組合的熱量和質(zhì)量交換裝置的熱力學(xué)平衡的制作方法
【專利說(shuō)明】組合的熱量和質(zhì)量交換裝置的熱力學(xué)平衡
[0001] 背景
[0002] 在本世紀(jì)，淡水的短缺將超過(guò)作為人類全球關(guān)注的能量的短缺，并且這兩個(gè)挑戰(zhàn) 有著密不可分的聯(lián)系，正如2010年5月20日一期的《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》（The Economist)中"關(guān) 于水的特別報(bào)道（Special Report on Water)"中所解釋的。淡水是人和其他生物體的最 基本的需求之一；每個(gè)人每天需要消耗最少約兩升。全世界還面臨來(lái)自農(nóng)業(yè)和工業(yè)過(guò)程的 更大的淡水需求。
[0003] 供水不足造成的危害是極其緊迫的。淡水的短缺可能導(dǎo)致多種危機(jī)，包括饑荒、疾 病、死亡、被迫大規(guī)模迀移、跨地區(qū)沖突/戰(zhàn)爭(zhēng)以及崩潰的生態(tài)系統(tǒng)。盡管有對(duì)淡水需求的 緊急程度和短缺的深遠(yuǎn)影響，淡水供應(yīng)仍受到格外限制。地球上97. 5 %的水是咸水，并且其 余部分中有約70%作為冰凍結(jié)（主要在冰蓋和冰川中），使得只剩下地球上所有水中的一 小部分呈可供使用的淡（非咸）水形式。
[0004] 此外，地球上作為淡水并可供使用的水是不均勻分布的。例如，人口眾多的國(guó)家， 如印度和中國(guó)，有很多受稀缺供應(yīng)源影響的地區(qū)。再進(jìn)一步，淡水供應(yīng)往往季節(jié)性地不一 致。同時(shí)，對(duì)淡水的需求在全球范圍內(nèi)逐漸緊張。水庫(kù)干涸；蓄水層下降；河流枯竭；并且 冰川和冰蓋收縮。不斷增長(zhǎng)的人口使需求增加，正如在農(nóng)業(yè)中的轉(zhuǎn)變和增長(zhǎng)的工業(yè)化所造 成的。氣候變化在許多地區(qū)造成甚至更大的威脅。因此，面臨水短缺的人數(shù)越來(lái)越多。然 而，天然存在的淡水典型地被局限于區(qū)域性流域；并且水運(yùn)輸是昂貴并且能量密集的。
[0005] 另一方面，用于從海水（或在更低程度上，從半咸水）生產(chǎn)淡水的許多現(xiàn)有方法需 要大量的能量。反滲透（RO)是目前領(lǐng)先的脫鹽技術(shù)。在大型工廠中，與理論最小值約IkWh/ m3相比，在30%回收率下所要求的比電量（specific electricity)可以低到4kWh/m3;規(guī) 模更小的RO系統(tǒng)（例如，船載的）效率更低。
[0006] 其他現(xiàn)有的海水脫鹽系統(tǒng)包括基于熱能的多級(jí)閃急（MSF)蒸餾和多效蒸餾 (MED)，兩者均是能量和資本密集型方法。然而，在MSF和MED系統(tǒng)中，最高鹽水溫度和熱 量輸入的最高溫度受到限制以便避免硫酸鈣沉淀，硫酸鈣沉淀會(huì)導(dǎo)致在傳熱設(shè)備上形成硬 垢。
[0007] 增濕-除濕（HDH)脫鹽系統(tǒng)包括一個(gè)增濕器和一個(gè)除濕器作為其主要部件并且 使用一種載氣（例如空氣）在熱源與鹽水之間傳送能量。這種技術(shù)的一種簡(jiǎn)單型式包括 一個(gè)增濕器、一個(gè)除濕器及一個(gè)用于加熱海水流的加熱器。在增濕器中，熱海水與干燥 空氣直接接觸，并且該空氣被加熱并增濕。在除濕器中，使加熱并增濕的空氣與冷海水 (間接）接觸并且得到除濕，從而產(chǎn)生純水和除濕的空氣。本發(fā)明人中有一些也被指定 為以下專利申請(qǐng)的發(fā)明人，這些專利申請(qǐng)包括對(duì)HDH和用于純化水的其他方法的另外的 討論：2009年9月4日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)12/554,726(公開(kāi)為US 2011/0056822A1 ; 代理人案號(hào)mit-13607) ;2009年10月5日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)12/573,221 (公開(kāi) 為US 20110079504A1 ;代理人案號(hào)mit-13622) ;2011年2月15日提交的美國(guó)申請(qǐng)序 列號(hào)13/028，170(代理人案號(hào)mit-14295);以及2011年9月23日提交的美國(guó)申請(qǐng)序 列號(hào)13/241，907(代理人案號(hào)111^-14889);2012年2月7日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào) 61/595, 732 (代理人案號(hào) mit-14899pro)。
[0008] 概述
[0009] 在此描述了用于熱力學(xué)平衡的方法和設(shè)備。這些方法和設(shè)備的不同實(shí)施例可以包 括以下描述的部分或全部的要素、特征以及步驟。
[0010] 一種組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的熱力學(xué)不可逆性通過(guò)以下方式來(lái)降低：操縱 沿著流體流動(dòng)路徑交換熱量和質(zhì)量的流體流的流與流質(zhì)量流率比。在上述裝置中交換熱量 和質(zhì)量的流可以是含有呈蒸汽狀態(tài)的一種可冷凝的組分的一種載氣混合物和包括呈液體 狀態(tài)的一種可蒸發(fā)的組分的一種液體組合物。熱量和質(zhì)量通過(guò)以下方式從該載氣混合物傳 遞或傳遞至該載氣混合物：與一種液體組合物直接或間接相互作用以經(jīng)由該可蒸發(fā)的組分 從該液體組合物中蒸發(fā)或經(jīng)由該可蒸發(fā)的組分從該載氣混合物中冷凝來(lái)實(shí)質(zhì)性地改變?cè)?載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量，從而產(chǎn)生一個(gè)載氣混合物流，該載氣混合物流具有 的可蒸發(fā)的組分的濃度不同于在該熱量和質(zhì)量傳遞過(guò)程之前該載氣混合物中的可蒸發(fā)的 組分的濃度。該載氣混合物的質(zhì)量流率通過(guò)從該組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的流體流動(dòng) 路徑中的至少一個(gè)中間位置抽提或注入該載氣混合物來(lái)改變，和/或該液體組合物的質(zhì)量 流率通過(guò)從該熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的流體流動(dòng)路徑中的至少一個(gè)中間位置抽提或注入 該液體組合物來(lái)改變；并且該載氣混合物或該液體組合物的流動(dòng)在該組合的熱量和質(zhì)量傳 遞裝置中進(jìn)行調(diào)節(jié)以降低該裝置中的最小局部焓夾點(diǎn)（Pinch)。
[0011] 在具體實(shí)施例中，在一種增濕-除濕（HDH)系統(tǒng)中通過(guò)操縱沿著該增濕器和該除 濕器的流體流動(dòng)路徑的流與流質(zhì)量流率比來(lái)降低熱力學(xué)不可逆性。在該增濕器中，熱量和 質(zhì)量通過(guò)以下方式傳遞至該載氣混合物：與包含呈液體狀態(tài)的該可蒸發(fā)的組分作為其組分 之一的一種液體組合物直接相互作用，以便經(jīng)由可蒸發(fā)的組分從該液體組合物中蒸發(fā)來(lái)實(shí) 質(zhì)性地增加該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量。該載氣混合物然后從該增濕器被引導(dǎo) 至一個(gè)除濕器，在該除濕器中熱量和質(zhì)量通過(guò)以下方式從該載氣混合物傳遞：與該液體組 合物間接相互作用，從而減少該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量并且預(yù)熱該液體組合 物。該載氣混合物的質(zhì)量流率通過(guò)從該增濕器中的流體流動(dòng)路徑中的至少一個(gè)中間位置抽 提該載氣混合物并且在該除濕器中的一個(gè)相應(yīng)位置處注入所抽提的載氣混合物來(lái)改變，和 /或該液體組合物的質(zhì)量流率通過(guò)從該增濕器中的流體流動(dòng)路徑中的至少一個(gè)中間位置抽 提該液體組合物并且在該除濕器中的一個(gè)相應(yīng)位置處注入該液體組合物來(lái)改變；并且對(duì)在 該增濕器和該除濕器中的流體流動(dòng)路徑的中間位置之間的載氣混合物或液體組合物的流 進(jìn)行調(diào)節(jié)以便降低該除濕器中的平均局部焓夾點(diǎn)。
[0012] 根據(jù)這些方法，在此定義了組合的熱量和質(zhì)量交換裝置的一個(gè)新穎的"焓夾點(diǎn)"。 焓夾點(diǎn)（Φ)組合了流與流的溫差和濕度比差并且與該裝置的有效性直接相關(guān)。焓夾點(diǎn)的 這一概念可以用于含有HME裝置的系統(tǒng)的熱力學(xué)分析中。在此還引入了具有零"殘余"不 可逆性的一種完全并且持續(xù)平衡的熱量和質(zhì)量交換（HME)裝置的溫度和濕度比特征曲線 的封閉型方程。發(fā)現(xiàn)與一種恒定的流與流溫差狀態(tài)相比，這種完全熱力學(xué)平衡狀態(tài)（在增 濕器中和除濕器中）更接近一種恒定的局部濕度比差狀態(tài)。
[0013] 通過(guò)在一個(gè)除濕器中連續(xù)注入質(zhì)量，該裝置中的熵產(chǎn)生可以被降低至不進(jìn)行注入 的一個(gè)裝置中的熵產(chǎn)生的1/4。通過(guò)單次注入，它可以被降低至3/5。在這些情況下，該液 體組合物抑或該載氣混合物可以被注入到該除濕器中。
[0014] 在此使用了這些觀察結(jié)果經(jīng)由在此提出的算法來(lái)設(shè)計(jì)用于具有連續(xù)抽提和注入 的系統(tǒng)和具有不連續(xù)抽提和注入的系統(tǒng)兩者的熱力學(xué)平衡的HDH系統(tǒng)。具有一個(gè)完全平衡 的增濕器的一種HDH系統(tǒng)的性能與具有一個(gè)完全平衡的除濕器的一種HDH系統(tǒng)的性能被發(fā) 現(xiàn)是類似的。
[0015] 當(dāng)這些HME裝置具有一個(gè)適當(dāng)?shù)牡挽蕣A點(diǎn)（Φ彡27kJ/kg干燥空氣）時(shí)，熱力 學(xué)平衡被發(fā)現(xiàn)是特別有效的。在該增濕器和該除濕器中在非常低的焓夾點(diǎn)值（Φ <7kJ/ kg干燥空氣）下，發(fā)現(xiàn)具有無(wú)限次數(shù)的抽提和注入的連續(xù)平衡提供的結(jié)果比使用單次抽 提和注入所獲得的結(jié)果好得多。在更高焓夾點(diǎn)值（7〈Φ < 15kJ/kg干燥空氣）下，單次抽 提和注入使總系統(tǒng)的熵產(chǎn)生減少與無(wú)限次抽提和注入類似的量。在甚至更高的焓夾點(diǎn)值 (15〈Φ <27kJ/kg干燥空氣）下，單次抽提/注入勝過(guò)無(wú)限次抽提/注入，并且在Φ>27?α/ kg干燥空氣下，熱力學(xué)平衡對(duì)該HDH系統(tǒng)的性能沒(méi)有顯著影響。
[0016] 這些方法和設(shè)備可以用于海水的脫鹽以及其他形式的水純化和抽提。另外地，這 些方法和設(shè)備可以用于改進(jìn)組合的熱量和質(zhì)量交換裝置（如氣體洗滌器、鼓泡塔反應(yīng)器以 及冷卻塔）的性能。
[0017] 這些方法和設(shè)備還可以提供以下益處：更高的能量效率，即使在使用低級(jí)能量 (而不是高溫蒸氣或電力）時(shí)；以及更低的能量成本并且因此更低的水生產(chǎn)成本。通過(guò)經(jīng) 由質(zhì)量抽提和注入來(lái)使該增濕器或該除濕器熱力學(xué)平衡，可以減少能量消耗，并且可以在 該系統(tǒng)的約束內(nèi)（例如，在大小或成本限制內(nèi)）使由驅(qū)動(dòng)溫差和濃度差的不平衡所引起的 熵產(chǎn)生減至最少。此外，這些方法可以在具有一個(gè)100%有效的增濕器和除濕器的一種HDH 系統(tǒng)中提供接近完全的熱力學(xué)可