多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置及方法与流程

本发明涉及节水技术领域，特别是指一种多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置及方法。

背景技术：

在沙漠等干燥且严重缺水的地区，从含有水蒸气的空气中取水是缓解用水压力的有效手段。由于干燥地区空气中含湿量较低，若直接采用机械制冷方式，用低于空气露点温度的冷源对空气中水蒸气进行冷凝，则由于蒸发温度过低，会带来较大的电力消耗。同时，该类地区太阳辐射强度高，因此，结合太阳能的利用，实现高蒸发温度下的空气中水蒸气高效冷凝取水方式，可有效降低能源消耗。

除湿转轮采用固体吸湿材料，可实现水蒸气从除湿空气向再生空气的转移。加湿后的再生空气含湿量升高，其对应的露点温度升高，从而实现高冷源温度下的空气中水蒸气冷凝取水。由于再生空气加湿前需对其进行加热，根据不同的被除湿空气进口状态及除湿水平，加热再生空气的热源温度在90℃～130℃范围内，只能采用电加热或高温蒸汽，从而不利于低温热源，如太阳能、热泵排热的利用。而多级转轮除湿/再生流程可有效降低再生温度，从而实现了太阳能加热装置的高效和长效运行，并可利用制冷系统冷凝器排热。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置及方法，可利用太阳能加热器或制冷系统冷凝热对再生空气加热，通过对加湿后的再生空气进行冷凝，可提高冷源温度，通过多级转轮流程，可降低再生温度，同时可实现对空气中颗粒物及污染物的过滤。该机组可同光伏发电结合，实现零能耗运行。

该装置包括除湿转轮、转轮式显热交换器、冷凝器、蒸发器、凝水收集及净化装置、风机、箱体和空气过滤器，箱体空气入口处设有空气过滤器，箱体空气出口处设有风机，再生空气入口处设转轮式显热交换器，再生空气出口处设冷凝器，冷凝器之前设蒸发器，凝水收集及净化装置在蒸发器下方，除湿转轮设置在箱体内。

该装置由两种加热方式，当采用太阳能热水加热再生空气时，该装置还包括空气-水换热器、太阳能热水器、热水管道、蓄热装置和水泵，空气-水换热器设置在除湿转轮之前，空气-水换热器通过热水管道与太阳能热水器相连，空气-水换热器和太阳能热水器之间设置蓄热装置，太阳能热水器出水处和蓄热装置出水处分别设置水泵。

当采用制冷系统冷凝器加热再生空气时，该装置还包括压缩机、膨胀阀和制冷剂管道，蒸发器和冷凝器通过制冷剂管道相连，蒸发器进口处设置膨胀阀，蒸发器出口处设置压缩机。

当采用太阳能热水加热再生空气时：

(1)当被除湿空气为一组时，该装置第一级转轮系统包括除湿转轮和空气-水换热器，第2级到第n级转轮系统的结构相同，包括除湿转轮、空气-水换热器、转轮式显热交换器、风机和空气过滤器，被除湿空气经空气过滤器过滤后，依次经过第1级～第n级转轮系统后排出，其中，在进入第2级～第n级转轮前，被除湿空气通过转轮式显热交换器，被外界空气降温；再生空气经空气过滤器过滤后，首先经过转轮式显热交换器同经最后一次加湿后的再生空气换热，接着被第n级转轮系统的空气-水换热器加热后进入除湿转轮被加湿，然后依次通过第n-1级～第1级转轮系统中的空气-水换热器和除湿转轮；加湿后的再生空气经转轮式显热交换器降温，最后进入蒸发器，被降温和除湿，凝水被凝水收集及净化装置收集，降温除湿后的再生空气进入冷凝器，排除冷凝热，经风机排出箱体。

(2)当被除湿空气为n组，且n＞1时，每一级转轮系统包括除湿转轮、空气-水换热器、风机和空气过滤器，每级被除湿空气经空气过滤器过滤后，经每一级转轮系统除湿后排出；再生空气经空气过滤器过滤后，首先经过转轮式显热交换器同经最后一次加湿后的再生空气换热，接着被第n级转轮系统的空气-水换热器加热后进入转轮系统被加湿，然后依次通过第n-1级～第1级转轮系统中的空气-水换热器和除湿转轮；加湿后的再生空气经转轮式显热交换器被再生空气降温，最后进入蒸发器，被降温和除湿，凝水被凝水收集及净化装置收集，降温除湿后的再生空气进入冷凝器，排除冷凝热，经风机排出箱体。

当采用制冷系统冷凝器加热再生空气时：

(1)当被除湿空气为一组时，第一级包括除湿转轮和冷凝器，第2级到第n级转轮系统的结构相同，包括除湿转轮和冷凝器、转轮式显热交换器、风机和空气过滤器，被除湿空气经空气过滤器过滤后，依次经过第1级～第n级转轮系统后排出，在进入第2级～第n级转轮前，被除湿空气通过转轮式显热交换器，被外界空气降温；再生空气经空气过滤器过滤后，首先经过转轮式显热交换器同经最后一次加湿后的再生空气换热，接着被第n级转轮系统的冷凝器加热后进入转轮系统被加湿，然后依次通过第n-1级～第1级转轮系统中的冷凝器和除湿转轮；加湿后的再生空气经转轮式显热交换器被再生空气降温，最后进入蒸发器，被降温和除湿，凝水被凝水收集及净化装置收集，降温除湿后的再生空气进入冷凝器，排除冷凝热，经风机排出箱体。

(2)当被除湿空气为n组，且n＞1时，每一级转轮系统包括除湿转轮、冷凝器、风机和空气过滤器，每级被除湿空气经空气过滤器过滤后，经每一级转轮系统除湿后排出；再生空气经空气过滤器过滤后，首先经过转轮式显热交换器同经最后一次加湿后的再生空气换热，接着被第n级转轮系统的冷凝器加热后进入转轮系统被加湿，然后依次通过第n-1级～第1级转轮系统中的冷凝器和除湿转轮；加湿后的再生空气经转轮式显热交换器被再生空气降温，最后进入蒸发器，被降温和除湿，凝水被凝水收集及净化装置收集，降温除湿后的再生空气进入冷凝器，排除冷凝热，经风机排出箱体。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该空气取水装置，再生热源可采用太阳能加热器或者制冷系统冷凝热，可实现空气冷凝过程冷源温度的提高并降低再生温度，同时可实现对空气中颗粒物及污染物的过滤。对加湿后的再生空气进行冷凝除湿实现了冷源温度的提高，可采用高蒸发温度制冷装置；采用多级转轮流程实现了再生温度的降低，因此再生热源可采用太阳能热水器或制冷装置的冷凝热。高蒸发温度及低冷凝温度的制冷装置压缩机能耗相对于低蒸发温度制冷装置可有效降低。同时，可采用热回收方式，降低再生空气加热量或高温冷源对空气的制冷量，也有利于压缩机功耗的降低。较低的能量需求，有利于光伏发电的应用，特别在电力稀缺的地区，实现零能耗运行。

附图说明

图1为本发明的多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置采用太阳能热水加热再生空气的n级转轮一股除湿空气取水装置结构示意图；

图2为本发明的多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置采用太阳能热水加热再生空气的n级转轮n股除湿空气取水装置结构示意图；

图3为本发明的多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置采用制冷系统冷凝器加热再生空气的n级转轮一股除湿空气取水装置结构示意图；

图4为本发明的多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置采用制冷系统冷凝器加热再生空气的n级转轮n股除湿空气取水装置结构示意图；

图5为本发明太阳能加热装置同再生空气加热器的连接示意图；

图6为本发明的高蒸发温度制冷系统蒸发器及冷凝器连接示意图，其中，(a)为图1和图2的制冷系统连接形式，(b)为图3和图4的制冷系统连接形式。

其中：1-除湿转轮；2-转轮式显热交换器；3-蒸发器；4-冷凝器；5-凝水收集及净化装置；6-空气-水换热器；7-风机；8-热水管道；9-箱体；10-空气过滤器；11-太阳能热水器；12-蓄热装置；13-水泵；14-压缩机；15-膨胀阀；16-制冷剂管道。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种多级转轮和制冷装置结合的空气取水装置及方法。

如图1-图4所示为多级固体转轮和高温制冷系统结合的空气取水装置。采用多级转轮加湿的空气处理流程，可有效降低再生温度，实现了太阳能加热器或者高温制冷系统的冷凝热的利用；对加湿后的再生空气进行凝水处理，可提高制冷系统蒸发温度，从而降低制冷系统能耗。该装置可采用一股转轮除湿空气或n股转轮除湿空气实现对再生空气的加湿。再生空气侧热回收器可降低制冷系统能耗。该系统对电力需求降低，特别在电力稀缺的地区，该系统可采用太阳能发电装置(图中未画出)驱动，实现零能耗运行。

参看图1～图6，本装置包括：除湿转轮1、转轮式显热交换器2、制冷系统中用于凝水的蒸发器3、制冷系统冷凝器4、凝水收集及净化装置5、加热再生空气的空气-水换热器6、风机7、热水管道8、箱体9、空气过滤器10、太阳能热水器11、蓄热装置12、水泵13、压缩机14、膨胀阀15、制冷剂管道16。

本发明装置中，箱体9空气入口处设有空气过滤器10，箱体9空气出口处设有风机7，再生空气入口处设转轮式显热交换器2，再生空气出口处设冷凝器4，冷凝器4之前设蒸发器3，凝水收集及净化装置5在蒸发器3下方，除湿转轮1设置在箱体9内。

如图1、图2和图5所示，空气-水换热器6设置在除湿转轮1之前，空气-水换热器6通过热水管道8与太阳能热水器11相连，空气-水换热器6和太阳能热水器11之间设置蓄热装置12，太阳能热水器11出水处和蓄热装置12出水处分别设置水泵13。

如图3、图4和图6(a)、图6(b)所示，蒸发器3和冷凝器4通过制冷剂管道16相连，蒸发器3出口处设置压缩机14，蒸发器3进口处设置膨胀阀15。

由上，该多级空气取水机主要有两种形式，即一股除湿空气(被转轮除湿，并非冷凝除湿)流程，由图1、图3所示，和多股除湿的空气(被转轮除湿，并非冷凝除湿)流程，由图2、图4所示，再生空气经多级加湿后，被冷凝除湿，冷凝水被收集净化后使用。加热再生空气的热量可采用太阳能加热器，由图1和图2所示，太阳能热水器同加热再生空气的换热器的连接形式如图5所示。或者采用冷凝器排热，由图3和图4所示。图3和图4未画出压缩机和膨胀阀以及制冷剂管道，制冷系统的连接形式如图6所示。

该装置工作过程如下：

图1和图3所示为一股除湿空气的n级转轮系统。第一级包括除湿转轮1和再生空气加热器(图1的空气-水换热器6和图3的冷凝器4)，第2级到第n级转轮系统的结构相同，包括除湿转轮1和再生空气加热器(图1的空气-水换热器6和图3的冷凝器4)、转轮式显热换热器2、风机7以及空气过滤器10。

机组原理如下：

1)被除湿空气在转轮中的除湿过程：被除湿空气(进口状态为oa-d-in)经空气过滤器10过滤后，依次经过第1级～第n级转轮系统后排出(出口状态为oa-d-out)，在进入第2级～第n级转轮前，被除湿空气通过转轮式显热换热器2，被外界温度相对较低的空气(该空气状态从oa-c-in变为oa-c-out)降温；

2)再生空气在转轮中的加湿过程：再生空气(进口状态为oa-r-in)经空气过滤器10过滤后，首先经过转轮式显热换热器2同经最后一次加湿后的再生空气换热(前提是oa-r-in温度低于最后一次加湿后的再生空气温度)，接着被第n级转轮系统的加热器加热后进入转轮被加湿，然后依次通过第n-1级～第1级转轮系统中的加热器和转轮；

3)再生空气凝水过程：加湿后的再生空气经转轮式显热换热器2被相对温度较低的再生空气降温，最后进入蒸发器，被降温和除湿，凝水被凝水收集及净化装置5收集，降温除湿后的再生空气经最后进入制冷系统冷凝器，排除冷凝热(出口状态为oa-r-out)。

通过上述过程，由于除湿空气在每一级除湿后，温度升高，需要设置一个空气-空气换热器，采用低于除湿空气温度的外界空气对其进行降温，而后送入下一级除湿转轮。再生空气在进入每一级转轮前，需对其进行加热，由于采用多级转轮加湿过程，再生空气温度水平降低，可实现对太阳能(图1)及制冷系统冷凝热(图3)的利用。经n级转轮加湿后的再生空气露点温度升高，因此对其冷凝除湿的冷源温度升高，可实现高蒸发温度制冷装置的利用。采用除湿降温后的再生空气排除全部(图1)或部分(图3)冷凝热，可降低冷凝温度，高蒸发温度和低冷凝温度可大大提高制冷系统性能，降低制冷系统能耗。同时设置于再生空气进口和冷凝除湿前的空气-空气热回收器可降低制冷系统冷量及能耗。

图2和图4所示为n股除湿空气的n级转轮系统。每1级转轮系统包括除湿转轮1、再生空气加热器(图2的空气-水换热器6和图4的冷凝器4)、风机7以及空气过滤器10。

机组原理如下：

1)被除湿空气在转轮中的除湿过程：每级被除湿空气(进口状态为oa-d-in)经空气过滤器10过滤后，经每一级转轮系统除湿后排出(出口状态为oa-d-out)；

2)再生空气在转轮中的加湿过程：再生空气(进口状态为oa-r-in)经空气过滤器10过滤后，首先经过转轮式显热换热器2同经最后一次加湿后的再生空气换热(前提是oa-r-in温度低于最后一次加湿后的再生空气温度)，接着被第n级转轮系统的加热器加热后进入转轮被加湿，然后依次通过第n-1级～第1级转轮系统中的加热器和转轮；

3)再生空气凝水过程：加湿后的再生空气经转轮式显热换热器2被相对温度较低的再生空气降温，最后进入蒸发器，被降温和除湿，凝水被凝水收集及净化装置5收集，降温除湿后的再生空气进入制冷系统冷凝器，排除多余冷凝热(出口状态为oa-r-out)。

通过上述过程，由于每一级的除湿空气独立，因此无需设置空气-空气换热器，除湿后的空气直接排出机组。再生空气在进入每一级转轮前，需对其进行加热，由于采用多级转轮加湿过程，因此再生空气温度水平降低，可实现对太阳能(图2)及制冷系统冷凝器排热(图4)的利用。经n级转轮加湿后的再生空气露点温度升高，因此对其冷凝除湿的冷源温度升高，可实现高蒸发温度制冷装置的利用。采用除湿降温后的再生空气排除全部(图2)或部分(图4)冷凝热，可降低冷凝温度，高蒸发温度和低冷凝温度可大大提高制冷系统性能，降低制冷系统能耗。设置于再生空气进口和冷凝除湿前的空气-空气热回收器可降低制冷系统冷量及能耗。

图5为太阳能热水系统，太阳能热水器11收集热量后，将热量蓄在蓄热装置12中，另一股热水经蓄热装置加热后在水泵13驱动下，通过热水管道8送入空气-水换热器6中加热再生空气。

图6为制冷系统连接示意图，蒸发器3用于空气凝水，对于图1和图2所示系统，全部冷凝热在冷凝器4中通过除湿后的再生空气排出，对于图3和图4，一部分冷凝热通过冷凝器4对加湿过程中的再生空气加热，剩余冷凝热在冷凝器4中通过除湿后的再生空气排出。

综上所述，该多级固体转轮和高温制冷系统结合的空气取水装置，采用多级转轮加湿的空气处理流程，可有效降低再生温度，实现了对太阳能加热器或者高温制冷系统的冷凝热的利用；对加湿后的再生空气进行凝水处理，可提高制冷系统蒸发温度，从而降低制冷系统能耗。再生空气侧热回收器可降低制冷系统能耗。同时可实现对空气中颗粒物及污染物的过滤。该发明对电力的需求降低，特别在电力稀缺的地区，该发明可同光伏发电结合，实现零能耗运行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。