水回收系统和方法
【专利说明】水回收系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)要求于2012年6月4日提交的、名称为“水回收系统和方法[WATER RECOVERY SYSTEM AND METHOD] ”的美国临时申请序列号61/655，316的权益和优先权，该申请出于所有目的通过引用以其全文结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及从环境空气中回收水的水回收系统和方法。更具体地讲，本发明涉及使用干燥剂溶液从空气中提取水并且然后将水与该干燥剂分离的设备/装置和方法。可以对回收的水进行处理以获得饮用水。该系统和方法的副产品是可以用于调节人造结构内的内部空气空间的、经除湿的空气流。
【背景技术】
[0004]在全世界许多地方饮用水常常是难以获得的。在干旱气候下简单地说存在水短缺，并且如果水是可获得的，在没有广泛水处理资源的情况下可能难以使该水变成饮用水。甚至在潮湿的气候下，由于缺乏处理设备，饮用水也可能是短缺的。不幸的事件，如某个国家内的战争或一般政治冲突，经常导致正常情况下具有提供饮用水的能力的基础设施减少。
[0005]存在许多已知的解决方案用于通过从环境空气中去除水蒸气而获得饮用水。一种已知的方法包括使空气流经过一个冷却表面以使水蒸气冷凝。这种技术在例如采暖、通风和空气调节机组(HVAC)中是众所周知的。然而，在这种类型的系统中，冷凝水通常被视为废物并且被丢弃。
[0006]对于从空气中提取水而言，利用固体和液体干燥剂也是已知的。在闭环过程中，使环境空气穿过包含了浸泡有干燥剂的介质的腔室。当空气与该介质相接触地前行时，空气流中的水分通过吸收到该干燥剂上而被去除。然后对该干燥剂介质施加热量以使捕获的水分汽化。水蒸气从该腔室被输送走并且然后进行冷凝和收集。因此，该干燥剂被重新浓缩并且可以在下一次水回收工作中被再使用。
[0007]水回收系统包括使用固体和液体干燥剂二者。在液体干燥剂系统中，一个目标是提高这些干燥剂对空气流的暴露表面积，以使水蒸气去除率最大化。实现此目标的一种方法是将该液体干燥剂以雾的形式喷射到该介质上。然而，喷雾装置增添了该系统的复杂性和成本。使用固体形式的干燥剂的系统可以提供更紧凑的构造。然而，固体干燥剂具有相对小的暴露表面积，由此限制了从经过的空气流中去除水蒸气的能力。
[0008]披露了使用液体干燥剂从空气流中回收水的参考文件的一个实例是美国专利申请公开号2011/0232485。该参考文件提供了由多孔聚乙烯醇(PVA)泡沫或浸泡在吸湿性干燥剂(如氯化钙(CaCl))的溶液中的非织造纤维片板形成的复合干燥剂材料。该干燥剂被保持在该纤维材料的、尺寸范围为从50微米至1000微米的孔隙中。在多腔室系统中该纤维材料是按以堆叠方式安排的多个片板提供的。在吸收阶段，大气空气或周围空气流动穿过该腔室。水蒸气通过与干燥剂接触而被去除并且被保持在该纤维材料中。在水回收阶段，以热量的形式对该腔室添加能量以便通过蒸发将该干燥剂中的水释放。多个风扇使空气循环穿过该腔室并最终进入冷凝区域内的水回收腔室中。水在该冷凝区域中被回收，并且离开该腔室的干燥的或贫水的空气流可以被用于调节人造结构。如在该参考文件中还列出，当湿度条件和干燥剂堆叠体的剩余容量有利于有效的充气操作以从环境空气中去除水时，可以使用控制系统来运行该水回收系统内的多个风扇。当低等级热能的可获得性和该干燥剂的饱和度有利于从该干燥剂中去除水时，即，当对于有效的冷凝操作而言该腔室中的湿气程度相对于可获得的冷源的温度是足够高时，该控制系统还可以启动再生循环。美国专利申请公开号2011/0232485出于所有目的通过引用以其全文结合于此。
[0009]披露了从环境空气中回收水的方法和装置的专利参考文件的另一个实例是美国专利号6，156，102。确切地讲，该参考文件披露了通过使用液体干燥剂从空气中引出水、处理该液体干燥剂以产生水、并且使该干燥剂再生以供随后使用来从空气中分离水。在一个优选的实施例中，所披露的方法包括:提供包含初始浓度的溶质的吸湿性溶液；使该吸湿性溶液与含水的环境空气相接触以获得种具有的溶质溶度小于该初始浓度的富含水的吸湿性溶液以及贫水空气流；将该富含水的吸湿性溶液与该贫水空气流分离；将该贫水空气流释放到大气中；并且对该富含水的吸湿性溶液进行处理以获得水并且将该吸湿性溶液返回到其原始状态以供再使用。美国专利号6，156，102出于所有目的通过引用以其全文结合于此。
[0010]如在美国专利号6，156，102中描述的，液体干燥剂的有效性可以在其“干燥效率”和“干燥能力”两个方面来表示。干燥效率是暴露给吸湿性溶液的总水量与去除的水量相比的比率。干燥能力是单位质量的干燥剂可以从空气中提取的水的量。吸湿性溶液的干燥效率和干燥能力部分地取决于空气中的水蒸气的压力以及溶质的浓度。一般而言，具有高溶质浓度并且因此溶质中具有低的水蒸气分压的吸湿性溶液更迅速地从具有较高水蒸气分压的空气中吸收水。相应地，该吸湿性溶液具有相对较高的初始干燥效率。当在水回收过程中继续吸收水时，该溶液中的水蒸气分压增大并且水吸收速率减慢。最终，该吸湿性溶液和空气可以达到平衡，并且该吸湿性溶液将不再吸收更多的水。在针对该吸湿性溶液的干燥剂再生过程中，必须将该吸湿性溶液中收集的水去除。美国专利号6，156，102出于所有目的通过引用以其全文结合于此。
[0011]虽然现有技术可能足够用于其既定目的，但仍然需要利用模块化构造以提供对于从环境空气流中有效回收水的参数加以控制的整体能力的一种水回收系统和方法。还需要提供针对特定应用或情形可容易进行适配以使水回收最大化的构造。还需要提供以下水回收系统和方法，其中可以使用预先确立的逻辑基于已知的环境因素并且考虑有待生产的必需水量来控制水回收装置。仍进一步需要提供要求最小量的能量进行运行并且对于有利于接受多种形式的废热进行运行的装置和方法。还需要提供可靠的、操作简单的、并且对于日常运行而言要求最少干预的水回收装置和方法。还需要提供容易运输、部署和投入运行的水回收装置和方法。还需要提供以下水回收装置，其中自动地实现对液体干燥剂溶液的浓度的监测以便一旦该液体干燥剂溶液达到其水饱和极限时就及时且有效地回收水。在干燥剂溶液的再生阶段，优选的是该干燥剂的浓度不会变得太高，否则会导致该液体干燥剂的结晶或固化，从而导致该装置的效率降低，直到可以用水使该干燥剂化学品回到其最佳浓度。
【发明内容】
[0012]本发明包括用于从环境空气流回收水的系统和方法。另外，本发明通过水的去除实现了对该空气流的除湿。该装置的特征为一组或一叠托盘，其中每个托盘中盛有一定量的液体干燥剂。泡沫介质吸收或芯吸该干燥剂以增大该干燥剂与穿过封闭腔室的空气流之间的暴露表面积，该腔室容纳这些干燥剂托盘。可以使用多个风扇和气闸或阀门来控制穿过该腔室的空气流。
[0013]该装置的运行包括两个循环。第一循环是充气循环，在该循环中使环境空气流穿过该腔室、跨过该干燥剂堆叠体、并且返回到环境中。该干燥剂使得该空气流中的水蒸气被摄取并保持在装有该干燥剂的泡沫介质材料中。在优选实施例中，该干燥剂是浸渍到该泡沫介质中的CaCl与水的液体溶液。该泡沫介质可以包括PVA薄片板，该片板是以手风琴式折叠方式安排的以增大该片板暴露给空气流的表面积。一旦该干燥剂介质已经从该空气流中吸收了足够量的水，则启动提取循环以从该干燥剂溶液中回收水。在这个循环中，将该腔室与环境空气隔离，并且对该该腔室添加能量以便使该干燥剂溶液中的水汽化。除了热能之外，还可以降低该腔室的内部压力，以使水汽化所要求的蒸发温度降低。例如，可以使用风扇来去除该腔室内的一定量的空气，并且然后可以密封该腔室以维持这种较低压力状态。一个或多个风扇使空气在该腔室内循环跨过该干燥剂介质以增大蒸发速率。当该腔室的内部温度超过了相对于外部环境条件而言的露点温度时，激活冷凝回路以使腔室内部空气中的水蒸气冷凝。该提取循环还可以被称作再生循环，在该循环中从该干燥剂溶液中去除水使得该干燥剂再生，从而将该干燥剂置于供再使用的条件下，在该条件下该干燥剂的浓度返回至最佳百分比。
[0014]热能可以通过基于水或乙二醇的热交换器被添加加到该腔室。存在可以使用的若干种可能的热能来源，尤其包括太阳能收集器、光伏电池、来自附近工业源的废热、电加热器以及燃气加热器。
[0015]冷凝水被捕获并且可以被进一步处理以制作饮用水。例如，回收的水可以被过滤、暴露于紫外线光源中、进行矿化、氯化、或者可以按其他方式进行处理以使得此水是饮用安全的。
[0016]使用控制器来整合和管理所有的系统功能和输入变量以实现针对水输出的高的运行能量使用效率。该控制器使用传感器输入来估算该系统中的水量、所使用的功率、所储存的功率、以及相关的外部和内部环境条件，如温度、压力、湿度、阳光/黑暗。在该提取循环的过程中，该控制器被用于控制添加到该腔室的热能并且还控制冷凝速率，因此维持从前一个充气循环中回收水的连续操作。该控制器可以利用传感器输入和结合了多种算法的软件以使运行效率最大化。例如，这些算法可以综合这些输入以便按照使来自热量输送系统和来自风扇以及其他内部元件的能量使用最小化的方式来控制被添加到该腔室的热能。在该充气循环期间，可以使用类似的输入和算法来控制风扇和其他内部部件的功率消耗并且确保最大化的水摄取。
[0017]对于这两个系统循环而言，这些算法可以针对已知的地理区域和已知的包含关于平均温度、湿度、以及阳光/黑暗条件的历史数据的日期来限定最佳的运行条件。从这些算法中可以建立基线运行序列、并且接着用当时的实际环境条件对其进行修改。该控制器接收在运行过程中衡量该装置的温度、湿度以及压力的多个输入。因此，该控制器通过控制如风扇、气闸以及添加到该装置的热能等输出来操纵输出，以便有效地运行该装置。在提取循环或再生循环过程中，该控制器监测从该腔室去除的水的量，以确保不去除出太多的水，否则可能导致高的干燥剂浓度以及该干燥剂的结晶。
[0018]在另一个控制方面，本发明可以包括以下系统，在该系统中一个或多个装置可以与通信网络内的多个远程计算装置通信。这些远程计算装置可以用于辅助对这个(这些)装置的控制并且收集来自这些装置的数据或者发送更新后的命令以用于装置运行。相应地，每个控制器都可以进一步包括无线发射和接收能力。就此而言，因此，本发明的系统还可以包括多个装置，这些装置各自具有无线通信能力。
[0019]在另一个控制方面，本发明可以包括“基于位置的”能力，其中使用全球定位系统(GPS)、磁力计或其他基于位置的子系统来识别所安装的系统的位置和取向。这些信息可以用于进一步利用关于地理和/或天气条件的数据，以实现更好的系统效率。例如，也可以使用关于阳光的取向和持续时间、主风的方向等等的知识来分别获得更好的太阳能提取效率和最小化的风扇功率需求。
[0020]在本发明的另一个特征中，该装置具有模块化的构造，在该构造中这些干燥剂托盘可以被安排成希望的构型。进一步地，该模块化的构造利用了允许实现该装置的容易组装和拆卸的、尺寸均匀的管路和联接器/凸缘。进一步地，这些风扇和