本申請要求來自2012年1月11日提交的、具有申請?zhí)?1/585,293的標題為“Method and Apparatus for Water Purification”的臨時專利申請，以及來自2012年11月16日提交的、具有申請?zhí)?1/727,661的標題為“Methods and Apparatuses for Water Purification”的臨時專利申請的優(yōu)先權。所述申請通過引用并入本文。

發(fā)明領域

本發(fā)明大體涉及用于水凈化的方法和裝置，且特別地涉及使用加濕除濕(“HDH”)來水凈化的方法和裝置。

背景

缺乏清潔的飲用水仍然是世界上許多地方中疾病、痛苦和最終死亡的主要原因。即使水是公眾可用的，但很多時候，可用的水受農(nóng)業(yè)中使用的化學品，如受工業(yè)污染或受滲入給水中的污水污染。此外，在靠近海洋的地區(qū)具有高鹽度的水源，且因此不適合飲用。

集中處理的水在世界上許多地方也是不安全的，因為正壓在水的分配網(wǎng)絡中不是始終被保持。分配網(wǎng)絡中的泄漏會導致該系統(tǒng)中水的污染。此外，水在初始處理之后被存儲的多個位置如儲罐，缺乏任何類型的持續(xù)監(jiān)督和衛(wèi)生設施。特別地，儲罐不經(jīng)常被清洗，從而成為污染源且擁有它們自己的以各種昆蟲、動物、細菌生長和藻類生長的生態(tài)系統(tǒng)。

瓶裝水的使用已經(jīng)在大城市增長。然而，在農(nóng)村地區(qū)，這是不可能的，也沒有預期的，因為運輸瓶裝水到最終用戶往往是困難的，且因為瓶裝水的塑料的亂用已經(jīng)引起了處置和回收的噩夢。

為了努力解決現(xiàn)有供水的這些難題，在過濾領域已經(jīng)進行廣泛的努力來凈化水源?，F(xiàn)有的過濾技術要求使用具有多個階段的過濾器的不斷更換的消耗品，以保持系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。一旦這些消耗品由于疏忽或不可用性而沒有被替換，來自這些系統(tǒng)的輸出水(另外稱作產(chǎn)物水)的質(zhì)量嚴重下降，而且在許多情況下由于內(nèi)部污染而變得比實際輸入的水更惡化。

有兩種普通類別的水凈化技術：一種是基于蒸發(fā)和冷凝、或熱蒸餾的原理，而另一種是基于膜過濾。在膜過濾技術中，反滲透(“RO”)和電滲析是最具代表性的。對于熱蒸餾，存在可用于大規(guī)模、高容量設備的各種真空熱脫鹽技術，以及更適合于小型凈化設備的常壓蒸餾技術，也稱為HDH。

近年來基于RO的技術的迅速發(fā)展由于其低的初始投資成本和高能源效率而使RO成為所有水凈化技術中的喜愛物。對于海水脫鹽，RO的比能成本(當使用能量回收時)為4至7千瓦時/噸凈化水之間，而使用MSF(多級閃蒸)和MED(多效蒸發(fā)蒸餾)的大部分大的熱脫鹽設備具有20至200千瓦時/噸之間的比能消耗。HDH系統(tǒng)費用在這方面甚至更糟糕，具有從150千瓦時/噸至超過400千瓦時/噸的范圍內(nèi)的比能成本。該比較的唯一的例外是機械蒸汽壓縮(“MVC)，它可以實現(xiàn)與RO的比能消耗水平相媲美的比能消耗水平，范圍從4千瓦時/噸至僅低于12千瓦時/噸)。

然而，熱蒸餾通常產(chǎn)生具有明顯低于1ppm(百萬分之一)的TDS(總?cè)芙夤腆w)水平的高度凈化的水，而RO設備產(chǎn)生低于20ppm左右的水純度將是不切實際的。RO還無法濾除重量輕的溶解的化學分子，如果它們的尺寸可比RO膜的平均孔徑。RO還更容易發(fā)生膜的積垢、結(jié)垢和堵塞，并且如果膜直接暴露于空氣，快速氧化可以容易地破壞該膜。盡管所有的水凈化技術需要預處理或預過濾，以減少積垢的可能性，并確保主凈化過程的正確操作，但RO通常需要更多的預處理，以保護其膜免于故障，且RO膜的標準半衰期在兩年左右，因此其消耗品的成本代表其總操作成本的大部分。

RO的低初始成本優(yōu)點主要在于它的特殊的填充密度或面積與體積之比率。雖然熱蒸餾依賴于熱交換表面來回收潛熱，以降低其能源成本，但RO和其他膜技術依賴于大的過濾表面，以分離清潔的水與鹽水，因此填充密度在兩種類凈化技術中起到非常重要的作用。具有大的表面積不僅可以增加水產(chǎn)量，而且可以降低表面負載系數(shù)，表面負載系數(shù)是每單位表面積的凈化水產(chǎn)量的速率。減少表面負載在降低水生產(chǎn)速率的成本上可明顯改善操作效率，因為它大大降低了RO系統(tǒng)和熱蒸餾設備兩者中的內(nèi)部熵產(chǎn)。

雖然MVC熱蒸餾技術在比能成本方面已經(jīng)在很大程度上緊跟上RO，但由于其低得多的填充密度，其初始投資成本仍遠高于可比的RO技術。HDH系統(tǒng)通常在成本上低于RO，并且由于其低溫常壓操作而具有產(chǎn)生比RO更純的水的潛力。然而，這些系統(tǒng)的極低比能效率一直是它們被廣泛接受的主要障礙。

另一個缺點是，現(xiàn)有的蒸餾技術是太昂貴的以致不能實現(xiàn)，這是因為這些技術使用大量的能量來將水轉(zhuǎn)化為蒸氣，之后重新冷凝飽和的氣體，和因為這些技術通常由昂貴的不銹鋼或其它昂貴的金屬建造。

現(xiàn)有的蒸餾技術的主要缺點之一是，需要采用高強度材料，用于容器和熱交換壁。HDH部分地通過使用常壓蒸發(fā)(加濕)和冷凝(除濕)來解決問題，這避免了需要利用高強度材料，并用更便宜且更薄的材料如塑料基材替換它們。

現(xiàn)有的蒸餾技術的另一個缺點是熱交換表面的相對較低的填充密度，或者表面與體積之比率。通過舉例的方式，螺旋纏繞式過濾器和中空管反滲透過濾器具有較高數(shù)量級的填充密度，并對于相同的容量允許建立更小的過濾設備。在蒸餾設備的情況下，較高的填充密度還可能意味著對于相同的水生產(chǎn)能力，熱交換表面上較低的負載，這明顯提高了潛熱回收效率，同時保持相同的水生產(chǎn)能力。

一些現(xiàn)有的蒸餾技術的還另一個缺點是缺乏直接的2相到2相的熱交換。為了具有直接的潛熱交換，蒸發(fā)器和熱交換表面的冷凝器側(cè)兩者必須屬于同一壁。此外，常見的熱交換壁的兩側(cè)都必須含有2相流，這意味著兩側(cè)應在復合流中具有液相成分和氣相成分。

圖1示出了使用HDH來水凈化的現(xiàn)有技術方法和裝置的圖?，F(xiàn)有技術包括在蒸發(fā)室12和冷凝室14之間的垂直的熱交換壁10。進料水16靠近蒸發(fā)室12的頂部，經(jīng)由噴霧器18向下噴霧。鼓風機20對著來自蒸發(fā)室12的底部的進料水的落下的霧氣28吹風。在蒸發(fā)室12的底部還有鹽水托盤22，用于存儲濃鹽水24，沒有蒸發(fā)的進料水的殘余物。鹽水托盤22中的鹽水24可通過蒸發(fā)室12的鹽水出口26被去除。垂直熱交換壁10允許潛熱從冷凝室14流動到蒸發(fā)室12(參見該一般方向的虛線箭頭)。當進料水16的一部分蒸發(fā)時，飽和的氣體被引導至冷凝室14中。冷凝室14然后使飽和的氣體冷凝，并產(chǎn)生產(chǎn)物水30。產(chǎn)物水30匯集并經(jīng)由出口34被引導出冷凝室，用于儲存或使用。未冷凝的氣體在開環(huán)過程中在冷凝室14的底部附近經(jīng)由空氣出口32引導出冷凝室14。由于潛熱交換過程不完全回收潛熱用于重復使用，所以需要以加熱器36的形式的附加熱源，來將另外的蒸汽引入冷凝室14并預熱進料水。

通過將冷凝室12放置為與蒸發(fā)室14并排，僅通過作為熱交換壁的共同的壁10分離，從水蒸汽的冷凝產(chǎn)生的潛熱被轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器，以加熱進料水，這消除了HDH蒸餾方法的主要缺點之一。

不幸地，由于現(xiàn)有技術的設計，一些低效率是明顯的。首先，垂直熱交換壁10未得到充分利用，這是因為大多數(shù)的潛熱轉(zhuǎn)移從在冷凝室14中的氣體被低效率地轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)室12中的其它氣體。這是由于熱交換壁10的垂直布置，以及由于進料水16向下進入蒸發(fā)室12的霧氣。

在垂直熱交換壁布置中，首先由Nusselt研究的膜狀冷凝，通常被認為是更有效的冷凝機構(gòu)，因為液膜冷凝物的外邊界處釋放的潛熱被直接轉(zhuǎn)移到熱交換表面，而無需通過氣體。然而，為了使這種情況發(fā)生，熱交換表面必須對所述液體具有強的親和力，即，該表面必須是強親水性的。這不是具有其塑料熱交換表面的現(xiàn)有技術的情況。塑料熱交換表面對液體的低親和力(潤濕性)，使得它很難在冷凝器側(cè)冷凝液體，以形成膜狀或滴狀冷凝，并在蒸發(fā)器側(cè)形成膜狀蒸發(fā)；這明顯降低了傳熱效率并降低了可以回收的潛熱的部分。

較低的潛熱交換性能增加了內(nèi)部熵產(chǎn)。如將在下文清楚的，內(nèi)部熵產(chǎn)的任何增加降低了總的系統(tǒng)效率和/或降低水生產(chǎn)速率。因為機械工作不會將附加熵流引入到系統(tǒng)中，所以在一般情況下優(yōu)于直接的熱輸入。然而，當輸入熱從廢熱或其他低成本熱源得到時，可能更優(yōu)選使用那些熱源作為輸入而不是機械工作輸入，盡管后者更有效利用能量。

此外，開環(huán)過程不重復使用顯熱，顯熱仍然保留在通過空氣出口32被發(fā)送至重新使用的未冷凝的氣體中。雖然將非冷凝的氣體重新發(fā)送至蒸發(fā)室的底部可以補償一些廢熱，但這樣的過程本質(zhì)上是低效的，由于未冷凝的氣體和進料水之間的大的溫差。由于現(xiàn)有技術設計的相對低的表面與體積比率，蒸發(fā)室12還需要大的體積，以產(chǎn)生任何明顯量的產(chǎn)物水。

所述現(xiàn)有技術的另一個主要缺點是其使用熱蒸汽注入，以提供蒸發(fā)所需要的熱輸入。如將在下面更詳細地大量解釋的，通過熱流體注入的任何直接熱輸入或系統(tǒng)的直接加熱將連續(xù)熵流引入系統(tǒng)中，該連續(xù)熵流必須被排出，以便保持系統(tǒng)內(nèi)的總熵為有限的。這樣的熵排出導致能量消耗增加，這降低了總系統(tǒng)效率和/或生產(chǎn)率。

因此，期望提出解決所有上述缺點的用于過濾的新的方法、系統(tǒng)和裝置。

發(fā)明概述

本發(fā)明的目的是提供一種使用HDH的裝置和系統(tǒng)，其允許以成本效益的方式高效的直接潛熱轉(zhuǎn)移。

本發(fā)明的另一目的是提供過濾裝置，其中多個蒸發(fā)室和冷凝室被放置為提供大的總潛熱交換表面，以確保所述交換表面的低負載系數(shù)，用于增強潛熱重新捕獲性能，即使是在高的水生產(chǎn)速率下。

本發(fā)明的又一目的是提供一種利用滴狀冷凝和滲濾充滿的蒸發(fā)室來提高潛熱交換性能的過濾裝置。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種過濾系統(tǒng)，其中毛細管力被采用在空氣動力學效率篩(aerodynamically efficient screen)內(nèi)，以防止夾帶的液滴進入壓縮機室和降低由于篩對氣流施加的拖動力而造成的霧氣保持篩(mist retaining screen)的壓降。

甚至更是這樣，本發(fā)明的另一目的是提供一種具有不可滲透的中空纖維熱交換基質(zhì)的系統(tǒng)，其將蒸發(fā)室和冷凝室結(jié)合到單一構(gòu)造中以在填充密度(有效表面積與體積之比率)上媲美其它過濾系統(tǒng)，例如，用于反滲透過濾系統(tǒng)的螺旋纏繞式和半滲透中空纖維膜。

本發(fā)明的還又一個目的是提供一種具有增強的鹽水沉積裝置以保持蒸發(fā)室中的鹽水濃度為控制水平的裝置。

本發(fā)明的還又一目的是提供一種具有用于再循環(huán)不可冷凝的載氣，以將受污染的懸浮顆粒和液滴從輸入氣流除去到冷凝室中的電力氣體過濾(electrical gas filtration)的過濾系統(tǒng)。

本發(fā)明的又一個目的是提供一種過濾系統(tǒng)，其具有自我監(jiān)測性能與分布式傳感器和執(zhí)行器，用于基于這樣的實時傳感器輸入，預測和估計內(nèi)部熵產(chǎn)率，以及將系統(tǒng)轉(zhuǎn)向最佳性能的目的。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種過濾系統(tǒng)，其具有在許多能源之間切換以最小化操作成本的能力。

本發(fā)明的還另一個目的是提供一種過濾系統(tǒng)，其具有聚合物熱交換基材和改進的各向異性整體導熱率和較高的機械強度，用于提高所述聚合物基材的潛熱傳遞特性的目的。

通過參考本說明書的其余部分連同它們相應的附圖，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點對于本領域技術人員將變得明顯。

簡而言之，本發(fā)明公開了一種用于從輸入液體產(chǎn)生凈化液體的裝置，其包括：蒸發(fā)室，其中蒸發(fā)室充滿有輸入液體；和冷凝室，其具有通道，其中通道被布置在輸入液體中，其中由輸入液體在蒸發(fā)室中產(chǎn)生液體飽和的氣體，其中液體飽和的氣體被引導入通道的第一端部，且其中凈化液體在通道的第二端部被輸出。

本發(fā)明的一個優(yōu)點是提供了用于水凈化的低成本的方法和裝置。

本發(fā)明的另一個優(yōu)點是提供了用于水凈化的低能量的方法和裝置。

本發(fā)明的又一個優(yōu)點是提供了用于水凈化的能量有效的方法和裝置。

本發(fā)明的還另一個優(yōu)點是所產(chǎn)生的水的品質(zhì)保持為高的和一致的。

本發(fā)明的另一個優(yōu)點是本系統(tǒng)的自我監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，并將所述系統(tǒng)自動重新調(diào)向最佳性能的能力。

本發(fā)明的還另一個優(yōu)點是多種能量源可以被利用并在它們之間切換，以實時提供接近最佳的運行條件。

附圖說明

當結(jié)合附圖時，本發(fā)明的上述和其它目的、方面以及優(yōu)點可以從本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的以下詳細描述中被更好地理解，在附圖中：

圖1示出了使用HDH來水凈化的現(xiàn)有技術方法和裝置的圖。

圖2a示出了關于本發(fā)明的具有固定邊界的熱動力系統(tǒng)的一般圖示。

圖2b示出了具有被充滿的蒸發(fā)室的用于水凈化的本發(fā)明的圖。

圖3示出了具有額外的輔助蒸汽產(chǎn)生器的用于水凈化的本發(fā)明的另一種實施方案的圖。

圖4示出了具有蒸發(fā)室和冷凝室的多個通道的用于水凈化的本發(fā)明的圖。

圖5示出了具有蒸發(fā)室和冷凝室的多個面板(panel)的本發(fā)明的水凈化裝置的圖。

圖6示出了本發(fā)明的水凈化裝置的遠端歧管的圖。

圖7示出了本發(fā)明的水凈化裝置的近端歧管的圖。

圖8示出了本發(fā)明的水凈化裝置的透視圖。

圖9示出了具有通過面板的偶數(shù)通道的多個穿孔的本發(fā)明的冷凝室的面板的俯視圖。

圖10示出了具有通過面板的奇數(shù)通道的多個穿孔的本發(fā)明的冷凝室的面板的俯視圖。

圖11示出了具有通過一些通道和一個間隔物的多個穿孔的本發(fā)明的冷凝室的面板的放大的透視圖。

圖12示出了本發(fā)明的冷凝室的多個面板的放大的透視圖。

圖13示出了管的分組，以形成本發(fā)明的冷凝室。

圖14示出了用于本發(fā)明的冷凝室的矩形管筒。

圖15示出了具有間隔物的本發(fā)明的冷凝室的管。

圖16a示出了本發(fā)明的冷凝室的管的端部的放大視圖。

圖16b-16c示出了本發(fā)明的管的間隔物的各種橫截面形狀。

圖17示出了具有矩形管筒的用于水凈化的本發(fā)明的另一實施方案的圖。

圖18示出了本發(fā)明的去霧器的透視圖。

圖19示出了本發(fā)明的去霧器的另外的透視圖。

圖20示出了本發(fā)明的去霧器的空氣動力學翼片。

優(yōu)選實施方案的詳細描述

在以下的詳細實施方案詳解中，通過形成其一部分的附圖展示了可能的本發(fā)明的具體實施方案。

以下將描述本發(fā)明是如何進行凈化污水的。但同時本發(fā)明也可同樣的用來凈化其他液體，包括鹽水、被污染的水等其他液體。

本發(fā)明依照最小熵產(chǎn)原理使?jié)摕岬霓D(zhuǎn)換效率達到最高并且通過增加熱交換面積的填充密度，以此克服了當前同類裝置的許多缺點。另外，本發(fā)明提供了系統(tǒng)運行的實時自適應控制，連續(xù)地實時重新調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以及切換到備用能量源，以保持低運營成本。

圖2a展示了一個本發(fā)明的具有固定邊界的熱力系統(tǒng)的一般圖示。熱流和質(zhì)量流被輸送穿過熱力系統(tǒng)的邊界。系統(tǒng)的熵產(chǎn)是一個狀態(tài)變量，如果系統(tǒng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)，該變量就會成為常量，例如蒸餾系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，或者完成了熱力循環(huán)后，例如內(nèi)燃機內(nèi)部的熱力循環(huán)。類似的，系統(tǒng)的總內(nèi)能也是一個狀態(tài)變量。

熱力學第一定律(能量守恒定律)顯示一個系統(tǒng)的內(nèi)部總能量的單位時間的變化必須等于總的熱量輸入(習慣上，將輸出熱能等于熱能的負輸出)加上焓的輸入如果有質(zhì)量流存在的話，以及系統(tǒng)的凈輸入功的總和，其寫成，

且熱力學第二定律表明，一個系統(tǒng)的總熵的單位時間的變化等于各個直接熱輸入的熵增率加上各個質(zhì)量流體所產(chǎn)生的熵流的總和，加上各個不可逆內(nèi)部熵產(chǎn)率的總和。不可逆熵產(chǎn)率必須全部為正數(shù)，并且在理想理論條件下可以為零但是永遠不能負數(shù)。其寫成，

其中S和U分別是系統(tǒng)總熵和系統(tǒng)總內(nèi)能，m_k是以位置(或端口)k為基準的質(zhì)量流量，P是凈功輸入(輸出則為負數(shù)),c是相對于位置k的比熱焓(單位質(zhì)量)，s_k是質(zhì)量流相對于位置k的比熵。S_{不可逆的l}是在某位置l的內(nèi)部熵產(chǎn)率，該項依照熱力學第二定律必須為正數(shù)。對于一個穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，

和必須如上面所述為零。

舉例來說，一個理想的熱蒸餾系統(tǒng)340包括蒸發(fā)器/冷凝器模塊、通過位置1的污水供給、在位置2一個出口用來輸出蒸餾后的水、另一個用來排出鹽水。假設蒸餾物和化合鹽水擁有相同的熱力學參數(shù)以便討論，雖然在一般情況下，它們可以從兩個端口輸出并分開討論。這個假設在如下條件下成立，排出的鹽水和蒸餾物在熱力學上高度耦合，并且鹽水的TDS濃度沒搞高到足以影響其比熵和比焓變。促使蒸餾過程產(chǎn)生的能量由直接加熱和機械功在位置0的輸入，如電阻加熱裝置和機械壓縮。另外，也可通過注入熱蒸汽來替換或補充直接加熱的過程，在此不多復述。

對于穩(wěn)態(tài)條件下，能量守恒定律的熱力學第二定律變成了以下形式:

Q+P＝m₁(h₂-h₁) (3)

和

其中假設質(zhì)量流量守恒(輸入的質(zhì)量流量必須等于蒸餾產(chǎn)物和排出的鹽水)。

內(nèi)部的熵產(chǎn)來自于熱傳導的損失，系統(tǒng)液流的阻力，以及來自機械壓縮和其他非理想過程的能量損失。熵產(chǎn)定義為能量變化與溫度的比值，兩個T1與T2溫度間物體的熱流Q在熱傳導過程中的損失可以表示成

這個不等式始終成立的原因是，Q與(T1-T2)始終具有相同的符號，因為熱只能從高溫物體流向低溫物體，即熱力學第二定律所述的那樣。熱傳導發(fā)生在熱交換層的橫向的方向順著著蒸汽的方向來傳導熱，以及從內(nèi)部熱區(qū)域向外部較冷的環(huán)境導熱。流體的粘度阻止液體的流動，也是內(nèi)部熵產(chǎn)增加的原因之一。系統(tǒng)自身機械壓縮的不高效，馬達等，亦導致了系統(tǒng)的內(nèi)部熵產(chǎn)率。推廣來說，通過連續(xù)極限，內(nèi)部熵產(chǎn)率可以用滿足變分定律的正積分，最小熵產(chǎn)率發(fā)生在熱傳導和粘度流體力學方程解的時候?？梢酝ㄟ^測試函數(shù)來估計系統(tǒng)的真實解。

通過物理、數(shù)學和電腦科學的變分方法來推測真實熱力系統(tǒng)的狀態(tài)，因為系統(tǒng)的精確解是很難獲得的。由于預測的誤差可以通過變分方法來預測，測試函數(shù)往往能夠提供一個很不錯的解。對于熵產(chǎn)率的預測，測試函數(shù)總會給出一個較大值，因此，它將會是一個保守估計并且是我們希望的，因為我們知道真實解總會比預測的值更好。

機械壓縮(通過令Q＝0)和直接加熱(通過令P＝0)可以進行性能比較。由于內(nèi)部熵產(chǎn)率只取決于不可逆過程，并不直接取決于蒸餾過程是依靠直接加熱的方式還是機械蒸汽壓縮的方式，而是只取決于相關的熱力學參數(shù)，如熱傳導率、壁厚、幾何形狀、流體粘度等?？梢曰菊J為機械功輸入和熱輸入導致的熵產(chǎn)相同。

在系統(tǒng)輸入為直接加熱的形式下(比如通過電熱加熱器)，得到能量守恒公式，

Q＝m₁C_P(T₂-T₁) (6)

和熵公式，

對于一個等效的熱力蒸餾系統(tǒng)，該項必須遠小于1(注意這里的溫度單位為絕對溫度)，因此對數(shù)項的部分可以近似地用泰勒級數(shù)第一項來表示，

對比之下，對于機械式壓縮，表達式則變成,

P＝T₁·內(nèi)部熵產(chǎn) (9)

這與直接加熱的情況相比較，所不同的多了一項熱泵系數(shù)，或

由于熱泵系數(shù)可表示為遠小于1，尤其當T1與T很接近的時候，以上的關系式顯示了機械式壓縮在熱力學效率上大大優(yōu)于直接加熱。此式也顯示了降低內(nèi)部熵產(chǎn)率的重要性。它也指出了為何直接潛熱交換可以進行，而不是間接的潛熱通過非常的高要求潛熱熱交換過程。后者對于冷凝器和蒸發(fā)器之間的熱交換效率要求非常高。如果表面積與體積之比較低的話，表面熱力負載系數(shù)也低，由此可減小溫度梯度并極大地減小熵產(chǎn)率。在本發(fā)明中，表面積與體積比通?？梢宰龅?00m^-1甚至更大。直接加熱效率之所以比機械式壓縮式方法低就是因為從Q/T產(chǎn)生的大量熵產(chǎn)。

以上方程提供了一種方法來估計用變分方式輸入的能量的要求(機械功或者熱)，而內(nèi)部熵產(chǎn)率可通過測試函數(shù)的變分方法來獲得。

圖2b展示了本凈水發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖，蒸發(fā)器內(nèi)是充滿水的。本發(fā)明所述的一個裝置50包括蒸發(fā)室52，冷凝室54，蒸發(fā)室52和冷凝室54之間的熱交換壁56，鹽水室68，壓縮機60，去霧器62和鹽水泵64。通常，輸入的水是預處理過的，以避免從輸入的水中析出的鹽堵塞或附著在蒸發(fā)器上，同時也可以大大減少容器的水垢。預處理可以包括使用網(wǎng)眼濾網(wǎng)或者沉積濾網(wǎng)來去除較大的雜質(zhì)或者懸浮的小顆粒，這些如果進入系統(tǒng)都會對HDH的過程產(chǎn)生一定的影響。更細小的可溶物或不可溶顆粒，包括微生物等可以通過凝聚的方法來預處理，例如電凝聚，生物方法如慢式砂濾或者活性碳等，或者在輸入的水中預加氯來防止致病物質(zhì)留存在管路或者蒸發(fā)室里。鈣鹽等可容物應該使用軟化劑或凝結(jié)劑來減少在容器壁或者管路上水垢的形成。預處理過程可以在初始步驟進行，或者利用在蒸發(fā)過程的運作間隙，當HDH過程非常不穩(wěn)定時(例如當容器的溫度突然降低時，需要通過控制器來將系統(tǒng)帶回到最優(yōu)狀態(tài))進行，或其他事宜時機。

預處理的水也可以進行事先加熱，以此來提供足夠的水蒸氣來使蒸汽壓縮機更有效地工作。如果在壓縮機的進口沒有初始的水蒸氣種子，由于缺乏從冷凝器到蒸發(fā)器的潛熱熱交換和兩者之間的回路，HDH過程將無法進行。水可通過例如太陽能加熱裝置(未在圖中顯示)來預加熱，通過使用太陽能或其他低質(zhì)的熱源。如果需要進一步的加熱，那么第二級加熱器(未在圖中顯示)，例如電加熱器，通過使用其他能源來進一步的將輸入的水加熱至預設的溫度。同時第二級加熱器可以周期性地將系統(tǒng)加熱到一個很高的溫度達到消毒的目的，例如當系統(tǒng)運行的溫度無法長期保持在一個安全的范圍內(nèi)時。

預處理的輸入的水66進入到蒸發(fā)室52，充滿蒸發(fā)室52，隨之輸入的水66即與熱交換器壁56接觸。潛熱即可從冷凝室54向蒸發(fā)室52有效地傳導，因為輸入的水66完全地與在蒸發(fā)室那一側(cè)的熱交換壁56接觸。這種浸沒式蒸發(fā)器與疏水冷凝室具有水平(或輕微傾斜的)熱交換表面，通過高效的滴式冷凝和浸透式蒸發(fā)完成系統(tǒng)循環(huán)。在滴式冷凝中，冷凝過程通過在熱交換表面形成細小的液珠而不是連續(xù)的液膜。通過許多的成核區(qū)，液滴慢慢變大，直到張力無法克服重力后突然快速地凝結(jié)并且逐漸變大的液滴沿著表面下滑，在過程中掃過更多的表面凝聚更多的液滴并且直接暴露在飽和的水氣環(huán)境中吸收更多的水。

液滴在快速與周邊液滴聚結(jié)之前的最大半徑稱之為離開半徑。一般金屬表面的離開半徑為1-3毫米，但是離開半徑也依靠多種其他因素，如表面溫度，表面或整體導熱率，蒸汽流速率以及流動的機理等。通常來說，滴落的過程發(fā)生在當液滴凝聚到一定的尺寸，重力或者其他外力大到表面張力后。在滴式冷凝過程中，由于沒有液膜產(chǎn)生來阻止?jié)摕岬臒峤粨Q，滴式冷凝方式可達到的熱交換系數(shù)可以是膜狀冷凝方式的10倍。

液滴滑落的過程可以通過調(diào)整熱轉(zhuǎn)換表面積的近似水平但傾斜的角度和壓縮機的流量和壓縮比。大的滑落運動增加了冷凝器額質(zhì)量產(chǎn)率，同時也減小了液滴的離開半徑，這導致了熱交換系數(shù)的增大。然而，通常增加的熱轉(zhuǎn)換系數(shù)小于冷凝質(zhì)量產(chǎn)量的增加，將會導致蒸發(fā)器和冷凝器間熱交換表面的溫度梯度，這降低效率。因此，傾斜的角度是另一個可以用來優(yōu)化系統(tǒng)效率的參數(shù)。

滴式冷凝一般只可以通過使用疏水的表面材料來實現(xiàn)，與膜狀冷凝所不同。在蒸發(fā)器方面，相同的特性可通過滲透或噴射式蒸發(fā)來實現(xiàn)。滲透蒸發(fā)是指蒸發(fā)器浸沒在液體中，液體中充滿了微小的氣泡，這些氣泡是循環(huán)自冷凝器近端所產(chǎn)生的。滲透蒸發(fā)，相對于滴狀冷凝，更適合使用親水的表面，來自冷凝器端循環(huán)使用所產(chǎn)生的氣泡，在持續(xù)的蒸發(fā)中，這些氣泡不斷從蒸發(fā)的液體中吸收水氣并不斷變大懸浮在熱交換表面下。這些串狀的氣泡附著在熱交換壁的下面(蒸發(fā)器的上表面)，是與滴式冷凝類似的逆過程，并且由于串狀的氣泡僅需要很小的接觸角度，所以蒸發(fā)器的表面應該使用親水的材料。

在滲透蒸發(fā)過程中，氣泡串的增大、破裂以及氣泡破裂后向上的扯動都極大地增加了潛熱熱交換的程度。由于在蒸發(fā)器表面和液體間沒有氣膜來阻止熱交換，這種情況下的熱交換系數(shù)將是傳統(tǒng)蒸發(fā)器數(shù)量級上的提高。

盡管在蒸發(fā)器表面的熱交換面上的接觸角度很好地小于90度，而且只要接觸角度不接近180度，氣泡都能夠很好的生成。大的接觸角度會增加氣泡的臨界尺寸，從而降低熱交換效率。大多數(shù)親水聚合物的接觸角度都小于140度，因此使用這種材料時，基于滲透蒸發(fā)的原理，可以令增強的潛熱熱交換發(fā)揮功效。

在HDH過程中，那些無法被冷凝的氣體對熱交換的過程會產(chǎn)生一個很大很負面的影響，它們會阻止蒸汽分子的與熱交換表面的接觸，迫使蒸汽分子從它們的表面流過。然而，眾所周知，湍流會使熱交換的效率大大提高，橫向的氣體流動使得蒸汽分子與冷凝器端的熱交換壁進行熱對流。在蒸發(fā)側(cè)，液體的湍流運動也可以類似地提高內(nèi)部的攪動，克服流體自身較弱的熱傳導性。

為了達到湍流，雷諾數(shù)需要達到2200，這對于窄的流道來說往往很難達到，但是流體可以通過設置微小的阻礙物和外部的擾流器來激發(fā)湍流。用來循環(huán)未冷凝氣體至蒸發(fā)器的壓縮機葉片的脈沖式動作和螺旋式的噴管都能夠提供以上描述的湍流激發(fā)功能。

流體的湍流運動更好地與熱交換壁和非熱交換壁刮擦，也帶來了其他的利于系統(tǒng)的好處。湍流也直接能夠增強滴式冷凝的液滴下滑的運動，它們能夠加速鄰近液滴的聚結(jié)，通過搖擺的運動合并更多聚結(jié)的液滴，使它們從微小的成核區(qū)分離。這會導致更小的離開半徑，進一步地提高熱交換效率。

然而，湍流運動的存在同時也會增加流體的阻力，導致壓縮機需要更大泵壓。因此，在系統(tǒng)設計時，需要權衡壓縮機所需提高的功耗和增加的熱轉(zhuǎn)換效率。值得注意的是，如果最外層的壁面是優(yōu)良的絕緣體，那么所有湍流的運動可以最終轉(zhuǎn)化回熱能，并可以像使用直接加熱的方式那樣，使用其直接用來提高冷凝的產(chǎn)率，那么整個系統(tǒng)的效率的降低將是主要來自于湍流生成熱與機械式壓縮機輸入方式下效率的差別。直接熱注入與機械式輸入的效率比較將在后面的章節(jié)詳述。

蒸發(fā)室52和鹽水室68也可以連接起來，這樣預處理的輸入的水66可以通過重力驅(qū)動的方式從蒸發(fā)室52流道鹽水室68的底部。因此，從理論上來說，蒸發(fā)室52的鹽含量比鹽水室68底部的鹽含量低。隨著鹽水室68里的濃度變得越來越大，滲透壓最終會提高蒸發(fā)室52中的鹽水濃度。鹽水室68中的額外層70可以用來增大滲透壓行進所需的總路徑。

鹽水泵64可以將鹽水室68中的鹽水排出來降低濃度，以此來降低滲透壓。鹽水泵64可以通過數(shù)字方式控制排出的鹽水，以此來精確控制鹽度。鹽水泵64可以按照鹽水的濃度自動控制鹽水排出量。排出的鹽水可以進一步的分離，去除高濃度的鹽水和析出的沉淀，其余的鹽水可以回收利用送回至蒸發(fā)室52。

當氣體從蒸發(fā)室52蒸發(fā)出后，它們高度飽和了經(jīng)過預處理的輸入的水。這些高度飽和的氣體從蒸發(fā)室52經(jīng)過去霧器62進入到壓縮器60的入口76。壓縮機60壓縮之前高度飽和的氣體后從壓縮機60的出口78輸出至冷凝室54。壓縮機60可以通過數(shù)字控制的方式來控制壓縮機60的進口76和出口78的流速以及壓縮機的壓縮比。

去霧器的功能是使氣泡在蒸發(fā)器中從液體中分離。去霧器通常由一塊特殊涂層或無涂層的金屬網(wǎng)版構(gòu)成，網(wǎng)版上具有足夠小的網(wǎng)孔用來阻止以霧狀形式存在小液滴通過進入壓縮機。這些小液滴對于壓縮機來說具有腐蝕性所以是不利的，液滴中還可能含有有機或者無機的污染物，交叉感染冷凝器端的冷凝水。然而，由于氣體的流速在量級上高于液體流速3個數(shù)量級，去霧器的阻流作用會產(chǎn)生不能忽略的壓降。這個現(xiàn)象會降低壓縮機的效率，并且需要更多的輸入能量，導致整個系統(tǒng)能源效率的降低。

由于運行的條件是在低壓和低溫下，可以將金屬的網(wǎng)版用塑料來代替。由于塑料材質(zhì)可以通過注塑成型，網(wǎng)版的橫截面可以被設計成更長更具流線的形狀。在空氣動力學設計中，在相同的二維阻面積下，可以設計出特殊的形狀，比圓柱形減小二至三個數(shù)量級的氣動阻力。通過這些設計，將極大地減少去霧器的壓降，提高系統(tǒng)的總效率。通過去霧器的能量損失其實并沒有消失。相反，它們可以轉(zhuǎn)變成熱能后，輸入至冷凝室再次利用。

由于本裝置使用一個近似水平的溢滿的蒸發(fā)器，在壓縮機負壓力吸力的作用下，可能將鹽水吸入至去霧器的入口處，因此，更有效的水汽和鹽水分離裝置是很有必要的。一種更好的設計是使用高親水的塑料材料，如特氟龍作為去霧器網(wǎng)版的材料，它具有更好的抗毛細力作用，阻止鹽水的侵入。

過飽和的氣體被輸入至冷凝室54在熱交換器面56上以形成冷凝水(即處理好的水或其它液體產(chǎn)物)。熱交換壁56始終保持水平方向，使重力方向基本上垂直于優(yōu)選高度疏水的熱交換壁56，使得冷凝水在熱交換壁56表面滴式冷凝。從冷凝室54余下的氣體將會重新通過如72所示的路徑回流至蒸發(fā)室52通過滲透蒸發(fā)來增強蒸發(fā)和潛熱的收集率。冷凝器56可以有一個輸出口74使生成的冷凝水(產(chǎn)物水)流至一個貯存水箱(未圖示)或另作他用。冷凝室54也包含一個突起80用來進一步的冷凝。突起80可以稍微傾斜使冷凝的水滴至熱交換壁56。

由于產(chǎn)物水和預處理的輸入的水66在熱交換器壁面的兩側(cè)，從冷凝器56轉(zhuǎn)換到蒸發(fā)室52側(cè)的潛熱大大增加了，提高了整個水凈化設備的效率。

為了更大地增強熱交換的效率，熱交換壁基材的整體導熱率必須要越高越好，熱交換的面積要越高越好，而交換壁的壁厚要越薄越好。熱交換器56可以由多種熱傳導的材料來組成，如聚丙烯、防腐蝕的金屬合金、聚碳酸酯或其他材料等。

雖然不銹鋼，銅鎳合金或鈦合金都比塑料基材的如聚丙烯或者聚碳酸酯熱交換的整體導熱率高出很多倍，但它們都具有過高的潤濕性而無法達到滴式冷凝的效果，即使通過化學或者鍍金后可以達到較好的表面勢能來減小潤濕性。塑料基材如聚碳酸酯或者聚丙烯相較于金屬類材料更加經(jīng)濟，由于其抗腐蝕性可以將其加工成很薄。并且由于HDH過程是在或接近大氣壓的條件下進行，塑料所具有的強度雖然比金屬基材差但是已經(jīng)足以滿足要求。更薄的壁厚能夠補償聚合物較低的熱傳導性。

除此以外，聚合物基材可以通過加入高導電性填料如碳黑，碳纖維和納米管來增大其整體導熱率。含碳添加劑如碳黑，可以最高提高多聚物的熱傳導性達4倍。擁有微細結(jié)構(gòu)的含碳材料如碳纖維、納米管、石墨等可以具有與純銀相當?shù)臒醾鲗裕蛟诩{米管的情況下，甚至可以具有超過純銀或者純銅20倍的熱傳導性，整體導熱率的預計的增加可能是高一個數(shù)量級。碳纖維和納米管添加劑也可極大地增加聚合物基材的強度和剛度，使用更加薄的壁厚。

圖3展示了另一種擁有額外蒸汽產(chǎn)生器的本發(fā)明的水凈化系統(tǒng)的實施方案的圖。該現(xiàn)有水凈化設備50具有一個附加的蒸汽產(chǎn)生器82能使蒸汽直接注入到冷凝室54里。水凈化器50在初始階段，額外的蒸汽產(chǎn)生器82能夠提升冷凝和蒸發(fā)的進程。這個附加的蒸汽產(chǎn)生器82能夠通過機械能、太陽能、熱能、電能或其他能量驅(qū)動。通過機械能、太陽能或者熱能，水凈化設備能夠達到環(huán)保及有效利用自然資源。

圖4示出了具有用于蒸發(fā)室和冷凝室的多個通道的用于水凈化的本發(fā)明的圖。本發(fā)明的水凈化100可以通過使蒸發(fā)室104的多個通道102與冷凝室108的多個通道106交錯來修改。蒸發(fā)室104的通道102和冷凝室108的通道106交錯，使得在蒸發(fā)室104的任何一個通道在冷凝室108的任意兩個通道之間，且同樣地，冷凝室108的任何一個通道在蒸發(fā)室104的任意兩個通道之間，除了最外層的通道。此外，蒸發(fā)室104的每個通道和冷凝室108的每個通道的界面之間存在熱交換壁，例如，熱交換壁110。蒸發(fā)室104的通道102和冷凝室108的通道106可以基本上沿水平方向?qū)R，使得冷凝水由于重力會趨向于集中到熱交換壁上。

蒸發(fā)室104的通道102在其端部連接在一起。同樣地，冷凝室108的通道106在它們的端部連接在一起。水凈化裝置100的壓縮機112可以具有來自蒸發(fā)室104以接收飽和的氣體的入口114和到冷凝室108以輸出過飽和氣體到冷凝室108的出口116。去霧器118可以連接在蒸發(fā)室104和壓縮機112之間以為飽和氣體除霧。此外，空氣過濾設備(未示出)，例如，靜電沉淀器或其他電過濾系統(tǒng)，可用于進一步過濾不需要的顆粒的飽和氣體。水凈化裝置100可以經(jīng)由P-阱124，或通過其它方法或裝置，將氣體從冷凝室108再循環(huán)到蒸發(fā)室104。來自冷凝室108的產(chǎn)物水被引導到產(chǎn)物水儲存器126。產(chǎn)物水由于重力，或者使用另一種方法從冷凝室108的通道106下降到產(chǎn)物水儲存器126。氣體也從冷凝室108的通道106降到P-阱124，P-阱124進一步連接到蒸發(fā)室104。由于壓力在冷凝室108中比在蒸發(fā)室104中大，來自冷凝室108的氣體將流動通過p-阱124且離開進入至蒸發(fā)室104。由于這種較高的壓力，在蒸發(fā)室104中的輸入的水不會通過p-阱124倒流到冷凝室108。氣泡產(chǎn)生噴嘴(未示出)或其它氣泡產(chǎn)生機構(gòu)還可以被定位在P-阱124的端部以在氣體被引導至蒸發(fā)室104時產(chǎn)生氣泡。

鹽水室128可以將輸入的水提供至蒸發(fā)室104。鹽水室128可以具有多個水平(未示出)，以增加滲透壓所采取的路徑。并且，可以有來自鹽水室128的鹽水出口130，以從鹽水室128的底部泵送高度濃縮的鹽水。鹽水室128還可以有入口132，用于將輸入的水輸入鹽水室128和用輸入的水充滿蒸發(fā)室104。

為了增加產(chǎn)物水的量，本發(fā)明的水凈化裝置可以具有包括多個面板的冷凝室，其中每個面板具有多個通道。面板可以在其端部相互連接并彼此間隔開預定距離。面板被進一步布置在空腔中，其中該空腔填充有輸入的水以用作蒸發(fā)室。因此，輸入的水充滿面板周圍，并且在面板的屏障用作面板的通道內(nèi)的冷凝水和面板外部的輸入的水之間的熱交換壁。這種布置的進一步說明在隨后的描述中提供。

例如，圖5示出了具有用于冷凝室的多個面板的本發(fā)明的水凈化裝置的圖。水凈化裝置150可以有矩形形狀的形狀因數(shù)，其中近側(cè)歧管152被定位在水凈化裝置150的上側(cè)且遠端歧管154被定位在水凈化裝置150的下側(cè)。此外，冷凝室的面板156可以是矩形的，并且垂直地、水平地或以任何其它角度安裝在水凈化裝置150中。每一個面板156可以具有多個通道(未示出)。并且，冷凝室的面板156也可以是矩形形狀，以匹配水凈化裝置150的總形狀因數(shù)。水凈化裝置150的蒸發(fā)室可以包括面板156外部，但在水凈化裝置150內(nèi)的區(qū)域(例如，區(qū)域164)、上部部分158和下部部分160。這些區(qū)域、上部部分158和下部部分160被連接，使得輸入的水和輸入的水內(nèi)的任何氣體能自由地在水凈化裝置150的這三個部分之間流動。

面板156的通道從蒸發(fā)室被密封以防止任何輸入的水從蒸發(fā)室泄漏到面板156的通道。然而，來自面板156的通道的干燥空氣經(jīng)由遠端歧管154被再循環(huán)到蒸發(fā)室。壓縮機162可以在上部部分158接收來自蒸發(fā)室的高度飽和的氣體并輸出過飽和氣體至連接到面板156的通道的近端歧管152。因此，過飽和氣體從面板156的通道的頂部被引導到面板156的通道的底部。面板156的通道中的冷凝水匯集在遠端歧管154，并進一步引導到產(chǎn)物水儲存器(未示出)或用于使用。

應當理解，水凈化裝置150的上述形狀因數(shù)僅僅是可用于實施本發(fā)明的許多形狀因數(shù)之一。很明顯，本領域的普通技術人員可以利用本發(fā)明來實現(xiàn)各種其它形狀因數(shù)。因此，本發(fā)明的這些其他形狀因數(shù)也包括在本發(fā)明中。

圖6示出了本發(fā)明的水凈化裝置的遠端歧管的圖。遠端歧管154包括p-阱172、狹縫174、排水孔176、安裝銷178和產(chǎn)物水導向裝置180。p-阱172將氣體從冷凝室的面板156通過狹縫174再循環(huán)至蒸發(fā)室。狹縫可具有氣泡發(fā)生裝置(未示出)，用于促進氣泡產(chǎn)生至蒸發(fā)室。排水孔176連接面板156至產(chǎn)物水導向裝置180，以允許在面板156中冷凝的產(chǎn)物水被收集，且然后通過產(chǎn)物水導向裝置180引導到產(chǎn)物水儲存器。安裝銷178允許面板156被安裝和固定在水凈化裝置內(nèi)。

圖7示出了本發(fā)明的水凈化裝置的近端歧管的圖。本發(fā)明的近端歧管152包括蒸發(fā)器入口182、飽和氣體出口184、和安裝銷186。蒸發(fā)器入口182收集來自蒸發(fā)室的高度飽和的氣體，且然后將這些氣體引導至本發(fā)明的水凈化裝置的壓縮機的入口。壓縮器壓縮那些高度飽和的氣體，并經(jīng)由飽和氣體出口184將過飽和氣體輸出至面板156。安裝銷186用來安裝和固定面板150。圖8示出了本發(fā)明的水凈化裝置的透視圖。如上所述，水凈化裝置200可以有矩形的形狀因數(shù)。水凈化裝置的透視圖說明了這樣的形狀因數(shù)。

圖9示出了具有通過面板的偶數(shù)通道的多個穿孔的本發(fā)明的單一面板的俯視圖。每個面板可具有多個通道，例如通道1-18。通道可具有一個或多個橫截面形狀，包括矩形、橢圓形或其它形狀。在該實例中，通道的形狀為矩形，使得通道的俯視圖是矩形的。通道1、3、5、7、9、11、13、15、和17對外部液體和/或氣體是基本上不滲透的，而通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18具有穿孔，穿孔將那些通道的內(nèi)部連接至存在于該面板的外部的外部液體和/或氣體。因此，穿孔通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18充滿有存在于面板的外部的液體和/或氣體。穿孔通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18的端部被密封，以防止任何外部的液體和/或氣體進入到冷凝室和任何非穿孔通道。在本質(zhì)上，非穿孔通道充當冷凝室且多孔通道增大蒸發(fā)室。

典型地，面板的通道對從面板的外部泄漏到通道的氣體和/或液體是基本上不可滲透的。然而，為了提高熱力學過程，沿著面板的每隔一個通道可以具有切入通道的穿孔，穿孔允許穿孔通道充滿有包圍面板的任何外部液體和/或氣體。例如，如果液體包圍面板，則液體可從所有側(cè)面包圍非穿孔通道，因為面板的相鄰通道是穿孔的。

非穿孔通道具有從非穿孔通道的一側(cè)流至非穿孔通道的另一側(cè)的高度飽和的氣體，如上詳述的。面板的外部與在蒸發(fā)室中的液體接觸。因此，面板的構(gòu)成非穿孔通道的壁充當冷凝室和蒸發(fā)室之間的熱交換壁。被再循環(huán)到蒸發(fā)室的氣體還可以通過被充滿的區(qū)行進，從而通過穿孔和面板的網(wǎng)絡碰撞并盤旋。由于氣體的路徑被增加，再循環(huán)的氣體可在被水凈化的壓縮機的入口收集之前被進一步飽和。

圖10示出了具有穿過面板的奇數(shù)通道的多個穿孔的本發(fā)明的另一個面板的俯視圖。通道1、3、5、7、9、11、13、15、和17具有穿孔。穿孔允許那些穿孔通道1、3、5、7、9、11、13、15、和17充滿有存在于面板的外部的液體和/或氣體。通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18被從面板的外部密封，以防止從面板的外部泄漏到非穿孔通道2、4、6、8、10、12、14、16、和18。通道1、3、5、7、9、11、13、15和17的端部被密封，以防止任何外部的液體和/或氣體進入冷凝室和面板的任何非穿孔通道。

冷凝室可以具有面板的陣列(如圖5中所顯示)，其中每個面板具有多個通道。如先前所討論的，每個面板的某些通道可以有穿孔，例如，在沿面板每隔一個通道，使得面板的外部的任何液體和/或氣體被基本上防止泄漏到非穿孔通道。來自一個面板和一個相鄰面板的穿孔通道可偏移，使得沒有可以通過第一面板的一個穿孔通道穿到第二相鄰面板的其它穿孔通道的直接的垂直線。目的是增加任何氣體可通過不得不穿過冷凝室的穿孔通道而從蒸發(fā)室的一端行進到蒸發(fā)室的另一端的路徑。

因此，多個面板可以被布置成陣列，以形成冷凝室的各部分，其中第一面板在該面板的偶數(shù)通道上具有穿孔通道，第二面板在該面板的奇數(shù)通道上具有穿孔通道，第三面板在該面板的偶數(shù)通道上具有穿孔通道，等等，等等，使得穿孔從任意兩個相鄰的面板偏移，以增加任何氣體可能需要從蒸發(fā)室的一側(cè)行進到蒸發(fā)室的另一側(cè)的路徑。

穿孔還可以具有不同長度。此外，第一面板的穿孔還可以從第三面板的穿孔偏移，以進一步增加任何再循環(huán)的氣體必須通過蒸發(fā)室中的輸入的水行進的長度。

圖11示出了具有通過一些通道和間隔物的多個穿孔的本發(fā)明的面板的放大的透視圖。本發(fā)明的面板260可包括每隔一個通道被穿孔的通道，并具有隔離物262以將任何兩個相鄰的面板彼此分離。

圖12示出了本發(fā)明的幾個面板的放大的透視圖。多個面板280-286布置為靠近彼此，以形成冷凝室的一部分。每個面板280-286具有穿孔通道。此外，為了結(jié)構(gòu)完整性，間隔物290-296被布置在面板280-286之間。

圖13示出了管的分組，以形成本發(fā)明的冷凝室。在本發(fā)明的實施方案中，多個管例如管300-312，可以組合在一起，以形成本發(fā)明的冷凝室的通道。管的壁可作為在管內(nèi)的冷凝液體-飽和氣體和蒸發(fā)室的在管的外部的輸入液體之間的熱交換壁。間隔物例如間隔物320-326，可以定位在管周圍，使得在相鄰的管組合在一起時，任何兩個相鄰的管之間存在間隙。當管被浸沒在蒸發(fā)室內(nèi)時，在蒸發(fā)室中的氣體和輸入的水淹沒管的外部，即在任意兩個相鄰的管之間的空間，并且因此圍繞每個管。

優(yōu)選地，在蒸發(fā)室中的輸入液體的體積等于冷凝室的管的內(nèi)體積。由于在蒸發(fā)室中的管的致密堆積，管的熱交換壁的總表面積大大增加。例如，在一英尺乘以一英尺乘以兩英尺的體積內(nèi)組合在一起的一組管可具有約700平方英尺或更大的熱交換壁的總表面積。因此，一般來說，本發(fā)明的填充密度可以媲美一些反滲透過濾系統(tǒng)。

管可以以多種配置被分組在一起，以最大化熱交換壁的總表面積和/或最大化蒸發(fā)室和冷凝室的其他考慮事項。例如，優(yōu)選地，管以六邊形圖案被包裝，其中每個管的徑向中心與相鄰管的徑向中心等距。對于管組的邊界內(nèi)的管，即內(nèi)管，內(nèi)管將有六個相鄰的管。例如，管330是內(nèi)管和具有六個圍繞管330的相鄰的管。

由于管被浸沒在蒸發(fā)室中，管的端部被密封，使得來自蒸發(fā)室的輸入液體不會泄漏到冷凝室的管。用于從蒸發(fā)室密封管的端部的多種方法可被實現(xiàn)。例如，墊圈組件可用于在管的端部，以從蒸發(fā)室密封管的內(nèi)部。該墊圈組件可以路由飽和氣體進入管的內(nèi)部，同時提供緊密的密封，以防止在蒸發(fā)室中的輸入液體泄漏到管中。該墊圈組件將在下面的描述中變得更加明顯。

圖14示出了用于本發(fā)明的冷凝室的矩形管筒。在本發(fā)明的各種實施方案中，本發(fā)明的冷凝室的管可以被一起分組在矩形管筒358。矩形管筒358的管的端部通過端帽360和362來密封。矩形管筒358的端帽360和362可被插入到本發(fā)明的水凈化裝置的同伴組件(未示出)，以形成墊圈組件。一旦端帽360和362裝配到同伴組件，管的外部和管的內(nèi)部彼此密封。因此，在蒸發(fā)室中在管的外部的輸入液體不能泄漏到管的內(nèi)部。另外，矩形管筒358和墊圈組件在需要時從相應的水凈化裝置可拆卸，例如如果管需要清潔或更換。此外，管筒還可以成形為各種形狀，例如，橢圓形、圓形、梯形等，以適合本發(fā)明的水凈化裝置。

圖15示出了具有間隔物的本發(fā)明的冷凝室的管。本發(fā)明的冷凝室的管可具有在管的外部周圍的間隔物。當管被分組在一起時，間隔物用來以物理方式使任意兩個相鄰的管彼此分離。另外，間隔物用于捕獲蒸發(fā)室內(nèi)在管附近行進的氣泡。一旦被捕獲，氣泡沿間隔物被驅(qū)動，從而減慢氣泡到達蒸發(fā)室的端部。

管的間隔物可以具有從管的一端延伸到管的另一端的一個或更多個翼片。例如，管370可具有間隔物372。間隔物372是在管370的外部周圍，以螺旋從一端延伸到另一端的單一翼片。間隔物370還可以在翼片的端部具有唇緣或邊緣以捕獲在管370附近行進的氣泡。

在可選擇的實施方案中，管370的間隔物可以有多個翼片(未示出)，多個翼片在管370的外部周圍以螺旋延伸。此外，代替翼片，管370的間隔物可以是沿管370的長度在不同位置從管370突出的環(huán)(例如，如在圖13中示出的)。

圖16a示出了本發(fā)明的冷凝室的管的端部的放大視圖。管370的間隔物372可以在管370的遠側(cè)具有邊緣374，以捕獲氣泡。邊緣374可以相對于間隔物372的其余部分成不同角度設置。邊緣374還可以沿著管370的長度與間隔物372一起延伸。另外，邊緣374可以沿管370在某些位置成錐形，以允許夾帶的氣泡逸出間隔物372。

圖16b-16c示出了本發(fā)明的管的間隔物的各種橫截面形狀。本發(fā)明的間隔物的邊緣可以具有不同的形狀。例如，間隔物380可以具有延伸到間隔物380的兩側(cè)(或任一側(cè))的彎曲的邊緣382。另外，間隔物384可具有延伸到間隔物384的兩側(cè)(或任一側(cè))的平坦的邊緣386?；诒竟_內(nèi)容，對本領域的普通技術人員來說明顯的是，其他邊緣形狀還可以結(jié)合本發(fā)明使用。因此，應該理解的是，本發(fā)明還教導了那些不同的邊緣形狀。

圖17示出了具有矩形管筒的用于水凈化的本發(fā)明的另一實施方案的圖。本發(fā)明的水凈化設備400包括蒸發(fā)室402、具有矩形管筒406的冷凝室404、壓縮機408、鹽水泵410和產(chǎn)物水儲器412。蒸發(fā)室402充滿有輸入液體，使得矩形管筒406浸沒在輸入液體中。矩形管筒406具有第一端蓋414和第二端蓋416。端蓋414和416裝入水凈化裝置400的墊圈組件，以形成密封，以防止輸入液體泄漏到矩形管筒406的管的內(nèi)部。

罩418把飽和氣體從蒸發(fā)室402路由到壓縮機408。壓縮機 408然后可以加壓飽和氣體并輸出過飽和氣體到矩形管筒406的管。過飽和氣體通過端帽414行進到管的另一側(cè)，即，具有端帽416的一側(cè)。壓縮機408可以位于水凈化裝置400的熱邊界內(nèi)以將其機械能傳遞到水凈化裝置400。例如，壓縮機408可浸入蒸發(fā)室402(未示出)，使得來自壓縮機408的機械能被傳遞以加熱輸入的水。另外，壓縮機408的振動也有助于振動水凈化裝置400，以從冷凝室404的間隔物和管除去各種鹽水和其他雜質(zhì)。

當過飽和氣體在管內(nèi)冷凝，產(chǎn)物水可排出到產(chǎn)物水儲器412中。冷凝室404的管可稍微傾斜一定角度，使得重力可以將產(chǎn)物水拉動進入以下產(chǎn)物水儲器412。來自管的干燥空氣可以被路由到蒸發(fā)室402的底部或冷凝室404的底部。當鹽水濃度達到預定水平時，鹽水泵410可以被激活以開始從蒸發(fā)室402的底部泵送鹽水。

對本領域的普通技術人員來說明顯的是，本發(fā)明中公開的其它特征可結(jié)合水凈化裝置400使用。因此，應理解，那些特征也可以適用于本發(fā)明的該實施方案。

圖18示出了本發(fā)明的去霧器的透視圖。本發(fā)明的去霧器420可以具有耦合到彼此，例如堆疊到彼此、粘在一起、模制在一起、或用其它制造技術來形成兩層的空氣動力學翼片的兩層422-424。第一層422可以包括由疏水性材料制成，以防止液體潤濕翼片的表面的多個空氣動力學翼片。第一層422的翼片可以并行地基本對齊。第二層424可以包括由親水性材料制成以促進在這些翼片的表面處潤濕的多個空氣動力學翼片。第二層424的翼片也可以并行地基本對齊。第一層422的翼片和第二層424的翼片可以定位為基本上彼此垂直。翼片的其它層，可以根據(jù)需要添加或設計。

當氣體和液體從蒸發(fā)室沸騰，放出的液體將趨于與第一層422接觸，但因為第一層是疏水性的，液體將分裂成較小的珠。如果較小的珠繼續(xù)向上，親水性的第二層424會促進那些珠在第二層424上潤濕，而不是允許珠向前逸出，如壓縮機。一旦輸入的水的珠聚集在第二層424上，重力將起作用以將輸入的水的珠拉回至蒸發(fā)室。

圖19示出了本發(fā)明的去霧器的另外的透視圖。優(yōu)選地，層的任何兩個相鄰的翼片的中心之間的間隔距離可以是每個翼片的寬度的五分之一。例如，在相同的層的兩個相鄰的翼片的中心之間的間距440是那層的翼片的寬度442的長度的五分之一?；诒竟_內(nèi)容，其他間距布置對本領域的普通技術人員是明顯的。

圖20示出了本發(fā)明的去霧器的空氣動力學翼片。去霧器的空氣動力學翼片460可以具有空氣動力學設計，以允許氣體通過該翼片。

如從上面的公開內(nèi)容明顯的，本發(fā)明的目的是提出簡單的、模塊化的和可負擔得起的水凈化方法、裝置和系統(tǒng)，其能夠適合于當?shù)貤l件，使用較少的功，且甚至可能使用天然可得的能源，如太陽能和風能。本發(fā)明可以是自我監(jiān)測的且是用最少的培訓可現(xiàn)場維護的，并且不需要使用消耗品來保持最佳的系統(tǒng)性能。

本發(fā)明還可以利用位于水凈化裝置內(nèi)的傳感器以監(jiān)測各階段的溫度和濕度，以優(yōu)化效率和產(chǎn)物水輸出。例如，冷凝室中的氣流可以被控制，以保持正確的差，以促進最大冷凝。

水凈化裝置的控制系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)測水凈化裝置，例如，用于控制輸入的水預熱、能量管理(包括太陽能和風能發(fā)電)、控制各個階段的溫度以保持安全溫度以防止霉形成，通過有線/無線的手持設備提供圖形用戶界面，并且能夠記錄所有的系統(tǒng)操作，自我維護：每單位時間監(jiān)測輸入的水、排出水和產(chǎn)物水的質(zhì)量幾次，當系統(tǒng)的效率正在下降時檢測-很可能由結(jié)垢和由此引發(fā)自沖洗/清洗周期引起，并連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的溫度，以確保該系統(tǒng)在安全溫度區(qū)操作，且不會變成起危險的細菌/霉菌的滋生地-通過控制電加熱器以定期自動消毒系統(tǒng)。此外，控制系統(tǒng)可以監(jiān)測TDS水平。

或許更重要的是，控制系統(tǒng)可以采用來通過最小熵產(chǎn)的原理來優(yōu)化操作用于最大的能量效率。在HDH設備，熵產(chǎn)主要是通過在源和接收器之間的溫度差熱傳遞的結(jié)果。雖然熵產(chǎn)過程是在系統(tǒng)內(nèi)部，但是它的數(shù)量級可通過實時監(jiān)測熱量輸入和輸出速率，以及每個外部端口的溫度和質(zhì)量流率來估計。一旦得到總熵產(chǎn)率，MIMO(多輸入/多輸出)自適應控制算法，可以被使用以通過使用熵產(chǎn)為控制優(yōu)化的目標函數(shù)以保持熵產(chǎn)接近最小水平，因為最能量有效的操作狀態(tài)也是具有最少熵產(chǎn)的操作狀態(tài)，反之亦然。可選擇地，目標可以被選擇為單位能量成本，而不是熵產(chǎn)，以考慮到不同能源的變化的成本。因此，有可能通過輔助蒸汽產(chǎn)生來采用機械壓縮和直接加熱的混合，以達到最低的總能量成本。

雖然已參照某些優(yōu)選實施方案或方法描述本發(fā)明，但將理解的是，本發(fā)明并不限定于這樣的具體實施方案或方法。更確切地說，本發(fā)明人的論點是，本發(fā)明應當以如由以下權利要求反映的其最廣泛的含義來理解和解釋。因此，這些權利要求被理解為不僅并入本文中所描述的優(yōu)選的裝置、方法以及系統(tǒng)，而且并入如對本領域普通技術人員明顯的所有那些其它和另外的改變和修改中。