CN114786796A - 基于膜的空调系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种空调(AC)系统，其采用磺化共聚物(SC)层作为选择性渗透和离子交换膜。磺化嵌段共聚物的IEC大于0.5meq/g。在某些实施方案中，磺化嵌段共聚物用于形成膜本身或粘合/涂覆到膜或泡沫上。在某些实施方案中，AC采用膜电极组件，即在除湿机中使用跨膜电场来输送水分，从而产生干燥空气流，同时使用蒸发冷却机通过蒸发诱导冷却来自除湿机的干燥空气流来去除潜热。该系统作为闭环运行，其中冷却后的室内空气被再循环或循环回除湿膜电极组件，以产生用于蒸发冷却机的干燥空气，从而产生调节过的空气。

Description

基于膜的空调系统
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2019年10月10日的美国临时申请号 62/913421、申请日为2019年11月14日的美国临时申请号62/935305 和申请日为2020年1月26日的美国临时申请号62/966011的优先权, 其整个公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及包含磺酸盐共聚物膜的空调器和空气除湿机。
背景技术
基于水蒸发散热的传统冷却器有两种：(1)用于冷却大空间的大型 冷却塔，其提供间接蒸发冷却，由于基础设施尺寸要求，无法轻易缩小 规模；(2)沙漠冷却器，其通过增湿周围环境提供直接蒸发冷却，和由于 湿度饱和问题，其在高湿度环境下无法正常工作。
基于制冷剂的传统空调器(A/C)通过具有循环制冷剂冷凝和蒸发循 环的工艺空气热交换提供间接冷却。该空调器效率低下，因为水冷凝导 致工艺空气温度降低，水冷凝热量降低了系统的冷却效率。在许多情况 下，除湿是基于制冷剂的系统的主要功能，在许多情况下，这包括除湿 步骤后的空气加热循环，以调节分配的空气温度，从而进一步降低系统 效率。
基于干燥剂轮或制冷循环的现有技术除湿系统对于湿空气除湿、干 燥剂再生和制冷循环运行具有极高的能量要求。
随着气候变化带来各种环境挑战，特别是随着空调需求的不断增长， 因此有必要使用更节能的空调来为家庭、办公室、工厂等进行冷却和除 湿。因为目前的技术状态是能源密集型的，这会导致能源生产层面的高 碳排放。
发明概述
在一个方面，本公开涉及一种包括除湿机组或蒸发冷却机组或二者 的AC系统，其中除湿机和蒸发冷却机组包括选择性渗透和离子交换聚 合物基膜组件。如果不是完全由磺化共聚物(SC)构成，膜组件可主要包 括磺化共聚物(SC)，或者可制备为包括其他材料(例如泡沫)的SC基复 合材料。SC优选具有大于0.5meq/g的IEC。在某些实施方案中，除湿机组采用包括一对电极的膜电极组件(MEA)。在MEA上施加电压允许空 气水分从MEA的入口侧扩散到出口侧。由于选择性渗透和离子交换聚合 物基膜可渗透空气水分，但不渗透其他空气成分，因此在MEA从潮湿空 气中提取水分后产生除湿过的空气。蒸发冷却机组的选择性渗透和离子 交换聚合物基膜用作水蒸发介质，其中存在于膜中的水分子在吸收通过 的暖空气的潜热时蒸发，从而导致空气流的冷却。所述空调系统作为闭 环运行，其中室内空气循环回到除湿和蒸发冷却机组以进行另一轮冷却 和除湿。
蒸发冷却机组包括以下：进气口；一个或多个选择性透水和高离子 交换容量的膜组件；用于向用作蒸发介质的膜提供水的水源；一个或多 个带有扇叶的风扇，扇叶可涂覆有选择性渗透膜；和回风口。除湿机组 包括以下：一个或多个选择性透水和高离子交换容量的膜；位于膜的相 对两侧的一对电极；用于在电极上产生电压的电源；和除湿过的风的回 口。除湿机组可用于对相对湿度(RH)为至少10％的空气进行除湿。电极 可引入包括金属、金属氧化物、有机金属化合物以及无机和有机化合物 的材料。电极还可包括一种或多种例如以下形式的颗粒或成分：碳布、 织造和非织造导电材料、纳米管、纳米片、纳米颗粒。
在另一方面，选择性透水和高离子交换容量的膜允许质子交换穿过 膜且具有大于0.5meq/g的离子交换容量。所述膜可包括一个或多个SC 层，其厚度在约5-500微米之间。在其他实施方案中，SC可具有至少 25％的磺化度。在某些实施方案中，所述膜主要由至少一种类型的磺化 聚合物或共聚物制成。所述膜可提供抗菌性能。
在某些实施方案中，磺化共聚物可具有以下任何构型：A-B-D-B-A、 A-D-B-D-A、(A-D-B)nA、(A-B-D)nA、(A-B-D)nX和(A-D-B)nX。A-嵌段优 选基本上不含磺酸或磺酸酯官能团，且选自以下聚合物单元中的一种或 多种：(i)对位取代的苯乙烯单体，(ii)乙烯，(iii)3-18个碳原子的α -烯烃；(iv)1,3-环二烯单体，(v)氢化前乙烯基含量小于35mol％的共轭二烯单体，(vi)丙烯酸酯，(vii)甲基丙烯酸酯，和(viii)它们的混合 物，其中n为2-30的整数，X为偶联剂残基。
基于单体单元的数量，B嵌段可包含约10-100mol％的磺酸或磺酸酯 官能团，并包含一个或多个聚合乙烯基芳香族单体的链段，其中n为约 2-30的整数，其中X为偶联剂残基。嵌段D可包含选自异戊二烯和1,3- 丁二烯及其混合物的共轭二烯的氢化聚合物或共聚物，其中n为约2-30 的整数，且X为偶联剂残基。
可用于该应用的替代选择性渗透离子交换材料包括全氟化和磺化 聚合物，或具有(A-B-A)n构型的磺化嵌段聚合物。
空调器的蒸发冷却部件表面可涂覆有选择性渗透材料，例如具有选 择性亲水性的磺化苯乙烯嵌段共聚物，其显示出比自由水明显更高的蒸 发焓，从而促进每单位蒸发的水量中经过空气的更大的温度降低。表面 涂层可通过喷涂、浸渍、喷漆或浇铸工艺涂覆在传统蒸发冷却介质上， 或者，涂层也可涂覆在风扇叶片表面内有供水的特殊设计的风扇上。
附图简述
图1是空调系统的实施方案的示意图。
图2是示出空调装置内的除湿部件的实施方案的示意图。
图3是示出中空纤维膜(HFM)组件的实施方案的示意图。
图4A是示出除湿系统中选择性透水膜堆叠实例的示意图。
图4B是图4A中每层除湿的中心板的示意图。
图4C示出了具有真空驱动扩散的除湿板组件的细节，其设计特点 旨在最大化活性膜表面积。
图4D示出了除湿芯的概观，该芯带有除湿用真空接头。
图5是示出整个空调系统的示意图。
图6是窗式空调器的一个实施方案的示意图。
图7A是用于空调器的风扇的实施方案的示意图。
图7B是风扇中中空叶片的实施方案的示意图。
图8是示出窗式空调系统的实施方案的侧视图的示意图。
图9是示出空调系统的实施方案中各种组件的示意图。
图10是图9所示系统的实施方案的湿度图。
图11是对应于冷却和除湿过程另一个湿度图，示出了工艺空气在 不同阶段的状况。
图12是另一个湿度图示出了冷却过程的不同阶段中工艺空气的状 况。
图13是用于评估蒸发冷却机的饱和效率的实验装置的示意图(对于 一些实例)。
图14A是示出空调系统的实施方案的原型的侧视图/后视图的照片。
图14B是示出图14的原型的正视图的照片。
发明详述
本说明书将使用以下术语：
“空调器”或“空调系统”等是指用于控制需要除湿或冷却的建筑 物、房间、车辆等封闭空间内空气的湿度、温度、空气流量等的系统。 术语“空调系统”可用于指HVAC系统、“冷却机组”、“冷却系统”、 “冷却器/机”、“湿度控制系统”、“集成除湿和冷却系统”等。
除湿机/器可与除湿装置互换使用。
湿气透过率(MVTR)是通量或水蒸气通过基材的通道或基材的渗透 性的量度，该基材可渗透至少一种流体组分但不渗透其他组分。MVTR通 常以g/m2/天或升/m2/天表示。ASTM E-96B和ASTM F1249规定了测量 MVTR的标准方法。
“潮湿”或“潮湿空气”通常是指相对湿度(RH)大于50％或优选大 于60％的空气，尽管术语“潮湿”也可在相对意义上用于描述需要一定 程度除湿的相对湿度水平的空气。例如，对于要求非常低湿度的空间， 例如用于储存湿敏材料的储藏室，相对湿度值低于50％的空气可被视为 “潮湿空气”。
“膜”可与“薄膜”互换使用，包括选择性渗透和离子交换材料， 例如具有特定性质的薄膜、涂层、泡沫或任何平面结构，所述特定性质 例如亲水性和空气湿度渗透性，同时基本不渗透其他空气成分和夹带的 空气颗粒，使其适合各种类型的空调系统的除湿和冷却介质。术语“膜” 还可指膜束、膜堆或中空纤维组件、多个膜层，或包含两种或更多种材 料的复合基材，其中所述材料中的至少一种是选择性透水的离子交换材 料。
“磺化共聚物膜”或“SC基膜”或SC膜指包含至少一种类型的磺 化共聚物(SC)的膜、包含SC作为主要基材材料的膜或由SC制备的膜。 SC可通过各种方式结合到膜、混合膜或复合膜组件中，例如用SC层或 薄膜涂覆或层压膜的外表面或内表面(例如中空膜纤维或微纤维的中空 内芯)，或通过在膜组件或复合膜中粘合或插入一个或多个SC层，所述 膜组件或复合膜包含使用不同多孔材料或不同类型SC层制备的多层。
“膜电极组件”(MEA)是指包含至少一个膜和一对电极以及当在电 极上施加电压时促进或允许流体(例如蒸汽或气体)净扩散通过膜的其 他组分(例如磺化共聚物、膜框架、金属或非金属颗粒、催化剂、纳米 颗粒、石墨烯片等)的膜组件。
“离子交换容量”或IEC是指在聚合物电解质膜中负责离子交换的 总活性位点或官能团。通常，使用传统的酸碱滴定法来确定IEC，例如 参见International Journal ofHydrogen Energy，第39卷，第10 期，2014年3月26日，第5054-5062页，“Determination ofthe ion exchange capacity of anion-selective membrane”。
“真空”或“处于真空下”通常是指空调系统的压力低于大气压的 部分。术语“真空”或“处于真空下”也可指例如膜、膜组件或MEA的 一侧或空调系统的部分相对于另一侧或相对侧或部分具有更低的压力。
本发明涉及一种空调(AC)系统，其包括除湿机组和蒸发冷却机组。 AC采用选择性透水和离子交换聚合物基膜进行除湿。在某些实施方案 中，选择性透水和离子交换聚合物基膜还用于基于水蒸发冷却的蒸发冷 却系统。膜包含磺化共聚物(SC)。在某些实施方案中，SC基膜用于除湿 机膜电极组件(MEA)中以用于除湿。MEA利用跨SC基膜的电场从封闭结构(例如房间、设施或建筑物)内循环的相对潮湿空气中提取和去除水蒸 气。
用于膜的磺化共聚物：用于AC系统的膜的特征在于具有有利的离 子交换能力和质子传导性，以及玻璃化转变温度，同时提供柔韧性和材 料强度，以及良好的稳定性和溶胀性(即使在水合时也是如此)。所述 膜主要或基本上完全由磺化共聚物形成，该磺化共聚物被充分磺化以包 含基于共聚物中单体单元数量的10-100mol％的磺酸或磺酸盐官能团。在某些实施方案中，SC用于在基材表面上形成涂层，其中基材由相同或 不同材料制成。在其他实施方案中，所述膜以单个或多个SC层或膜形 式使用，每个SC层或膜具有特定或预选择的厚度。
在某些实施方案中，SC是一种磺化嵌段共聚物，其具有含三个或更 多嵌段的嵌段共聚物分子结构，设计为相分离并形成离子传导域，其使 水能够输送，该过程可通过施加电压来加速。在某些实施方案中，SC选 自全氟磺酸聚合物，例如磺化四氟乙烯共聚物、聚苯乙烯磺酸盐、磺化 嵌段共聚物、聚砜(例如聚醚砜)、聚酮(例如聚醚酮)、及其混合物。
在某些实施方案中，磺化聚合物的特征在于被充分或选择性地磺化 以包含基于磺化共聚物中的可磺化单体单元的数量10-100mol％的磺酸 或磺酸盐官能团(磺化度)。在某些实施方案中，磺化聚合物的磺化度 为>25mol％，或>50mol％，或<95mol％，或25-70mol％。
在某些实施方案中，磺化聚合物的特征在于具有自杀菌效果，用于 在与涂层材料接触的5分钟内杀死至少99％的微生物。
在某些实施方案中，磺化聚合物是磺化嵌段共聚物，具有一种或多 种共聚物嵌段构型，对应于A-B-A、A-B-A-B-A、(A-B-A)nX、(A-B)nX、 A-D-B-D-A、A-B-D-B-A、(A-D-B)nX、(A-B-D)nX或其混合物中的任一种， 其中n是2-30的整数，X是偶联剂残基，其中每个D嵌段优选为耐磺化 的聚合物嵌段。在某些实施方案中，SC具有对应于A-B-A、(A-B)2X、A- B-D-B-A、(A-B-D)2X、A-D-B-D-A和(A-D-B)2X的线性结构，或对应于(A- B)n X和(A-D-B)nX的径向结构，其中n的范围为约3-6。A、B、C和D嵌 段中的两个或更多个可相同或不同。
在某些实施方案中，A嵌段是丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的聚合物链 段。在某些实施方案中，A嵌段选自聚合的对位取代的苯乙烯单体、乙 烯、3-18个碳原子的α烯烃、1,3-环二烯单体、氢化前乙烯基含量低于 35mol％的共轭二烯单体、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、及其混合物。如果 A嵌段是1,3-环二烯或共轭二烯的聚合物，则优选在嵌段共聚物聚合之 后和嵌段共聚物磺化之前将嵌段氢化。如果A嵌段是1,3-环二烯单体的 氢化聚合物，则此类单体可选自1,3-环己二烯、1,3-环庚二烯和1,3- 环辛二烯。A嵌段可包含最多15mol％的乙烯基芳族单体，例如存在于B 嵌段中的那些。
B嵌段可包含基于单体单元的数量约10-100mol％的磺酸或磺酸酯 官能团，且包含一种或多种选自以下的聚合乙烯基芳族单体的链段：未 取代的苯乙烯单体、邻位取代的苯乙烯单体、间位取代的苯乙烯单体、 α-甲基苯乙烯单体、1,1-二苯基乙烯单体、1,2-二苯基乙烯单体及其混 合物。
D嵌段可包含选自异戊二烯、1,3-丁二烯及其混合物的共轭二烯的 氢化聚合物或共聚物。
X是偶联剂残基，偶联剂选自本领域已知的那些，包括聚烯基偶联 剂、二卤代烷烃、卤化硅、硅氧烷、多官能的环氧化物、二氧化硅化合 物、一元醇与羧酸的酯(例如苯甲酸甲酯和己二酸二甲酯)和环氧化油。
在某些实施方案中，SC是具有一般构型A-B、A-B-A、(A-B)n、(A- B-A)n、(A-B-A)nX、(A-B)nX或其混合物的氢化磺化嵌段共聚物，其中n 是约2-30的整数，X为偶联剂残基。在氢化之前，每个A嵌段是单烯基 芳烃聚合物嵌段,每个B嵌段是至少一种共轭二烯和至少一种单烯基芳 烃的受控分布的共聚物嵌段。氢化后，约0-10％的芳烃双键被还原，至 少约90％的共轭二烯双键被还原。每个A嵌段的数均分子量为约3000- 60000。每个B嵌段的数均分子量为约30000-300000。每个B嵌段包含 与A嵌段相邻的富含共轭二烯单元的末端区域和与A嵌段不相邻的富含 单烯基芳烃单元的一个或多个区域。氢化嵌段共聚物中单烯基芳烃的总 量为约20-80重量％。每个B嵌段中单烯基芳烃的重量百分比为约10- 75％；至少25％的烯基芳烃的芳环被磺化。氢化磺化嵌段共聚物的离子 电导率为大于0.08西门子/cm。
可使用的SC的实例在已公布的美国专利号US8222346、专利申请号US20130108880A1和US20140014289A1中公开，其全部内容通过引用并 入本文。SC可通过阴离子聚合制备，例如专利出版物US20130108880A1 和US20140014289A1中公开的那些，其全部通过引用并入本文。在各种 实施方案中，所述方法可包括在溶液中用锂引发剂聚合合适的单体。将 制备的嵌段共聚物磺化以获得溶液和胶束形式的磺化聚合物产物。磺化 反应后，可以将嵌段共聚物直接浇铸成膜或薄膜。
在某些实施方案中，磺化共聚物是磺化四氟乙烯共聚物，其具有聚 四氟乙烯(PTFE)主链，在簇区域终止于磺酸基的乙烯基醚的侧链(例如， -O-CF2-CF-O-CF2-CF2-)。
在某些实施方案中，磺化聚合物为聚苯乙烯磺酸盐，实例包括聚苯 乙烯磺酸钾、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠和聚苯乙烯磺酸钾的共 聚物(例如，聚苯乙烯磺酸共聚物)，其分子量为>100,000道尔 顿、>400,000道尔顿和最多1,500,000道尔顿。聚苯乙烯磺酸盐聚合物 可是交联的，也可是非交联的。在某些实施方案中，聚苯乙烯磺酸盐聚 合物未交联且可溶于水。
在某些实施方案中，磺化聚合物为聚砜，选自芳族聚砜、聚苯砜、 芳族聚醚砜、二氯二苯氧基砜、磺化取代的聚砜聚合物、及其混合物。 在某些实施方案中，磺化聚合物是磺化聚醚砜共聚物，其可由包括磺酸 盐(例如对苯二酚2-磺酸钾(HPS))的反应物与其他单体(例如双酚A和 4-氟苯基砜)制备。聚合物中的磺化程度可通过聚合物主链中HPS单元 的数量来控制。
在某些实施方案中，磺化聚合物为聚砜或聚芳醚酮，例如磺化聚醚 酮(SPEEK)，其通过磺化聚醚酮酮(PEKK)获得。聚醚酮酮使用二苯醚和苯 二甲酸衍生物制备。磺化的聚醚酮酮可以是醇溶性和/或水溶性产品，随 后可用于涂覆膜、浇铸成膜和薄膜。
在某些实施方案中，SC的IEC大于0.5meq/g，或1.5-3.5meq/g， 或大于1.25meq/g，或大于2.2meq/g，或大于2.5meq/g，或大于4.0 meq/g，或小于4.0meq/g。
通过使用磺化的共聚物，SC膜具有亲水性和吸湿性，也能渗透水分， 但不能渗透空气和氮气、氧气等气体。含有磺化共聚物的膜的特征在于 具有离子交换特性的选择性渗透性。SC膜的特征还在于具有出色的水蒸 气输送率(MVTR)特性和出色的离子交换容量。
SC膜的特征还在于当它吸收水分时会发生相当大的溶胀，例如，在 环境温度下至少100％。在使用具有一定磺化度(例如，至少25mol％)的 磺化嵌段共聚物的实施方案中，SC膜还显示出抗菌特性，使得AC特别 适用于室内空间冷却之外，还特别适用于对空气进行消毒。
在某些实施方案中，SC膜(薄膜)或包含SC的涂层的厚度为>1μm， 或>5μm，或5-50μm，或<100μm，或<75μm，或<μm。在某些实施方 案中，膜/涂层可包含纳米复合材料，且平均孔径可为<1μm、或<0.5μ m、或<0.1μm。
空调用磺化的共聚物膜：空调装置的特征在于包括至少一个SC膜。 借助在膜组件的入口侧和下游端或部分之间产生压力差，从而推动水分 子从进口侧向膜的另一侧扩散，通过透水膜从空气中提取水分。
根据装置(例如除湿机组或蒸发冷却机组)的不同，SC膜的形式可是 片材以外的形式，例如网状、筛网或格子、织造物、非织造物、穿孔或 开孔板、泡沫、中空纤维膜，或在整个机身具有互连间隙和通道的垫， 其上涂覆或粘合有SC。在某些实施方案中，SC膜可呈螺旋状或堆叠布 置，平行或垂直于空气流方向。
膜可包括通过本领域已知的工艺(例如浇铸)粘结或结合到框架、另 外的一个或多个膜、聚合物基质或多个纤维束上的SC。SC膜也可作为 涂层涂覆在纤维基质上，或在蒸发冷却机的风扇叶片上。
在某些实施方案中，SC膜可是中空膜纤维的形式，例如，作为多束 微孔纤维。微纤维束中的每根纤维可包括径向微孔基质结构和中空毛细 管内部，其中SC聚合物优选地涂覆在每根纤维的表面上。在某些实施 方案中，每根中空纤维的内表面涂覆有至少一层SC聚合物层，中空纤 维为水分选择性的一个或多个SC层提供机械支撑。在中空膜的实施方 案中，SC涂层或薄膜可施加在中空纤维的内表面、外表面或内表面和外 表面上。中空纤维膜在本领域是已知的，例如，如美国专利号05762798 中所公开的，其通过引用并入本文。
膜可粘结到作为支撑结构的框架或另一个多孔层上，空气和湿度可 自由流动通过该支撑结构。框架可包括金属或塑料，并可形成任何可能 的几何形状，包括但不限于蜂窝和波纹结构。在某些实施方案中，框架 可具有蜂窝状、螺旋状、无纺布或多种用于高表面积的多孔设计，其中 质子传导膜用于多个侧面且一侧作为开口以供空气流入。在其他实施方 案中，框架成形为具有用于增加暴露面积的通道的波纹板。例如，根据 要去除的湿气量或房间的大小，还可通过添加或取出一个或多个框架来 改变膜框架的数量。
形式固定框架可是热成型或机械成型的，且优选为刚性的、半刚性 的或基本刚性的。如本文所用，刚性、半刚性或基本刚性的框架是包括 能够在其自身重量下保持其形状的材料或结构的框架。合适的框架材料 包括玻璃纤维、铝、碳或基于聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙 二醇酯、聚氯乙烯、苯乙烯/丙烯腈/丁二烯共聚物、尼龙、聚四氟乙烯、 芳纶基聚合物纤维、金属、金属合金、纤维素、硝酸纤维素、醋酸纤维 素及其组合的刚性聚合物。
单个框架可在每侧支撑单个膜，或者膜组件可包括串联的两个或更 多个膜，每个膜由并联的框架支撑，以为10-9kg/s-cm2的质量通量提供 更高所需电压。在一个实施方案中，显热比约为0.6的5吨空调装置将 需要小于30m2的IEC至少为1.0meq/g的SC膜。
框架的厚度优选地足以保持强度，且不会干扰空气流或水分输送。 框架厚度可在约25-500微米、约100-500微米、或200-500微米、或 至少300微米的范围内。厚度通常取决于多个因素，包括所用框架的堆 叠层数、空气流量和压力。
框架可是多孔的，其孔径足以允许空气直接接触，而不会干扰水分 输送或显著压降。孔径可在0.1-200微米范围内，例如约5微米、至多 约8-10mm、或更大，且孔之间的框架表面足以使包含例如选择性渗透 和离子交换聚合物的膜或涂层粘结到框架上并保持膜附着。
当SC聚合物作为涂层施加到膜、基质、纤维等上时，可使用不同 的基础溶剂制备涂层，这取决于例如所需的涂层厚度或膜的预期用途， 例如，膜是用于除湿机还是蒸发冷却机。
在蒸发冷却机的实施方案中，SC介导的蒸发冷却过程是通过提供给 蒸发冷却机膜的水的蒸发来实现的，所述膜用作允许在相对温暖、除湿 过的流动空气和在所述温暖、除湿过的空气在其上流过的膜表面处或附 近的较冷的水分子之间进行热能传递的基体。
来自膜表面附近的相对温暖的流动空气分子的热能可被膜表面处 或附近的较冷的水分子吸收，从而导致流动空气的冷却和水分子从膜表 面的蒸发。热能传递也可通过从膜表面蒸发的相对较冷(较低能量)的水 蒸气分子与相对温暖(较高能量)流动的空气分子之间的碰撞能量传递 而发生。此外，在相对的膜表面上的蒸气压差有助于水从膜的较低蒸气 压侧蒸发。
在除湿机组的一个实施方案中，SC膜为中空纤维的形式。潮湿的空 气流过处于真空状态的中空纤维。中空纤维提供大的除湿表面积，且可 平行或垂直于空气流定向。当中空纤维膜的内部置于真空下时，在每个 纤维的中空芯(基本上处于真空下)和纤维的外表面之间产生渗透梯度。 由膜纤维的外表面和内表面之间的压差产生的渗透梯度允许选择性渗 透和离子交换聚合物涂覆的纤维有效地从流动的含水空气中提取水分。
除湿组件：在某些实施方案中，除湿组件采用至少一个膜组件，其 例如包括具有由IEC大于0.5meq/g所示的选择性水分输送能力(以实 现优异的水分输送特性)的SC膜。SC膜可用作膜电极组件(MEA)、真空 系统或真空下的膜电极组件的一部分。
在膜电极组件中，SC膜用作夹在阴极和阳极之间的选择性输送膜， 与例如复合结构的渗透层一起。在某些实施方案中，SC膜覆盖除湿机中 循环通道的横截面积。低湿度空气流从空调室内循环，相反的空气流(相 对湿度为30-95％)从外部环境循环。
在真空系统中，，膜组件的相对侧或下游侧保持在与入口侧相比较 低的压力下，例如通过使用真空泵去除进入入口侧的空气中的水分且将 其收集在膜的相对侧实现，其中在膜的相对侧，抽取的水与其他气体(例 如氮气和氧气)一起从除湿机组中输送出去，如果膜对这些气体是可渗 透的。
在真空系统的一个实施方案中，使用中空SEC膜。当空气穿过中空 纤维膜时会发生空气除湿，在这种情况下，在中空纤维的外部施加真空。 在真空系统的另一个实施方案中，将磺化膜组装在模块化的多个薄框架 层中，这些薄框架层具有用于工艺空气和真空的交替通道且具有多孔的 实心背板布置。真空人为地降低水蒸气压力，在工艺空气和真空侧之间 形成有利的渗透梯度。真空膜组件的实例如图3和4A所示。应注意的 是，真空膜组件也可用作MEA组件，提供用于增强的空气除湿的电极。
在MEA组件中，当在电极上施加电压时，通过MEA进气口进入的 水分子在正极(阳极)处发生氧化，水分子在正极(阳极)处解离(分裂)成 质子和氧分子，如下面的氧化半反应(1)所示。带正电的质子向负极(阴 极)扩散，在那里它们通过与氧分子结合进行还原，以根据下面的反应 (2)再生水分子。在MEA 105中发生的电压驱动的化学反应的最终结果 是水分子从MEA的阳极(正极)侧输送到阴极(负极)侧。
H2O→1/2O2+2H++2e- (1)
1/2O2+2H++2e-→H2O (2)
在MEA组件中，作为质子传导膜的SC膜夹在两个电极之间。当在 电极之间施加电压时，膜允许来自空气流的水分扩散通过电极。进入阳 极侧的空气流中的水分流过所述复合结构到达阴极侧的空气流，在阴极 侧以除湿过的空气流的形式排出。跨电极施加的电压可基于例如MEA的 所需水分去除能力而变化。例如，跨膜施加的电压可在几毫伏到约10伏之间的范围内，例如小于5伏或在约2-7伏之间。施加的电压越大，蒸 汽透过率越大，因此除湿能力就越大。施加的电流密度也可根据环境条 件而变化，范围可在每平方英寸几微安到几十安之间。
电极可包括粘结剂和一种或多种导电材料(例如碳或石墨烯颗粒) 以及纳米颗粒、纳米管、织造或非织造导电织物等形式的其他材料。电 极还可引入金属或金属组分，例如Pd、LaNi5或Ti3Ni，它们可形成金 属氢化物或金属氧化物，例如WO3、ReO3、MoO3、MnO2或NiOOH·H2O。 用于质子传导膜的电极可通过本领域已知的方法制备，包括电镀或喷涂。 在一些实施方案中，Pt和TiO2纳米颗粒可沉积在阴极和阳极上，且它 们的表面涂覆有选择性渗透和离子交换聚合物膜。TiO2可促进水的离解， 增强膜的亲水性，并增加氧气的扩散，尤其是当碳基材料引入MEA时。 TiO2价格低廉、可广泛获得且无毒。改性的电极表面可提高吸水率和导 电率。
导电材料可包括催化材料，用于在至少一个电极上催化某些所需反 应。催化剂可单独添加或负载在其他载体材料上。可用于电极的催化剂 的实例包括铂、铱、锡和它们的各种化合物。例如，阴极可包括与碳颗 粒结合的铂(Pt)催化剂以催化质子(H+)氧化形成水。阳极同样可包括催 化剂用于还原水。
MEA还可包括气体扩散层(GDL)。GDL通常由多孔材料例如碳纤维制 成，从而形成导电的织造或非织造表面。GDL可用于促进传热和传质， 以及为MEA提供机械支架。GDL还可将催化剂腐蚀或沉积在电极表面的 任何金属或金属化合物颗粒的损失(例如，流体流经膜电极)最小化。可 在SC基膜的相对表面或侧面上使用两个或更多个气体扩散层，其中阴 极和阳极可包括金属或金属化合物颗粒，例如Pt或TiO2颗粒。可在GDL 上沉积聚合物薄膜，以改善与膜和GDL的接触，延长GDL的使用寿命， 并将任何添加的金属颗粒(例如TiO2纳米颗粒)的损失最小化。
在MEA的实施方案中，考虑到能量需求是通量的函数，湿度水平与 促进除湿的功率需求相关。待被除湿的空气中的湿度水平越高，功率要 求就越高。例如，如果空气湿度水平显著上升，则除湿所需的功率可能 显著上升。因此，当供电受限时(例如，电源是基于太阳能时)，优选地 在MEA两端施加较低电压以降低除湿所需的功率。移动水的功率需求取决于特定的选择性渗透和离子交换聚合物的特性，使用具有高离子交换 容量(IEC)结合高MVTR(通量)特性的材料将使除湿具有显著提高的能 效。
使用MEA，可连续进行除湿，而无需再生膜组件。此外，当阴极进 气口的相对湿度高于阳极进气口时，使用MEA允许除湿发生，从而对抗 自然湿度梯度，允许系统在不受外部环境条件影响的情况下驱动除湿。 具有高MVTR和离子交换能力的MEA也可在许多环境条件下以最低的 能源需求运行。在除湿MEA的实施方案中，来自待冷却房间的空气(“RAO”) 借助通过除湿机将其水分转移到环境空气入口(“AAI”)，其中水蒸气被 MEA操作去除。在该装置中，除湿机持续保持其除湿能力，而不会达到 饱和。在通过除湿MEA后，干燥空气(“EAI”或蒸发器进气口)被引导至 位于室内的蒸发冷却机。环境空气(“AAO”)和水分在通过膜输送/去除 水分后被引导到建筑物/房间外以进行冷却。
除湿机组可配备冷凝容器或管道以允许去除水分。在一些实施方案 中，除湿MEA可设计用于其中一个除湿机用于一个蒸发冷却机的空调 (AC)装置，或者它可设计为一个除湿机用于多个蒸发冷却机的AC装置， 其中所述多个蒸发冷却机分开放置但全部位于一个闭环中。
除了AC应用之外，应注意的是，MEA还可用于其他应用，例如用 于燃料电池中跨膜的电解传输。IEC值至少为0.5meq/g的选择性渗透 和离子交换聚合物也可用于一般冷却应用，例如用于冷却塔，其中包括 用于核电站的冷却塔。例如，选择性渗透和离子交换聚合物可用于冷却 机组中，该冷却机组包括作为传热元件的热管和涂覆有一层或多层选择 性渗透和离子交换聚合物层的多孔陶瓷管，以通过液体(例如水)蒸发实 现冷却。
蒸发冷却机组：在蒸发冷却中，水被干燥空气流蒸发并进入干燥空 气流，以提供较冷的空气。从周围的空气中去除热量以顺应蒸发，从而 产生较冷的空气。来自除湿机的干燥空气流的蒸发冷却在室内装置中实 现。在蒸发冷却机中，干燥空气经过一个或多个风扇。当水滴落在蒸发 冷却垫或介质上时，它被膜吸收。借助干燥空气流经过这些基材蒸发水， 从而去除潜热，冷却过的空气(蒸发器空气出口“EAO”)离开去冷却房间。
与需要例如烃基制冷剂用于蒸汽压缩循环的传统空调相比，蒸发冷 却提供了几个优点。蒸发冷却机不需要常用的制冷剂，且它们的机械部 件相对较少，因此比传统的空调系统更便宜且更易于制造。重要的是， 蒸发冷却机的碳足迹比传统的基于制冷剂的空调系统要小得多。鉴于对 全球变暖影响的担忧日益增加导致对环保技术的需求不断增加，这一优 势使蒸发冷却机成为传统空调系统的非常有吸引力的替代品。蒸发冷却 器也比传统空调更实惠，因此为世界上许多无法负担传统空调成本但现 在正在经历更长时间温度升高的大量人群提供了一种实用的替代方案。 因此，在世界许多地方，冷却系统越来越成为一种必需品，而不仅仅是 一种奢侈品。
膜基冷却系统与膜基除湿机有一些相似的特点。在蒸发冷却机的情 况下，水、水溶液或其他液体被用于通过输送到膜并被膜吸收的液体分 子的液体蒸发来实现冷却过程。膜的两个相对侧或表面之间的压力差或 梯度驱动液体例如水从具有较高蒸气压的入口侧向暴露于较低蒸气压 的相对膜表面扩散。到达膜的相对表面后，液体分子会蒸发。液体分子 的蒸发速率取决于膜的相对侧的蒸气压有多低。
从浸水膜表面蒸发水所需的热量/能量可由流经膜表面的相对温暖 的空气提供。从空气中吸收热量(称为显热)驱动液体蒸发，这反过来冷 却流动的干燥空气。从膜表面蒸发的水分子会被流动的空气夹带，从而 在不同程度上增加流动空气的湿度，这取决于水的蒸发速率，而蒸发速 率又取决于发生蒸发的膜表面上方的温度和蒸汽压。根据压力、压力梯 度和环境温度等环境参数，蒸发冷却机不仅可用于冷却空气，还可用于 食品和饮料的储存和冷藏。
在某些实施方案中，蒸发冷却机组包括风扇组件和蒸发冷却垫或介 质。需要注意的是，风扇组件可是蒸发冷却机组的一部分，也可是单独 的部件但仍然是空调装置的一部分，用于在空调装置内循环空气。
在某些实施方案中，蒸发冷却垫(冷却介质)包括现有技术中使用的 常规膜/垫，例如由多孔纤维、纸等制成。然而，SC膜或选择性渗透和 离子交换聚合物基膜相比传统的膜基蒸发冷却机具有显著优势，因为与 SC结合使用的膜，例如通过在膜上涂覆选择性渗透和离子交换聚合物， 可实现更大的冷却，以及需要更少的水，因此更少需要频繁地重新加注 储水罐，尤其是在使用便携尺寸的蒸发冷却机时。
在一个实施方案中，蒸发冷却机包括高速雾气蒸发系统，如美国专 利公开号20140027528A1中所公开，该专利通过引用整体并入本文， 其中至少一个风扇包括叶片轴流式风扇，且在至少一个风扇的叶片上设 有多个喷嘴。喷嘴为喷雾喷嘴类型，其旋转以在喷嘴中引起离心流体压 力以产生细雾，从而通过高速雾气出口速度快速蒸发为新鲜空气流。在 某些实施方案中，喷嘴可位于或邻近叶片风扇尖端。这样，相对于旋转 风扇的其余部分，风扇的相对高叶尖速度确保喷嘴的速度因此高；而风 扇叶片引起的实际新鲜空气流速度相对低，以节省能量。
在某些实施方案中，蒸发冷却机介质的一部分可包括在中空纤维膜 上的SC涂层，在这种情况下，向纤维的中空侧供应水，该水润湿聚合 物涂层，并通过从膜表面蒸发水提供冷却。
在其他实施方案中，风扇组件至少包括跨风扇叶片延展的蒸发冷却 介质(冷却垫)。在又一些实施方案中，风扇组件包括多个涂覆有SC(例 如，通过浸渍、喷涂)或覆盖有SC基膜薄膜的风扇叶片，以允许通过来 自涂覆有SC的风扇叶片的水蒸发进行蒸发冷却。经过的空气由风扇形 状驱动，而风扇旋转施加的离心力将水驱动到SC膜中。考虑到自由水蒸发的焓明显低于选择性渗透材料中吸收水的焓，冷却效果得到了增强， 从而降低了类似冷却效果的耗水量。带有膜涂覆的风扇叶片的风扇允许 更快的水蒸发速率，也增加了空气流流速和因此提高了一个或多个冷却 机组的效率。这在需要冷却大量空气的情况下尤其有利，例如，在冷却 大型封闭区域时。
蒸发冷却系统可单独构成主蒸发冷却系统，或其可被包括作为除本 文所述的一个或多个其他蒸发冷却介质构型之外的附加蒸发冷却系统。
附加组件：在某些实施方案(未示出)中，AC系统还包括能量回收装 置(以提供新鲜空气流)作为来自房间进气口的第一组件。显示的各组 件顺序可根据湿度测量系统的要求而变化，这意味着空气可先被冷却而 后被除湿，或者可先被除湿而后被冷却。
在某些实施方案(未示出)中，可通过用于除湿的中间步骤分阶段冷 却空气，以使冷却效率最大化，而不会使工艺空气被水分饱和。在这些 情况下，AC还包括至少一个空气推进风扇，该风扇可定位在系统内的任 何位置。空气推进风扇可是轴向、切向或其他设计中的任何一种。
A/C运行：空调器装置的特征在于包括至少一个覆盖除湿机中循环 通道的横截面积的SC膜，以及任选的延伸穿过蒸发冷却机中风扇叶片 的SC膜。可借助在膜组件的入口侧和下游端或部分之间产生压差，通 过透水膜提取空气中的水分，其中所述压差驱动水分子从膜的入口侧向 另一侧扩散。膜组件的相对侧或下游侧可保持在与入口侧相比更低的压力下，例如通过使用真空泵去除进入入口侧的空气中的水分并将其收集 在膜的相对侧而实现，其中在膜的相对侧提取的水与其他气体(例如氮 气和氧气)一起从除湿机组中输送出去，如果膜对这些气体是可渗透的。
SC介导的蒸发冷却过程是通过供应给蒸发冷却机膜的水的蒸发来 实现的，所述蒸发冷却机膜用作允许在相对温暖、除湿过的流动空气和 在所述温暖、除湿过的空气在其上流过的膜表面处或附近的较冷的水分 子之间进行热能传递的基体。
来自膜表面附近的相对温暖的流动空气分子的热能可被膜表面处 或附近的较冷的水分子吸收，从而导致流动空气冷却和水分子从膜表面 蒸发。热能传递也可通过从膜表面蒸发的相对较冷(较低能量)的水蒸气 分子与相对温暖(较高能量)流动的空气分子之间的碰撞能量传递而发 生。此外，在相对的膜表面上的蒸气压差有助于水从膜的较低蒸气压侧 蒸发。
在某些实施方案中，空调装置在除湿机组(DEH)和蒸发冷却机(EVAP) 中都使用诸如中空纤维膜(HFM)的膜，且其中DEH和EVAP机组的膜彼此 紧挨着定位。DEH和EVAP机组的分离膜可彼此并排放置，也可一个放置 在另一个上面。可通过在两个分离膜的相邻侧或表面上应用环氧树脂灌 封而物理分离DEH和EVAP膜。在某些实施方案中，提供空调系统中两个相邻膜表面正上方或侧面的区域或空间以允许气流从一个膜流向另 一个相邻膜。这种布置使空调系统更加紧凑。在这里，需要冷却、除湿 或二者的气流可首先通过DEH或EVAP的进气口进入空调系统。例如， 来自封闭空间的空气流或室外环境空气流可首先进入除湿机组，然后流 向冷却段。
所公开的空调系统允许独立控制湿度和温度，从而在所需温度和湿 度水平范围内提供灵活性。这些变量可根据当前的外部条件、除湿或冷 却结构中居住者的个人偏好、或需要调节空气湿度和温度的设施类型进 行选择。例如，如果房间中的空气已经达到所需温度但需要进一步除湿， 则可关闭冷却机组。
在某些实施方案中，多余的水蒸气和其他气体(如氮气)可作为废气 从系统中排出，例如通过使用风扇、空气压缩机或真空泵通过回流出口 排出气体进行，从而保持所需的压差以及允许蒸发冷却根据需要进行， 或通过任何选择的温度和/或湿度设定进行，或者对于只要除湿机和冷 却机组在运行。然后，除湿过、冷却过的空气进入其中正在调节空气温 度和湿度水平的房间。当室内空气变得相对潮湿和/或温暖时，潮湿和温 暖的空气循环回除湿机/蒸发冷却机，循环再次开始，直到达到所需的温 度和/或湿度水平。
根据当时的环境条件或SC膜基空调系统的预期应用，可能仅需要 启用或开启集成除湿机和冷却机组之一。例如，温暖潮湿的室内空气流 通常需要冷却和除湿。在这种情况下，需要启用空调系统的冷却和除湿 机组。如果室内空气凉爽潮湿，通常只有除湿机运行。
应注意，除湿机和冷却机组串联组装，蒸发冷却机组位于除湿机组 之前或之后。此外，在一些实施方案中，空调系统包括多个蒸发冷却和 除湿机组，以用于根据环境需求进行能力调整，或用于维护期间的服务， 用于更换设备进行维护。在其他实施方案中，所述系统包括多个蒸发冷 却组件和除湿机组件，它们可彼此独立运行，每个组件都具有进入调节 过的区域的进气和排气，并具有独立或协调的控制。蒸发冷却和除湿过 程可在同一个装置内完成，也可分为带有单独的或集成的控制单元的不 同的独立设备。当蒸发冷却和除湿在同一装置中发生时，冷却可在除湿 之前，使用可逆风扇，除湿可在冷却之前。
与用于蒸发冷却的常规膜相比，SC基膜允许更有效的冷却，且与常 规蒸发冷却介质相比可实现更低的冷却温度或需要更少量的水，这是由 于与传统蒸发冷却介质中典型的游离水相比，这种膜中吸收水的蒸发焓 更高。因此，这一优势使得蒸发冷却系统的设计和应用范围具有更大的 灵活性，所述应用范围从冷却封闭空间到食品储存和冷藏。SC基冷却系 统提供的另一个优势是，与传统的商用空调和制冷系统相比，其成本相 对较低。重要的是，SC基冷却系统不需要烃基制冷剂，尤其是那些涉及 或在不同程度上导致全球变暖的制冷剂。因此，所述空调系统对环境的 影响很小，这是任何下一代空调系统的有益和理想特征。
本文公开的空调器的特征在于节能且不需要化学制冷剂。与现有技 术中的空调相比，该装置的设计/尺寸可用于冷却建筑物、住宅或密闭场 所，例如移动房屋、货运车等，具有较低的环境足迹。该装置还可适合 太阳能化，用于除湿机和蒸发冷却机的运行，以显著降低能源需求。该 装置还可用于一般冷却应用，例如冷却塔，其中包括核电厂的冷却塔。
将参考示出AC系统的实施方案的附图。
图1是SC膜基AC系统100的实施方案的示意图，包括用于对封闭 结构内的房间103进行冷却和/或除湿的蒸发冷却机组106和除湿机组 102。AC系统100可邻近或穿过待冷却的房间/空间103的墙壁(例如， 作为窗式或分体式系统)安装。
SC基空调系统100可基于几种可能的构型之一，例如，作为窗式装 置或作为安装在待冷却和/或除湿的结构附近的外部装置。空调构型的 选择取决于各种标准，例如待除湿和/或冷却结构的尺寸、空调系统安装 区域的典型环境条件、成本等。
SC基膜104形成除湿机组102的膜电极组件(MEA)105的一部分。 SC基膜104提供了相对低成本和高效的空气除湿和冷却，因为SC基膜 具有良好的质子传导性、机械或拉伸性能、溶胀性能、亲水性和水合状 态下稳定性的有利结合。
AC系统100具有至少一个风扇112，用于将潮湿的室内空气107引 向除湿机组102的MEA，除湿机组102可位于房间外。除湿机102通过 MEA 105从冷却过的潮湿的房间107的空气中提取水分，MEA 105允许 空气中的水蒸气通过，但阻止其他空气成分例如氮气、氧气和氩气以及 空气中的小颗粒通过。通过在SC基膜104的两个相对表面或侧面处跨 正电极108(阳极)和负电极109(阴极)施加电压来促进水分子在MEA 105中跨SC基膜104的扩散。
SC基除湿机组102可用于对相对湿度(RH)值为10-95％的空气进行 除湿。在某些实施方案中，如果除湿过的空气需要冷却，则将除湿过的 空气引导至蒸发冷却垫106。在从潮湿空气中提取水蒸气之后，MEA基 除湿机组102可将提取的室内空气水分排放到外部空气流中，例如，经 由回风口110。或者，收集的空气水分可被引导至储水器111，储水器 111向蒸发冷却垫106供水，其中提取的水分可用于蒸发冷却。
除了用于通过冷却垫抽吸空气的至少一个风扇112和储水器111 之外，蒸发冷却机106还可包括以下各项中的一个或多个：用于供水的 水位控制阀、用于将水泵送至膜组件的泵、水分配装置(如雾化器、洒水 器)或用于将水分配到膜组件上的喷嘴、位于或靠近冷却器外壳底部的 用于收集水的排水容器、以及用于除水的排放管或出口。
在蒸发冷却机组106的实施方案(未示出)中，由储水器111供应给 膜的水优选地构造为通过膜的侧面进入，其方式使膜最大限度地吸收水， 且也使从发生水蒸发的膜表面最大限度地蒸发水。来自储水器111的水 可流入膜的侧面或表面，该侧面或表面平行或垂直于发生水蒸发的膜表 面定向。但通常，供应给膜的水可从膜的任何一侧、表面、区段或部分 流入膜，从而最大限度地提高膜的吸水率，也最大限度地提高膜另一侧 或表面的水分蒸发率。也可通过调节供给膜的水的流速来优化膜的吸水 和从膜表面的水蒸发。
尽管在图1中未示出，但除湿机和冷却机组通常安装在由聚氯乙烯 PVC、工程塑料或玻璃纤维等耐腐蚀材料制成的保护壳中。
图2是空调装置内除湿组件的实施方案的示意图，其中所述除湿组 件具有选择性渗透和离子交换功能的膜组件，从室内工艺空气中清除水 分并将其排入外部空气流中，从而使室内回风的含水量可控。选择性渗 透和离子交换SC聚合物可用于驱动水分转移，以通过如图1所示的MEA 机制实现房间除湿，在这种情况下，选择性渗透和离子交换聚合物膜通过电极通电以单向驱动水分。在一些实施方案(未示出)中，水分转移也 可通过第二机制驱动，其中SC聚合物膜被用于聚合物膜的组件中，例 如在机械支撑结构的阵列中，对排湿流施加真空。这两种机制并不相互 排斥，可结合使用，以获得AC系统的最佳能效。
如图2所示，具有多个选择性渗透和离子交换聚合物膜(例如SC膜 层)的除湿组件或堆叠200形成用于两个独立空气流的围合(enclosure)： 1)潮湿的室内空气入口201作为除湿过的空气202返回室内；2)外部 空气入口203作为加湿过的空气204被排放到外部。SC膜也可以复合 物或一个或多个片材的形式使用，其中所述片材具有SC膜覆盖气流通 道的表面积，从而允许通过的水分移动到相邻气流中。
图3是中空纤维膜(HFM)组件300的示意图，该组件300具有涂覆 有SC聚合物的纤维(使水能够从经过空气移入真空室以进行除湿)， 具有除湿机进气口304和除湿过的风回口305。中空纤维膜组件用涂覆 有SC聚合物的多个中空纤维束303提供机械支撑和高表面积，从而实 现具有高水分去除率的紧凑设计。HFM可安装在一个组件中，其大小取 决于系统的湿度测量要求。真空室设有抽真空口301，并用灌封底座302 密封。
图4A是除湿组件400的又一实施方案的示意图，该除湿组件400 包括布置在具有交替的工艺空气通道401和真空室402的框架和板组件 中的SC膜堆叠。SC膜403配备有模块化框架层支撑结构，用于机械支 撑以对抗真空室产生的力。空气通道401之间的真空室402在交替的空 气通道401和真空区域402之间建立渗透梯度。
在图4B中，真空室和膜403由板404支撑，板404具有均匀分布 的小孔405以用于水分通过。可使用紧固或支撑突起406将背板安装在 膜组件400上。
图4C示出了具有真空驱动扩散的除湿板组件的各部件，其设计特 点旨在最大化活性膜表面积。在图4C中，显示了除湿板组件410的俯 视图，以及显示了两层板组件412的侧视图。除湿板具有多个间隔翅片 411，以使工艺空气能够通过。除湿组件配备有多个除湿端口413，每个 端口都有螺纹真空接头414。除湿组件配备有支撑架415(如侧视图所 示)。如支撑框架416所示，厚度逐渐减小以实现尺寸优化以支撑SC膜 417。
图4D是膜堆叠或阵列430的另一实施方案的图示，所述膜堆叠或 阵列430具有展示SC膜层431的多个板，和采用板组件410(在图4C 中)的支撑结构415。板架411将每个真空层组件固定到位，并通过翅片 提供板层之间的间距，从而为工艺空气通道433创造空间。每个板架416 配备有单个或多个抽湿端口414，这些抽湿端口414通过真空抽气接头 432顺序连接到真空源，用于激活经过的工艺空气的除湿。类似的堆叠 或阵列可用于适配膜电极组件，例如膜431(如果与电源连接，则为MEA)。
图5是示出了包括冷却机组501、除湿机组502和风扇503的整体 空调系统500的示意图，当该系统用于膜电极组件时，与真空源或电源 相关联。如图所示，蒸发冷却机组501和除湿机组502串联布置，可安 装为窗式空调系统。至少一个风扇503将室内空气引向膜基蒸发冷却机 组501和除湿机组502。蒸发冷却机501或除湿机502中的至少一个膜 组件包括一个或多个SC膜、结构或层。真空泵或电源504与空调装置 500连接，以驱动工艺空气的除湿，并收集从空调装置500提取的多余 水分和冷凝水。所收集的水的至少一部分可被输送至膜基蒸发冷却机组 501。
当循环室内空气在一定时间内保持在所需的温度和湿度水平时，可 将冷却机组501或除湿机组502或二者调整为较低的功率设置，或手动 或自动关闭。或者(未显示)，蒸发冷却和除湿器机组可单独安装，并在 不同的房间位置独立运行。在这里，室内空气可首先进入除湿机组进行 除湿，然后将除湿过的空气引导至安装在房间另一部分的蒸发器冷却机 组，在该处对除湿过的空气进行冷却。经过蒸发冷却后，现在冷却和除 湿过的室内空气流入房间，在此，调节过的空气循环一段时间。然后， 循环的室内空气经过另一个冷却和除湿步骤循环，整个空调系统在闭环 中运行。根据当前的环境条件，蒸发冷却机、除湿机或二者都可手动或 自动设置为较低的功率设置，或根据环境条件关闭电源。
图6是AC装置600的实施方案的示意图，该AC装置例如具有与基 于膜电极组件的除湿系统组合或独立于它的蒸发冷却机的空调器。除湿 机组601包括除湿通道602，空气直接从室内进气口或从蒸发冷却机组 导入该通道。如图所示，气流选择风门603通过在到达除湿通道602之 前引导空气通过冷却器601或直接从进气口604到除湿通道602，而使 得空调能够用作除湿机、冷却器或空调器。
图7A是具有风扇组件701的蒸发冷却机组700的实施方案的示意 图。该风扇组件被设计为不仅引导空气流动而且还用作用于水蒸发的蒸 发冷却介质。风扇组件通过一个或多个膜层、引入SC膜或涂覆有SC聚 合物、或在风扇叶片702上层压有SC膜来提供蒸发冷却。水源703向 涂覆风扇叶片702的膜供水。风扇叶片702优选地包括水通道(例如， 风扇叶片包括中空的内芯或部分)，以允许来自储水器的水通过通向风 扇叶片的导水管流入风扇叶片702，从而起到配水系统的作用。来自风 扇组件701的冷凝水或水滴由风扇组件701下方或附近的水箱704收 集。
风扇叶片702优选地包括多孔材料或具有水分配通道的固体材料， 以允许流过风扇叶片的中空内部的供应水渗透到风扇叶片702上的膜 中。
图7B是显示了可用在图7A所示蒸发冷却机组700中的中空叶片 705的实施方案的细节的示意图。用于蒸发冷却的水可由附近的储水器 703提供，或由风扇轮毂706中的储水器提供。膜可以涂层或层压体的 形式直接沉积在风扇叶片705上，这样就不需要作为风扇附近的蒸发介 质的单独的膜装置。液态水、水蒸气或水雾可从风扇组件附近的水源或 通过位于风扇组件内(例如风扇轮毂706内)的储水器提供到风扇叶片的 表面。由风扇轮毂706提供的水可通过中空风扇叶片的中空芯707提供 到涂覆风扇叶片705的膜中，然后水渗透通过中空风扇叶片705上的小 孔。或者，可将来自风扇轮毂706的水泵入由透水材料制成的风扇叶片 705的中空芯707，水从中空芯707向风扇叶片表面渗透，然后被涂在 风扇叶片705上的膜吸收。
图8是示出窗式蒸发冷却机组800实例的示意图，该装置包括动力 风扇、蒸发冷却机组和膜电极组件除湿通道。冷却室包括位于冷却组件 803另一端的进气口801和出气口802。轴流式风扇804用于抽取通过 进气口801进入蒸发冷却机组800的空气流(例如，来自除湿机组、房 间或外部环境空气中的任何一种)。轴流式风扇804可包括金属或非金 属风扇叶片。风扇叶片的直径(或宽度)可至少为2-5”，但也可使用其 他尺寸。在一些实施方案中，风扇可被穿孔、由多孔材料制成、或涂覆 有选择性渗透和离子交换SC聚合物膜。贯流式风扇805可安装在冷却 机组的出风口802处或附近。储水器806向蒸发垫或介质807供水。水箱808收集任何多余的水或冷凝水。泵809向蒸发冷却垫807供水。
轴流式风扇804可包括涂覆有或层压有质子传导膜例如SC膜的叶 片。除湿通道810由用于通过被除湿的空气的空间组成，其外壁811由 除湿MEA组成，其中除湿MEA从工艺空气中清除水分，将其排入由风扇 805驱动的空气流中以将多余的水分排出802之外。
图9是示出空调系统900的实施方案的示意图。该系统采用蒸发冷 却机901和选择性渗透膜组件除湿机902，其可基于膜电极组件 (MEA)903(或真空驱动芯组件)。蒸发冷却机组901可包括在蒸发冷却垫 904中的SC膜组件，或在位于驱动来自除湿机902的空气的进气口处 的风扇905中的SC膜组件。在蒸发冷却系统中冷却之前，环境空气进 气口(AAI)被吸入除湿芯，以收集室内空气中排出的水分。然后，使调节 过的空气返回房间907。在该图中，AAO是指导向室外的环境空气。EAI 是指蒸发器进气口。EAO是指蒸发器出风口。RAO是指房间出风口。RC 是指房间条件。
处于初始温度(例如，T＝15℃)和高湿度(例如，RH＝80％)下的环境空 气(AAI)进入除湿机902的AAI入口，在那里进行除湿。然后，除湿过 的AAI作为干燥空气906离开除湿机902。由于目标室温与AAI的初始 温度相同，所以除湿过的AAI 906只需流经冷却机组901而不进行冷 却，并以较低的湿度(例如，RH＝65％)进入房间907。在除湿过的空气906 在房间904中循环一定时间后，循环的室内空气以较高的温度(例如 T＝27℃)但湿度较低(例如RH＝60％)离开房间904。现在离开房间904的 较暖空气随后流回除湿机902。因为在较低的湿度下(例如，RH＝60％) 相对干燥，所以温暖干燥的空气流过除湿机902而不除湿，并流经冷却 机组901，在那里进行冷却。冷却后，冷却过的空气再次被引导回房间。
实施例：以下说明性实施例是非限制性的。
实施例1
该实施例示出了制备中空纤维膜的方法。制备来自Kraton Polymers的5wt％Nexar 9200在1-丙醇和甲苯的50:50溶液中的溶 液。从Tisch Scientific获得了一束中空聚丙烯膜纤维，其具有不同 的孔径0.10-10微米和直径25-300毫米。将纤维束放置在模制外壳中。 如图3所示，束的一端用环氧树脂灌封，并固定在模制外壳的一端，同 时保持中空膜纤维的开口暴露在外，模制外壳的另一端配备有弹性O- 形圈(用于随后与加压源连接)。将Nexar溶液加入管中，根据需要对外 壳加压，以迫使Nexar溶液进入中空膜。将该组件干燥过夜。
实施例2
在蒸发冷却期间收集风洞变量的实验结果，给出了对照蒸发介质相 对于涂覆有具有离子交换能力的选择性渗透膜的类似装置的效率。用于 生成数据的实验装置如图13的示意图所示。在表1中，风扇产生空气 运动，风速由风速计测量。干球温度(DBT)和湿球温度(WBT)由位于夹在 中间的蒸发冷却机前后的多个传感器测量。耗水量由流量计测量，并通 过量筒中的液位变化来确认。测量通过蒸发冷却机的压降。所得数据用 于计算分离效率，如表1所示。如图所示，对于不同风扇转速设置下的 相似压降、饱和效率和空气速度，使用SC膜(Nexar 2.0IEC)可降低耗 水量。例如，当空气速度为0.98m/s时，从0.91降到0.64。
表1
Figure BDA0003635311590000271
下表2总结了耗水量和饱和效率随空气流速而降低。降低措施是由 于在对照蒸发冷却垫上使用了选择性透水和离子交换膜。用更少的水达 到相同的冷却。
表2
Figure BDA0003635311590000272
实施例3
该实施例示出具有至少0.5meq/g的IEC的SC膜除了在AC系统 中的应用外还可用于食品冷藏。在该实施例中，多孔陶瓷容器如陶罐(例 如罐中罐冰箱)涂覆有薄至几微米的SC层。与没有SC涂层的陶罐相比， 该陶罐需要更少的水来实现冷却和/或获得至少2℃的冷却改进。
实施例4
在该实施例中，使用MEA作为对静态密封室除湿的机制获得数据。 电极被提供给具有位于其中的SC膜的腔室，传感器位于腔室内部和外 部。结果表明，在MEA情况下，根据SC膜的IEC，MVTR特性有所不同。 表3显示了IEC为2.5的SC膜的结果。表4显示了由IEC为1.0的SC 膜获得的结果数据。
表3
时间 电压 Amps RH％ Watts
开始 3 3.43 53.53 10.29
15min 3 0.84 20.33 2.52
30min 3 0.55 15.75 1.65
45min 3 0.43 13.73 1.29
60min 3 0.38 13.13 1.14
1h,15min 3 0.35 12.44 1.05
1h,20min 3 0.32 12.38 0.96
1h 45min 3 0.31 10.2 0.93
2h 3 0.31 9.85 0.93
表4
时间 电压 Amps RH％ Watts
开始 3 4.32 54.19 12.96
15min 3 1.2 31.27 3.6
30min 3 1.07 29.32 3.21
45min 3 1.03 29.63 3.09
60min 3 1.02 29.63 3.06
1h,15min 3 1.02 30.27 3.06
1h,20min 3 0.98 28.4 2.94
1h,45min 3 0.98 27.99 2.94
2h 3 0.96 27.41 2.88
实施例6
进行计算机模拟以预测操作的湿度测量条件。使用MEA作为除湿机 制，除湿膜电极组件对于引导到蒸发冷却机的空气可保持75％或更低的 相对湿度，蒸发冷却机可将水的温度降低至少5℃，或至少7℃，或至 少10℃。在计算机模拟中，来自热带气候位置的气候数据被整合到湿度 图中，详细描述了各种起始气候条件下的起始和结束室内环境。在所有模拟中，室内空气流量为600cfm，最大环境空气流量为1100cfm。
模拟了各种场景：1)在排气处除湿机RH(相对湿度)的可变排放随着 恒定的空气流量而变化；2)具有恒定RH的除湿机空气流量的可变环境 质量流量；3)环境条件—房间与蒸发器混合。
图10是根据以下一组条件从涉及图9所示空调系统的冷却和除湿 过程的计算机模拟中获得的湿度图：除湿机排气RH＝70％，蒸发器效率 ＝56％，室内循环＝600cfm，环境循环＝1100cfm。可用冷却负荷包括 SCL＝13936kJ、LCL＝19003kJ、吨位＝2.60吨、蒸发器水负荷＝1.98L和除 湿机排水负荷＝9.73L。
房间处在T＝27℃和湿度比HR＝13.73。当SC基空调系统通电时，它 吸入T＝15℃和HR＝8.69下的环境空气，空气流经SC基MEA除湿机。 经过除湿步骤后，空气在T＝19.3℃和HR＝5.33下时离开除湿机，进入 下一个空调阶段，即冷却阶段。经过冷却后，空气温度从T＝19.3℃下降 到T＝15℃(与环境空气入口温度相同)，而湿度从HR＝5.33上升到 HR＝7.04。然后将冷却过的空气引入房间循环，然后引入空调装置进行另 一轮冷却、除湿或二者。
图11是另一个来自计算机模拟的湿度图，对应于在外部环境条件 温暖和潮湿(30.8-33.2℃，相对湿度为70-80％)的情况下根据膜基蒸发 冷却机和除湿机组的冷却和除湿过程。在这种情况下，空调系统运行以 补偿对除湿机排气的RH＝65％、蒸发器效率＝44％、室内循环＝600cfm、环 境循环＝1100cfm作出反应的显负荷和潜负荷。吨位冷却负荷＝0.26吨， 蒸发器水负荷＝1.75L，除湿机排水量＝0.39L。
房间初始再次处在T＝27.0℃和HR＝13.73。当选择性渗透和离子交 换聚合物基空调系统通电时，它会在T＝33℃(比室温高)和HR＝22.91(比 室内空气更湿)时吸入AAI，然后流经选择性渗透和离子交换聚合物基 MEA除湿机。经过除湿步骤后，空气在T＝30.8℃和HR＝13.39时离开除 湿机，进入下一个空调阶段，即冷却阶段。经过冷却后，空气温度现在 恢复到T＝27.0℃(与室内空气温度相同)，HR＝14.90(比室内空气略湿)。 然后，冷却和除湿过的空气流入房间，在房间内循环并流入空调装置， 以根据需要进行另一轮冷却、除湿或二者。
图12是一个湿度图，示出了一个场景的实例，其中外部空气非常 温暖(T在36.5-42℃之间)且干燥，给空调系统增加了显著的可感知负 荷，然后空调系统专门用于将室内空气从HR＝13.73增湿至HR＝14.9，同 时将室温保持在27℃的设定点。在此过程中，除湿机排气RH为约47％， 蒸发器效率为64％，室内循环为600cfm，环境循环为1100cfm。可用 冷却负荷包括0kJ的SCL、-3320kJ的LCL、-0.26吨的吨位。蒸发器 的水负荷为4.39L，除湿机的排水量为3.03L。
如本文所用，术语“包括/包含”是指包括在该术语之后标识的元件 或步骤，但任何此类元件或步骤并非详尽无遗，且实施方案可包括其他 元件或步骤。尽管本文中使用了术语“包含”和“包括”来描述各个方 面，但是术语“基本上由……组成”和“由……组成”可用来代替“包 含”和“包括”，以提供本发明的更具体方面，本发明也公开了这些术 语。

Claims (18)

1.一种空调系统，其包括：
a)用于将空气吸入空调系统的入口；
b)具有多个用于在所述空调系统内循环空气的风扇叶片的风扇组件；
c)至少一个蒸发冷却机组，其包括蒸发冷却机介质和用于向所述蒸发冷却机介质供水的水源；
d)至少一个除湿机组，其包括：
包括至少一个膜的膜组件，所述至少一个膜包含选择性渗透和离子交换聚合物，
以下中的至少之一：
i)位于所述至少一个膜的相对两侧的一对电极，其与用于跨所述电极产生电压的电源结合，
ii)与所述至少一个膜接触的气密室，所述气密室与真空源连接以能够从与所述气密室接触的所述至少一个膜中抽湿；
e)用于从所述空调系统回风的出口；
其中所述选择性渗透和离子交换聚合物是具有至少0.5meq/g的离子交换容量的磺化共聚物。
2.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述膜组件包括多个作为中空纤维膜的膜，每个中空纤维膜具有中空芯，其中所述中空纤维膜的外侧涂覆有所述选择性渗透和离子交换聚合物，且其中所述中空纤维膜的中空芯与真空源连接，从而能够从所述纤维膜中抽湿。
3.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述膜组件包括布置在框架和板组件中的多个膜，所述框架和板组件在其间具有交替的工艺空气通道和真空室，和每个膜都支撑在支撑框架上，其中所述交替的真空室与所述真空源相互连接，从而能够从膜中抽湿，且其中所述选择性渗透和离子交换聚合物被涂覆或层压到所述支撑框架上。
4.根据权利要求1所述的空调系统，其中基于所述磺化共聚物中的可磺化单体单元的数量，所述磺化共聚物被选择性磺化以包含10-100mol％的磺酸或磺酸盐官能团。
5.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述磺化共聚物选自全氟磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸盐、磺化嵌段共聚物、聚砜、聚酮、及其混合物。
6.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述磺化共聚物是具有聚四氟乙烯(PTFE)主链和乙烯基醚(例如-O-CF2--CF-O-CF2-CF2-)侧链的磺化四氟乙烯共聚物，其中所述侧链终止于簇区域中的磺酸基团。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其还包括位于每个膜的两个相对侧的一对电极和用于跨所述电极产生电压的电源。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中所述蒸发冷却机介质包括选择性渗透和离子交换聚合物，且其中所述选择性渗透和离子交换聚合物被涂覆在所述多个风扇叶片上。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中所述蒸发冷却机介质包括选择性渗透和离子交换聚合物膜，且其中所述选择性渗透和离子交换聚合物膜被拉伸跨过所述多个风扇叶片。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中所述蒸发冷却机介质包括选择性渗透和离子交换聚合物膜。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中所述包含选择性渗透和离子交换聚合物的膜包括厚度为约5-500微米的磺化嵌段共聚物膜。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的空调系统，其中所述磺化共聚物是磺化度为至少25mol％的磺化嵌段共聚物。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的空调系统，其中所述至少一种磺化嵌段共聚物包含对应于A-B-D-B-A、A-D-B-D-A、(A-D-B)nA、(A-B-D)nA、(A-B-D)nX和(A-D-B)nX的至少一个的构型，其中：
A嵌段基本上不含磺酸或磺酸酯官能团，且选自以下的一种或多种：聚合的(i)对位取代的苯乙烯单体、(ii)乙烯、(iii)3-18个碳原子的α-烯烃、(iv)1,3-环二烯单体、(v)氢化前乙烯基含量小于35mol％的共轭二烯单体、(vi)丙烯酸酯、(vii)甲基丙烯酸酯、和(viii)它们的混合物，其中n为约2-30的整数，X为偶联剂残基；
B嵌段包含基于单体单元的数量约10-100mol％的磺酸或磺酸酯官能团，且包含一个或多个聚合的乙烯基芳族单体的链段，其中n为约2-30的整数，X为偶联剂残基；
嵌段D包含选自异戊二烯、1,3-丁二烯及其混合物的共轭二烯的氢化聚合物或共聚物，其中n为约2-30的整数，X为偶联剂残基；
n为约2-30的整数，和
X为偶联剂残基。
14.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中所述风扇组件包括在所述风扇叶片中的一个或多个中的喷嘴，来自储水器的水流过所述喷嘴，且其中当所述多个风扇叶片旋转时产生水雾。
15.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中所述至少一个除湿机组和至少一个蒸发冷却机组彼此独立地运行和控制。
16.根据权利要求1-6中任一项所述的空调系统，其中来自封闭空间的空气经由所述除湿机进气口或所述蒸发冷却机进气口进入所述空调系统。
17.一种空调系统，其包括：
(a)至少一个除湿机组，其包括：
除湿机进气口，
膜电极组件，其包括包含磺化共聚物的除湿机膜、位于所述膜的相对两侧的一对电极、用于跨所述一对电极产生电压的电源和除湿过的风回口；和
(b)至少一个蒸发冷却机组，其包括：
蒸发冷却机进气口，
至少一个包含磺化嵌段共聚物的蒸发冷却机膜，
用于向所述蒸发冷却机膜供水的水源，
至少一个用于促进空气从所述进气口流向所述至少一个蒸发冷却机膜的风扇，其中来自所述蒸发冷却机进气口的空气通过来自所述至少一个蒸发冷却机膜的水蒸发而被冷却，和
冷却过风回口；
其中用于所述至少一个除湿机组和所述至少一个冷却机组之一或二者中的所述磺化共聚物具有至少0.5meq/g的离子交换容量和至少25mol％的磺化度。
18.一种空调系统，其包括：
至少一个除湿机组，其包括：
除湿机进气口，
膜组件，其包括至少一个包含磺化嵌段共聚物的膜、与所述至少一个膜接触的气密室和除湿过的风回口，其中所述气密室与真空源连接以能够从所述至少一个膜中抽湿；和
至少一个蒸发冷却机组，其包括：
蒸发冷却机进气口，
包括磺化共聚物膜的至少一个蒸发器冷却垫，
用于向所述蒸发器冷却垫供水的水源，
至少一个风扇，用于促进空气从所述进气口流向所述至少一个蒸发器冷却垫，其中来自所述进气口的空气通过来自所述至少一个蒸发器冷却垫的水蒸发而被冷却，和
蒸发器冷却器回风口；
其中用于所述至少一个除湿机组和至少一个冷却机组之一或二者中的所述磺化共聚物的具有至少0.5meq/g的离子交换容量、至少25mol％的磺化度和约5-500微米的厚度。
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