连接压缩单元Ⅱ的入口和储水罐的入口；

所述压缩单元Ⅱ包括：电动机B、第二段压缩机、气水分离器B和至少一个换热器；其中，第二段压缩机同时连接电动机B和膨胀机，第二段压缩机所需电能一部分由膨胀机提供，剩余的电能由电动机B补齐，第二段压缩机出口连接至换热器入口，换热器出口连接气水分离器B入口，气水分离器B出口分别连接储水罐和高压储气罐；

高压储气罐出口连接膨胀机，能够使高压储气罐出口的空气进入膨胀机内做功和降温降压。

优选地，所述换热器A为间壁式换热器，换热器A所需的冷能由大气空气提供。

优选地，压缩单元Ⅱ中的换热器包括换热器B和换热器C通过管路依次相连，第二段压缩机出口连接至换热器B入口，换热器C出口与气水分离器B相连。

进一步优选地，与气水分离器B连接的换热器C同时与膨胀机连接，膨胀机出口的低温空气为换热器C的换热提供所需的冷能。

优选地，所述膨胀机与第二段压缩机同轴，膨胀机被第二段压缩机组产生的高压空气驱动，为产水装置提供部分机械能和冷能。

优选地，压缩单元Ⅱ中的换热器的数量根据换热需要增减，换热器换热所需的冷能由大气空气提供；换热器均为间壁式换热器。

优选地，压缩机的段数和膨胀机的段数均≥1，每段压缩机和每段膨胀机的级数均≥1。

本发明还公开了基于上述的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置产水的方法，包括如下步骤：

S1：具有一定湿度的常温常压空气进入第一段压缩机升温升压后，湿空气进入换热器A降温；然后湿空气进入气水分离器A进行液态水与空气分离，液态水进入储水罐；

S2：经压缩膨胀单元Ⅰ处理后的空气进入第二段压缩机升温升压后，空气进入换热器降温，然后空气进入气水分离器B，液态水进入储水罐，剩余空气进入高压储气罐储存；

S3：高压储气罐出口的空气进入膨胀机降温降压，接着空气进入换热器，为换热器提供冷源。

优选地，S2中，经压缩膨胀单元Ⅰ处理后的空气经第二段压缩机升温升压后，空气依次进入换热器B、换热器C降温。

优选地，换热器A、换热器B和换热器C出口空气能够为热能需求用户提供热能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明涉及的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，压缩过程，用于提高空气中水蒸气分压，降低水蒸气液化对冷源温度的要求，常温空气也可被用作冷源；在空气湿度较低的情况下，也可通过对空气加压降温的方式获得液态水，对空气湿度范围限制小。膨胀过程，压缩空气用于驱动膨胀机，膨胀机出口低温空气尽量多的为压缩单元Ⅱ提供冷能，将压缩空气降低到尽量低的温度，提高空气的产水量，膨胀机工作能产生部分机械能，减少了产水装置对外界电能和冷能的依赖；利用较低湿度的压缩空气驱动膨胀机，降低了空气湿度，减少了膨胀机工作过程中水蒸气液化甚至结冰给膨胀机带来的负面影响。常温空气和膨胀机出口低温空气用于冷却压缩空气，被加热的空气可为热能需求用户提供热能。本发明提出的一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，具有流程完整，操作简单方便，灵活可靠，应用范围广等优点；利用压缩空气膨胀产冷，比常温空气降温压缩后空气，能获得更高的产水率；通过使空气升压，再膨胀获得冷能，用来回热降温之前升压空气，能够使更低空气湿度的空气中水蒸气液化产水。

进一步地，压缩单元Ⅰ内，电动机A为第一段压缩机提供电能，换热器A对进入装置的湿空气进行降温，降温后的湿空气在气水分离器A进行液态水与空气分离，液态水进入储水罐；空气进入压缩单元Ⅰ，大气空气作为冷源降低压缩空气温度，换热后的大气空气可为热能用户提供热能。

进一步地，压缩单元Ⅱ内第二段压缩机同时连接电动机B和膨胀机，膨胀机为第二段压缩机提供部分电能，电动机B补齐剩余电能，经第二段压缩机压缩后的空气进入换热器B、换热器C降温，降温后的湿空气在气水分离器B中进行液态水与空气分离，液态水进入储水罐，空气进入高压储气罐；利用压缩空气驱动膨胀机工作，使压缩空气膨胀做功产生冷量，比常温空气降温压缩空气，能获得更高的产水率。

进一步地，所述若干换热器，数量不限制，根据换热需要增减换热器数量，换热器均为间壁式换热器，冷、热换热介质不直接接触；各个换热器换热所需的冷能，根据换热需求决定，由大气空气或膨胀机出口的低温空气提供。

进一步地，压缩机的段数和膨胀机的段数均≥1，根据压缩空气总升压比、总膨胀比，以及压缩机和膨胀机耐受温度情况合理增减压缩机和膨胀机的段数，降低压缩机或膨胀机对温度耐受程度的需求压力；每段压缩机和每段膨胀机的级数均≥1，根据各段压缩机的升压比或膨胀机的膨胀比分别确定压缩机和膨胀机的级数，降低压缩机或膨胀机分别对升压比和膨胀机比的需求压力。合理控制压缩机组和膨胀机组的段数以及级数，有利于减少不当匹配带来的能源损失和设备利用率低的问题。

进一步地，膨胀机与压缩机同轴，膨胀机为压缩机提供部分驱动能；膨胀机被压缩机组产生的高压空气驱动，有效利用产生的能量，提高资源利用率，减少利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置对外界的依赖。

压缩机组压缩空气的过程，增大了湿空气的总压力，提高了空气中水蒸气分压，提高了湿空气中水蒸气的液化温度，使常温空气也能为空气中水蒸气的液化提供冷能；在膨胀机利用高压空气做功的过程中，膨胀机出口的冷空气为空气压缩过程中高压空气温度的降低和获得液态水进一步提供冷能；此外，沙漠中多余的太阳能或孤岛上的风能或其他形式的可再生能源、以及普通电源均可为驱动压缩机提供电能，高压空气驱动膨胀机做功，产生的功也能为压缩机做功提供部分驱动能，减少了该产水装置对外界电能的依赖。压缩机组产生的高温高压空气经过各个换热器，压缩热被常温空气和膨胀机出口的低温空气带走，被加热的空气可为热能用户提供热能，同时低温空气可将压缩空气温度降低到低于大气温度，提高系统产税率。

附图说明

图1为本发明的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置的实施例1工作原理图；

图2为本发明的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置的实施例2工作原理图；

图3为本发明实施例的压缩过程中湿度随温度的变化规律图。

其中：11-电动机A；12-电动机B；21-第一段压缩机；22-第二段压缩机；31-换热器A；32-换热器B；33-换热器C；41-气水分离器A；42-气水分离器B；51-膨胀机；61-储水罐；71-高压储气罐。

图1和图2中，实线表示压缩过程中空气的流程线路，虚线表示膨胀过程中空气的流程线路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合实施例1和实施例2对本发明做进一步详细描述：

实施例1

参见图1，为本发明实施例1的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置的工作原理示意图。其中包括：A电动机11、B电动机12，第一段压缩机21、第二段压缩机22，A换热器31、B换热器32，A气水分离器41、B气水分离器42，膨胀机51，储水罐61，高压储气罐71，以及相关连接管道。A电动机11连接第一段压缩机21，并为第一段压缩机21工作提供所需电能；第一段压缩机21、A换热器31和A气水分离器41通过管道顺次相接，A气水分离器41出口分别连接第二段压缩机22入口和储水罐61入口，第二段压缩机22同时连接B电动机12和膨胀机51，第二段压缩机22所需电能一部分由膨胀机51提供，剩余的电能由B电动机12补齐，第二段压缩机22出口与若干换热器顺次相接，换热器出口连接B气水分离器42，B气水分离器42出口分别连接储水罐61和高压储气罐71。

实施例中，第二段压缩机22出口的最大压力设为1MPa，各段压缩机均为单级，第一段压缩机21压比为3.5，第二段压缩机22的压比为2.82，设计计算中忽略空气在换热器中的流动压力损失和高压储气罐内空气温度的变化。膨胀机51由两级构成，膨胀机51的膨胀比均为3.14。其中大气压力为101.3kPa，大气温度为300K，空气相对湿度为60％，空气的摩尔质量为29kg/kmol，水的摩尔质量为18kg/kmol。实施例1具体实施步骤如下所示：

(1)空气压缩产水过程：大气空气(压力101.3kPa，温度300K，相对湿度0.6，湿度0.0133kg水/kg干空气，水蒸气分压2.122kPa)进入第一段压缩机21升温升压(压力354.6kPa，温度440.6K)，然后湿空气进入A换热器31降温饱和并析出液态水(压力354.6kPa，温度310K，湿度0.0111kg水/kg干空气)，接着携带液态水的饱和空气进入A气水分离器41，液态水进入储水罐61，剩余空气进入第二段压缩机22升温升压(压力1000kPa，温度412.9K)，然后空气进入B换热器32降温饱和并析出液态水(压力1000kPa，温度290K，湿度0.0012kg水/kg干空气)，再接着，携带液态水的饱和空气进入B气水分离器42，液态水进入储水罐61，剩余空气进入高压储气罐71。

(2)空气膨胀过程：经过高压储气罐71调整和稳压，高压储气罐71出口的空气(压力1000kPa，温度290K)进入膨胀机51降温降压，考虑空气流经膨胀机51的流动损失和膨胀机51对膨胀空气的传热影响，膨胀机51出口空气压力和温度分别为101.3kPa和248.15K，接着膨胀后空气进入B换热器32升温(压力101.3kPa，温度395.20K)，最后排入大气中或为热能用户提供冷能。

(3)换热与机械能供应方面：A换热器31的冷能来自大气常温空气，被加热的空气可以为热能需求用户提供热能；B换热器32的冷源为膨胀机51出口的低温空气，该低温空气可将高温高压空气降温到低于环境温度，提高空气产水量。第一段压缩机21的电能可由A电动机11提供，第二段压缩机22的驱动由膨胀机51提供一部分，剩余部分由B电动机12提供，保证第二段压缩机22正常工作。

通过对实施例1的结果进行分析可知，相对湿度为60％，质量流量为0.05kg/s的湿空气，通过本发明的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，每天正常工作8小时，约产生17.2kg液体水，经过净化处理液态水，假设90％的液态水能被饮用，当人均饮水量为3kg每天时，该产水装置约可以为5.1个人提供1天的饮用水。同时，第一段压缩机21及第二段压缩机22电功率之和为12.56kW，膨胀机51产生驱动机械能功率为6.17kW。

实施例2

如图2为本发明实施例2的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置的工作原理示意图。其中包括：A电动机11、B电动机12，第一段压缩机21、第二段压缩机22，A换热器31、B换热器32、C换热器33，A气水分离器41、B气水分离器42，膨胀机51，储水罐61，高压储气罐71，以及相关连接管道。

实施例中，第二段压缩机22出口的最大压力设为1.0MPa，各段压缩机均为单级，第一段压缩机21压比为3.2，第二段压缩机22的压比为3.1，设计计算中忽略空气在换热器中的流动压力损失。膨胀机51膨胀比均为3.14。其中大气压力为101.3kPa，大气温度为300K，空气相对湿度为60％。

实施例2具体实施步骤如下所示：

(1)空气压缩产水过程：大气空气(压力101.3kPa，温度300K，相对湿度0.6，湿度0.0133kg水/kg干空气，水蒸气分压2.122kPa)进入第一段压缩机21升温升压(压力324.2kPa，温度428.9K)，然后湿空气进入A换热器31降温饱和并析出液态水(压力324.2kPa，温度310K，湿度0.0122kg水/kg干空气)，接着携带液态水的饱和空气进入A气水分离器41，液态水进入储水罐61，剩余空气进入第二段压缩机22升温升压(压力1000kPa，温度434.0K)，然后空气进入B换热器32降温(压力1000kPa，温度335K)，最后空气进入C换热器33降温饱和并析出液态水(压力1000kPa，温度280K，湿度6.2×10^-4kg水/kg干空气)，携带液态水的饱和空气进入B气水分离器42，液态水进入储水罐61，剩余空气进入高压储气罐71。

(2)空气膨胀过程：经过高压储气罐71调整和稳压，高压储气罐71出口的空气(压力1000kPa，温度280K)进入膨胀机51降温降压，考虑空气流经膨胀机51的流动损失和膨胀机51对膨胀空气的传热影响，膨胀机51出口压力和温度分别为101.3kPa和248.15K，接着膨胀后空气进入C换热器33换热升温(压力101.3kPa，温度329.4K)，换热后的常压空气排入环境中。(3)换热与机械能供应方面：A换热器31和B换热器32的冷能来自大气常温空气，被加热的空气可以为热能需求用户提供热能；C换热器33的冷源为膨胀机51出口的低温空气，该低温空气可将压缩空气降温大幅度的低于环境温度，增加空气产水量。第一段压缩机21的电能由电动机11提供，第二段压缩机22的驱动能一部分由膨胀机51提供，剩余部分由电动机12提供。

通过对实施例2的结果进行分析可知，相对湿度为60％，质量流量为0.05kg/s的湿空气，每天正常工作8小时，约产生18.04kg液体水，经过净化处理液态水，假设90％的液态水能被饮用，当人均饮水量为3kg每天时，该产水装置约可以为5.4个人提供1天的饮用水。同时，第一段压缩机21与第二段压缩机22的输入功率之和为12.56kW，膨胀机51机械功率输出为5.94kW。

实施例2与实施例1相比，实施例2的C换热器33出口温度低于实施例1中B换热器32的出口温度，实施例2生产的液态水比实施例1的多0.83kg/天，实施例2膨胀机组输出机械功率比实施例1的少0.23kW。从提高产水量的角度来说，实施例2更合适。如果需要为更多人提供饮用水，或扩大产水生产规模，可以通过增加装置的套数，或选用配套的大流量压缩机组和膨胀机组进行产水。最终选择方案需根据实际情况决定。

进一步地，第一段压缩机21及第二段压缩机22出口安装高压储气罐71，该高压储气罐71主要用作缓冲罐，起到快速稳压的作用，高压储气罐71的尺寸大小不限，满足压力要求即可。

进一步地，换热器均为间壁式换热器，冷、热换热介质不直接接触；不限定换热器的型式，满足换热需求即可；换热器的数量不限制，根据换热需要增减换热器数量。各个换热器换热所需的冷能，可以由大气空气提供，也可以由膨胀机出口的低温空气提供，根据换热需求决定。

进一步地，第二段压缩机22消耗的能量来源广泛，可以膨胀机51与第二段压缩机22同轴，膨胀机51为第二段压缩机22提供部分驱动能，也可以由普通电源或可再生能源发电提供。压缩机的段数和膨胀机51的段数均≥1，每段压缩机和膨胀机51的级数≥1，选用无油压缩机，不限定压缩机和膨胀机51的型式，满足生产需要即可。压缩机组产生的高压空气的压力能被膨胀机51充分利用，膨胀机51被高压空气驱动，为产水装置提供部分机械能和冷能。

进一步地，本发明所涉及的气水分离器能够将储能换热器排出的液化水和空气充分分离。

进一步地，A换热器31、B换热器32和C换热器33出口被加热的空气可以为热能需求用户提供热能。

进一步地，第一段压缩机21、第二段压缩机22压缩空气的过程，增大了湿空气的总压力，提高了空气中水蒸气分压，提高了湿空气中水蒸气的液化温度，使常温空气也能为空气中水蒸气的液化提供冷能；在膨胀机51利用高压空气做功的过程中，膨胀机51出口的冷空气为空气压缩过程中高压空气温度的降低和获得液态水进一步提供冷能；此外，沙漠中多余的太阳能或孤岛上的风能或其他形式的可再生能源、以及普通电源均可为压缩机工作提供电能，高压空气驱动膨胀机51做功，产生的功也能为第二段压缩机做功提供部分驱动能，减少了该产水装置对外界电能的依赖。

从图3可以看出，当空气湿度不变的情况下，可以通过提高空气中水蒸气分压的方式提高水蒸气露点温度，当空气被升压至1MPa时，B换热器32或C换热器33出口的高压空气温度分别为290K和280K时，相对湿度从0.1～0.9的空气均可从空气中提取液态水；B换热器32或C换热器33出口的压缩空气温度越低，空气的湿度越小，则空气压缩前后的湿度差值越大，从湿空气中获取的液态水越多；当B换热器32或C换热器33出口压缩空气的温度相同时，压缩机组入口相对湿度越大的空气，其中，相对湿度可用ψ表示，空气压缩前后的湿度差值越大，从湿空气中获取的液态水越多。

当0.05kg/s的常温常压空气，相对湿度为60％，直接被制冷剂冷却，当空气冷却至274K时，8小时可产生液态水12.6kg，其产水量比本发明的实施例1和实施例2的产水量分别少4.6kg/天和5.44kg/天的液态水，而且对冷源温度要求使空气温度小于等于274K才能获得上述数量的液态水，而本发明中使空气温度降温至290K。

对比常规空气产水方案，当常温常压空气被制冷机直接冷却时，空气相对湿度太低时，例如相对湿度小于等于0.1时，空气中的水蒸气分压太低难以被液化，产水率为零。本发明中，相对湿度为0.1时，空气增压至1MPa后，对空气进行等压冷却至280K，8小时可生产2.2kg液态水。

本实施例中，用两段压缩机给常温常压空气增压，高压空气被用于驱动膨胀机产生机械能和冷能，为产水装置提供部分机械能和冷能，减少了产水装置对外界的依赖性。压缩机提高空气的总压，增大了空气中水蒸气的露点温度，常温空气也能作为冷源，实现水蒸气液化，压缩机组产生部分压缩热也能通过换热器为热能需求用户提供热能。

本发明重要特点之一是本系统利用压缩后空气膨胀产冷，不需要另外的制冷机和另外的制冷工质来降温空气；特点之二是本系统利用压缩空气膨胀产冷，比常温空气降温使水蒸气液化产水，能获得更高的产水率；特点之三是通过使空气升压，再膨胀获得冷能，用来回热降温之前升压空气，能够使更低空气湿度的空气中水蒸气液化产水。压缩机的动力源，来源广泛，不管是可再生能源发电还是电网供能，满足压缩机组用能需求的电能或动力源均可。

本发明的优势在于：

1提出了一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，具有流程完整，操作简单方便，灵活可靠，应用范围广等优点。

2本发明利用压缩后空气膨胀产冷，不需要另外的制冷机和另外的制冷工质来降温空气。

3本发明利用压缩空气膨胀产冷，比常温空气降温压缩后空气，能获得更高的产水率。

4该发明实现了从空气中获取液态水，通过压缩常温常压空气，提高空气中的水蒸气分压，增大水蒸气的露点温度，降低空气中水蒸气液化的条件，常温常压空气也可以通过换热器为加压后的湿空气中的水蒸气液化提供冷能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，其特征在于，包括压缩单元Ⅰ、压缩单元Ⅱ、膨胀机(51)、储水罐(61)及高压储气罐(71)；

所述压缩单元Ⅰ包括：电动机A(11)、第一段压缩机(21)、换热器A(31)和气水分离器A(41)；用于提供电能的电动机A(11)连接第一段压缩机(21)；第一段压缩机(21)、换热器A(31)和气水分离器A(41)通过管道顺次相接，气水分离器A(41)出口分别连接压缩单元Ⅱ的入口和储水罐(61)的入口；

所述压缩单元Ⅱ包括：电动机B(12)、第二段压缩机(22)、气水分离器B(42)和至少一个换热器；其中，第二段压缩机(22)同时连接电动机B(12)和膨胀机(51)，第二段压缩机(22)所需电能一部分由膨胀机(51)提供，剩余的电能由电动机B(12)补齐，第二段压缩机(22)出口连接至换热器入口，换热器出口连接气水分离器B(42)入口，气水分离器B(42)出口分别连接储水罐(61)和高压储气罐(71)；

压缩单元Ⅱ中的换热器包括换热器B(32)和换热器C(33)通过管路依次相连，第二段压缩机(22)出口连接至换热器B(32)入口，换热器C(33)出口与气水分离器B(42)相连；

高压储气罐(71)出口连接膨胀机(51)，能够使高压储气罐(71)出口的空气进入膨胀机(51)内做功和降温降压，与气水分离器B(42)连接的换热器C(33)同时与膨胀机(51)连接，膨胀机(51)出口的低温空气为换热器C(33)的换热提供所需的冷能，膨胀机(51)与第二段压缩机同轴，膨胀机(51)被第二段压缩机组产生的高压空气驱动，为产水装置提供部分机械能和冷能。

2.根据权利要求1所述的一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，其特征在于，所述换热器A(31)为间壁式换热器，换热器A(31)所需的冷能由大气空气提供。

3.根据权利要求1所述的一种利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置，其特征在于，压缩机的段数和膨胀机的段数均≥1，每段压缩机和每段膨胀机的级数均≥1。

4.基于权利要求1～3中任意一项所述的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置产水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：具有一定湿度的常温常压空气进入第一段压缩机(21)升温升压后，湿空气进入换热器A(31)降温；然后湿空气进入气水分离器A(41)进行液态水与空气分离，液态水进入储水罐(61)；

S2：经压缩膨胀单元Ⅰ处理后的空气进入第二段压缩机(22)升温升压后，空气进入换热器降温，然后空气进入气水分离器B(42)，液态水进入储水罐(61)，剩余空气进入高压储气罐(71)储存；

S3：高压储气罐(71)出口的空气进入膨胀机(51)降温降压，接着空气进入换热器，为换热器提供冷源。

5.根据权利要求4所述的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置产水的方法，其特征在于，S2中，经压缩膨胀单元Ⅰ处理后的空气经第二段压缩机(22)升温升压后，空气依次进入换热器B(32)、换热器C(33)降温。

6.根据权利要求4所述的利用压缩空气膨胀制冷的空气产水装置产水的方法，其特征在于，换热器A(31)、换热器B(32)和换热器C(33)出口空气能够为热能需求用户提供热能。

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