组合的热量和质量交换装置的热力学平衡的制作方法
【专利说明】组合的热量和质量交换装置的热力学平衡
[0001] 背景
[0002] 在本世纪，淡水的短缺将超过作为人类全球关注的能量的短缺，并且这两个挑战 有着密不可分的联系，正如2010年5月20日一期的《经济学家》（The Economist)中"关 于水的特别报道（Special Report on Water)"中所解释的。淡水是人和其他生物体的最 基本的需求之一；每个人每天需要消耗最少约两升。全世界还面临来自农业和工业过程的 更大的淡水需求。
[0003] 供水不足造成的危害是极其紧迫的。淡水的短缺可能导致多种危机，包括饥荒、疾 病、死亡、被迫大规模迀移、跨地区冲突/战争以及崩溃的生态系统。尽管有对淡水需求的 紧急程度和短缺的深远影响，淡水供应仍受到格外限制。地球上97. 5 %的水是咸水，并且其 余部分中有约70%作为冰冻结（主要在冰盖和冰川中），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，地球上作为淡水并可供使用的水是不均匀分布的。例如，人口众多的国家， 如印度和中国，有很多受稀缺供应源影响的地区。再进一步，淡水供应往往季节性地不一 致。同时，对淡水的需求在全球范围内逐渐紧张。水库干涸；蓄水层下降；河流枯竭；并且 冰川和冰盖收缩。不断增长的人口使需求增加，正如在农业中的转变和增长的工业化所造 成的。气候变化在许多地区造成甚至更大的威胁。因此，面临水短缺的人数越来越多。然 而，天然存在的淡水典型地被局限于区域性流域；并且水运输是昂贵并且能量密集的。
[0005] 另一方面，用于从海水（或在更低程度上，从半咸水）生产淡水的许多现有方法需 要大量的能量。反渗透（RO)是目前领先的脱盐技术。在大型工厂中，与理论最小值约IkWh/ m3相比，在30%回收率下所要求的比电量（specific electricity)可以低到4kWh/m3;规 模更小的RO系统（例如，船载的）效率更低。
[0006] 其他现有的海水脱盐系统包括基于热能的多级闪急（MSF)蒸馏和多效蒸馏 (MED)，两者均是能量和资本密集型方法。然而，在MSF和MED系统中，最高盐水温度和热 量输入的最高温度受到限制以便避免硫酸钙沉淀，硫酸钙沉淀会导致在传热设备上形成硬 垢。
[0007] 增湿-除湿（HDH)脱盐系统包括一个增湿器和一个除湿器作为其主要部件并且 使用一种载气（例如空气）在热源与盐水之间传送能量。这种技术的一种简单型式包括 一个增湿器、一个除湿器及一个用于加热海水流的加热器。在增湿器中，热海水与干燥 空气直接接触，并且该空气被加热并增湿。在除湿器中，使加热并增湿的空气与冷海水 (间接）接触并且得到除湿，从而产生纯水和除湿的空气。本发明人中有一些也被指定 为以下专利申请的发明人，这些专利申请包括对HDH和用于纯化水的其他方法的另外的 讨论：2009年9月4日提交的美国申请序列号12/554,726(公开为US 2011/0056822A1 ; 代理人案号mit-13607) ;2009年10月5日提交的美国申请序列号12/573,221 (公开 为US 20110079504A1 ;代理人案号mit-13622) ;2011年2月15日提交的美国申请序 列号13/028，170(代理人案号mit-14295);以及2011年9月23日提交的美国申请序 列号13/241，907(代理人案号111^-14889);2012年2月7日提交的美国申请序列号 61/595, 732 (代理人案号 mit-14899pro)。
[0008] 概述
[0009] 在此描述了用于热力学平衡的方法和设备。这些方法和设备的不同实施例可以包 括以下描述的部分或全部的要素、特征以及步骤。
[0010] 一种组合的热量和质量传递装置中的热力学不可逆性通过以下方式来降低：操纵 沿着流体流动路径交换热量和质量的流体流的流与流质量流率比。在上述装置中交换热量 和质量的流可以是含有呈蒸汽状态的一种可冷凝的组分的一种载气混合物和包括呈液体 状态的一种可蒸发的组分的一种液体组合物。热量和质量通过以下方式从该载气混合物传 递或传递至该载气混合物：与一种液体组合物直接或间接相互作用以经由该可蒸发的组分 从该液体组合物中蒸发或经由该可蒸发的组分从该载气混合物中冷凝来实质性地改变该 载气混合物中的可蒸发的组分的含量，从而产生一个载气混合物流，该载气混合物流具有 的可蒸发的组分的浓度不同于在该热量和质量传递过程之前该载气混合物中的可蒸发的 组分的浓度。该载气混合物的质量流率通过从该组合的热量和质量传递装置中的流体流动 路径中的至少一个中间位置抽提或注入该载气混合物来改变，和/或该液体组合物的质量 流率通过从该热量和质量传递装置中的流体流动路径中的至少一个中间位置抽提或注入 该液体组合物来改变；并且该载气混合物或该液体组合物的流动在该组合的热量和质量传 递装置中进行调节以降低该装置中的最小局部焓夹点（Pinch)。
[0011] 在具体实施例中，在一种增湿-除湿（HDH)系统中通过操纵沿着该增湿器和该除 湿器的流体流动路径的流与流质量流率比来降低热力学不可逆性。在该增湿器中，热量和 质量通过以下方式传递至该载气混合物：与包含呈液体状态的该可蒸发的组分作为其组分 之一的一种液体组合物直接相互作用，以便经由可蒸发的组分从该液体组合物中蒸发来实 质性地增加该载气混合物中的可蒸发的组分的含量。该载气混合物然后从该增湿器被引导 至一个除湿器，在该除湿器中热量和质量通过以下方式从该载气混合物传递：与该液体组 合物间接相互作用，从而减少该载气混合物中的可蒸发的组分的含量并且预热该液体组合 物。该载气混合物的质量流率通过从该增湿器中的流体流动路径中的至少一个中间位置抽 提该载气混合物并且在该除湿器中的一个相应位置处注入所抽提的载气混合物来改变，和 /或该液体组合物的质量流率通过从该增湿器中的流体流动路径中的至少一个中间位置抽 提该液体组合物并且在该除湿器中的一个相应位置处注入该液体组合物来改变；并且对在 该增湿器和该除湿器中的流体流动路径的中间位置之间的载气混合物或液体组合物的流 进行调节以便降低该除湿器中的平均局部焓夹点。
[0012] 根据这些方法，在此定义了组合的热量和质量交换装置的一个新颖的"焓夹点"。 焓夹点（Φ)组合了流与流的温差和湿度比差并且与该装置的有效性直接相关。焓夹点的 这一概念可以用于含有HME装置的系统的热力学分析中。在此还引入了具有零"残余"不 可逆性的一种完全并且持续平衡的热量和质量交换（HME)装置的温度和湿度比特征曲线 的封闭型方程。发现与一种恒定的流与流温差状态相比，这种完全热力学平衡状态（在增 湿器中和除湿器中）更接近一种恒定的局部湿度比差状态。
[0013] 通过在一个除湿器中连续注入质量，该装置中的熵产生可以被降低至不进行注入 的一个装置中的熵产生的1/4。通过单次注入，它可以被降低至3/5。在这些情况下，该液 体组合物抑或该载气混合物可以被注入到该除湿器中。
[0014] 在此使用了这些观察结果经由在此提出的算法来设计用于具有连续抽提和注入 的系统和具有不连续抽提和注入的系统两者的热力学平衡的HDH系统。具有一个完全平衡 的增湿器的一种HDH系统的性能与具有一个完全平衡的除湿器的一种HDH系统的性能被发 现是类似的。
[0015] 当这些HME装置具有一个适当的低焓夹点（Φ彡27kJ/kg干燥空气）时，热力 学平衡被发现是特别有效的。在该增湿器和该除湿器中在非常低的焓夹点值（Φ <7kJ/ kg干燥空气）下，发现具有无限次数的抽提和注入的连续平衡提供的结果比使用单次抽 提和注入所获得的结果好得多。在更高焓夹点值（7〈Φ < 15kJ/kg干燥空气）下，单次抽 提和注入使总系统的熵产生减少与无限次抽提和注入类似的量。在甚至更高的焓夹点值 (15〈Φ <27kJ/kg干燥空气）下，单次抽提/注入胜过无限次抽提/注入，并且在Φ>27?α/ kg干燥空气下，热力学平衡对该HDH系统的性能没有显著影响。
[0016] 这些方法和设备可以用于海水的脱盐以及其他形式的水纯化和抽提。另外地，这 些方法和设备可以用于改进组合的热量和质量交换装置（如气体洗涤器、鼓泡塔反应器以 及冷却塔）的性能。
[0017] 这些方法和设备还可以提供以下益处：更高的能量效率，即使在使用低级能量 (而不是高温蒸气或电力）时；以及更低的能量成本并且因此更低的水生产成本。通过经 由质量抽提和注入来使该增湿器或该除湿器热力学平衡，可以减少能量消耗，并且可以在 该系统的约束内（例如，在大小或成本限制内）使由驱动温差和浓度差的不平衡所引起的 熵产生减至最少。此外，这些方法可以在具有一个100%有效的增湿器和除湿器的一种HDH 系统中提供接近完全的热力学可