TWI666414B - 濕度管理裝置、飲用水生成系統以及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種濕度管理裝置、飲用水生成系統以及使用此種裝置之方法。濕度管理裝置包含：具備鄰近第一端配置之進氣孔及鄰近第二端配置之出氣口之腔室；以及設置以將濕度調節物質散布在第一端及第二端間之空間之散布機制。散布機制包含：鄰近第二端配置之液體入口，其用以將濕度調節物質流朝第一端供應至腔室內；以及輸送器，其用以輸送部分聚集於鄰近第一端的濕度調節物質，並重新散布所述之濕度調節物質於第一端及第二端間之空間。輸送器包含至少部分被包於細長套管之阿基米德螺旋泵。進氣孔係設置以接收具第一濕度水平之輸入氣流。出氣口係設置以抽出所述輸入氣流，使之與濕度調節物質接觸，從而改變所述輸入氣流之含水量，使得由腔室排出之輸出氣流具備與第一濕度水平不同之第二濕度水平。

Description

濕度管理裝置、飲用水生成系統以及其方法
本發明係廣泛地(但非排他地)關於濕度管理裝置、飲用水生成系統、以及從生水(raw water)生成飲用水的方法。
氣體與液體介質的接觸可被用於例如將氣體與液體介質混合。實際上，例如空氣，可被加濕以達到更加令人愉快的室內環境。相反地，潮濕空氣可透過與可從潮濕空氣除去水分汁液體吸附劑接觸來除濕。這種加濕和除濕通常用於加熱、通風和空調(HVAC)或氣候控制系統，以提供具有所需濕度和/或溫度的空氣。
為了在室溫下充分加濕空氣，經常需要大的蒸發表面，但這通常不可行。此外，為了再加工和回收液體吸附劑，可能需要大量的能量，從而降低了系統的能量效率。此在提高持續發展和氣候變遷意識的背景下，可能無法被接受。
能源消耗也是從生水(如鹽水或半鹽水)生成飲用水的過程中需關心的問題。海水淡化系統已經用來生成用於消費和灌溉之飲用水，但是這種系 統的搭建不僅昂貴且複雜，而且不適合，例如在偏遠地區或獨立住宅中之小規模的操作。
因此存在提供可解決至少一些上述問題的裝置、系統和方法之需求。
根據本發明的第一態樣，其提供了一種濕度管理裝置，包含：具備鄰近第一端配置之進氣孔及鄰近第二端配置之出氣口之腔室；以及設置以將濕度調節物質散布至第一端及第二端間之空間之散布機制，散布機制包含：配置鄰近於第二端，以朝第一端輸送濕度調節物質流至腔室內之液體入口；以及設置以輸送聚集於鄰近第一端之部分濕度調節物質，並重新散布濕度調節物質於第一端及第二端間之空間之輸送器，輸送器包含至少部分地被包於一細長套管之阿基米德螺旋泵(Archimedes’ screw)；其中進氣孔係設置以接收具第一濕度水平之輸入氣流；以及其中出氣口係設置以抽出輸入氣流，使之與濕度調節物質接觸，從而改變輸入氣流之含水量，使得由腔室排出之輸出氣流具備與第一濕度水平不同之第二濕度水平。
細長套管可具備圓柱形徑向表面，徑向表面具備複數個孔洞。
濕度管理裝置可進一步包含複數個中空管，每個管子都被附接在對應的孔洞上，使管子與套管流體連通。
每一個管子可具備能載置濕度調節物質之多孔表面。
散布機制可設置以將濕度調節物質以液膜重新散布於多孔表面上。
散布機制可設置以將濕度調節物質以霧氣重新散布於第一端及第二端間之空間。
濕度管理裝置可進一步包含與輸送器耦接之驅動機以驅動輸送器。
驅動機可進一步與套管耦接，以轉動套管。
濕度管理裝置可作為除濕單元運作，且濕度調節物質可設置以自輸入氣流除去濕氣，使第二濕度水平低於第一濕度水平。
輸入氣流之溫度可高於濕度調節物質之溫度。
濕度管理裝置可作為加濕單元運作，且濕度調節物質可設置以釋放濕氣至輸入氣流，使第二濕度水平高於第一濕度水平。
輸入氣流之溫度可低於濕度調節物質之溫度。
根據本發明的第二態樣，其提供飲用水生成系統，其包含：蒸發單元，以及與蒸發單元流體連通之冷凝單元，其中蒸發單元包含具備鄰近第一端配置之進氣孔及鄰近第二端配置之出氣口之腔室；以及設置以將生水散布至第一端及第二端間之空間之散布機制，散布機制包含：配置鄰近於第二端，以朝第一端輸送生水流至腔室內之液體入口；以及設置以輸送聚集於鄰近第一端之部分生水，並重新散布生水於第一端及第二端間之空間之輸送器，輸送器包含至少部分地被包於一細長套管之阿基米德螺旋泵；其中進氣孔係設置以接收具第一濕度水平之輸入氣流；其中出氣口係設置以抽出輸入氣流，使之與生水接觸，從而加濕輸入氣流，使得由腔室排出之輸出氣流具備高於第一濕度水平 之第二濕度水平，以及其中冷凝單元係設置以接收來自蒸發單元之輸出氣流，並從輸出氣流中冷凝水分子，從而生成飲用水。
冷凝器包含固定床冷凝器。
冷凝器包含加壓室。
冷凝單元可進一步設置以利用來自蒸發單元之輸出氣流預熱低溫之輸入生水。
此系統可進一步包含設置以接收來自冷凝單元之輸入生水之熱交換器，並進一步利用來自蒸發單元之高溫生水，預熱輸入生水。
此系統可進一步包含設置於熱交換器之下游，並設置以在生水注入蒸發單元之腔室前，進一步加熱輸入生水達預定之工作溫度之加熱器。
工作溫度在50℃至70℃範圍間。
根據本發明的第三態樣，其提供一種自生水生成飲用水之方法，該方法包含以下步驟：將生水流注入蒸發單元，蒸發單元包含第一態樣中所定義之裝置；將具有第一濕度水平之輸入氣流注入蒸發單元；引導輸入氣流以接觸生水，從而加濕輸入氣流，使由蒸發單元排出之輸出氣流具備高於第一濕度水平之第二濕度水平；將輸出氣流由蒸發單元導引至冷凝單元，以自輸出氣流冷凝出水分子，從而生成飲用水。
將生水流注入蒸發單元可包含透過於冷凝單元與來自蒸發單元之輸出氣流進行熱交換，和/或透過於熱交換器與來自蒸發單元之高溫生水進行熱交換來預熱生水流。
100‧‧‧濕度管理裝置
102‧‧‧腔室
104‧‧‧下部部分
106‧‧‧中間部分
108‧‧‧上部部分
110‧‧‧進氣孔
112‧‧‧出氣口
114‧‧‧通風機
116‧‧‧液體入口
118‧‧‧刷子
120‧‧‧刷毛
122‧‧‧儲存器
124‧‧‧出口
126‧‧‧阿基米德螺旋泵
128‧‧‧管子
130‧‧‧迴路
132‧‧‧驅動軸
134‧‧‧電動機
136‧‧‧承軸
142‧‧‧細長套管
144‧‧‧中空管
200‧‧‧飲用水生成系統
202‧‧‧蒸發單元
204‧‧‧冷凝單元
206‧‧‧熱交換器
208‧‧‧熱泵
300‧‧‧飲用水生成方法流程圖
透過以下所載之描述(僅以示例之方式描述)，並結合附圖，本發明實施例對於本領域普通技術人員來說將更容易理解且顯而易見，其中：
第1圖為顯示根據示例實施例之濕度管理裝置的示意圖。
第2圖為顯示根據示例實施例描繪之飲用水生成系統的示意圖。
第3圖為顯示根據示例實施例描繪之從生水生成飲用水之方法的流程圖。
第1圖顯示根據示例實施例之濕度管理裝置100的示意圖。濕度管理裝置100包含殼體或腔室102，其具備下部部分104(下文中可互換地稱為第一端104)、中間部分106和上部部分108(下文中可互換地稱為第二端108)。如第1圖所示，中間部分106相對於下部部分104和上部部分106傾斜。然而，應當理解的是在替代性實施例中其可不傾斜，並且該部分形成例如大致為直的或直立的腔室。
殼體102還包含鄰近下部部分104的一個或多個進氣孔110，和位於上部部分108頂端的出氣口112，其中該處可組裝通風機114以從殼體或腔室102的進氣孔110到上部部分108產生氣流(通常為空氣流)。濕度管理裝置100還包含與第二端108相鄰的一個或多個液體入口116。在使用時，一個或多個液體入口116接收液體形式的濕度調節物質，並將濕度調節物質散布到腔室102中以與空氣流相互作用，從而在空氣離開腔室102前改變空氣的濕度水平。
具有複數個刷毛120的刷子118設置在中間部分106，位於一個或多個液體入口116下方，使得從一個或多個液體入口116散布的濕度調節物質， 例如液體、水或水性溶液，可潤濕刷子118的刷毛120。優選地，刷毛120係由彈性材料製成，並且較佳地具有多孔表面。此外，刷毛120可以是中空的，以攜帶更多的濕度調節物質，並且有效地增加了濕度調節物質在腔室102中的通過時間。因此，腔室102的中間部分106可透過引入的濕度調節物質而加濕，並作為濕度調節物質的接觸面。在重力的作用下，濕度調節物質流過中間部分106，例如，在刷毛120之間或沿著殼體102的內表面，並且聚集在位於與下部部分104相鄰的殼體102底部處的儲存器122內。在一些實施方式中，濕度管理裝置100還包含與儲存器122流體連通的出口124，用以自儲存器122排出多餘的液體。
如第1圖所示，為了改善或增強濕度調節物質與氣流之間的相互作用，使用輸送器將聚集在儲存器122的至少一部分濕度調節物質向上輸送，並且重新散布到中間部分106中的空間，例如在刷子118的刷毛120上。於此，輸送器是平行於中間部分106的軸線運行的阿基米德螺旋泵126的形式。阿基米德螺旋泵126包含管子128，管子128包含迴路130和驅動軸132，其以電動機134形式的驅動機驅動，並且樞軸安裝到軸承136。透過驅動軸132，迴路130為可旋轉的。管子128的一端138與儲存器122流體連通，而包括管子128的相對端140之管子128的其餘部分被細長套管142包住。當啟動電動機134時，其可轉動迴路130，以將一部分濕度調節物質從儲存器122輸送到管子128的相對端140，其中濕度調節物質流入細長套管142的內部空間。
在示例實施例中，細長套管142有助於更有效地將濕度調節物質重新散布到中間部分106中的空間。例如，細長套管142具有圓柱形徑向表面，其具有複數個孔洞，當套筒142藉由電動機134旋轉時，液體可以透過該複數個孔洞排出。在優選的實施方式中，複數個中空管144連接到孔洞，每個管子連接 到對應的孔洞，使得管144與套筒142的內部空間流體連通。中空管144通常由聚合材料製成，並且包含能夠載置濕度調節物質的多孔表面。因此，濕度調節物質可以液膜(liquid film)重新散布在多孔表面上。或者或另外，濕度調節物質可以霧氣從多孔表面重新散布到中間部分106的空間中，其中濕度調節物質可聚集在刷子118的刷毛120上。
參考第1圖，現在將描述濕度管理裝置100的操作。通常，液體形式的濕度調節物質經由一個或多個第一液體入口116引入腔室102內。此外，在腔室102內，聚集在下部部分104中的液體，透過使用阿基米德螺旋泵126拉抬，並被輸送到包圍至少部分阿基米德螺旋泵126的細長套管142。細長套管142將液體重新散布到中間部分106中的空間，且液體透過重力作用移動回腔室102的下部部分104。由於阿基米德螺旋泵的旋轉運動，刷子118、細長套管142和連接在其上的中空管144同時進行作動。此外，由於通風機114和進氣孔110，自進氣孔110至上部部分108產生氣流。
刷子118上的各個刷毛120的表面和中空管144的表面被液態濕度調節物質潤濕，因而為氣流與濕度調節物質間的接觸提供了充足的機會。細長套管142有助於更有效地重新分佈濕度調節物質，因為細長套管142內的液體壓力基本上是均勻的。換句話說，細長套管142運作以在其整體長度上重新散布濕度調節物質，因而提供在儲存器122處聚集的液體更有效的再利用。在刷子118和細長套管142旋轉時，可產生濕度調節物質的細小的霧滴，以提供液體額外的接觸面。換句話說，氣流和液體之間的相互作用可更加徹底。與空氣流接觸的濕度調節物質透過重力流回腔室102的下部部分104處的儲存器122中，且可經出口124排出。
當使用如上所述的濕度管理裝置100對空氣進行除濕或加濕時，可透過引入氣流和液體之間的溫度差來進一步增強氣流和液態濕度調節物質之間的相互作用。例如，為了促進自氣流除去水分，可在液體被冷卻的同時加熱輸入氣流。相反地，為了促使水從液體中蒸發和釋放到氣流中，可在輸入氣流被冷卻的同時加熱液體。
第1圖的濕度管理裝置100可被配置為空調系統的除濕單元來進行操作。在這種應用中，供應到進氣孔110的氣體通常是潮濕的輸入氣流，而供應到入口116的液態濕度調節物質是濕度低的吸附劑或吸收劑。透過潮濕的空氣與腔室102中液體之間的接觸，濕氣自輸入氣流除去，使得離開通風機114的輸出氣流的具有低於輸入氣流濕度的濕度水平。優選地，輸入氣流的溫度高於液體的溫度，並且其與液體吸附劑接觸時可使輸出氣流部分冷卻。在下部部分104之儲存器122聚集的高濕度液體，可在再加工之後被排放或回收。
相反地，第1圖的濕度管理裝置100也可被配置為空調系統的加濕單元來進行操作。在這種應用中，供應到進氣孔110的氣體通常是乾燥的輸入氣流，而供應到入口116的液態濕度調節物質可以是水或含水液體(water-carrying liquid)。通過乾燥空氣和腔室102中液體之間的接觸，濕氣從液體中移出並釋放到氣流中，使得離開通風機114的輸出氣流具有高於輸入氣流的濕度水平。優選地，輸入氣流的溫度低於液體的溫度，以促使水從液體蒸發並釋放到空氣中。
第1圖的濕度管理裝置100還可被配置為蒸發單元來進行操作，用以從含水液體提取水分。這種應用類似於上述加濕單元；然而，來自蒸發單元的輸出氣流通常用以產生水而不是提供舒適的房間或地方。在此，將含水液體供給到液體入口116，並且藉由通過腔室102與乾燥的輸入氣流接觸。液體中的 水分被除去，例如蒸發，使得離開蒸發單元的輸出氣流具有相對飽和的水蒸氣。然後，輸出氣流可被引導通過冷凝器，使得水在其中被分離並收集使用。
第2圖顯示根據示例實施例描繪之從生水生成飲用水並使用此種蒸發單元之系統200的示意圖。例如半鹽水或鹽水之生水可透過使用泵來提供，且其溫度在約20-30℃範圍內。通常，與上述類似地，將生水提供給蒸發單元202，同時亦將具有第一濕度水平的輸入氣流提供給相同的蒸發單元202，但其被引導為以與生水流的方向相反的方向流動。例如，生水的入口位於輸入氣流的入口上方。輸入氣流被引導為以如上所述的方式與生水接觸並變濕，使得離開蒸發單元202的輸出氣流所具備的第二濕度水平高於第一濕度水平。換句話說，輸出氣流因來自生水的水蒸氣而實質上飽和，而鹽分子和其它雜質留在水中且廢水被排出。然後，將輸出氣流從蒸發單元202引導到冷凝單元204，以從此輸出氣流冷凝出水分子，從而生成飲用水。飲用水被收集以使用，而廢氣被排放到環境中。
例如，冷凝單元204可以是裝有固定床冷凝種子(fixed-bed-condensation seed)的固定床冷凝器，於其上水分子會從空氣中冷凝。此外，為了加速冷凝過程，冷凝單元204可具有提供超壓(overpressure)的加壓室(未示出)。
為了提高能量效率，在示例實施例中，可以多個步驟將生水加熱至高於輸入氣流的溫度。首先，使生水通過冷凝單元204且不與經歷冷凝的潮濕空氣進行物理接觸，以將其預熱至約30℃或更高的溫度，接下來，將生水在熱交換器206與從蒸發單元202排出的廢水進行熱交換，以達到30-70℃範圍內的溫度。此外，在將生水提供給蒸發單元202之前，使用加熱器或熱泵208形式的加熱手段以將生水進一步加熱至大約60-70℃的操作溫度。熱泵208可利用從其他系統回收的熱量完成此目的。
如所描述的，系統200最大限度地利用可用的加熱/冷卻能力，從而可減少所需之能量。此外，排放到環境中的廢水，例如，排回大海的廢水，已先被降溫至約20-40℃，不會對生態系統造成不利影響。
第3圖顯示根據示例實施例描繪之從生水生成飲用水的方法的流程圖300。在步驟302中，如上文參照第1圖所述地，將生水流供應到蒸發單元中。在步驟304中，將具有第一濕度水平的輸入氣流供應到蒸發單元中。在步驟306中，引導輸入氣流接觸生水，從而加濕所述輸入氣流，使得離開蒸發單元的輸出氣流具有高於第一濕度水平的第二濕度水平。在步驟308中，將來自蒸發單元的輸出氣流引導到冷凝單元以自所述輸出氣流冷凝水分子，從而生成飲用水。
本發明領域具通常知識者將理解，在不脫離如廣泛描述的本發明的精神或範圍的情況下，可對如具體實施例所示的本發明進行多種變化和/或修改。因此，本實施例在所有方面都被認為是說明性的而不是限制性的。

Claims (21)

  1. 一種濕度管理裝置，其包含：一腔室，具備鄰近一第一端配置之一進氣孔，及鄰近一第二端配置之一出氣口；以及一散布機制，設置以將一濕度調節物質散布至該第一端及該第二端間之空間，該散布機制包含：一液體入口，配置鄰近於該第二端，用以朝該第一端提供該濕度調節物質流至該腔室內；以及一輸送器，設置以輸送聚集於鄰近該第一端之部分該濕度調節物質，並重新散布該濕度調節物質於該第一端及該第二端間之空間，該輸送器包含一阿基米德螺旋泵，該阿基米德螺旋泵包含一管子，其中該管子至少部分地被包於一細長套管中；其中該進氣孔係設置以接收具一第一濕度水平之一輸入氣流；以及其中該出氣口係設置以抽出該輸入氣流，使之與該濕度調節物質接觸，從而改變該輸入氣流之含水量，使得由該腔室排出之一輸出氣流具備與該第一濕度水平不同之一第二濕度水平。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之濕度管理裝置，其中該細長套管具備一圓柱形徑向表面，該圓柱形徑向表面具備複數個孔洞。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之濕度管理裝置，其進一步包含複數個中空管，該複數個中空管之每一個中空管被附接在該複數個孔洞中之相應的孔洞上，致使該複數個中空管與該細長套管流體連通。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之濕度管理裝置，其中該複數個中空管之每一個中空管具備能載置該濕度調節物質之一多孔表面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之濕度管理裝置，其中該散布機制係設置已將該濕度調節物質以液膜重新散布於該多孔表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之濕度管理裝置，其中該散布機制係設置以將該濕度調節物質以霧氣重新散布於該第一端及該第二端間之空間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之濕度管理裝置，其進一步包含與該輸送器耦接以驅動該輸送器之一驅動機。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之濕度管理裝置，其中該驅動機進一步與該細長套管耦接以轉動該細長套管。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之濕度管理裝置，其作為一除濕單元運作，其中該濕度調節物質係設置以自該輸入氣流除去濕氣，致使該第二濕度水平低於該第一濕度水平。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之濕度管理裝置，其中該輸入氣流之溫度高於該濕度調節物質之溫度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之濕度管理裝置，其作為一加濕單元運作，其中，該濕度調節物質係設置以釋放濕氣至該輸入氣流內，致使該第二濕度水平高於該第一濕度水平。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之濕度管理裝置，其中該輸入氣流之溫度低於該濕度調節物質之溫度。
  13. 一種飲用水生成系統，其包含：一蒸發單元；以及一冷凝單元，其與該蒸發單元流體連通，其中該蒸發單元具備一腔室，該腔室包含鄰近一第一端配置之一進氣孔，以及鄰近一第二端配置之一出氣口；以及設置以將生水散布至該第一端及該第二端間之空間之一散布機制，該散布機制係包含：一液體入口，配置鄰近於該第二端，以朝該第一端提供生水流至該腔室內；以及一輸送器，設置以輸送聚集於鄰近該第一端之部分生水，並重新散布生水於該第一端及該第二端間之空間，該輸送器包含一阿基米德螺旋泵，該阿基米德螺旋泵包含一管子，其中該管子至少部分地被包於一細長套管中；其中該進氣孔係設置以接收具一第一濕度水平之一輸入氣流；其中該出氣口係設置以抽出該輸入氣流，使之與生水接觸，從而加濕該輸入氣流，使得由該腔室排出之一輸出氣流具備高於該第一濕度水平之一第二濕度水平；以及其中該冷凝單元係設置以接收來自該蒸發單元之該輸出氣流，並從該輸出氣流中冷凝水分子，從而生成飲用水。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之飲用水生成系統，其中該冷凝單元包含一固定床冷凝器。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之飲用水生成系統，其中該冷凝單元包含一加壓室。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之飲用水生成系統，其中該冷凝單元進一步設置以利用來自該蒸發單元之該輸出氣流預熱低溫之一輸入生水。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之飲用水生成系統，其進一步包含一熱交換器，該熱交換器係設置以接收來自該冷凝單元之該輸入生水，並進一步以來自該蒸發單元之高溫生水，預熱該輸入生水。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之飲用水生成系統，其進一步包含一加熱器，該加熱器係設置於該熱交換器之下游，並在該輸入生水注入該蒸發單元之該腔室前，進一步加熱該輸入生水達預定之一工作溫度。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之飲用水生成系統，其中該工作溫度在50℃至70℃範圍間。
  20. 一種自生水生成飲用水之方法，其包含以下步驟：將一生水流注入一蒸發單元，該蒸發單元包含如申請專利範圍第1項至第12項中任一項所述之裝置；將具有一第一濕度水平之一輸入氣流注入該蒸發單元；引導該輸入氣流接觸該生水流，用以加濕該輸入氣流，使由該蒸發單元排出之一輸出氣流具備高於該第一濕度水平之一第二濕度水平；將該輸出氣流由該蒸發單元導引至一冷凝單元，以由該輸出氣流冷凝出水分子，用以生成飲用水。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之自生水生成飲用水之方法，其中，將該生水流注入該蒸發單元包含透過於該冷凝單元與來自該蒸發單元之該輸出氣流進行熱交換，和/或透過於一熱交換器與來自該蒸發單元之高溫生水進行熱交換來預熱該生水流。
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