JP6005860B2 - 複合型熱および物質交換装置の熱力学的平衡 - Google Patents

Description

今世紀において、淡水の欠乏は、人類における地球的関心事として、エネルギーの欠乏を凌駕するであろう。そして、この２つの問題は、「エコノミスト（Ｔｈｅ Ｅｃｏｎｏｍｉｓｔ）」誌の２０１０年５月２０日号の「水に関する特別報告（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ｏｎ Ｗａｔｅｒ）」に解説されているように不可避的に関連している。淡水は、人間および他の生命体の最も基本的な必要物の１つである。人間は、１人当たり１日最少約２リットルの水を必要とする。また、世界は、農業および工業分野からの巨大な淡水需要に直面している。

水の供給が不十分であることによって生じる弊害は特に深刻である。淡水の欠乏は、飢饉、疫病、死、追い込まれた大量移民、地域間の闘争／戦争、および生態系の崩壊を含む多様な危機をもたらす可能性がある。淡水の必要性の重要さ、および欠乏の広範な結果にも拘らず、淡水の供給は特に制限されている。地球上の水の９７．５％は塩水であり、残りの部分の約７０％は（殆ど氷床および氷河の）氷として固定され、地球上のすべての水のごく僅かな部分しか、利用可能な淡水（非塩水）としては残されていない。

さらに、地球の利用可能な淡水は均等に分布していない。例えば、インドや中国のような過密人口の国々の多くの地域は供給不足に見舞われている。さらにまた、多くの場合、淡水の供給は季節的に一貫していない。その一方で、淡水に対する需要は全世界にわたって強化されている。貯水池は干上がりつつあり、帯水層は低下しつつあり、河川は乾燥しつつあり、氷河および氷床は後退しつつある。人口の増加は需要を増大させ、農業の変化および工業化の増進も同様である。気候の変化はさらなる脅威を多くの地域にもたらしている。その結果、水の欠乏に直面している人口は増大している。しかし、自然に生成される淡水は、通常、地域的な河川流域に限定されており、水の輸送は、費用が掛かりかつエネルギー消費型である。

一方、海水から（あるいは比率は低いが鹹水から）淡水を生産する既存の多くのプロセスは大量のエネルギーを必要とする。逆浸透（ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）は、現在、最も主要な脱塩技術である。大型プラントでは、必要な比電力量は、理論的な最小値が約１ｋＷｈ／ｍ^３であるのに比べて、３０％回収で４ｋＷｈ／ｍ^３程度に低くすることが可能であるが、小型のＲＯ装置（例えば舶用装置）の効率はこれより低い。

他の既存の海水脱塩システムとして、熱エネルギーベースの多段フラッシュ（ｔｈｅｒｍａｌ−ｅｎｅｒｇｙ−ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ ｆｌａｓｈ：ＭＳＦ）蒸留法および多重効用蒸留（ｍｕｌｔｉ−ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ：ＭＥＤ）法が含まれるが、この両者は、エネルギー大量消費型であると共に大型資本を必要とするシステムである。しかし、ＭＳＦおよびＭＥＤシステムにおいては、ブラインの最高温度と、入力熱の最高温度とは、硫酸カルシウムの沈殿を避けるために制限される。硫酸カルシウムが沈殿すると、熱伝達機器に硬いスケールが形成される。

加湿−除湿（ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＨＤＨ）脱塩システムは、その主要構成要素として、加湿器および除湿器を含み、熱源とブラインとの間のエネルギー連絡のためのキャリアガス（例えば空気）を使用する。この技術の簡易型は、加湿器と、除湿器と、海水の流れを加熱する加熱器とを含む。加湿器において、高温の海水が乾燥空気と直接接触し、この空気が加熱されかつ加湿される。除湿器において、加熱されかつ加湿された空気を低温の海水と（間接）接触させて除湿し、純粋な水および除湿空気を生成する。本願発明者の幾人かは以下の特許出願にも発明者として名前を挙げられているが、以下の特許出願は、ＨＤＨおよび水純粋化の他のプロセスについての追加的な議論を含んでいる。すなわち、２００９年９月４日に出願された米国特許出願第１２／５５４，７２６号明細書（米国特許出願公開第２０１１／００５６８２２Ａ１号明細書として公刊された：代理人整理番号ｍｉｔ−１３６０７）、２００９年１０月５日に出願された米国特許出願第１２／５７３，２２１号明細書（米国特許出願公開第２０１１００７９５０４Ａ１号明細書として公刊された：代理人整理番号ｍｉｔ−１３６２２）、２０１１年２月１５日に出願された米国特許出願第１３／０２８，１７０号明細書（代理人整理番号ｍｉｔ−１４２９５）、２０１１年９月２３日に出願された米国特許出願第１３／２４１，９０７号明細書（代理人整理番号ｍｉｔ−１４８８９）、および２０１２年２月７日に出願された米国特許出願第６１／５９５，７３２号明細書（代理人整理番号ｍｉｔ−１４８９９ｐｒｏ）である。

本明細書においては、熱力学的平衡に関する方法および装置が記述される。この方法および装置の種々の実施形態は、以下に記述する要素、特徴およびステップのいくつかまたはすべてを含むことができる。

複合型熱および物質伝達装置における熱力学的不可逆性は、流体流れの径路に沿って熱および物質を交換する流体流れの、流れ対流れの質量流量比を操作することによって低減される。上記の装置において熱および物質を交換する流れは、凝縮可能な成分を蒸気状態において含有するキャリアガス混合体と、蒸発可能な成分を液体状態において含む液体組成物とであるとすることができる。キャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の含有量を、液体組成物からの蒸発可能な成分の蒸発によって、あるいは、キャリアガス混合体からの蒸発可能な成分の凝縮によって実質的に変化させるために、熱および物質が、キャリアガス混合体から、またはその混合体に、液体組成物との直接的または間接的な相互作用によって伝達され、それによって、熱および物質の伝達プロセスが行われる前のキャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の濃度とは異なる蒸発可能な成分の濃度を有するキャリアガス混合体の流れが生成される。キャリアガス混合体の質量流量は、複合型熱および物質伝達装置における流体流れの径路内の少なくとも１つの中間位置からキャリアガス混合体を抽出または注入することによって変化し、および／または、液体組成物の質量流量は、熱および物質伝達装置における流体流れの径路内の少なくとも１つの中間位置から液体組成物を抽出または注入することによって変化し、そして、キャリアガス混合体または液体組成物の流れは、複合型熱および物質伝達装置において、装置内の最小局所エンタルピーピンチを低減するように調整される。

特定のいくつかの実施形態においては、熱力学的不可逆性が、加湿−除湿（ＨＤＨ）システムにおいて、加湿器および除湿器における流体流れの径路に沿って、流れ対流れの質量流量比を操作することによって低減される。加湿器においては、キャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の含有量を、液体組成物からの蒸発可能な成分の蒸発によって実質的に増大させるために、熱および物質が、キャリアガス混合体に、蒸発可能な成分をその成分の１つとして液体状態において含む液体組成物との直接的な相互作用によって伝達される。キャリアガス混合体は、続いて、加湿器から除湿器に導かれ、その除湿器において、熱および物質が、キャリアガス混合体から、液体組成物との間接的な相互作用によって伝達され、それによって、キャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の含有量を低減すると共に、液体組成物を予熱する。キャリアガス混合体の質量流量は、加湿器内の流体流れの径路における少なくとも１つの中間位置からキャリアガス混合体を抽出すること、および、抽出されたキャリアガス混合体を除湿器内の対応する位置において注入することによって変化し、および／または、液体組成物の質量流量は、加湿器内の流体流れの径路における少なくとも１つの中間位置から液体組成物を抽出すること、および、その液体組成物を除湿器内の対応する位置において注入することによって変化し、加湿器および除湿器内の流体流れの径路の中間位置の間のキャリアガス混合体または液体組成物の流れは、除湿器内における平均局所エンタルピーピンチを低減するように調整される。

これらの方法に従って、本明細書においては、新しい概念「エンタルピーピンチ（ｅｎｔｈａｌｐｙ ｐｉｎｃｈ）」が複合型熱および物質交換装置に対して定義される。エンタルピーピンチ（ψ）は、流れ対流れの温度および湿度比の差異を組み合わせ、かつ、装置の有効性に直接関連付けられる。このエンタルピーピンチの概念は、ＨＭＥ装置を含むシステムの熱力学的解析に用いることができる。本明細書においては、「残留（ｒｅｍａｎｅｎｔ）」不可逆性がゼロである完全にかつ連続的に平衡化された熱および物質交換（ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｅｘｃｈａｎｇｅ：ＨＭＥ）装置の温度および湿度比の変化パターンに関する閉形式の方程式も導入される。（加湿器および除湿器内における）この完全な熱力学的平衡の状態は、流れ対流れの温度差が一定の状態よりも、局所的な湿度比差が一定の状態に近いことが分かっている。

除湿器における物質の連続的な注入によって、装置におけるエントロピーの生成を、注入なしの装置におけるエントロピー生成の１／４に低下させることができる。単一の注入によって、それは３／５に低下させることができる。この場合、液体組成物またはキャリアガス混合体のいずれかを除湿器の中に注入することができる。

これらの所見は、連続的なおよび離散的な抽出および注入を備えたシステム両者に対して本明細書において提示されるアルゴリズムを介して、熱力学的に平衡化されたＨＤＨシステムの設計用として本明細書において用いられる。完全に平衡化された加湿器を備えたＨＤＨシステムの性能と、完全に平衡化された除湿器を備えたＨＤＨシステムの性能とは類似していることが分かっている。

熱力学的平衡は、ＨＭＥ装置が適切に低いエンタルピーピンチ（ψ≦２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）を有する場合に特に効果的であることが分かっている。加湿器および除湿器におけるエンタルピーピンチが非常に低い値（ψ≦７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）である場合には、無限個の抽出および注入による連続的な平衡化によって、単一の抽出および注入によって得られる結果よりも遥かに良好な結果がもたらされることが分かっている。エンタルピーピンチの値がこれより高い場合（７＜ψ≦１５ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）には、単一の抽出および注入によって、全システムのエントロピー生成が、無限個の抽出および注入と同様の量だけ低減された。エンタルピーピンチの値がさらに高い場合（１５＜ψ≦２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）には、単一の抽出／注入が無限個の抽出／注入の性能を凌駕し、ψ＞２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気の場合には、熱力学的平衡は、ＨＤＨシステムの性能に有意の影響を及ぼさない。

この方法および装置は、海水の脱塩と、他の形式の水の純粋化および抽出とに利用可能である。さらに、この方法および装置は、ガス洗浄塔、気泡塔リアクタおよび冷却塔のような複合型熱および物質交換装置の性能改善に適用できる。

この方法および装置は、また、（高温の蒸気または電気の代わりに）低品質のエネルギーを使用する場合にも、高いエネルギー効率と低いエネルギーコストとを提供でき、従って低コストの水生産を提供できる。加湿器または除湿器を物質の抽出および注入によって熱力学的に平衡化することによって、エネルギー消費の低減が可能になり、駆動力となる温度差および濃度差における不平衡によって惹起されるエントロピー生成を、システムの制限の範囲内で（例えば、サイズまたはコストの制限内で）最小化できる。さらに、この方法は、１００％有効な加湿器および除湿器を備えたＨＤＨシステムにおけるほぼ完全な熱力学的可逆性を提供できる。

図１は、含湿空気流れの物質抽出および注入を備えた水加熱の空気閉鎖および水開放型加湿−除湿脱塩システムの模式図である。 図２は、除湿プロセスを表す温度対エンタルピーのグラフであって、流体流れ（Δｈ_{ｍａｘ，ｃ}およびΔｈ_{ｍａｘ，ｈ}）および端末エンタルピーピンチ（ψ_ｃおよびψ_ｈ）のそれぞれによって実現可能なエンタルピー変化率（乾燥空気ｋｇ当たり）における最大変化を強調している。 図３は、除湿プロセスに関する温度対エンタルピーのグラフであって、ＨＭＥ装置における局所的な有効性の尺度としての「理想エンタルピーにおける損失」または任意の所与の位置におけるエンタルピーピンチ（ψ_{ｌｏｃａｌ}）を強調している。 図４は、加湿プロセスを表す温度対エンタルピーのグラフであって、端末におけるよりも中間位置において生起する「ピンチ点」を強調している。 図５は、制御ボリューム平衡型の場合による除湿器における注入の効果を例示するための、全エンタルピーピンチ（ψ）に対する局所的エンタルピーピンチ値（ψ_{ｌｏｃａｌ}）のプロットである。 図６は、Ｔ_ａ＝２０℃、Ｔ_ｅ＝７０℃、ψ_ｄｅｈ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気、およびＨＣＲ＝１において評価した、除湿器における不可逆性に対する注入の影響を示すプロットである。 図７は、連続注入による完全な熱力学的平衡を有する除湿器における温度の変化パターンのプロットである。 図８は、連続注入による完全な熱力学的平衡を有する除湿器における湿度比の変化パターンのプロットである。 図９は、抽出または注入なしのＨＤＨシステムを表す温度の変化パターンをプロットしたグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、Ｔ_ｃ＝８０℃、ψ_ｄｅｈ＝ψ_ｈｕｍ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気である。 図１０は、除湿器を完全に平衡化させるための連続注入を備えたＨＤＨシステムを表す温度の変化パターンをプロットしたグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、Ｔ_ｃ＝８０℃、ψ_ｄｅｈ＝ψ_ｈｕｍ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気である。 図１１は、加湿器を完全に平衡化させるための連続注入を備えたＨＤＨシステムを表す温度の変化パターンをプロットしたグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、Ｔ_ｃ＝８０℃、ψ_ｄｅｈ＝ψ_ｈｕｍ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気である。 図１２は、単一の抽出および注入を備えたＨＤＨシステムを表す温度の変化パターンをプロットしたグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、Ｔ_ｃ＝８０℃、ψ_ｄｅｈ＝ψ_ｈｕｍ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気である。 図１３は、加湿器の完全な熱力学的平衡のための無限個の抽出を備えたＨＤＨシステムの性能と、除湿器の完全な熱力学的平衡のための無限個の抽出を備えたＨＤＨシステムの性能との比較を示す図であって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、塩分濃度（ｓａｌ）＝３５ｇ／ｋｇ、Ｔ_ｃ＝８０℃、Ｎ＝∞、ＨＣＲ_ｄｅｈ＝１である。 図１４は、ＨＤＨにおける加湿器または除湿器いずれかの完全な熱力学的平衡による全システムの不可逆性の低減を示すグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、塩分濃度（ｓａｌ）＝３５ｇ／ｋｇ、Ｔ_ｃ＝８０℃、ψ_ｄｅｈ＝ψ_ｈｕｍ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気、ＨＣＲ_ｄｅｈ＝１またはＨＣＲ_ｈｕｍ＝１である。 図１５は、有限サイズおよび無限サイズのＨＭＥ装置を備えたＨＤＨシステムの性能に対する（熱力学的平衡のための）抽出／注入の個数の影響を示すグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、塩分濃度（ｓａｌ）＝３５ｇ／ｋｇ、Ｔ_ｃ＝８０℃、ＨＣＲ_ｄｅｈ＝１である。 図１６は、全システムの不可逆性に対する抽出の影響を示すグラフであって、境界条件は、Ｔ_ａ＝２０℃、塩分濃度（ｓａｌ）＝３５ｇ／ｋｇ、Ｔ_ｃ＝８０℃、ψ_ｄｅｈ＝ψ_ｈｕｍ＝２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気、ＨＣＲ_ｄｅｈ＝１である。

添付の図面においては、同じ参照符号は、種々の図面を通して、同じまたは類似の部分を示し、同じ参照番号を共有する同じまたは類似のアイテムの複数の例を差別化するためにアポストロフィーを使用する。図面は必ずしもスケールどおりではなく、以下に述べる特定の原理の説明が強調されている。

本発明の種々の態様の上記および他の特徴および利点は、以下の、種々の概念のより具体的な説明と、本発明の広範な範囲内の特定のいくつかの実施形態とから明らかになるであろう。前記に導入され、以下にさらに詳しく説明する主題事項の種々の態様は、その主題事項がいかなる特定の実施方式にも限定されないので、多数の方法の内の任意の方法において実施することができる。特定の実施および適用の例は、主として、例示目的用として提供される。

本明細書において用いられる用語（技術的および科学的用語を含む）は、本明細書において別に定義され、使用され、あるいは特徴付けられない限り、当該分野の文脈において受容されるその意味と整合する意味を有すると解釈されるべきであり、かつ、本明細書において明確にそのように定義されない限り、理想的なまたは過度に形式的な意味に解釈されるべきではない。例えば、特定の一組成物に言及される場合、その組成物は、完全には純粋でなくても、実際的なものとして実質的に純粋であるとすることができ、不完全な現実が許容される。例えば、少なくとも微量の不純物（例えば１または２％未満、この場合、本明細書において表現される百分率または濃度は重量ベースまたは容積ベースのいずれかとすることができる）が潜在的に存在しても、それは、本記述の範囲内であると理解できる。同様に、特定の形状に言及される場合、その形状は、例えば製造公差による理想的な形状からの不完全な変形を含むように意図されている。

本明細書においては、種々の要素を記述するために、第１、第２、第３などの用語を用いる場合があるが、これらの要素は、これらの用語によって限定を受けるものではない。これらの用語は、単に１つの要素を他から区別するために用いられる。従って、以下に述べる第１要素は、例示的な実施形態の教示から離れることなく、第２要素と呼称することが可能である。

空間的に相対的な用語、例えば、「上部に（ａｂｏｖｅ）」、「下部に（ｂｅｌｏｗ）」、「左の（ｌｅｆｔ）」、「右の（ｒｉｇｈｔ）」、「前面に（ｉｎ ｆｒｏｎｔ）」、「後ろに（ｂｅｈｉｎｄ）」などの用語は、本明細書においては、図に表現されるような１つの要素の他の要素に対する関係を記述するために、記述を容易にする目的で用いることができるものである。空間的に相対的な用語並びに図示される構成は、本明細書において記述されかつ図に表現された方位に加えて、使用または運転中の装置の別の方位をも包含するように意図されていることが理解されるであろう。例えば、他の要素または形体の「下部に」または「真下に」あると記述される要素は、図中の装置が反転されると、他の要素または形体の「上部に」方位付けられるであろう。従って、この事例的な用語「上部に」は「上部に」と「下部に」との両者の方位を包含することができる。装置は、それ以外の方位に向ける（例えば、９０°または他の方位に回転する）こともできるので、本明細書において用いられる空間的に相対的な記述子は、それに応じて解釈される。

さらにまた、本開示においては、要素が、他の要素の「上に（ｏｎ）」ある、他の要素に「結合される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、あるいは「連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」と表現される場合、その要素は、他の形態に規定されない限り、直接当該他の要素の上にある、または当該他の要素に直接結合される、または連結されることができるか、あるいは、介在要素が存在してもよい。

本明細書において用いる用語法は、特定の実施形態を記述することを目的としており、事例的な実施形態の制限を意図していない。本明細書において使用される冠詞の「ａ」および「ａｎ」のような単数形は、その文脈がそうでない旨指示しない限り、複数形をも含むように意図されている。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ／ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ／ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、言及された要素またはステップの存在を規定するが、１つ以上の他の要素またはステップの存在または付加を排除しない。

用語体系
頭字語
ＧＯＲ＝利得産出量比（Ｇａｉｎｅｄ Ｏｕｔｐｕｔ Ｒａｔｉｏ）
ＨＤＨ＝加湿除湿（Ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）
ＨＥ＝熱交換器（Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）
ＨＭＥ＝熱および物質交換器（Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）
ＴＴＤ＝端末温度差（Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）

記号
ｃ_ｐ＝定圧比熱容量（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）

＝全エンタルピー変化率（Ｗ）
ｇ＝比ギブスエネルギー（Ｊ／ｋｇ）
ｈ＝比エンタルピー（Ｊ／ｋｇ）
ｈ^＊＝比エンタルピー（Ｊ／ｋｇ乾燥空気）
ｈ_ｆｇ＝蒸発の比エンタルピー（Ｊ／ｋｇ）
ＨＣＲ＝ＨＭＥ装置に対する制御ボリュームベースの修正熱容量変化率比（ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｏｌｕｍｅ ｂａｓｅｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｈｅａｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒａｔｅ ｒａｔｉｏ）
ｍ_ｒ＝水対空気質量流量比

＝質量流量（ｋｇ／ｓ）
Ｎ＝抽出／注入の個数
Ｐ＝絶対圧力（Ｐａ）

＝熱伝達率（Ｗ）
ＲＲ＝回収比（ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｉｏ）（％）
ｓ＝比エントロピー（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
ｓａｌ＝供給水の塩分濃度（ｇ／ｋｇ）

＝エントロピー生成率（Ｗ／Ｋ）
Ｔ＝温度（℃）

ギリシャ文字
Δ＝差または変化
ε＝エネルギーベースの有効性
ψ＝エンタルピーピンチ（ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）
ψ_ＴＤ＝端末エンタルピーピンチ（ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）
η_ｔｖｃ＝ＴＶＣ用の可逆同伴効率
η_ｅ＝膨張器用の等エントロピー効率
φ＝相対湿度
ω＝絶対湿度（ｋｇ水蒸気／ｋｇ乾燥空気）

下付き文字
ａ＝含湿空気
ｃ＝低温流れ
ｄｅｈ＝除湿器
ｄａ＝乾燥空気
ｈ＝高温流れ
ｈｕｍ＝加湿器
ＨＥ＝熱交換器
ｉｎ＝流入
ｉｎｔ＝水−蒸気界面
ｍａｘ＝最大
ｌｏｃａｌ＝局所的に定義された
ｏｕｔ＝流出
ｐｗ＝純水
ｒｅｖ＝可逆
ｗ＝海水

熱力学的状態
ａ＝除湿器に流入する海水
ｂ＝除湿器から流出する予熱海水
ｃ＝ブライン加熱器から加湿器に流入する海水
ｄ＝加湿器から流出するブラインの廃棄分
ｅ＝除湿器に流入する含湿空気
ｅｘ＝単一抽出の場合に物質の抽出および注入が実行される含湿空気の状態
ｆ＝加湿器に流入する相対的に乾燥した空気
ｇ＝除湿器内の任意の中間位置における空気
ｉ＝除湿器内の任意の中間位置における海水

本明細書に記述する方法および装置は、液体組成物（海水、鹹水および廃水を含むがこれに限定されない）から実質的に純粋な水をエネルギー効率的な方法で分離するために用いることが可能である。この方式は、加湿−除湿脱塩（ＨＤＨ）として知られる技術において用いることができる。本願発明者チームのメンバーは、ＨＤＨ技術に対する改善を記述した特許出願であって、「減圧下での水分離（Ｗａｔｅｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｕｎｄｅｒ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）」なる表題の米国特許出願公開第２０１１／００５６８２２Ａ１号明細書、および「変動圧力下での水分離（Ｗａｔｅｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｕｎｄｅｒ Ｖａｒｉｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）」なる表題の米国特許出願公開第２０１１／００７９５０４Ａ１号明細書として公刊されたものを含む特許出願を先に出願した。これらの特許出願に記載される種々の装置および方法は、例えば、ＨＤＨシステムのエネルギー効率をさらに改善するために、本明細書に記述する装置および方法と組み合わせて用いることが可能である。

本明細書に記述する方法は、ＨＤＨシステムにおける生成エントロピーを低減するために、加湿器および／または除湿器の流体流れの径路に沿う駆動力となる熱力学的ポテンシャル（すなわち局所的な温度差および／または濃度差）を平衡させることができる。この平衡によって、除湿器から加湿器に回収される熱を増大することが可能になり、脱塩水の単位量当たりの消費エネルギーを低減できる。この設計は、システムが最適に性能発揮する単一値の水対空気質量流量比が（任意の境界条件と、構成要素の有効性または固定されたハードウェアの構成とに対して）存在するという基本的な観察を利用している。

装置の説明
物質の抽出および注入を備えたＨＤＨシステムの実施形態の一例を図１に示す。図１に示すような液体組成物の加熱を利用する加湿−除湿サイクルにおいては、（空気のような）キャリアガスが、例えば閉ループシステムにおいて、加湿器１２および除湿器１４の間のガス導管１６および１８を通して循環される。加湿器１２および除湿器１４はモジュール構造（すなわち別個の部品）であり、相互に実質的に熱的に分離されている。加湿器および除湿器が「相互に実質的に熱的に分離」されているという特徴付けは、加湿および除湿チャンバ間の装置を介しての直接的な伝導熱伝達は殆どまたは全く行われないように構造化されていると解釈されるべきである。但し、この特徴付けは、チャンバ間のガスおよび／または液体の流れを介しての熱エネルギーの伝達は排除しない。これによって、この「実質的な熱的分離」の特徴は、この装置を、加湿器および除湿器の間の共有される熱伝達壁を含む結露蒸発（ｄｅｗｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）装置から区別する。本開示の装置においては、加湿器１２および除湿器１４は、その間の伝導熱伝達を促進するであろういかなる共通壁をも共有していない。

その代わり、熱エネルギーは、チャンバ間において、殆どガスおよび液体の物質の流れによって伝達される。ガスは、加湿器１２の加湿チャンバ２０内において、高温の非純水（すなわち液体組成物−例えば鹹水溶液の形態の）によって加湿される。この高温の非純水は、ガスが向流方向（図示のように加湿チャンバ２０を上昇する方向）に動く間に、加湿器１２の頂部における１つ以上のノズル２２から噴射され、それによって、液体組成物からキャリアガス流れの中への水の蒸発（例えば水の約５〜１０％）により、ガス中の水蒸気含有量が実質的に増大する（例えば水蒸気含有量が少なくとも５０％増大する）。（加湿チャンバ２０内で蒸発しない）液体組成物の残りの部分は、チャンバ２０の底部に溜り、液体混合物流出導管３０から排出される。

真空ポンプ５０を加湿チャンバ２０および除湿チャンバ２４の両者に連結することによって、大気圧未満の圧力を確立できる。代わりの方式として、液体混合物のタンクを導管３０に連結し、純水タンクを導管３２に連結することによって静的ヘッドを確立できる。この場合は、両タンクをチャンバ２０および２４の下部に配置して、液体に作用する重力によって圧力ヘッドを確立するのである。この構成は、公刊された米国特許出願第２０１１／００５６８２２Ａ１号明細書に詳しく記述されている。加湿チャンバ２０および除湿チャンバ２４の両者の内部の周囲大気圧未満の圧力は実質的に同じとすることができ、例えば、周囲大気圧より少なくとも１０％低い圧力、例えば、９０ｋＰａ以下、特定の実施形態においては７０ｋＰａ以下、さらに別の特定の実施形態においては１０〜６０ｋＰａとすることができる。

加湿チャンバ２０は、乱流のガス流れを促進し、かつキャリアガスと液体混合物との間の直接接触を強化するために、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の充填材の形態の充填材料５６を充填することが可能である。加湿器（および除湿器）の本体は、例えばステンレス鋼から形成でき、実質的に蒸気非透過性である。加湿器の蒸気および水の流入部および流出部と、各モジュール要素および隣接導管の界面とには、システムの真空を維持するために、例えば、エポキシシーラント、ガスケット、Ｏリング、溶接または類似技術の成形シールが設けられる。一実施形態においては、加湿チャンバ２０は、高さが約１．５ｍ、半径が約０．２５ｍのほぼ円筒形である。

キャリアガスの加湿は、液体混合物を、１つ以上のノズル２２から加湿器１２の頂部の噴射帯域の中に噴射することによって行われる。液体混合物は、続いて、充填材料５６を通過し、水滴帯域を通過下降して、チャンバの底部における捕集液体混合物の表面４６に至る。一方、キャリアガスは、図示のように、加湿チャンバ２０を通って上昇し、特に充填材料５６において液体混合物と接触して、液体混合物からキャリアガスに水蒸気が加えられる。

加湿されたキャリアガスは、続いて導管１６を経由して加湿器１２から除湿器１４に導かれ、この除湿器１４において、除湿チャンバ２４内で低温の液体組成物によって除湿される。低温の液体組成物は、ポンプ５４によって、液体混合物流入導管２６と、除湿チャンバ２４内部のコイル形状の導管２８とを通って移送され、これによって、ガスから、除湿器１４内部の液体組成物への熱伝達が可能になる。このため、ガス内の水蒸気は、コイル形状の導管２８上に凝縮し、実質的な純水として、除湿チャンバ２４の底部における水プール４８内に捕集される。捕集された純水は、続いて、例えば、飲用水用、作物への給水用、洗濯／清浄化用、調理用などに使用するために、純水流出導管３２を通して除湿器１４から取り出すことができる。キャリアガスは、加湿器および除湿器の間を、末端導管１６および１８を経由して自然循環によってまたはファンを用いて循環させることができる。ガス循環にファンを用いる場合は、光起電力太陽電池パネルまたは風力タービンからファンに動力供給することができ、ファンは頂部のガス導管１６または底部のガス導管１８に配置することができる。

液体組成物は、除湿器１４内で予備的に加熱された後、液体組成物導管３４を経て加湿器１２に送られる。加湿器１２に流入する前に液体組成物をさらに加熱するために、加熱器３６を導管３４内にまたはそれに沿って設けることができる。加熱器３６は、液体組成物の加熱用として、太陽エネルギー源（例えば、加熱器を太陽光捕集器の形にすることができる）および／または任意の廃熱源（例えば、他の近在の機械工場または発電設備で生成される廃熱）を利用することができる。特定のいくつかの実施形態においては、液体組成物中のスケール成分（例えば、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸カルシウムおよび／または重炭酸カルシウム）の沈殿温度を超える結果としての装置内でのスケール生成を避けるために、液体組成物の加熱が制限される。

このプロセスにおいては、加湿器１２および除湿器１４両者の内部における圧力を、大気圧で運転される先行技術の加湿−除湿脱塩プロセスとは対照的に、大気圧（すなわち加湿器および除湿器を取り巻く周囲大気の圧力−例えば、海面レベルにおける約１０１ｋＰａ）未満に低下させる。加湿器１２内部の圧力が低下するので、加湿ガスの水蒸気同伴能力が増大し、それによって、ガスが除湿器１４内で除湿される際の純水の生産量を増大させることができる。この増大した水蒸気輸送容量は湿度比（すなわち、含湿空気における水蒸気質量の乾燥空気質量に対する比）によって説明できるが、それは、この比が、大気圧より低い圧力において高いからである。例えば、乾球温度が６０℃の（キャリアガスとしての）空気においては、５０ｋＰａにおける飽和湿度比は大気圧における飽和湿度比より高く、概略その１５０％である。

ガスを加湿器１２内の複数の異なる中間位置から抽出して、除湿器１４内の対応する複数の異なる中間位置に供給する多重抽出の形態が、ガス導管６０、６２および６４によって構成され、それによって、ガスの物質流れの操作と、機器の熱平衡と、高い熱の回収とが可能になる。「対応する」位置というのは、抽出された流体流れの温度および蒸気濃度と、抽出された流れが注入される流体流れの温度および蒸気濃度とが、等しくないとしても略同一（例えば、１℃および１％の範囲内）である、それぞれのチャンバ内の位置である。このような「対応する」位置は、混合の不可逆性と見做される損失を避けるために用いられる。異なる平衡状態を有する２つの流れが混合されると、これらの流れを熱平衡させるために、高度の不可逆過程が必要になる可能性があり、大きな熱力学的損失がもたらされる。

ガスの流れは、導管６０、６２、６４における可変周波数制御ファン６６によって、導管６０、６２および６４を通るように駆動できる。各導管６０／６２／６４から抽出されるべきガスの流量は、操作条件に強く依存しており、可変速度ファン６６の速度を調整することによって制御できる。この調整は、電圧源からファン６６に供給される電圧を変化させることによって、あるいは、抽出導管６０、６２、６４における圧力低下を調節することによって（例えば、導管に調節弁を用いることによって、あるいは、導管を通る流路の直径を拡大または縮小する弁を制御することによって）行われる。特定のいくつかの実施形態においては、キャリアガス混合体（または液体組成物）の流量を、プロセスの間、動的に変化（増大または低減）させることが可能である。

上記の図１のシステムは、加湿器１２から除湿器１４への３つの空気抽出を有する、水加熱型・空気閉鎖型・水開放型のシステムである。液体流れの種々の状態を表現するために導管２６、３４および３０における状態ａ〜ｄを使用し、導管１６および１８における状態ｅおよびｆは、除湿器前後の含湿空気の状態を表す。ＨＤＨの種々の分類に基づくシステムの他のいくつかの実施形態が存在するが、これは、Ｇ．Ｐ．Ｎａｒａｙａｎ他著「小規模分散型水生産用の太陽熱駆動加湿−除湿脱塩の可能性（Ｔｈｅ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｓｏｌａｒ−ｄｒｉｖｅｎ ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ−ｓｃａｌｅ ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）」、Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ誌、第１４巻、ｐｐ．１１８７−１２０１（２０１０年）に列挙されている。

複合型熱および物質伝達装置における熱平衡
「制御ボリューム（ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｏｌｕｍｅ）」平衡
ＨＭＥ装置における熱力学的平衡を理解するために、最初に、熱交換器の簡単な場合を考える。無限熱伝達面積という制限内において、この装置におけるエントロピー生成率は、熱的不均衡または残留不可逆性として知られるものによるものであり、この不均衡または不可逆性は、熱交換する流れの熱容量変化率が等しくない条件に関連している。換言すれば、（流体流れに対して一定の熱容量を有する）熱交換器は、熱容量変化率比が１において、熱的に「平衡している」（残留不可逆性がゼロである）と言われる。熱交換器に対してはよく知られるこの熱力学的平衡の概念が、最近、ＨＭＥ装置に拡張された。

ＨＭＥ装置における熱的「平衡」状態を定義するために、複合型熱および物質交換に対する修正熱容量変化率比が、熱交換器との類比によって、低温流れの全エンタルピー変化率における最大変化の高温流れのそれに対する比率として定義された。最大変化は、どちらかの流れが装置の出口において達し得る理想的な状態を定義することによって定義される。例えば、低温流れが出口において達することができる理想状態は高温流れの流入温度であり、高温流れが出口において達することができる理想状態は低温流れの流入温度であろう。

上記のような固定された流入条件および有効性においては、複合型熱および物質交換装置のエントロピー生成は、修正熱容量変化率比（ＨＣＲ）が１に等しい場合に最小化される。さらに、熱伝達率と、凝縮率と、ＨＭＥのサイズとが固定されている場合には、ＨＣＲが１に近付く時に、除湿器におけるエントロピー生成が最小値に近付く。従って、本発明者らは、ＨＣＲが１であることがＨＭＥ装置に対する平衡状態を規定すると言うことができる。この場合、それが固定された有効性であるかまたは固定されたハードウェア条件であるかには関係ない。しかし、これは、設計が物質の抽出および注入を含まない「制御ボリューム」平衡状態である。以下において、プロセスの径路に沿う水対空気の質量流量比を変えることによってＨＭＥ装置における熱力学的平衡を完成するために、制御ボリュームの概念が拡張される。

エンタルピーピンチ：ＨＭＥ装置の性能を規定する新しいパラメータ
熱および物質の同時伝達プロセスを明確に可視化するために、除湿器に対する温度対エンタルピーの近似的なプロットが図２に提示されている。図２において、ｅからｆへの径路７０は含湿空気の除湿に対するプロセス径路を表現しており、ａからｂへの径路７２は海水流れによるエネルギー捕捉のプロセス径路を表す。点ｆ’およびｂ’は、除湿器のサイズが無限大であれば、含湿空気および水の流れがそれぞれ到達するであろう仮想的な理想状態を表している。従って、ｈ^＊｜_ｆ−ｈ^＊｜_ｆ’（ψ_ｈとして表現される）とｈ^＊｜_ｂ’−ｈ^＊｜_ｂ（ψ_ｃとして表現される）とは、ＨＭＥ装置が「有限サイズ」であるための、（システム内に循環される乾燥空気の単位量当たりの）エンタルピー変化率における損失である。これは、（装置における熱および物質伝達に関わる面積の増加なしの）制御ボリューム平衡条件における装置の熱平衡によっては低減できない損失である。所与の装置においては、これは、装置のエネルギーの有効性（ε）を表す損失であり、熱交換器の有効性に関する従来型の定義に直接関係付けられる。熱および物質交換に対するこの有効性の定義は、次式によって与えられる。

全エンタルピー変化率における最大変化は、低温流れおよび高温流れに対する全エンタルピー変化率の最小値である。

エンタルピー対温度のグラフにおいて熱力学的プロセスを簡単に表現するために、エンタルピー変化率を、システムを通過して流れる乾燥空気の量によって正規化することが有利である。この概念を用いて、式（２）の分子および分母を乾燥空気の質量流量

で除することによって、次式が導かれる。

ψ_ＴＤは、ＨＭＥ装置が「有限サイズ」であるための、端末位置におけるエンタルピー変化率の損失であり、次式によって定義される。

熱交換器の場合は、ψ_ＴＤは、最小端末流れ対流れ温度差（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｔｒｅａｍ−ｔｏ−ｓｔｒｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：ＴＴＤ）に類似している。高温流れが最小熱容量流れであると仮定すると、熱交換器の有効性に対する式は、以下に示す式として導出することができる（式８および９）。

低温流れが最小熱容量流れである場合への拡張は同様である。式５および９を比べると、類似は明らかである。

ＴＴＤは、熱力学的解析における熱交換器の性能定義用としては滅多に用いられず、その代わりに、温度ピンチが一般的に用いられるパラメータである。両者の差異は、温度ピンチは、熱交換器における任意の点の流れ対流れの最小温度差であって、端末位置だけにおけるものではないという点である。温度ピンチと同様に、ψは、装置のサイズが有限であることに基づく交換器における任意の点のエンタルピー変化率の最小損失であって、端末位置だけにおけるものではないものとして定義できる。この最小損失は、図３に示すように、ただ２つの状態（空気に対するｇおよび水に対するｉ）によって表現される無限小の制御ボリュームを考えることによって実現される。本発明者らは、これらの実際の状態のそれぞれに対する理想状態をｇ’およびｉ’として定義できる。この位置における局所ψは、ｈ｜_ｉ’−ｈ｜_ｉ（ψ_２として表現される）とｈ｜_ｇ−ｈ｜_ｇ’（ψ_１として表現される）との最小値として定義できる。従って、ψの一般的な定義は次式のようになるであろう。

従って、本節に提示した論証に基づくと、ＨＭＥ装置に対するψは、ＨＥに対する温度ピンチに類似しており、それを「エンタルピーピンチ（ｅｎｔｈａｌｐｙ ｐｉｎｃｈ）」と呼ぶことが可能である。ＨＭＥ装置においては物質伝達の駆動力として濃度差が存在しているために、この装置の性能を定義する際には、温度ピンチまたは端末温度差を使用しないことが有利であり得るのである。

エネルギーの有効性は、ＨＥおよびＨＭＥに対して普通に用いられる別の性能測定基準である。しかし、エネルギーの有効性は、制御ボリュームパラメータであって、端末の差異のみの主要因である。平衡について設計するために、局所的な差異が考えられる。図４に示すような加湿プロセスの温度変化パターンを考えると、「ピンチ」点７４は、端末位置に生起するのではなく、中間点において生起する。装置の性能をエネルギーの有効性によって定義すると、この挙動は捕捉されない。極端な場合には、加湿器に対する有効性の値が高いと、内部の温度および濃度の交差が生じる可能性がある。この問題はψの場合には生じない。それは、ψが局所的なパラメータであり、従って、本明細書においてはＨＭＥ装置（加湿器および除湿器）の性能の定義に用いられるからである。

物質の抽出および／または注入に基づく平衡
前記のように、修正熱容量変化率比の値が１であることは、抽出なしの制御ボリュームに対する熱平衡状態を規定する。このような場合には、ＨＣＲは、装置のあらゆる位置において１に等しいわけではない。物質の抽出または注入を行うと、水ライン７２の傾斜を、ＨＣＲが装置全体を通して１になるように変えることが可能である。これが、ＨＭＥ装置が完全に平衡化される運転条件である。この概念を理解するため、ＨＣＲに対する表現がψ_ｃおよびψ_ｈを用いて書き換えられる。

制御ボリュームに対してＨＣＲ＝１であれば、ψ_ＴＤ、ｃ＝ψ_ＴＤ、ｈであり、すべての位置でＨＣＲ＝１であれば、ψ＝一定である。

装置内のあらゆる位置においてＨＣＲ＝１（あるいは逆にあらゆる点でψ＝一定）になるように水対空気の質量流量比を変えるためには、あらゆる点において抽出または注入が必要になる可能性がある（すなわち、抽出および／または注入の個数が無限に近付く）。本発明者らは、これを、「連続的な熱力学的平衡」と呼称する。連続的な熱力学的平衡は、物質の抽出および注入を備えたシステムを理解するには理論的に重要であるが、実際に実現することが難しいであろう。従って、本明細書においては、有限個数の抽出／注入を備えたＨＭＥ装置の平衡も評価する。

図２および３を参照すると理解できるように、注入なしの「制御ボリューム」平衡除湿器においては、局所的なψの最小値は２つの端末位置において生じ（式１３も参照されたい）、すべての中間点において、ψはそれより高い。これは、以下に詳述するように、温度−エンタルピーグラフの特性から生じる結果である。制御ボリューム平衡の場合のψの局所的変動が図５に表現されている。図５（および本明細書の他の個所）においては、（図２および３における制御ボリューム位置を記述するために用いる）乾燥空気ｋｇ当たりの比エンタルピーが全必要熱量（Δｈ^＊）によって正規化されている。図５から分かるように、単一注入（Ｎ＝１）の場合は、プロット７６が示すように、ψが１つの中間位置において最小値になる（あるいは、逆に、ＨＣＲがその位置および２つの端末位置において１になる）。プロット７８に示すように、注入の個数が無限大に近付くと（Ｎ＝∞）、ψの局所値は装置の長さ全体にわたって最小かつ一定になることができる（式１４）。空気の注入の方向は除湿器の中への方向である。（個々の質量流量ではなく）水対空気の質量流量比は装置を平衡させるために変えられるので、水を（向流型の）除湿器から同等に注入できる。

図６は、除湿器における全不可逆性に対する連続的および単一の抽出／注入の影響を示す。凝縮水単位量当たりの生成エントロピーは、連続抽出／注入の場合は１／４に、単一抽出／注入の場合は３／５に低減する。この結果は最適の場合を表しているが、このような大きな低減は、熱および物質交換器に対する熱力学的平衡の重要性を示している。

連続的な熱力学的平衡に対する関数形式
式１４を考察すると、完全に平衡した除湿器および加湿器内の流体流れに対する温度および湿度比の変化パターン用の閉形式の表現（式１５〜２０）を示すことができる。（エンタルピー−温度グラフに表現できる）空気用のプロセス径路が関数ξ（式１５）に従えば、質量流量比は、除湿器内において、海水のプロセス径路が同じエンタルピーの関数となるように、但し式１７によってシフトされる形で変化する。類似のエンタルピーのシフトが湿度の変化パターン（式１６および１８）においても成り立つ。
Ｔ_ａ＝ξ（ｈ^＊） （１５）
ω＝η（ｈ^＊） （１６）
Ｔ_ω＝ξ（ｈ^＊−ψ） （１７）
ω_ｉｎｔ＝η（ｈ^＊−ψ） （１８）

連続注入を備えた除湿器内における温度および湿度の変化パターンの一例が、それぞれ図７および８に表現される。図７および８から、（装置全体を通してＨＣＲ＝１であるような）連続的な物質注入を備えた除湿器が、一定の温度差よりもむしろ駆動力となる一定の湿度差に近い変化パターンを有することが分かる。駆動力となる湿度差は、バルク空気流れ８０の（バルク温度において評価される）局所的な湿度比と、（界面温度において飽和したものとして評価される）界面８２の湿度比とにおける差異として計算される。これは、重要な結論であり、（既知の先行研究が採用しているような）温度差のみに対する平衡が熱力学的な最適状態をもたらすものではないという結論を導く。

完全に平衡した加湿装置についてもこの概念は同じである。式１５および１６による含湿空気ラインの代わりに、加湿器の水のラインが次式によって与えられるであろう。

完全な抽出／注入の変化パターンは、水対空気の質量流量比を変えるだけで得ることができる。これは、ＨＭＥ装置からの、あるいはその中への空気または水のいずれか（またはその両者）の連続的な抽出または注入によって行うことができる。

ＨＤＨシステムのモデル化
本節においては、ＨＭＥ装置用として開発された熱力学的平衡の概念を、ＨＤＨシステムの設計に適用する。研究中のシステムの一実施形態が図１に示されている。

抽出／注入なしのシステム
（図１に表現される）抽出／注入なしのＨＤＨシステム用の温度−エンタルピーグラフが図９に示される。空気に対するプロセスライン７０は、加湿器および除湿器における飽和ラインｅ−ｆによって表現される。空気がそのプロセスの全径路に沿って飽和しているという近似の結果としてのＨＤＨシステムの計算された性能の不確実性は小さく、以下に詳細に説明する。海水のプロセスラインは、除湿器におけるａ−ｂ（７２）と、加熱器におけるｂ−ｃ（７２’）と、加湿器におけるｃ−ｄ（７２’’）とによって表現される。

頂部のブライン温度と、供給水の温度と、構成要素のエンタルピーピンチとを入力変数として用いてこのシステムを設計する詳細アルゴリズムは以下に明らかにされる。

抽出／注入なしのシステム（Ｎ＝０）については、以下のステップに従う。
１）全必要熱量（Δｈ^＊）の値を取る。
２）飽和空気の温度変化パターン［Ｔ＝ξ（ｈ^＊）］をプロットする。
３）両端におけるψを満足する直線の除湿器の温度の変化パターンをプロットする。
４）全エンタルピー範囲を小さな等しい制御ボリューム（ＣＶ）に分割する。
５）Δｓ_ｗ、１（海水ｋｇ当たり）を、小さな制御ボリュームの１つにおいて海水の特性から計算する。
６）Δｓ_ｗ、２（乾燥空気ｋｇ当たり）をグラフから計算する。
７）加湿器の流れに対する質量流量比をΔｓ_ｗ、２／Δｓ_ｗ、１として計算する。
８）ω＝η（ｈ^＊）を用いてΔωを計算する。
９）前記制御ボリューム内で生産される水の質量流量を計算する。
１０）小さい制御ボリュームから流出する海水流れの質量流量を計算する。
１１）加湿器の温度の変化パターンの傾斜を計算する。
１２）加湿器における間隔内の水の流れの低い方の温度を計算する。
１３）ステップ５〜１２のプロセスをすべての間隔に対して繰り返すと、加湿器の温度の変化パターンが形成される。
１４）加湿器における水および空気流れの間の最小エンタルピーピンチを計算する。
１５）加湿器のエンタルピーピンチに関する誤差が小さいか否かについて評価する（小さい場合はステップ１６に進み、小さくない場合はステップ１に戻る）。
１６）全エントロピー生成量を計算する。
１７）熱の流入量を計算する。
１８）利得産出量比を計算する。

上記の解法は反復法であり、熱物理特性は以下に述べるように評価される。

温度対エンタルピーグラフにおける水ラインの傾斜を、ＨＭＥ装置内の任意の所与の点における質量流量比の評価に用いることができるという理解が、次式の解析において利用される。

さらに、温度−エンタルピーグラフを用いて評価される種々の状態のエントロピーを、加湿および除湿装置における質量流量の評価に用いることができる。

無限個の抽出および注入を備えたシステム
式１５〜２０は、無限個の抽出／注入を備えたシステムを、加湿器または除湿器のいずれかにおける残留不可逆性がゼロになるように設計するために利用できる。図１０および１１は、上記の式を、温度対位置グラフを介してシステムの設計に適用することを表現している。ピンチ点の観点からは、加湿器および除湿器における温度ピンチが、「除湿器平衡」および「加湿器平衡」の場合において異なる端末にある。しかし、エンタルピーピンチは、２つの場合において、除湿器および加湿器内のすべての点で最小であり、かつ一定である。

無限個の抽出／注入を備えたシステムをモデル化するための詳細手順は次のように要約できる。
１）除湿器および加湿器に対して平行な温度変化パターンを仮定することによって、全必要熱量（Δｈ^＊）を推測する。
２）飽和空気の温度変化パターン［Ｔ＝ξ（ｈ^＊）］をプロットする。
３）除湿器の温度変化パターン［Ｔ＝ξ（ｈ^＊−ψ）］をプロットする。
４）全エンタルピー範囲を小さな等しい間隔に分割する。
５）Δｓ（水ｋｇ当たり）を計算する。
６）Δｓ（乾燥空気ｋｇ当たり）を計算する。
７）加湿器の流れに対する質量流量比を計算する。
８）Δωを計算する。
９）前記間隔内で生産される水の質量流量を計算する。
１０）次の間隔における加湿器内の水の流れの質量流量を計算する。
１１）加湿器内の水の流れの塩分濃度を計算する。
１２）加湿器内の水の流れの比熱を計算する。
１３）加湿器の温度の変化パターンの傾斜を計算する。
１４）加湿器における間隔内の水の流れの低い方の温度を計算する。
１５）ステップ５〜１４のプロセスをすべての間隔に対して繰り返すと、加湿器の温度の変化パターンが形成される。
１６）状態Ａを、ｈ_Ａ＝ｈ_ｓａｔ（Ｔ_ｆｗ）＋ψおよびＴ_Ａ＝Ｔ_ｓａｔ（ｈ_Ａ）によって定義する。
１７）状態Ｂを、加湿器内の水の流れに対してｈ_Ｂ＝ｈ_ｓａｔ（Ｔ_ｆｗ）によって定義し、Ｔ_Ｂをｈ_Ｂにおける加湿器の温度の変化パターンから決定する。
１８）加湿器の温度の変化パターンの全体を上方にΔＴ＝Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂだけシフトする。
１９）全エントロピー生成量を計算する。
２０）熱の流入量を計算する。
２１）利得産出量比を計算する。

この手順の開発においては、本発明者らは、注入された流れの状態（温度および湿度）が、それが注入される流れと同じものであるという制限を導入した。この制限は、類似していない状態の流れの混合によるエントロピーの生成を避けるために課せられる。さらに、除湿器内の空気は、水とは異なって同じ流入および流出温度と湿度とを有する。水は、（加熱器の存在のために）加湿器および除湿器において異なる流れの温度を有する。

単一の抽出および注入を備えたシステム
ＨＤＨシステムにおいては有限個数の抽出および注入の適用がより実際的であり得る。従って、ここでは、単一の抽出／注入の効果を、無限個の抽出／注入の効果と共に研究する。図１２は、単一の抽出および注入を備えたシステムの温度の変化パターンを示す。図示の例の場合には、空気を、位置８４の状態「ｅｘ」において除湿器から抽出し、注入プロセスの間のエントロピーの生成を避けるために、同じ状態「ｅｘ」を有する加湿器内の対応する位置（同様に位置８４において）に注入した。抽出に関するこの基準は、本論文において報告されるすべての場合に対して適用される。その理由は、それが、注入される流れと、ＨＭＥ装置を通過する流体流れとの間の温度および／または濃度の不一致の影響を排除することによって、熱力学的平衡の影響についての本発明者らの研究を独立に補助するからである。この不一致が存在すると、平衡化のみによって生成されるエントロピーの低減を定量化することが困難になる。

単一の空気抽出および注入を備えたシステムをモデル化するための詳細手順は次のように要約できる。
１）全必要熱量（Δｈ^＊）の値を取る。
２）除湿器における注入点のエンタルピーを取る。
３）飽和空気温度の変化パターン［Ｔ＝ξ（ｈ^＊）］をプロットする。
４）両端部および注入点におけるψを満足する除湿器の温度変化パターン（２ライン）をプロットする。
５）全エンタルピー範囲を小さな等しい間隔に分割する。
６）Δｓ（水ｋｇ当たり）を計算する。
７）Δｓ（乾燥空気ｋｇ当たり）を計算する。
８）加湿器の流れに対する質量流量比を計算する。
９）Δωを計算する。
１０）前記間隔内で生産される水の質量流量を計算する。
１１）次の間隔における除湿器内の水の流れの質量流量を計算する。
１２）加湿器内の水の流れの塩分濃度を計算する。
１３）加湿器内の水の流れの比熱を計算する。
１４）加湿器の温度の変化パターンの傾斜を計算する。
１５）加湿器における間隔内の水の流れの低い方の温度を計算する。
１６）ステップ６〜１５のプロセスをすべての間隔に対して繰り返すと、加湿器の温度の変化パターンが形成される。
１７）加湿器における水および空気流れの間の最小エンタルピーピンチを計算する。
１８）加湿器のエンタルピーピンチに関する誤差が小さいか否かについて評価する（小さい場合はステップ１９に進み、小さくない場合は、（ａ）この必要熱量に対するすべての注入点が試算完了していればステップ１に戻り、あるいは、（ｂ）この必要熱量に対するすべての注入点の試算が完了していなければステップ２に戻る）。
１９）全エントロピー生成量を計算する。
２０）熱の流入量を計算する。
２１）利得産出量比を計算する。

結果および検討
本節においては、熱力学的平衡がＨＤＨシステムのエネルギー性能に及ぼし得る影響について調べる。この研究において関心の対象となる性能パラメータは、利得産出量比（ＧＯＲ）である。ＧＯＲは、サイクルへの純入力熱量に対する生産された水の蒸発潜熱の比である。このパラメータは、本質的に、水生産の有効性であり、システム内において影響を受ける熱回収量の指標である。

潜熱は、除湿器内の（含湿空気混合物中の）水蒸気の平均分圧において計算される。

回収比（ＲＲ）はこの研究において関心の対象となる別のパラメータである。ＲＲは、システムに流入する原料の単位量当たりの脱塩水の量である。

除湿器平衡システムおよび加湿器平衡システムの比較
図１０および１１においては、２つのＨＤＨシステムに対する温度の変化パターンが示されている。１つは除湿器平衡の場合（図１０）であり、もう１つは加湿器平衡の場合（図１１）である。本節においては、この２つのシステムの性能を、エンタルピーピンチの種々の値において比較する。図１３においては、加湿器平衡システムがアステリスクでプロットされ、除湿器平衡システムが菱形でプロットされているが、この図１３から分かるように、性能はかなり類似している。低い値のエンタルピーピンチ（ψ＜７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）においては、除湿器平衡システムがわずかに高い性能を有し、これより高いエンタルピーピンチの値においては、加湿器平衡システムがＧＯＲの点で若干良好である。

本節で研究した２つのシステムに対する類似のＧＯＲ値を理解するために、図１４を参照されたい。システムにおける脱塩水ｋｇ当たりの、加湿器８８および除湿器８６において生成されるエントロピーが、固定された頂部ブライン温度と、原料水の温度と、加湿器および除湿器におけるエンタルピーピンチとに対して示されている。このシステムにおいて、除湿器が完全に平衡化されると、除湿器８６における生成エントロピーは、物質の抽出および注入なしのシステムの場合の１／４に低下するが、加湿器８８における生成エントロピーは６５％増加する。除湿器８６を平衡化する間、加湿器８８は平衡状態から離れる。加湿器が完全に平衡したシステムにおいては、加湿器８８におけるエントロピー生成は、物質の抽出または注入なしのシステムの場合の１／３未満に低下する。除湿器８６における生成エントロピーは殆ど変化しない。システムにおける脱塩水ｋｇ当たりの全生成エントロピー９０は、ここで検討した両システムにおいてほぼ同じであり、従って、これらのシステムはよく似たＧＯＲ値を有する。類似の傾向が他の境界条件に対しても認められる。

結論的に、本節に報告した種々の場合における平衡化によるエントロピー生成の変化に関する研究に基づいて、連続的平衡化による全システムのエントロピー生成における低減は、同じエンタルピーピンチにおいて、「除湿器平衡」システムおよび「加湿器平衡」システムに対して非常に類似していることが分かった。従って、ＧＯＲもこの２つのシステムに対して類似していることが分かった。

抽出／注入の個数の影響
（種々のエンタルピーピンチにおける）ＨＤＨシステムの性能に対する抽出／注入の個数の影響が図１５に示されている。この図においては、無限個の抽出／注入システムが菱形で、単一の抽出／注入システムがアステリスクで、抽出なしのシステムが円形でプロットされている。この図から、いくつかの重要な観察結果を導出できる。

最初に、熱力学的平衡は、加湿器および除湿器が約２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気未満のエンタルピーピンチを有する場合にのみ、ＨＤＨサイクルにおいて有効であることが分かる。種々の境界条件に対して、エンタルピーピンチが上記の値を超えると、抽出または注入が全くないシステムの場合との性能（ＧＯＲ）における差異は小さい（すなわち２０％未満）であることが分かった。さらに、加湿器および除湿器におけるエンタルピーピンチの値が非常に低い（ψ≦７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）場合には、無限個の抽出および注入による連続的平衡化が、単一の抽出および注入によって得られる結果よりも遥かに良好な結果をもたらすことが分かった。頂部のブライン温度が８０℃であり、原料の水の温度が２０℃であり、加湿器および除湿器のサイズが「無限大」（ψ_ｈｕｍ＝ψ_ｄｅｈ＝０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）である場合には、（無限個の抽出／注入を備えた類似システムの場合のＧＯＲが１０９．７であるのに比較して、）単一の抽出／注入の場合のＧＯＲが８．２であることが分かった。エンタルピーピンチの値がさらに高ければ（７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気＜ψ≦１５ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）、単一の抽出／注入によって、全システムのエントロピー生成が、およそ無限個の抽出／注入によって作出される量に類似の量だけ低減した。さらに高いエンタルピーピンチの値（１５ｋＪ／ｋｇ乾燥空気＜ψ≦２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）においては、単一抽出が無限個抽出の性能を超えるが、これは意外な結果として見ることができる。本発明者らは、これを、無限個および単一の抽出／注入平衡化が、加湿器８８および除湿器８６におけるエントロピー生成にどのように影響するかを考察することによって理解することを試みる（図１６参照）。

図１６は、ゼロ個、１つおよび無限個の抽出／注入を備えたシステムにおける加湿器８８および除湿器８６において、構成要素のエンタルピーピンチが２０ｋＪ／ｋｇ乾燥空気である時に生成されるエントロピーを示す。連続的な抽出／注入が適用される場合は、平衡構成要素（すなわち除湿器８６）における生成エントロピーは低下するが、加湿器８８における生成エントロピーは増大する。換言すれば、除湿器が平衡化された時に、加湿器は「平衡化されていない」。単一の抽出／注入の場合は、除湿器８６における生成エントロピーは、無限個の抽出／注入の場合における生成エントロピーの低減分より小さい量だけ低下するが、加湿器は非平衡になっていない。このため、単一抽出／注入の場合には、全生成エントロピー９０が低く、ＧＯＲは高いのである。

さらに、連続的な抽出／注入を備えたシステムであって、加湿器または除湿器のいずれをも完全には平衡化しないが両者を部分的に平衡化するシステムを設計することが可能である。このようなシステムは、単一抽出／注入のシステムより高い性能を有する可能性がある。

適用例
本明細書に記述する方法および装置は、例えば、小さな農村集落における水浄化を提供するために用いることが可能である。このような用途におけるエネルギー源（例えばバイオマス）は低質のエネルギーを提供する可能性があるが、化石燃料の利用可能性がなくかつ確実な電源網が欠落しているという理由から、バイオマスは多くの場合最良の選択である。本明細書に記述する方法は、（低質の熱によって作動する）基本的なＨＤＨシステムのエネルギー効率を、１００％までの量だけ改善することが可能である。このエネルギー効率の改善は、エネルギーコストの低減を支援し、小さな農村集落に浄化された水を提供するシステムを実現できる。

特に米国におけるこの方法および装置のもう１つの有望な用途は、シェールガスまたはシェールオイルの抽出から生じる生成水および逆流水の処理である。本開示の方法は、この用途に対しても、ＨＤＨ技術をコスト効率的なものにする際に主要な役割を果たすことができる。

本発明の実施形態の記述において、明確さのために特定の用語法を用いている。記述目的のため、特定の用語は、同様の方法で作動して同様の結果を達成するような技術的および機能的な均等物を少なくとも含むように意図されている。さらに、本発明の特定の実施形態が複数のシステム要素または方法のステップを含むいくつかの例においては、それらの要素またはステップを単一の要素またはステップと置き換えることができる。同様に、単一の要素またはステップは、同じ目的に役立つ複数の要素またはステップと置き換えることができる。また、さらに、種々の特性のパラメータまたは他の値が、本発明の実施形態用として本明細書において規定される場合、それらのパラメータまたは値は、そうでない旨規定されない限り、１／１００、１／５０、１／２０、１／１０、１／５、１／３、１／２、２／３、３／４、４／５、９／１０、１９／２０、４９／５０、９９／１００などだけ上方または下方に（、または、１、２、３、４、５、６、８、１０、２０、５０、１００などの係数だけ上方に）調整することが可能であり、あるいは、その丸められた近似値によって調整することが可能である。また、さらに、本発明は、その特定の実施形態を参照して示されかつ記述されているが、当業者は、形態および詳細における種々の置換および変更を、本発明の範囲から離れることなく、その実施形態においてなし得ることを理解するであろう。また、さらに、他の態様、機能および利点も本発明の範囲内であり、かつ、本発明のすべての実施形態は、必ずしも前記の利点のすべてを実現する必要はなく、前記の特性のすべてを有する必要もない。また、さらに、本明細書において、一実施形態と関連付けて言及したステップ、要素および形体は、他の実施形態との関連においても同様に使用可能である。参照文献のテキスト、雑誌の論文、特許、特許出願などを含む、本明細書の全文を通して引用された参照文献の内容は、参照によって、その全体が本願に組み込まれ、本発明の実施形態は、これらの参照文献からの適切な構成要素、ステップおよび特徴を含むことができ、または含まなくてもよい。また、さらに、背景技術の節において特定した構成要素およびステップは、本開示に統合されており、本発明の範囲内の開示の他の個所で記述した構成要素またはステップと関連付けて、あるいはそれらの代わりに用いることが可能である。方法に関する請求項であって、−参照の簡易さのために付加された順序付き前書き文字を伴った、またはそれなしの−段階的な工程が特定の順序で列挙される方法請求項においては、その段階的な工程は、用語または語句によってそうでない旨規定されるかまたは含意されない限り、時間的に、それらが列挙される順序に限定されると解釈されるべきではない。

Claims (16)

1. 複合型熱および物質移動装置におけるエントロピー生成を低減する方法において、
   キャリアガスの混合体の流れを、大気圧未満の圧力で運転できる複合型熱および物質移動装置における流体流れの径路を通して導くステップと、
   前記キャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の含有量を、液体組成物からの蒸発可能な成分の蒸発によって、あるいは、前記キャリアガス混合体からの蒸発可能な成分の凝縮によって実質的に変化させるために、熱および物質を、前記キャリアガス混合体から、または前記キャリアガス混合体に、前記蒸発可能な成分を液体状態において含み、前記キャリアガス混合体とは反対方向に流れる前記液体組成物との直接的または間接的な相互作用によって移動させるステップであって、それによって、前記熱および物質の移動プロセスが行われる前の前記キャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の濃度とは異なる蒸発可能な成分の濃度を有するキャリアガス混合体の流れを生成するステップと、
   （ａ）前記キャリアガス混合体および（ｂ）前記液体組成物の少なくともいずれかの質量流量を変化させるステップであって、前記（ａ）の場合は、前記複合型熱および物質移動装置における流体流れの径路内の少なくとも１つの中間位置から前記キャリアガス混合体を抽出または注入することによって行われ、前記（ｂ）の場合は、前記熱および物質移動装置における流体流れの径路内の少なくとも１つの中間位置から前記液体組成物を抽出または注入することによって行われ、抽出および注入による前記質量流量の変化が、前記装置における平均局所エンタルピーピンチを低減させる、ステップと、
   を含んでおり、
   前記熱および物質移動装置における前記流体流れの経路に沿った同一位置における前記キャリア混合体中の蒸発可能な成分の質量のキャリアガスの質量に対する比を局所的な湿度比と定め、（ｉ）前記キャリアガス混合体のバルク流れの局所的な湿度比と、（ｉｉ）前記キャリアガス混合体と前記液体組成物の界面における前記キャリアガス混合体の局所的な湿度比との差となる局所的な湿度比差の前記流体流れの経路に沿った変化率を、前記流体流れの経路に沿った同一位置における前記キャリアガス混合体の流れの温度と前記液体組成物の流れの温度の差となる温度差の前記流体流れの経路に沿った変化率よりも小さくするように、前記熱および物質移動装置を運転することを特徴とする方法。
2. 前記装置における最小局所エンタルピーピンチが２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記キャリアガス混合体または前記液体組成物の流れを動的に変化させる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記液体組成物が、前記液体組成物中のスケール成分の沈殿温度を超えない温度に加熱される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記蒸発可能な成分が水である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 加湿−除湿システムにおけるエントロピー生成を低減する方法において、
   蒸発可能な成分およびキャリアガスを含むキャリアガス混合体の流れを、充填床の加湿器内の流体流れの径路を通して導くステップであって、前記システムは大気圧未満の圧力で運転できる、ステップと、
   前記キャリアガス混合体中の蒸発可能な成分の含有量を、液体組成物からの蒸発可能な成分の蒸発によって実質的に増大させるために、熱および物質を、前記キャリアガス混合体に、前記蒸発可能な成分をその一成分として液体状態において含み、前記キャリアガス混合体とは反対方向に流れる前記液体組成物との直接的な相互作用によって移動させるステップと、
   前記キャリアガス混合体を前記加湿器から除湿器に導くステップであって、熱および物質が、前記キャリアガス混合体から、前記除湿器内の流体流れの径路における前記液体組成物との間接的な相互作用によって移動し、それによって、前記キャリアガス混合体中の前記蒸発可能な成分の含有量が低減され、かつ、前記液体組成物が予熱される、ステップと、
   （ａ）前記キャリアガス混合体および（ｂ）前記液体組成物の少なくともいずれかの質量流量を変化させるステップであって、前記（ａ）の場合は、前記加湿器における流体流れの径路内の少なくとも１つの中間位置から前記キャリアガス混合体を抽出し、抽出された前記キャリアガス混合体を前記除湿器内の対応する位置に注入することによって行われ、前記（ｂ）の場合は、前記加湿器における流体流れの径路内の少なくとも１つの中間位置から前記液体組成物を抽出し、前記液体組成物を前記除湿器内の対応する位置に注入することによって行われ、前記対応する位置はそれらの位置におけるそれぞれの流体流れの温度と蒸気濃度が略同一である位置であり、抽出および注入による前記質量流量の変化が前記除湿器内の平均局所エンタルピーピンチを低減する、ステップと、
   を含む、ことを特徴とする方法。
7. 前記加湿器および前記除湿器が、２７ｋＪ／ｋｇ乾燥空気未満のエンタルピーピンチで作動する、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記キャリアガス混合体または液体組成物の抽出および注入が、前記加湿器および前記除湿器における流体流れの径路内の中間位置の間に延びる１つ以上の個別の導管に沿って行われる、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記加湿器および前記除湿器における流体流れの径路の間の前記キャリアガス混合体または前記液体組成物の抽出および注入が、前記加湿器および前記除湿器における流体流れの径路の長さにわたって複数配置された中間位置で行われる、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記加湿器および前記除湿器それぞれにおける前記流体流れの経路に沿った同一位置における前記キャリア混合体中の蒸発可能な成分の質量のキャリアガスの質量に対する比を局所的な湿度比と定め、（ｉ）前記キャリアガス混合体のバルク流れの局所的な湿度比と、（ｉｉ）前記キャリアガス混合体と前記液体組成物の界面における前記キャリアガス混合体の局所的な湿度比との差となる局所的な湿度比差の前記流体流れの経路に沿った変化率を、前記流体流れの経路に沿った同一位置における前記キャリアガス混合体の流れの温度と前記液体組成物の流れの温度の差となる温度差の前記流体流れの経路に沿った変化率よりも小さくするように運転する、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
11. 中間位置の間の前記キャリアガス混合体または液体組成物の流量を動的に変化させる、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
12. 前記液体組成物が、前記液体組成物中のスケール成分の沈殿温度を超えない温度に加熱される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
13. 前記液体組成物が、６５℃を超えない温度に加熱される、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記スケール成分が、硫酸カルシウムおよび硫酸マグネシウムの少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記スケール成分が、炭酸カルシウムおよび重炭酸カルシウムの少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 前記蒸発可能な成分が水である、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。

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