=热交换器
[0084] in =进入
[0085] int=水-蒸汽界面
[0086] max =最大
[0087] local =局部限定的
[0088] out =离开
[0089] pw =纯水
[0090] rev =可逆的
[0091] w =海水
[0092] 热力学状态：
[0093] a =进入除湿器的海水
[0094] b =离开除湿器的预热的海水
[0095] c =从盐水加热器进入增湿器的海水
[0096] d =离开增湿器的盐水废弃物
[0097] e =进入除湿器的湿空气
[0098] ex =湿空气状态，在该状态下质量抽提和注入是在单次抽提情况下进行
[0099] f =进入增湿器的相对干燥的空气
[0100] g =在除湿器中的一个任意中间位置处的空气
[0101] i =在除湿器中的一个任意中间位置处的海水
[0102] 在此描述的方法和设备可以用于以一种能量有效的方式从一种液体组合物（包 括但不限于海水、半咸水及废水）分离基本上纯的水。这种方法可以用于称为增湿-除湿 脱盐（HDH)的技术中。本发明人团队的成员已提交了描述对HDH技术的改进的先前专利申 请，包括已公开为US2011/0056822A1，"在减压下进行的水分离（Water Separation Under Reduced Pressure)"和US 2011/0079504 A1，"在变化的压力下进行的水分离（Water Separation Under Varied Pressure)"的那些。那些专利申请中描述的不同设备和方法可 以与在此描述的设备和方法组合使用以便例如进一步改进HDH系统的能量效率。
[0103] 在此描述的这些方法可以使沿着一个增湿器和/或除湿器的流体流动路径的驱 动热力学势（即，局部温差和/或浓度差）平衡以便减少HDH系统中产生的熵。这种平衡能 够进而增加从除湿器回收至增湿器的热量并且能够减少每单位量脱盐的水所消耗的能量。 该设计利用了以下基本观察结果：存在水与空气质量流率比的单个值（对于任何给定的边 界条件和部件有效性或固定硬件配置），在该值下系统性能最优。
[0104] 设备的说明：
[0105] 在图1中示出了具有质量抽提和注入的HDH系统的一个实施例的说明。如图1中 所示，在利用液体组合物加热的一个增湿-除湿循环中，一种载气（如空气）通过例如一个 闭合回路系统中在一个增湿器12与一个除湿器14之间的气体导管16和18循环。增湿器 12和除湿器14具有一种模块化构造（即，多个分开的零件）并且是彼此基本上热分离的。 该增湿器和除湿器特征化为"基本上热分离的"应被理解为被构造成有很少或没有直接传 导性热传递在该设备的增湿腔室与除湿腔室之间通过，但是这种特征化并不排除经由这些 腔室之间的气体和/或液体流动进行的热能传递。这种"基本上热分离"特征化由此将该 设备与例如一种露点蒸发设备区分开来，该露点蒸发设备包括在增湿器与除湿器之间的一 个共用的热传递壁。在本披露的设备中，增湿器12和除湿器14不共用任何公共壁，这些公 共壁将会促进其间的传导性热传递。
[0106] 相反，热能主要经由气体和液体的质量流在这些腔室之间传递。气体是使用热的 不纯水（即，液体组合物一例如，呈一种盐水溶液形式）在增湿器12的增湿腔室20中进行 增湿，该热的不纯水从增湿器12的顶部处的一个或多个喷嘴22喷射，同时该气体在一个逆 流方向上移动（向上穿过增湿腔室20,如图示），从而经由水从液体组合物中蒸发至载气流 中（例如，该水的约5%至10% )来显著增加该气体中的水蒸汽含量（例如，使水蒸汽含量 增加至少50% )。该液体组合物的残余部分（未在增湿腔室20中蒸发的部分）汇集在腔 室20的底部并且通过一个液体混合物输出导管30排出。
[0107] 可以通过将一个真空泵50联接到增湿腔室20和除湿腔室24两者上来确立亚大 气压。可替代地，可以通过将一个液体混合物槽联接到导管30上并且将一个纯水槽联接到 导管32上（其中两个槽定位在腔室20和24下方）以便经由作用于液体上的重力产生压 头来产生一个静压头；这种配置在公开的美国专利申请号2011/0056822A1中有进一步描 述并说明。增湿腔室20和除湿腔室24两者中的亚环境大气压可以是基本上相同的，并且 可以例如比环境大气压低至少10 %，例如，为90kPa或更小；或者在具体实施例中，为70kPa 或更小；或者在更具体的实施例中在10与60kPa之间。
[0108] 增湿腔室20可以填充有一种呈例如聚氯乙烯（PVC)填料形式的填充材料56以便 促进载气与液体混合物之间的湍流气体流动和增强的直接接触。该增湿器（和该除湿器） 的主体可以例如由不锈钢形成，并且是基本上蒸汽不可渗透的；由例如环氧树脂密封剂、垫 片、O形环、焊接或类似技术形成的密封件被设置在该增湿器的蒸汽和水输入和输出处以及 每个模块化部件和邻接导管的界面处以便维持该系统中的真空。在一个实施例中，增湿腔 室20基本上呈圆柱形，并且高度为约I. 5m并且半径为约0. 25m。
[0109] 载气的增湿通过以下方式来实现：将液体混合物从一个或多个喷嘴22喷射到在 增湿器12的顶部处的一个喷雾区中，然后使其穿过一种填充材料56并且向下穿过一个雨 区到达在该腔室底部处的收集的液体混合物的一个表面46,同时该载气向上移动穿过增湿 腔室20 (如图示），并且与该液体混合物相接触（特别是在填充材料56的床层中），由此将 来自该液体混合物的水蒸汽添加至该载气中。
[0110] 然后将增湿的载气从增湿器12通过一个导管16引导至除湿器14,在该除湿器中 该载气在一个除湿腔室24中进行除湿，该除湿是使用经由泵54通过一个液体混合物输入 导管26并通过除湿腔室24内部的一个螺旋形导管28泵送的冷液体组合物进行的，从而允 许热量从该气体传递至除湿器14内部的液体组合物。因此，该气体中的水蒸汽在螺旋形导 管28上冷凝并且作为基本上纯的水收集在除湿腔室24底部处的一个水池48中。所收集 的纯水然后可以通过一个纯水输出导管32从除湿器14移除，以例如用作饮用水、用于灌溉 作物、用于洗涤/清洁、用于烹饪等。该载气可以经由末端导管16和18在该增湿器与该除 湿器之间自然地或通过使用一个风扇循环。如果使用一个风扇进行气体循环，那么该风扇 可以通过一个光伏太阳能电池板或一个风力涡轮机供能，并且该风扇可以被放置在顶部气 体导管16中或底部气体导管18中。
[0111] 在除湿器14中初步加热之后，该液体组合物经由一个液体组合物导管34被传至 增湿器12。可以在导管34中或沿着该导管包括一个加热器36以便在该液体组合物进入增 湿器12之前对其进一步加热。加热器36可以使用一个太阳能源（例如，该加热器可以呈 一个太阳能收集器的形式）和/或可以使用任何废热源（例如，使用由其他附近的机器或 由一种发电设备产生的废热）来加热该液体组合物。在具体实施例中，对该液体组合物的 加热进行限制以防止由于超过该液体组合物中的结垢组分（例如，硫酸钙、硫酸镁、碳酸钙 和/或碳酸氢钙）的沉淀温度所导致的该设备中的结垢。
[0112] 在这个过程中，增湿器12和除湿器14两者内部的压力降低至低于大气压（S卩，在 该增湿器和该除湿器周围的大气的环境压力，例如在海平面处低于约IOlkPa)，与在环境大 气压下运行的先前增湿-除湿脱盐过程形成对比。随着增湿器12内部的压力降低，该增 湿的气体携带更多水蒸汽的能力增加，从而当该气体在除湿器14中进行除湿时使纯水的 产生增加。这种增加的水蒸汽输送能力可以通过湿度比（即，湿空气中的水蒸汽质量与干 燥空气质量的比率）来解释，因为该比率在低于大气压的压力下更高。例如，在干球温度 为60°C的空气（作为载气）的情况下，在50kPa下的饱和湿度比要比在大气压下高出大约 150%〇
[0113] 经由气体导管60、62以及64提供一种多次抽提配置，其中从增湿器12中的多个 不同中间位置抽提气体并且将该气体进给至除湿器14中的相应的不同中间位置，从而允 许气体质量流的操纵、设备的热平衡以及更高的热量回收。这些"相应的"位置表示在对应 腔室中的位置，在这些位置处，所抽提的流体流的温度和蒸汽浓度与该抽提的流注入其中 的流体流的温度和蒸汽浓度是相似的（如果不是相等的）（例如，在1°C和1%内）。这种 "相应的"位置用于避免被特征化为混合的不可逆性的损失。当具有不同平衡状态的两个流 混合时，可能需要一个高度不可逆的过程来使这些流达到热平衡，从而引起较大热力学损 失。
[0114] 可以通过在导管60、62、64中的变频控制风扇66来驱动气流穿过导管60、62以及 64。应抽提穿过每个导管60/62/64气