逆流式热/质量交换反馈控制的制作方法

逆流式热/质量交换反馈控制的制作方法
【专利摘要】一种逆流式热及质量同时交换装置被通过如下方式来操作：即，引导两种流体流以多个初始质量流速进入一个热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的。在这些流体中测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了这两种流体流在进入和离开该装置的点处的热力学状态。测量这些流体在进入和/或离开该装置的点处的流速；并且改变这两种流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想变化变得更接近是相等的。
【专利说明】逆流式热/质量交换反馈控制
[000。 背景
[0002] 在本世纪，淡水的短缺将超过能量的短缺而成为全球人道主义的关注点；并且运 两项挑战紧密关联，例如在《经济学家》(化e Economist)的2010年5月20日发布的"关于水 的专题报告(Special Report on Water)"中解释的。淡水是人类和其他生物的最根本的需 求之一;每个人每天需要消耗最少约两升水。世界还面临着农业和工业过程中更大的淡水 需求。
[0003] 水供应不足导致的危害是特别尖锐的。淡水的短缺可能导致各种危机，包括饥荒、 疾病、死亡、被迫大规模迁徙、地区之间的冲突/战争、W及崩溃的生态系统。尽管对淡水的 需要是危急的并且短缺的后果是重大的，但淡水的供应仍是特别受限制的。地球上97.5% 的水是咸水，并且剩余部分中约70%作为冰被锁住(大多数在冰冠和冰川中），从而仅留下 地球上所有水中的一小部分作为可供使用的淡水(非咸水）。
[0004] 此外，地球上作为淡水且可用的水是不均匀分布的。例如，人口稠密的国家，像印 度和中国，有许多地区遭遇了供应短缺。还进一步，淡水的供应通常是季节性不一致的。同 时，对淡水的需求在全球正变得紧张。水库在干涧;含水层在下沉;河流在干枯;并且冰川和 冰冠在消退。增长的人口增大了需求，农业的转变和增大的工业化也是如此。气候变化在许 多地区提出了甚至更多威胁。因此，面临水短缺的人口数量在增加。然而，天然存在的淡水 总体上被限制在区域性流域中；并且水的运输是昂贵且耗能的。
[0005] 此外，可W有利地从污染的废水流中（例如，从油气生产中）提取出水，W便既生产 出淡水又浓缩废水流并减小其体积，由此减少污染和污物并降低成本。
[0006] 尽管如此，许多现有的用于由海水(或盐味水或污染的废水流)生产淡水的工艺要 求大量的能量。反渗透(R0)是当前领先的除盐技术。在大规模工厂中，所要求的比电量可W 低至30 %的回收率4kWh/m3，相比之下理论最小值是约IkWh/m3;较小规模的R0系统(例如，船 上的)是效率较低的。
[0007] 其他现有的海水除盐系统包括基于热能的多级闪蒸(MSF)、W及多效蒸馈(M抓）， 二者均是能量密集且资本密集的工艺。然而在MSF和Μ抓系统中，最大盐水溫度和输入热量 的最大溫度是受到限制的W避免硫酸巧、氨氧化儀、W及碳酸巧析出，运会导致在热传递设 备上形成软垢和硬垢。
[000引增湿-除湿化DH)除盐系统包括增湿器和冷凝器作为其主要部件并且使用载气（例 如，空气)来对盐水流除盐。运种技术的一种简单形式包括增湿器、冷凝器、W及用来加热盐 水流的加热器。在增湿器中，热的盐水与干燥空气直接接触，并且此空气变成加热和增湿 的。在冷凝器中，使加热和增湿的空气与冷凝剂(例如，冷的盐水）（间接)接触并且变得被除 湿，从而产生纯水和除湿的空气。皿Η工艺与MSF和Μ邸系统相比在更低的顶部盐水溫度下运 行，因此在某种程度上避免了结垢组分的析出。
[0009]在美国专利号8，119,007 82^.8曰化曰766等人）中描述的另一种途径使用了定向 溶解水但不溶解盐的定向溶剂。定向溶剂被加热来从盐溶液中将水溶解到该定向溶剂中。 剩余的高度浓缩的盐水被去除，并且定向溶剂与水的运个溶液被冷却来使基本上纯的水从 该溶液中脱溶出来。
[0010] 本申请的发明人也是W下包括对皿Η和用于纯化水的其他工艺的额外讨论的专利 申请的发明人之一:在2009年9月4日提交的美国申请序列号12/554,726;在2009年10月5日 提交的美国申请序列号12/573,221;在2011年2月15日提交的美国申请序列号13/028,170; W及在2011年9月23日提交的美国申请序列号13/241,907;在2012年7月16日提交的美国申 请序列号13/550,094;在2013年6月12日提交的美国申请序列号13/916,038; W及在2013年 8月5日提交的美国申请13/958,968。

【发明内容】

[0011] 在此描述了用于逆流式热及质量同时交换的设备和方法。运些设备和方法的多个 不同实施例可W包括下文描述的运些元件、特征和步骤中的一些或全部。
[0012] 在该方法的一个实施例中，一种逆流式热及质量同时交换装置被通过如下方式来 操作：即，引导两种流体流W多个初始质量流速进入一个热及质量交换装置，其中运两种流 体的总洽率的理想变化是不相等的。通过一个或多个传感器在运些流体中测量W下状态变 量中的至少一者:溫度、压力和浓度，运些变量一起限定了运两种流体流在进入和离开该装 置的点处的热力学状态。测量运些流体在进入和/或离开该装置的点处的流速;并且改变运 两种流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该装置的运两种流体的总洽率的理想变化变 得更接近是相等的。
[0013] 运些方法和设备允许通过控制该系统中的多个流量控制器，例如累、鼓风机和阀 等等，来控制运些流体的流量而操作热及质量交换装置，使得该装置始终在热力学效率的 角度上最佳地或接近最佳地运行。运些方法和设备例如可W在由包括溶解的物种的水性来 源组合物来生产淡水的增湿-除湿过程中用于热和质量交换。
[0014] 附图简要说明
[0015] 图1是逆流式热交换器的示意性展示。
[0016] 图2展示了图1的热交换器中的流量、溫度和浓度指示符发送器。
[0017] 图3是流程图，展示了操作该系统的方法的步骤。
[0018] 图4是逆流式冷却塔的示意性展示。
[0019] 图5是逆流式冷凝器的示意性展示。
[0020] 图6a是增湿-除湿化DH)系统的示意性展示，该系统在测量系统参数的运些不同位 置做出了标记并且展示了流动动力学特性。
[0021] 图6b是来自图化的皿Η系统的冷凝器的示意性展示，其中该冷凝器包括两个级，每 个级包括Ξ个塔板。
[0022] 图7是图6a的皿Η方法在没有中间提取时的流程图。
[0023] 图8是具有单一中间提取的皿Η方法的流程图。
[0024] 图9和10提供了使用图6a的设备、具有单一中间提取的两级皿Η方法的流程图。
[0025] 图11是对于该方法的实例而言在不同水溫下所得的输出比率(G0R)与质量流量比 率的曲线图。
[0026] 图12是对于该方法的实例而言无量纲的洽产生速率与热容量比率的曲线图。
[0027] 在附图中，贯穿运些不同的视图，类似的参考号指代相同或相似的部分;并且使用 撇号来区分共享相同参考号的运些相同或相似物项的多个例子。运些图不一定是按比例绘 制的，而是将重点放在展示下文讨论的具体原理上。
[002引详细说明
[0029] 从W下对本(运些)发明的较宽界限内的多种不同概念和具体实施例的更具体说 明中，本发明的各个方面的W上W及其他的特征和优点将变得清楚。上文介绍的且在下文 更详细讨论的主题的多个不同方面可W按众多方式中的任一种来实现，因为该主题不局限 于任何具体的实现方式。具体实现方式和应用的实例主要是为了展示的目的来提供的。
[0030] 除非本文另作定义、使用或表征，否则本所文使用的术语(包括技术类和科学类术 语)应解释为具有与其在相关领域的背景下可接受的含义相一致的含义、并且不得在理想 化的或过度正式的意义上进行解释，除非本文明确地如此定义。例如，如果提及了具体的成 分，则该成分可W基本上是纯的但不是完全纯的，因为可能适用了实际而不完美的现实;例 如，潜在存在至少痕量杂质（例如，少于1 %或2%)可W理解为是在本说明的范围之内；同 样，如果提及具体的形状，则该形状旨在包括相对于理想形状的不完美变体，例如由于制造 公差。本文表达的百分比或浓度可W是由按重量计或按体积计来代表的。下文描述的工艺、 程序和现象可W在环境压力(例如，约50-120kPa-例如约90-110kPa)和溫度(例如-20°C至 50°C -例如约10°C -35 °C)下发生。
[0031] 虽然本文使用了术语第一、第二、第Ξ等等来描述不同的要素，但运些要素不受运 些术语的限制。运些术语只是用来将一个要素与另一个要素进行区分。因此，如下文讨论的 第一要素可W被称为第二要素，而并不背离运些示例性实施例的传授内容。
[0032] 为了描述方便，本文可W使用与空间相关的术语，例如"下方"、"下方"、"左"、 "右"、"前方"、"后方"等等来描述一个要素相对于另一个要素的关系，如附图中展示的。应 理解的是，运些与空间相关的术语W及所展示的构型旨在除了本文描述的和附图中描绘的 取向之外还涵盖设备在使用中或在运行中的不同取向。例如，如果将附图中的设备翻转，贝U 描述为在其他要素或特征"下方"或"之下"的要素将定向成在运些其他要素或特征的"上 方"。因此，示例性的术语"上方"可W涵盖上方和相反取向二者。可W按其他方式来定向运 种设备(例如，旋转90度或处于其他取向）并且本文使用的与空间相关的描述语句应相应地 进行解释。
[0033] 又另外，在本披露中，当一个要素被称为"在"、"连接到"、"联接到"、或"接触"（等 等）另一个要素上时，它可W是直接地在、连接到、联接到、或接触到该另一个要素上，或者 可W是存在介入要素的，除非另外指明。
[0034] 本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的的而并不旨在限制示例性的实施 例。如本文所使用的，单数形式如"一个"和"一种"旨在也包括复数形式，除非上下文另外指 明。此外，术语"包巧V'包括了"、"含有"和"含有了"指明了所叙述的要素或步骤的存化但 不排除存在或添加有一个或多个其他要素或步骤。
[0035] 此外，本文所指明的运些不同部件可组装的或成品的形式提供的；或者运些 部件中的一些或全部部件可W被包装在一起并作为套件与用于使顾客进行组装和/或修改 来产生成品产品的说明书(例如，书面的、视频的或音频的形式)一起被出售。
[0036] 依赖式与独立式热及质量交换装置
[0037] 在此描述了依赖式热及质量交换装置。
[0038] "独立式"热及质量交换装置具有不依赖于该装置的运行的入口状态(例如，流速 的选择）。换言之，独立式热及质量交换装置具有仅依赖于外部条件的入口状态。
[0039] 相比之下"依赖式"热及质量交换装置具有依赖于该装置的运行的入口状态（例 如，流速的选择）。运种依赖性的存在通常是因为，热及质量交换(HME)设备的出口用作其他 HME装置的入口或与其相联，并且所联接的皿征装置的出口可W用作该皿征装置的入口或其 相联。例如，在增湿-除湿化DH)系统中，冷凝器和增湿器是依赖式HME装置，因为例如改变冷 凝器中的空气流速将影响增湿器的运行（因为该增湿器是相同流速的）并且因此影响该增 湿器的出口处、具体地空气出口处的输出。离开该增湿器的空气进入了冷凝器；因此该冷凝 器的入口处的输入随着该冷凝器中空气流速的改变而改变。
[0040] 当控制独立式皿征装置时，仅需要确定输入的状态并且计算出热容量比率化CR)、 并将新的质量流速比率(MR)设定为MR斬=MRi日/肥Rd。肥Rd是经修正的热容量率比率并且在下 文进一步进行描述。
[0041] 不需要迭代，因为改变流速不会影响入口状态。相比之下，当控制依赖式皿征装置 时，运个过程迭代地进行，因为改变流速将改变入口状态并且还将影响HCRd的值。
[0042] 热及质量交换的优化的简化展示
[0043] 在图1的展示中，使两种流体逆流地穿过热及质量交换器10,使得在运两种流体之 间进行热和质量的交换，其4
泮且其中 且其中是来自该热及质量交换器10的第一或第二流体源12或14的一种流体 的能量损失/增益/传递，并且其中成是质量流速。在一个实例中，来自第一源12的第一流体 是被冷凝/除湿的潮湿空气，而来自第二源14的第二流体是被用来将该第一流体除湿的纯 水。
[0044] 在图2的展示中，包括流量指示符发送器(FITH6、溫度指示符发送器(TIT)18、W 及浓度指示符发送器(CIT)20的多个传感器的一种构型被在运两个流体导管中安装在热及 质量交换器10上游的流体管线A和C中及其下游的流体管线B和D中。等效地，也可W使用没 有指示器的传感器/发送器(例如，溫度发送器、流量发送器和浓度发送器）。穿过运些导管 的流体的流量是由运些输入导管中的相应流量控制装置22响应于从运些传感器/发送器 16、18和20接收到的流量、溫度和/或浓度信号来进行控制（即，增大或减小）的。可选地，还 可W包括压力指示符发送器或压力发送器来测量运些导管中的压力；并且运些读数可W被 该控制系统采纳W作为用运个或运些流量控制装置22来控制运个或运些流体的流量的基 础。
[0045] 图3中示出了 WFIT 16、ΤΙΤ 18和CIT 20获取测量值24来开始的控制操作的流程 图。运些发送器将其测量值籍由信号传达给自动化控制器，例如可编程逻辑控制器(PLC) 26,用于流量控制的等式被存储在该控制器中。该化C计算出的值接着可W可选地被发送至 存储器装置(例如，计算机硬盘驱动器)28进行非瞬态存储;并且包括所希望的流速的信号 被发送至运个或运些流量控制装置22。接着将运个过程反复迭代，WFIT 16、ΤΙΤ 18和CIT 20获取的新测量值重新开始。
[0046] 该流量控制的目标是实现W下条件
表示 该第一和第二流体的总洽率的最大可能变化。相应地，对于图1和2中的热及质量交换装置 而言，前一个等式可W被扩展为，二诚成A，其中hA是在来自第一源12的第 一流体的实际状态下评估的比洽，该比洽可W用W下运些参数来定义：管线A中的溫度 (Τα)、管线A中的浓度(Ca)、和管线A中的压力(Pa);砖是在该装置的出口处W来自第一源12 的第一流体的理想状态下评估的比洽，该比洽可W用W下运些参数来定义:管线C中的溫度 (TC)、饱和浓度(Csat)、和管线B中的压力(Pb);《是在流体2的理想状态下评估的比洽(可W 由参数Τα和时)来定义;he是在流体2的理想状态下评估的比洽(可W由参数Tc和化)来定义； 并且》r是出口处的理想质量流速。
[0047] 直接接触式热及质量交换器
[0048] 接下来，我们考虑作为热及质量交换器并且作为控制体积CV起作用的逆流式冷却 塔（图4所示），其中第一流体流34是盐水并且第二流36是空气与水蒸气的混合物。由于在潮 湿空气流36中进入该装置中的所有干空气都在潮湿空气流36中离开，因此干空气的质量流 速是恒定的，如W下等式所反映的：
[0049]
(1)
[0050] 其中m是质量;da是干至气；I是输入;并且0是输出。
[0051] 冷却塔10中的水的质量平衡通过W下等式给出了在水流34中离开增湿器的水的 质量流速：
[0化2]
(2)
[0化3] 其中W是水;a是空气流;并且ω是湿度比率（即，该潮湿空气混合物中，kg蒸气/kg 干空气）。
[0054] 为了确定洽率的最大可能变化，我们确定是空气流36还是水流34是热的(更暖的） 流。
[0055] 当水34比空气36更热地进入时，水流34可W获得的理想条件是，该水流在出口处 的溫度等于在空气流入口 37处空气流36的湿球溫度。运种相等对应于洽驱动力，就是运两 个流34与36之间的、驱动热和质量传递的潜在洽差，该洽差在水流34的出口 33处变为零。该 潮湿空气流可W达到的理想条件是在水流34的入口溫度下饱和并且是运些速率过程强加 的一个极限（Ta,D《Tw,i)。当空气流36比水流34更热地进入冷凝器10时，空气流36和水流34 可W实现的理想条件与在热水进入热及质量交换器10的情况下不同。运些条件再次对应于 相应流的驱动洽差变为零。
[0056] 基于W上讨论，有热水进入的、逆流式直接接触型热及质量交换化ME)装置的效率 定义被写成如下。右侧项的分母表示总洽率的理想变化。
[0057] 情况 I，Ai心.
[0化引 (3)
[0059]情况 Π ，Δ/^皿,皿、,,：
[0060]
(4)
[0061 ]注意，第一定律对冷却塔10给出了 ：
[0062] (5)
[0063] 其中Δ/Ι,是给送水流34的总洽率变化，并且Mi。是潮湿空气流36的总洽率变化。当 在入口 37处热空气流36进入冷却塔10时，可W类似地得出效率定义。
[0064] 间接接触式热及质量交换器：
[0065] 现在考虑作为热及质量交换器10起作用的逆流式冷凝器(如图5所示），其中一个 流体流34是纯水并且另一个流36是空气与水蒸气的混合物。该空气-蒸气混合物流36将热 量传递给水流34。在运个过程中，混合物36中的一些水蒸气冷凝出来并形成单独的冷凝物 流38。由于进入冷凝器10的空气流36中的所有干空气和另一个流体流34中的所有水也都离 开了冷凝器10,因此干空气的质量流速和水的质量流速是恒定的，如W下等式所反映的：
[0068] 冷凝水38的质量流速可W使用W下简单的质量平衡来计算：
[0069]
一 巧）
[0070] 为了计算可能的最大总洽率变化，确定了入口溫度和质量流速。如W上解释的，理 想条件对应于洽驱动力在水流34的出口处或在空气流36的出口处变为零。空气流36在出口 39处可W达到的理想条件是在水的入口溫度下饱和。水可W最佳地达到空气在其入口 37处 的干球溫度。同样，运对应于洽驱动力在空气入口 37处达到零。
[0071] 基于W上讨论，逆流式间接接触型热HME装置10的效率定义被写成如下。在W下等 式中，右侧项的分母表示洽率的理想变化：
[007引其中Δ?ζ是给送水流34的总洽率变化，并且Δ台。是潮湿空气流36的总洽率变化。
[0079] 皿Η系统综述
[0080] 在如图6a所示的实施例中，W压裂(fracking)水或生成水(来自油气生产)形式的 水性给送料50被供送到中间盐水容纳箱52中，从运里被供送穿过预加热热交换器54并且接 着穿过第二热交换器56,在该第二热交换器中该水性给送料50接收从锅炉传递的热，然后 运种加热的水性给送料被喷洒到增湿器68中，如在US 2013/0015051 A1中描述的，在该增 湿器中纯水从该水性给送料50中汽化。水性给送料50经由穿过多个液体导管的通路被循环 穿过该装置，运些液体导管连接了该系统的多个部件。在其他实施例中，增湿器级58和60可 W是泡罩塔增湿器，如在美国申请号13/916,038中描述的。
[0081] 环境空气62也经由流量控制器(例如风扇或累)被累送穿过增湿器级58和60、并且 用作增湿器级58和60中的汽化水的载气。经增湿的载气接着穿过载气导管并且被供送穿过 两级泡罩塔冷凝器64和66(如在US 2013/0074694 A1中描述的）并且在其中被冷却而使水 析出。在图6b的实施例中，冷凝器级64和66各自包括多个泡罩塔塔板65和67。同一级64/66 中的塔板65/67处于相同流速的水和空气下（并且保持在通常的固定溫度下），而空气的质 量流速(和溫度)随着在级64与66之间移动而改变。经增湿的载气的额外中间流从增湿器68 中被提取出并且经由中间交换导管72被注入冷凝器70的中间位置。析出的水74经由流量控 制器(例如，累)从冷凝器70循环穿过该预热热交换器54(在运里，来自析出的水74的热量传 递给水性给送料50)。析出的水74的相应部分接着(a)被供送到该锅炉、（b)被去除W用于输 送至顾客、和(C)被再循环到泡罩塔冷凝器70。
[0082] 同时，来自水性给送料50的、在水被从其蒸发后留在增湿器68中的盐水76经由盐 水出口从增湿器中排出并且被供送穿过结晶器、渣料稠化器、和压滤机从而产生盐产品（从 该系统中被去除)和盐水排放物(被引导到盐水容纳箱52中（并且被再循环））。
[0083] 增湿器68在运个实施例中是双塔泡罩塔增湿器，并且冷凝器70是泡罩塔除湿器。 来自增湿器68的经增湿的载气62在冷凝器70的最低区段处(从增湿器68的顶部起)并且在 中间交换导管72处(从增湿器68的中间位置起)被供送到冷凝器70中。水随着载气62在向上 穿过泡罩塔冷凝器70的运些级66和64时发生冷却而从该载气中析出、并且被收集W用于生 产性用途或用于排放。同时，经除湿的载气在穿过了级66之后从冷凝器70的顶部被释放。
[0084] 用于皿哺勺控制算法-个质量流速比率运行）：
[0085] 参见图6曰，在没有提取或注入的、其中给送流速和淡水流速是指定 的系统中，在选择空气流速（"S Μ 得到肥Rd=l(或在上或W下指定的误差容限 之内，其中该指定的误差容限可W与由于所使用的运个或运些传感器的精度而导致的潜在 误差相匹配)并且因此得到最大能力效率方面存在灵活性(在运个部分，运些不同参数的下 标表示流动路径中的运些不同点，如图6a中标记的，其中运些指定的特性可W是使用W上 指明的运些不同传感器/发送器的设施来测量的）。如图7的一般流程图中所示，对于N = 0 (参照图6a的设备)其中N是提取次数，确定此流速的第一步骤是经由位于运些指定位置处 的传感器来测量82W下参数W便完全确定点W1和A3的热力学状态：
[00化]· W1处的压力(Pwi);
[0087] · W1 处的溫度(Twi);
[008引 · W1处的体积流速(Fwi);
[0089] · A3处的溫度(Ta3);
[0090] · A3处的体积流速(Fa3 );
[0091] · A3处的相对湿度((|).、3) ; W及
[0092] · A3处的压力(Pa3)。
[0093] 运些特性可W是直接或间接测量的。间接测量的实例包括测量质量(运将确定体 积）W及测量湿度比率(运将给出相对湿度）。
[0094] 在下一个步骤中评估84运两个点的W下热物理学特性：
[00巧].PW1 =在村1、扣1下的水密度；
[0096] · PA3 =在Ta3、(Pa:; F的潮湿空气密度；
[0097] · C〇A3 =在Τα3、ΨΑ3下的湿度比率；
[009引 · QA4,min =在饱和状态、村1下的湿度比率；
[0099] · hw,W2,max =在Ta3、Pw1 下水的洽；
[0100] · hw,wi =在Twi、Pwi下水的洽；
[0101] · hda,A3 =在Ta3、Pa3下干空气的洽；
[0102] · hda,A4,min =在Tw1、Pa3下干空气的洽；
[010；3] · hv,A3 =在Ta3、Pa3下水蒸气的洽；
[0104] · hv,A4,min =在Tw1、Pa3下水蒸气的洽；W及
[010引 · hfg,a3 =在Ta3、Pa3下的汽化洽。
[0106] 从运些值来如下地计算出86质量流速:
[0107] ?扣 Η I 二化、父巧V ? .，
[010引.'口;.1;=户X厂I].
[0109] .加"'.,.1;二"；<;/〇十似,·;).
[0110] 接着根据W下等式来计算8別亥泡罩塔除湿器中经修正的热容量比率HCRd:
[0111]
[0112] 将肥Rd与值1进行比较89。如果HCRd大于1，则增大90空气流速。如果HCRd小于1，则 减小92空气流速。在等待94该系统达到稳定运行之后，用测量82来重复运个过程。如果HCRd 非常接近1(在由于测量导致的误差之内），则运是运些条件的最佳运行点；并且，在等待96 了用户规定的取样时间之后，用测量82来重复运个过程。
[0113] 在运个实施例中，系统规范如下
[0114] . Tai = 25°C；
[0115] · Twb,Ai = 25°C；
[0116] . Tb6 = 90°C；
[0117] ?口'占4 二 0.242 kg/s;
[0118] ?巧;"2=0.242 kg/s;
[0119] . Tb4 = 30°C；
[0120] .增湿器高度=3m;
[0121] ?冷凝器中塔板个数=6;
[0122] .第一热交换器(册1)中的端溫差(TTD)=3°C;并且
[0123] .骤冷器75中的TTD = 5°C。
[0124] 该系统中来自该过程的迭代(步骤)序列的结果被呈现在下表中：
[0125]
[0126] 如何增大或减小干空气质量流速的额外细节
[0127] 如图8的特定流程图中所示，通过HCRd的计算88来进行与W上叙述的相同的程序。 接着在步骤93中修正质量流速比率MR，使得(a)新的质量流速比率MR=(前一个质量流速比 率MRtr叶)/(计算出的HCRd)，或者(b)如果水的质量流速恒定，则新的干空气质量流速=(前 一个干空气质量流速)X(计算出的HCRd)。该系统接着在步骤94中等待建立稳态运行。
[0128] 用于两级皿哺勺控制算法(具有单次提取）：
[0129] 图9和10的流程图列出了用于在增湿器的泡罩塔级之间（在级60与58之间）和冷凝 器的泡罩塔级之间（在级66与64之间）具有单次中间提取的两级增湿-除湿工艺的处理，但 该处理也可W在增湿器68和冷凝器70中的额外级之间存在多次提取的情况下实施。
[0130] 运个范例W级66中的Ξ个塔板和级64中的Ξ个塔板来实施。每个增湿器级58/60 的高度为1.5米。
[0131] 首先，该系统作为单级运行（即，到中间导管72的提取流导管是关闭的）；并且使用 W上的算法来找到98适当的空气质量流速62,使得HCRd=l。
[0132] 接下来，由多个传感器进行100W下测量W便确定点W20和A3的热力学状态：
[0133] · W20处的压力(Pw2〇);
[0134] · W20处的溫度(Tw2〇);
[0135] . W20处的体积流速(内2〇);
[0136] · A3处的溫度(Ta3);
[0137] . A3处的体积流速(Fa3);
[013引 · A3处的相对湿度(ipA3) 及
[0139] · A3处的压力(Pa3)。
[0140] 接下来，评估102W下热物理学特性W便确定W20和A3的热力学状态：
[0141] · PW20 =在Tw20、Pw20下的水密度；
[0142] · PA3 =在ΤΑ3、φ&3下的潮湿空气密度；
[0143] · ωΑ3 =在TA3、q>A3下的湿度比率；
[0144] · C〇A7,min =在饱和状态、TW2日下的湿度比率；
[0145] · hw,W2,max =在Ta3、Pw2日下水的洽；
[0146] · hw,w2〇 =在Tw2〇、Pw2日下水的洽；
[0147] · hda,A3 =在Ta3、Pa3下干空气的洽；
[0148] · hda,A7,min =在Tw20、Pa3下干空气的洽；
[0149] · hv,A3 =在Ta3、Pa3下水蒸气的洽；
[0150] · hv,A7,min =在Tw20、Pa3下水蒸气的洽；W及
[0151] · hfg,a3 =在Ta3、Pa3下的汽化洽。
[0152] 从运些值来如下地计算出104质量流速心：
[0156] 接着根据W下等式来计算106该泡罩塔除湿器中经修正的热容量比率HCRd,2:
[0157]
[0158] 接着将HCRd,2与值1进行比较107;并且如果HCRd,2为1(或在1的误差容限之内），则 在步骤112中进行W下附加测量：
[0159] · W1 处的压力(Pwi);
[0160] · W1 处的溫度(Twi);
[0161] · W1处的体积流速(Fwi);
[0162] · A8处的溫度(Ta8);
[0163] · A8处的体积流速(Fa8);
[0164] · A8处的相对湿度(φΑ8);化及
[01化]· Α8处的压力(Ρα8)。
[0166] 如果HCRd, 2声1，则在步骤112之前对第二(热）级64中的质量流速比率MR进行修正 108,使得新的质量流速比率MR2=(前一个质量流速比率MR2,前^)/(计算出的肥Rd.2)。
[0167] 接下来，如作为图9流程图的延续的图10流程图中所示，在冷却器级66上执行相同 的程序:即，评估114W下特性W便确定点A8和W1的热力学状态：
[016引 · pwi =在Twi、Pwi下的水密度；
[0169] · PA8 =在Ta8、9as下的潮湿空气密度；
[0170] · ωΑ8 =在TA8、q>A8下的湿度比率；
[0171] · C〇A4,min =在饱和状态、村1下的湿度比率；
[01 72] · hw, W20,max一 在Ta8、Pwi下水的烙；
[0173] · hw,wi =在Twi、Pwi下水的洽；
[0174] · hda,A8 =在Ta8、Pa8下干空气的洽；
[017引 · hda,A4,min =在Tw1、Pa8下干空气的洽；
[0176] · hv,A8 =在Ta8、Pa8下水蒸气的洽；
[0177] · hv,A4,min =在Tw1、Pa8下水蒸气的洽；W及 [017引 · hfg,a8 =在Ta8、Pa8下的汽化洽。
[01巧]从运些值来如下地计算出116质量流速扣;：
[0183] 接着根据W下等式来计算11別亥泡罩塔除湿器中经修正的热容量比率HCRd.i:
[0184]
[01化]将HCRd,谢HCRd,2与值1进行比较119;并且如果HCRd,i声1，则对第一（较冷）级66中 的质量流速比率进行修正120,使得新的质量流速比率MRi=(前一个质量流速比率 MRi.tr千)/(计算出的肥Rd,i)。
[0186] 从对H20和A3的特性的测量100开始重复运个过程，直到肥Rd,i =肥Rd, 2 = 1(或尽可 能接近），或直到迭代之间的所得输出比率(G0R)和回收比率(RR)的变化变得可忽略。
[0187] 该系统中来自该过程的迭代(步骤)序列的结果被呈现在下表中：
[018 引
[0190] 在上表中W及本文的其他地方，[-]表示无量纲数。
[0191] 范例；
[0192] 用于增湿-除湿化DH)的过程优化等式
[0193] 可W使用W下等式来在使用图6a的设备(并参照图6a中W变量的下标所示的流动 流)生产淡水和/或从水性组合物中浓缩并去除污染物的增湿-除湿循环中进行过程优化。
[0194] 预加热器54的热力学平衡(其中cp,w2是热级中的比热)可W表示如下：
[酬
(12)
[0196]增湿器热级58的热容量比率化CR)的无量纲数(其中WB是湿球溫度并且其中热级 58被标记为肥)可W表示如下：
[0203] 其中D1表示冷凝器70的第一级66,并且其中D2表示冷凝器70的第二级64。
[0204] 泡罩塔冷凝器70的冷级66的最佳系统条件可W表示如下：
[0205] HCRdi = 1[-]在稳定状态。 （17)
[0206] 最后，泡罩塔冷凝器70的热级64的最佳系统条件可W表示如下：
[0207] HCRd2 = 1[-]在稳定状态。 （18)
[0208] 图11示出了编程仿真的结果。G0R是生成的水的能量损失的量度并且被定义为(生 成的水的质量流速)/(净化水所需的动力）。运个等式中的动力被表示为所消耗的流的质量 流速[(流的质量流速）=(除盐过程中消耗的热能)/(水的汽化潜热）]。结果是，较高的G0R 导致系统运行更有效。
[0209] 确切而言，图11是对平衡的效果的图形例示。每条线表示一个不同的峰值盐水溫 度。每条线中的峰值表明，对于每个峰值盐水溫度，存在一个最佳质量流量比率。此外，运些 质量流量比率各自是该峰值盐水溫度特有的。
[0210] 图12是来自类似的仿真的结果并且表明，当肥R等于1时，洽的产生被最小化，而与 进入流的溫度无关。运个结果是重要的，因为过去对增湿-除湿的研究已经显示了存在最佳 质量流量比率而且指示了运些最佳比率中的每一者都是一组溫度条件所特有的。HCR是比 质量流量比率更适合的、限定热及质量交换器的平衡条件的一种量度，因为平衡后的肥R值 始终是相同的（即，1)。
[OW]自动化控制系统
[0212]本披露的系统和方法(包括控制通过该系统的运些流体的流量)可W是使用计算 系统环境来实施的。可W适合于与运些系统和方法一起使用的众所周知的计算系统环境及 其部件的实例包括但不限于导致不同形式的自动化控制器，例如微控制器、个人计算机、月良 务器计算机、手提或膝上设备、平板设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可 编程消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括W上系统或设备中任一者的分 布式计算环境等等。在许多现有专利(例如在微软集团拥有的US 7,191,467)中描述了典型 的计算系统环境及其操作和部件。
[0213] 运些方法可W经由非瞬态计算机可执行指令(例如程序模块)来实施。一般地，程 序模块包括执行具体任务或实现具体数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。运些 方法还可W在其中由通过通信网络来链接的远程处理设备来执行任务的分布式计算环境 中进行实践。在分布式计算环境中，程序模块可W非瞬态地存储在本地和远程计算机存储 介质^者中，包括存储器存储设备。
[0214] 本披露的运些系统和方法可W利用计算机(例如，W微控制器的形式)来执行在此 描述的运些过程。该计算机的部件可W包括但不限于:计算机处理器、用作存储器的计算机 存储介质、W及包括该存储器在内的部件与计算机处理器的联接装置。微控制器是小型计 算机，包括含有处理器内核、非瞬态计算机存储介质(存储器）、W及可编程输入/输出外围 设备的单一集成电路，并且可W用作嵌入式系统。该微控制器存储器可W包括存储紧凑机 器代码形式的预编程软件的永久(非易失性）只读存储器(ROM)、W及用于临时数据存储的 易失性读写存储器。该微控制器还可W包括模数转换器(如果它所电子联接的光检测器W 模拟格式发送其亮度数据的话）W及用于控制例如LED指示灯的激活持续时间的可编程间 隔计时器。
[0215] 在本披露的说明中描述的运些不同过程可W被编码成存储器中的软件指令并且 由处理器来执行来实施执行过程。
[0216] 在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定 的术语旨在至少包括W类似方式起作用而实现类似结果的技术上和功能上的等效物。此 夕h在本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情形下，运些要素或步骤 可W用单一要素或步骤替代；同样地，单一要素或步骤可W用起到相同目的的多个要素或 步骤来替代。进一步，在本文针对本发明的实施例指定了多种不同特性的参数或其他值的 情况下，运些参数或值可 W 上下调整 1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、 9/10、19/20、49/50、99/100等等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等等）、或调 整其四舍五入近似值，除非另外指明。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了 本发明，但本领域技术人员应理解的是，可W对其在形式和细节上作出多种不同替代和更 改而不背离本发明的范围。又另外的其他方面、功能和优点也是在本发明的范围之内的;并 且本发明的所有实施例不必实现所有运些优点或者具有上文描述的所有特性。此外，本文 结合一个实施例所讨论的步骤、要素和特征可W同样地结合其他实施例来使用。本文全篇 引用的参考文献的内容(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)都W其全部内容通过 援引并入本文;并且来自运些参考文献中的适当的部件、步骤和特征可W包括在或可W不 包括在本发明的实施例中。还进一步地，背景部分中明确的部件和步骤是与本披露一体的 并且可W结合在本发明的范围内在本披露的其他地方描述的部件和步骤来使用、或代替运 些部件和步骤。在W具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中（为了方便引用而添加了或 未添加顺序性的前序字符），运些级不得解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非 用术语和短语另外指明或暗示出。
【主权项】
1. 一种用于操作逆流式热及质量同时交换装置的方法，该方法包括： 引导两种流体流以多个初始质量流速进入热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓 率的理想变化是不相等的； 在这些流体中测量以下状态变量中的至少一者:温度、压力和浓度，这些变量一起限定 了这两种流体流在进入和离开该装置的这些点处的热力学状态； 在以下位置中的至少一者处测量这些流体的流速：（a)进入该热及质量交换装置的点 以及(b)离开该热及质量交换装置的点;并且 改变这两种流体中的至少一者的流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想 变化更接近是相等的。2. 如权利要求1所述的方法，其中该热及质量交换装置是从经增湿的载气中使蒸气冷 凝的冷凝器。3. 如权利要求2所述的方法，其中该蒸气是水。4. 如权利要求1所述的方法，其中该热及质量交换装置是从液体给送料中使挥发性组 分汽化的增湿器。5. 如权利要求4所述的方法，其中该蒸气是水。6. 如权利要求5所述的方法，其中该液体给送料是选自油气提取中的回流水和生成水 中的至少一者。7. 如权利要求1所述的方法，进一步包括:基于所测量的状态变量和所测量的速率来计 算热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来改变这些流体中的至少一者的流速。8. 如权利要求7所述的方法，进一步包括:迭代计算该热容量比率并且如果该热容量比 率不在为1的指定误差容限之内，则改变该流速。9. 一种操作具有至少两个彼此流体地相联接的逆流式热及质量同时交换装置的网络 的方法，该方法包括： 使至少两种流体流以多个初始质量流速逆流地流动穿过这些热及质量交换装置，其中 这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的； 在这些流体流中测量以下状态变量中的至少一者:温度、压力和浓度，这些变量一起限 定了所有这些流体流在以下位置中的至少一者处的热力学状态：（a)进入这些热及质量交 换装置的点以及(b)离开这些热及质量交换装置的点； 在以下位置中的至少一者处测量这些流体的流速：（a)进入这些热及质量交换装置的 点以及(b)离开这些热及质量交换装置的点;并且 改变这些流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该至少两个热及质量交换装置中的 至少一者的这两种流体的总焓率的理想变化更接近是相等的。10. 如权利要求9所述的方法，其中这些热及质量交换装置包括增湿器和冷凝器，该方 法进一步包括： 在该增湿器中使挥发性组分从给送液体中汽化； 用载气将该汽化的挥发性组分输送至该冷凝器;并且 在该冷凝器中使该汽化的挥发性组分从该载气中冷凝出。11. 如权利要求10所述的方法，其中该挥发性组分是水。12. 如权利要求11所述的方法，进一步包括： (a)在该增湿器的中间级提取这些流体中的至少一者并且将所提取的流体注入该冷凝 器的中间级，或者(b)在该冷凝器的中间级提取这些流体中的至少一者并且将所提取的流 体注入该增湿器的中间级； 在所提取的流体穿过该增湿器与冷凝器之间时测量所提取的流体的选自温度、压力和 浓度中的至少一种特性； 在所提取的流体穿过该增湿器与冷凝器之间时测量所提取的流体的流速。13. 如权利要求12所述的方法，其中该增湿器和该冷凝器中的至少一者包括多个增湿 级或冷凝级，这些流体穿过这些级，并且其中该增湿器和该冷凝器中的至少一者中的中间 级是位于多个增湿级或冷凝级之间的。14. 如权利要求13所述的方法，其中这些增湿级或冷凝级包括泡罩塔，这些流体中的至 少一者通过这些泡罩塔起泡。15. 如权利要求11所述的方法，进一步包括:基于所测量的状态变量和所测量的速率来 计算热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来改变该载气和该给送液体中的至少一 者的流速。16. 如权利要求15所述的方法，进一步包括:迭代计算该热容量比率并且如果该热容量 比率不在1的指定误差容限之内，则改变该给送液体和该载气中的至少一者的流速。17. -种用于操作具有彼此流体地相联接的至少一个逆流式热及质量同时交换装置和 至少一个热交换装置的网络的方法，该方法包括： 使至少两种流体流以多个初始质量流速逆流地流动穿过该热及质量交换装置并且穿 过该热交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的； 测量以下状态变量中的至少一者:温度、压力和浓度，这些变量一起限定了所有这些不 同流体流在进入和离开该热及质量交换装置和该热交换装置的点处的热力学状态； 在进入和/或离开该热及质量交换装置和该热交换装置的点处测量这些流体的流速； 并且 改变这些流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该至少一个热及质量交换装置和该 至少一个热交换装置中的至少一者的这两种流体的总焓率的理想变化变得更接近是相等 的。18. 如权利要求17所述的方法，其中该热及质量交换装置是增湿器或冷凝器。19. 如权利要求18所述的方法，其中这些流体流中的至少一者包括(a)在该增湿器中从 该流体流中汽化得到的水、或(b)在该冷凝器中从该流体流中冷凝得到的水。20. -种增湿-除湿装置，包括： 增湿器，该增湿器包括载气入口、载气出口、给送液体入口、和盐水出口； 冷凝器，该冷凝器包括载气入口、载气出口、用于冷凝浴液体的液体入口、以及用于冷 凝浴液体和冷凝物的液体出口； 将该增湿器的载气出口与该冷凝器的载气入口相连接的载气导管； 多个传感器，这些传感器用于在该载气导管中、在该增湿器的载气入口处、以及在该冷 凝器的液体入口和出口处检测以下状态变量中的至少一者:温度、压力和浓度； 冷凝浴液体流速传感器，该冷凝浴液体流速传感器被配置成检测在该液体入口和该液 体出口中的至少一者处该冷凝浴液体的流速； 载气流速传感器，该载气流速传感器被配置成检测穿过该增湿-除湿装置的载气的流 速； 至少一个载气流量控制器，该载气流量控制器被配置成控制该载气导管中的载气流 量；以及 与处理器通信的、包括计算机可读存储器的自动化控制器，其中这些传感器和该流量 控制器是与该自动化控制器通信的，并且其中该计算机可读存储介质存储有软件代码以用 于由来自这些传感器的检测值计算出热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来生成 命令并将该命令发送至该载气流量控制器以便控制载气的质量流量。21. 如权利要求20所述的增湿-除湿装置，进一步包括： 与该冷凝器的液体入口相联接的第一液体导管； 与该冷凝器的液体出口相联接的第二液体导管； 多个传感器，这些传感器用于在该第一和第二液体导管中的至少一者中检测这些状态 变量中的至少一者；以及 用于控制穿过该冷凝器的冷凝浴液体的流量的液体流量控制器， 其中该软件代码包括指令，这些指令用于基于在该第一或第二液体导管中的至少一者 中检测到的状态变量来计算出热容量比率并且根据所计算出的热容量比率来生成命令并 将该命令发送至该液体流量控制器以便控制该冷凝浴液体的流量。22. 如权利要求21所述的增湿-除湿装置，其中该冷凝器和该增湿器中的至少一者包括 多个级，并且其中，至少一个用于检测状态变量的传感器被安装在多个级之间，该装置进一 步包括： 连接在该冷凝器和增湿器中间的中间交换导管； 用于在该中间交换导管中检测状态变量的传感器；以及 用于检测该中间交换导管中的流体的流速的流速传感器； 用于控制穿过该增湿器与冷凝器之间的中间交换导管的流体流量的流量控制器， 其中该软件代码包括指令，这些指令用于基于在该中间交换导管中检测的状态变量来 计算出热容量比率。
【文档编号】B01D1/14GK105980025SQ201480068492
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月18日
【发明人】普拉卡什·戈文丹, 马克西姆斯·圣约翰, 卡里姆·彻海耶博, 林嘉辉
【申请人】格雷迪安特公司