背景

在本世紀，淡水的短缺將超過作為人類全球關注的能量的短缺，并且這兩個挑戰(zhàn)有著密不可分的聯(lián)系，正如2010年5月20日一期的《經(jīng)濟學家》(The Economist)中“關于水的特別報道(Special Report on Water)”中所解釋的。淡水是人和其他生物體的最基本的需求之一；每個人每天需要消耗最少約兩升。全世界還面臨來自農(nóng)業(yè)和工業(yè)過程的更大的淡水需求。

供水不足造成的危害是極其緊迫的。淡水的短缺可能導致多種危機，包括饑荒、疾病、死亡、被迫大規(guī)模遷移、跨地區(qū)沖突/戰(zhàn)爭以及崩潰的生態(tài)系統(tǒng)。盡管有對淡水需求的緊急程度和短缺的深遠影響，淡水供應仍受到格外限制。地球上97.5％的水是咸水，并且其余部分中有約70％作為冰凍結(主要在冰蓋和冰川中)，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。

此外，地球上作為淡水并可供使用的水是不均勻分布的。例如，人口眾多的國家，如印度和中國，有很多受稀缺供應源影響的地區(qū)。再進一步，淡水供應往往季節(jié)性地不一致。同時，對淡水的需求在全球范圍內(nèi)逐漸緊張。水庫干涸；蓄水層下降；河流枯竭；并且冰川和冰蓋收縮。不斷增長的人口使需求增加，正如在農(nóng)業(yè)中的轉(zhuǎn)變和增長的工業(yè)化所造成的。氣候變化在許多地區(qū)造成甚至更大的威脅。因此，面臨水短缺的人數(shù)越來越多。然而，天然存在的淡水典型地被局限于區(qū)域性流域；并且水運輸是昂貴并且能量密集的。

另一方面，用于從海水(或在更低程度上，從半咸水)生產(chǎn)淡水的許多現(xiàn)有方法需要大量的能量。反滲透(RO)是目前領先的脫鹽技術。在大型工廠中，與理論最小值約1kWh/m³相比，在30％回收率下所要求的比電量(specific electricity)可以低到4kWh/m³；規(guī)模更小的RO系統(tǒng)(例如，船載的)效率更低。

其他現(xiàn)有的海水脫鹽系統(tǒng)包括基于熱能的多級閃急(MSF)蒸餾和多效蒸餾(MED)，兩者均是能量和資本密集型方法。然而，在MSF和MED系統(tǒng)中，最高鹽水溫度和熱量輸入的最高溫度受到限制以便避免硫酸鈣沉淀，硫酸鈣沉淀會導致在傳熱設備上形成硬垢。

增濕-除濕(HDH)脫鹽系統(tǒng)包括一個增濕器和一個除濕器作為其主要部件并且使用一種載氣(例如空氣)在熱源與鹽水之間傳送能量。這種技術的一種簡單型式包括一個增濕器、一個除濕器及一個用于加熱海水流的加熱器。在增濕器中，熱海水與干燥空氣直接接觸，并且該空氣被加熱并增濕。在除濕器中，使加熱并增濕的空氣與冷海水(間接)接觸并且得到除濕，從而產(chǎn)生純水和除濕的空氣。本發(fā)明人中有一些也被指定為以下專利申請的發(fā)明人，這些專利申請包括對HDH和用于純化水的其他方法的另外的討論：2009年9月4日提交的美國申請序列號12/554,726(公開為US 2011/0056822 A1；代理人案號mit-13607)；2009年10月5日提交的美國申請序列號12/573,221(公開為US 20110079504 A1；代理人案號mit-13622)；2011年2月15日提交的美國申請序列號13/028,170(代理人案號mit-14295)；以及2011年9月23日提交的美國申請序列號13/241,907(代理人案號mit-14889)；2012年2月7日提交的美國申請序列號61/595,732(代理人案號mit-14899pro)。

概述

在此描述了用于熱力學平衡的方法和設備。這些方法和設備的不同實施例可以包括以下描述的部分或全部的要素、特征以及步驟。

一種組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的熱力學不可逆性通過以下方式來降低：操縱沿著流體流動路徑交換熱量和質(zhì)量的流體流的流與流質(zhì)量流率比。在上述裝置中交換熱量和質(zhì)量的流可以是含有呈蒸汽狀態(tài)的一種可冷凝的組分的一種載氣混合物和包括呈液體狀態(tài)的一種可蒸發(fā)的組分的一種液體組合物。熱量和質(zhì)量通過以下方式從該載氣混合物傳遞或傳遞至該載氣混合物：與一種液體組合物直接或間接相互作用以經(jīng)由該可蒸發(fā)的組分從該液體組合物中蒸發(fā)或經(jīng)由該可蒸發(fā)的組分從該載氣混合物中冷凝來實質(zhì)性地改變該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量，從而產(chǎn)生一個載氣混合物流，該載氣混合物流具有的可蒸發(fā)的組分的濃度不同于在該熱量和質(zhì)量傳遞過程之前該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的濃度。該載氣混合物的質(zhì)量流率通過從該組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提或注入該載氣混合物來改變，和/或該液體組合物的質(zhì)量流率通過從該熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提或注入該液體組合物來改變；并且該載氣混合物或該液體組合物的流動在該組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中進行調(diào)節(jié)以降低該裝置中的最小局部焓夾點(pinch)。

在具體實施例中，在一種增濕-除濕(HDH)系統(tǒng)中通過操縱沿著該增濕器和該除濕器的流體流動路徑的流與流質(zhì)量流率比來降低熱力學不可逆性。在該增濕器中，熱量和質(zhì)量通過以下方式傳遞至該載氣混合物：與包含呈液體狀態(tài)的該可蒸發(fā)的組分作為其組分之一的一種液體組合物直接相互作用，以便經(jīng)由可蒸發(fā)的組分從該液體組合物中蒸發(fā)來實質(zhì)性地增加該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量。該載氣混合物然后從該增濕器被引導至一個除濕器，在該除濕器中熱量和質(zhì)量通過以下方式從該載氣混合物傳遞：與該液體組合物間接相互作用，從而減少該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量并且預熱該液體組合物。該載氣混合物的質(zhì)量流率通過從該增濕器中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提該載氣混合物并且在該除濕器中的一個相應位置處注入所抽提的載氣混合物來改變，和/或該液體組合物的質(zhì)量流率通過從該增濕器中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提該液體組合物并且在該除濕器中的一個相應位置處注入該液體組合物來改變；并且對在該增濕器和該除濕器中的流體流動路徑的中間位置之間的載氣混合物或液體組合物的流進行調(diào)節(jié)以便降低該除濕器中的平均局部焓夾點。

根據(jù)這些方法，在此定義了組合的熱量和質(zhì)量交換裝置的一個新穎的“焓夾點”。焓夾點(ψ)組合了流與流的溫差和濕度比差并且與該裝置的有效性直接相關。焓夾點的這一概念可以用于含有HME裝置的系統(tǒng)的熱力學分析中。在此還引入了具有零“殘余”不可逆性的一種完全并且持續(xù)平衡的熱量和質(zhì)量交換(HME)裝置的溫度和濕度比特征曲線的封閉型方程。發(fā)現(xiàn)與一種恒定的流與流溫差狀態(tài)相比，這種完全熱力學平衡狀態(tài)(在增濕器中和除濕器中)更接近一種恒定的局部濕度比差狀態(tài)。

通過在一個除濕器中連續(xù)注入質(zhì)量，該裝置中的熵產(chǎn)生可以被降低至不進行注入的一個裝置中的熵產(chǎn)生的1/4。通過單次注入，它可以被降低至3/5。在這些情況下，該液體組合物抑或該載氣混合物可以被注入到該除濕器中。

在此使用了這些觀察結果經(jīng)由在此提出的算法來設計用于具有連續(xù)抽提和注入的系統(tǒng)和具有不連續(xù)抽提和注入的系統(tǒng)兩者的熱力學平衡的HDH系統(tǒng)。具有一個完全平衡的增濕器的一種HDH系統(tǒng)的性能與具有一個完全平衡的除濕器的一種HDH系統(tǒng)的性能被發(fā)現(xiàn)是類似的。

當這些HME裝置具有一個適當?shù)牡挽蕣A點(ψ≤27kJ/kg干燥空氣)時，熱力學平衡被發(fā)現(xiàn)是特別有效的。在該增濕器和該除濕器中在非常低的焓夾點值(ψ≤7kJ/kg干燥空氣)下，發(fā)現(xiàn)具有無限次數(shù)的抽提和注入的連續(xù)平衡提供的結果比使用單次抽提和注入所獲得的結果好得多。在更高焓夾點值(7<ψ≤15kJ/kg干燥空氣)下，單次抽提和注入使總系統(tǒng)的熵產(chǎn)生減少與無限次抽提和注入類似的量。在甚至更高的焓夾點值(15<ψ≤27kJ/kg干燥空氣)下，單次抽提/注入勝過無限次抽提/注入，并且在ψ>27kJ/kg干燥空氣下，熱力學平衡對該HDH系統(tǒng)的性能沒有顯著影響。

這些方法和設備可以用于海水的脫鹽以及其他形式的水純化和抽提。另外地，這些方法和設備可以用于改進組合的熱量和質(zhì)量交換裝置(如氣體洗滌器、鼓泡塔反應器以及冷卻塔)的性能。

這些方法和設備還可以提供以下益處：更高的能量效率，即使在使用低級能量(而不是高溫蒸氣或電力)時；以及更低的能量成本并且因此更低的水生產(chǎn)成本。通過經(jīng)由質(zhì)量抽提和注入來使該增濕器或該除濕器熱力學平衡，可以減少能量消耗，并且可以在該系統(tǒng)的約束內(nèi)(例如，在大小或成本限制內(nèi))使由驅(qū)動溫差和濃度差的不平衡所引起的熵產(chǎn)生減至最少。此外，這些方法可以在具有一個100％有效的增濕器和除濕器的一種HDH系統(tǒng)中提供接近完全的熱力學可逆性。

本申請?zhí)峁┝艘韵聝?nèi)容：

(1)一種用于降低組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的熱力學不可逆性的方法，該方法包括：將一種載氣混合物的一個流引導穿過一個組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的一個流體流動路徑；使熱量和質(zhì)量通過以下方式從該載氣混合物傳遞或傳遞至該載氣混合物：與包括呈液體狀態(tài)的一種可蒸發(fā)的組分的一種液體組合物直接或間接相互作用，以便經(jīng)由使該可蒸發(fā)的組分從該液體組合物中蒸發(fā)或經(jīng)由使該可蒸發(fā)的組分從該載氣混合物中冷凝來實質(zhì)性地改變該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量，從而產(chǎn)生一個載氣混合物流，該載氣混合物流具有的可蒸發(fā)的組分的濃度不同于在該熱量和質(zhì)量傳遞過程之前該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的濃度；改變以下各項中的至少一項的質(zhì)量流率：(a)載氣混合物改變通過從該組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提或注入該載氣混合物進行；和(b)液體組合物的改變通過從該熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提或注入該液體組合物進行；并且調(diào)節(jié)在該組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的載氣混合物或液體組合物的流以便降低該裝置中的平均局部焓夾點。

(2)如項目(1)所述的方法，其中該裝置中的最小局部焓夾點是小于約27kJ/kg干燥空氣。

(3)如項目(1)所述的方法，該載氣混合物或該液體組合物的流是動態(tài)地改變的。

(4)如項目(1)所述的方法，其中該液體組合物被加熱至不超過該液體組合物中的結垢組分的沉淀溫度的一個溫度。

(5)如項目(1)所述的方法，其中該可蒸發(fā)的組分是水。

(6)一種用于降低增濕-除濕系統(tǒng)中的熱力學不可逆性的方法，該方法包括：將包含一種可蒸發(fā)的組分和一種載氣的一種載氣混合物的一個流引導穿過一個填充床增濕器中的一個流體流動路徑；將熱量和質(zhì)量通過以下方式傳遞至該載氣混合物：與包含呈液體狀態(tài)的可蒸發(fā)的組分作為其組分之一的一種液體組合物直接相互作用，以便經(jīng)由使可蒸發(fā)的組分從該液體組合物中蒸發(fā)來實質(zhì)性地增加該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量；將該載氣混合物從該增濕器引導至一個除濕器，其中熱量和質(zhì)量通過以下方式從該載氣混合物傳遞：與在該除濕器中的一個流體流動路徑中的液體組合物間接相互作用，從而減少該載氣混合物中的可蒸發(fā)的組分的含量并且預熱該液體組合物；改變以下各項中的至少一項的質(zhì)量流率：(a)載氣混合物的改變通過從該增濕器中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提該載氣混合物并且在該除濕器中的一個相應位置處注入該抽提的載氣混合物進行；和(b)液體組合物的改變通過從該增濕器中的流體流動路徑中的至少一個中間位置抽提該液體組合物并且在該除濕器中的一個相應位置處注入該液體組合物進行；并且調(diào)節(jié)在該增濕器和該除濕器中的這些流體流動路徑的多個中間位置之間的載氣混合物或液體組合物的流以便降低該除濕器中的平均局部焓夾點。

(7)如項目(6)所述的方法，其中該增濕器和該除濕器以小于約27kJ/kg干燥空氣的一個最小焓夾點運行。

(8)如項目(6)所述的方法，其中該載氣混合物或該液體組合物的這些抽提和注入沿著在該增濕器中和該除濕器中的這些流體流動路徑中的多個中間位置之間延伸的一個或多個離散的導管發(fā)生。

(9)如項目(6)所述的方法，其中在該增濕器中和該除濕器中的這些流體流動路徑之間的載氣混合物或液體組合物的這些抽提和注入沿著跨過該增濕器中和該除濕器中的這些流體流動路徑的大多數(shù)連續(xù)地延伸的多個中間位置發(fā)生。

(10)如項目(6)所述的方法，其中該增濕器和該除濕器以一種熱力學平衡狀態(tài)運行，相較于一種恒定的流與流溫差狀態(tài)，該熱力學平衡狀態(tài)更接近于一種恒定的局部濕度比差狀態(tài)。

(11)如項目(6)所述的方法，其中多個中間位置之間的載氣混合物或液體組合物的流率是動態(tài)地改變的。

(12)如項目(6)所述的方法，其中該液體組合物被加熱至不超過該液體組合物中的結垢組分的沉淀溫度的一個溫度。

(13)如項目(12)所述的方法，其中該增濕器和該除濕器的壓力是基于在該液體組合物的溫度下水的蒸汽壓來選擇并確立的。

(14)如項目(13)所述的方法，其中該液體組合物被加熱至不大于65℃的一個溫度。

(15)如項目(12)所述的方法，其中這些結垢組分包括硫酸鈣和硫酸鎂中的至少一種。

(16)如項目(12)所述的方法，其中這些結垢組分包括碳酸鈣和碳酸氫鈣中的至少一種。

(17)如項目(6)所述的方法，其中該可蒸發(fā)的組分是水。

(18)如項目(1)所述的方法，其中該裝置是在低于大氣壓的一個壓力下運行。

(19)如項目(6)所述的方法，其中該系統(tǒng)是在低于大氣壓的一個壓力下運行。

附圖簡要說明

圖1是具有濕空氣流的質(zhì)量抽提和注入的一種水加熱的空氣封閉式露天水增濕-除濕脫鹽系統(tǒng)的示意圖。

圖2是表示除濕過程的溫度對比焓的圖，該圖突出了可以通過流體流(Δh_max,c和Δh_max,h)和末端焓夾點(ψ_c和ψ_h)各自實現(xiàn)的焓率(每kg干燥空氣)的最大變化。

圖3是除濕過程的溫度對比焓的圖，該圖突出了在任何給定位置處的“理想焓的損失”或焓夾點(ψ_局部)作為HME裝置中的局部有效性的量度。

圖4是表示增濕過程并且突出在一個中間位置處而不是在一個末端位置處出現(xiàn)的“夾點”的溫度對比焓的圖。

圖5是局部焓夾點值(ψ_局部)相對于總體焓夾點(ψ)的曲線，說明了在控制體積平衡的情況下除濕器中注入的作用。

圖6是示出在T_a＝20℃；T_e＝70℃；ψ_deh＝20kJ/kg干燥空氣；HCR＝1下評估的注入對除濕器中的不可逆性的影響的曲線。

圖7是在通過連續(xù)注入進行的完全熱力學平衡的情況下一個除濕器中的溫度特征曲線的曲線。

圖8是在通過連續(xù)注入進行的完全熱力學平衡的情況下一個除濕器中的濕度比特征曲線的曲線。

圖9繪制了表示在無抽提或注入情況下的HDH系統(tǒng)的溫度特征曲線，其中邊界條件是T_a＝20℃；T_c＝80℃；ψ_deh＝ψ_hum＝20kJ/kg干燥空氣。

圖10繪制了表示在連續(xù)注入以使除濕器完全平衡的情況下的HDH系統(tǒng)的溫度特征曲線，其中邊界條件是T_a＝20℃；T_c＝80℃；ψ_deh＝ψ_hum＝20kJ/kg干燥空氣。

圖11繪制了表示在連續(xù)注入以使增濕器完全平衡的情況下的HDH系統(tǒng)的溫度特征曲線，其中邊界條件是T_a＝20℃；T_c＝80℃；ψ_deh＝ψ_hum＝20kJ/kg干燥空氣。

圖12繪制了表示在單次抽提和注入情況下的HDH系統(tǒng)的溫度特征曲線，其中邊界條件是T_a＝20℃；T_c＝80℃；ψ_deh＝ψ_hum＝20kJ/kg干燥空氣。

圖13提供了通過無限次抽提使增濕器完全熱力學平衡與通過無限次抽提使除濕器完全熱力學平衡的HDH系統(tǒng)的性能的比較；邊界條件如下：T_a＝20℃；sal＝35g/kg；T_c＝80℃；N＝∞；HCR_deh＝1。

圖14示出在HDH中使增濕器抑或除濕器完全熱力學平衡的情況下總系統(tǒng)不可逆性降低，其中邊界條件如下：T_a＝20℃；sal＝35g/kg；T_c＝80℃；ψ_deh＝ψ_hum＝20kJ/kg干燥空氣；HCR_deh＝1或HCR_hum＝1。

圖15示出了抽提/注入(針對熱力學平衡)的次數(shù)對含有限大小及無限大小的HME裝置的HDH系統(tǒng)的性能的影響，其中邊界條件如下：T_a＝20℃；sal＝35g/kg；T_c＝80℃；HCR_deh＝1。

圖16示出了抽提對總系統(tǒng)不可逆性的影響，其中邊界條件如下：T_a＝20℃；sal＝35g/kg；T_c＝80℃；ψ_deh＝ψ_hum＝20kJ/kg干燥空氣；HCR_deh＝1。

在隨附圖式中，相同的參考符號在不同視圖中指代相同或相似的零件；并且撇號用于區(qū)別共用相同參考數(shù)字的相同或相似項目的多個實例。附圖不一定按比例制作，重點反而在于闡明如下討論的詳細原理。

詳細說明

從這項或這些發(fā)明在更廣泛的范圍內(nèi)的不同概念和具體實施例的以下更詳細的描述中，這項或這些發(fā)明的不同方面的上述的和其他的特征和優(yōu)點將是顯而易見的。上文介紹的和下文更詳細討論的本主題的不同方面可以按多種方式中的任一種實施，因為本主題并不局限于任何特定的實施方式。提供特定實施和應用的實例主要是為了說明的目的。

除非在此另外定義、使用或特征化，否則在此使用的術語(包括技術和科學術語)應被解釋為具有與它們在相關領域背景下所接受的含義一致的含義，并且不應以理想化或過于正式的意義進行解釋，除非在此明確如此定義。舉例來說，如果提及一種特定組合物，那么該組合物可能是基本上純，但不是完美地純，因為實際且不完美的現(xiàn)實情況可能適用；例如，可能存在的至少痕量的雜質(zhì)(例如，小于1％或2％，其中在此表達的百分比或濃度可以按重量抑或按體積計)可以被理解為在描述的范圍內(nèi)；同樣地，如果提及一種特定形狀，那么該形狀旨在包括與理想形狀的不完美的偏差，例如歸因于制造公差。

盡管術語第一、第二、第三等在此可能被用于描述不同要素，但這些要素并不受限于這些術語。這些術語只是用于將一個要素與另一個要素區(qū)分開來。因此，下面討論的一個第一要素可以被稱為一個第二要素，而沒有脫離示例性實施例的傳授內(nèi)容。

空間相關的術語，如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前”、“后”等可能在此被使用以便于描述一個要素與另一個要素的關系，如圖中所示出。應理解，除在此描述和在圖中描繪的取向外，這些空間相關的術語以及所示出的配置旨在涵蓋正在使用或運行的設備的不同取向。例如，如果翻轉(zhuǎn)圖中的設備，那么描述為位于其他要素或特征“下方”或“下”的要素則將取向成位于其他要素或特征“上方”。因此，示例性術語“上方”可以涵蓋上方和下方的取向兩者。該設備可能另外取向(例如，旋轉(zhuǎn)90度或其他取向)，并且在此使用的空間相關的敘述語被作相應地解釋。

此外，在本披露中，當一個要素被稱為是“在之上”、“連接到”或“聯(lián)接到”另一個要素上時，它可以直接在之上，連接或聯(lián)接到其他要素或者可以存在中介元素，除非另有規(guī)定。

在此使用的術語是用于描述具體實施例的目的，并且并不旨在限制示例性實施例。如在此所使用，單數(shù)形式，如“一個(a和an)”也打算包括復數(shù)形式，除非上下文另有指示。此外，術語“包括(includes)”，“包括(including)”、“包含(comprises)”和“包含(comprising)”指定所陳述的要素或步驟的存在，但不排除一個或多個其他要素或步驟的存在或添加。

命名法：

首字母縮略詞：

GOR＝增益輸出比

HDH＝增濕除濕

HE＝熱交換器

HME＝熱量和質(zhì)量交換器

TTD＝末端溫差

符號：

g＝比吉布斯能量(J/kg)

h＝比焓(J/kg)

h*＝比焓(J/kg干燥空氣)

h_fg＝比蒸發(fā)焓(J/kg)

HCR＝HME裝置的基于控制體積的改進的熱容率比

m_r＝水與空氣的質(zhì)量流率比

N＝抽提/注入的次數(shù)

P＝絕對壓力(Pa)

RR＝回收率(％)

sal＝給水鹽度(g/kg)

T＝溫度(℃)

希臘語：

Δ＝差或變化

ε＝基于能量的有效性

ψ＝焓夾點(kJ/kg干燥空氣)

ψ_TD＝末端焓夾點(kJ/kg干燥空氣)

η_tvc＝TVC的可逆夾帶效率

η_e＝膨脹器的等熵效率

ω＝絕對濕度(kg水蒸汽/kg干燥空氣)

下標：

a＝濕空氣

c＝冷流

deh＝除濕器

da＝干燥空氣

h＝熱流

hum＝增濕器

HE＝熱交換器

in＝進入

int＝水-蒸汽界面

max＝最大

local＝局部限定的

out＝離開

pw＝純水

rev＝可逆的

w＝海水

熱力學狀態(tài)：

a＝進入除濕器的海水

b＝離開除濕器的預熱的海水

c＝從鹽水加熱器進入增濕器的海水

d＝離開增濕器的鹽水廢棄物

e＝進入除濕器的濕空氣

ex＝濕空氣狀態(tài)，在該狀態(tài)下質(zhì)量抽提和注入是在單次抽提情況下進行

f＝進入增濕器的相對干燥的空氣

g＝在除濕器中的一個任意中間位置處的空氣

i＝在除濕器中的一個任意中間位置處的海水

在此描述的方法和設備可以用于以一種能量有效的方式從一種液體組合物(包括但不限于海水、半咸水及廢水)分離基本上純的水。這種方法可以用于稱為增濕-除濕脫鹽(HDH)的技術中。本發(fā)明人團隊的成員已提交了描述對HDH技術的改進的先前專利申請，包括已公開為US 2011/0056822 A1，“在減壓下進行的水分離(Water Separation Under Reduced Pressure)”和US 2011/0079504 A1，“在變化的壓力下進行的水分離(Water Separation Under Varied Pressure)”的那些。那些專利申請中描述的不同設備和方法可以與在此描述的設備和方法組合使用以便例如進一步改進HDH系統(tǒng)的能量效率。

在此描述的這些方法可以使沿著一個增濕器和/或除濕器的流體流動路徑的驅(qū)動熱力學勢(即，局部溫差和/或濃度差)平衡以便減少HDH系統(tǒng)中產(chǎn)生的熵。這種平衡能夠進而增加從除濕器回收至增濕器的熱量并且能夠減少每單位量脫鹽的水所消耗的能量。該設計利用了以下基本觀察結果：存在水與空氣質(zhì)量流率比的單個值(對于任何給定的邊界條件和部件有效性或固定硬件配置)，在該值下系統(tǒng)性能最優(yōu)。

設備的說明：

在圖1中示出了具有質(zhì)量抽提和注入的HDH系統(tǒng)的一個實施例的說明。如圖1中所示，在利用液體組合物加熱的一個增濕-除濕循環(huán)中，一種載氣(如空氣)通過例如一個閉合回路系統(tǒng)中在一個增濕器12與一個除濕器14之間的氣體導管16和18循環(huán)。增濕器12和除濕器14具有一種模塊化構造(即，多個分開的零件)并且是彼此基本上熱分離的。該增濕器和除濕器特征化為“基本上熱分離的”應被理解為被構造成有很少或沒有直接傳導性熱傳遞在該設備的增濕腔室與除濕腔室之間通過，但是這種特征化并不排除經(jīng)由這些腔室之間的氣體和/或液體流動進行的熱能傳遞。這種“基本上熱分離”特征化由此將該設備與例如一種露點蒸發(fā)設備區(qū)分開來，該露點蒸發(fā)設備包括在增濕器與除濕器之間的一個共用的熱傳遞壁。在本披露的設備中，增濕器12和除濕器14不共用任何公共壁，這些公共壁將會促進其間的傳導性熱傳遞。

相反，熱能主要經(jīng)由氣體和液體的質(zhì)量流在這些腔室之間傳遞。氣體是使用熱的不純水(即，液體組合物—例如，呈一種鹽水溶液形式)在增濕器12的增濕腔室20中進行增濕，該熱的不純水從增濕器12的頂部處的一個或多個噴嘴22噴射，同時該氣體在一個逆流方向上移動(向上穿過增濕腔室20，如圖示)，從而經(jīng)由水從液體組合物中蒸發(fā)至載氣流中(例如，該水的約5％至10％)來顯著增加該氣體中的水蒸汽含量(例如，使水蒸汽含量增加至少50％)。該液體組合物的殘余部分(未在增濕腔室20中蒸發(fā)的部分)匯集在腔室20的底部并且通過一個液體混合物輸出導管30排出。

可以通過將一個真空泵50聯(lián)接到增濕腔室20和除濕腔室24兩者上來確立亞大氣壓?？商娲兀梢酝ㄟ^將一個液體混合物槽聯(lián)接到導管30上并且將一個純水槽聯(lián)接到導管32上(其中兩個槽定位在腔室20和24下方)以便經(jīng)由作用于液體上的重力產(chǎn)生壓頭來產(chǎn)生一個靜壓頭；這種配置在公開的美國專利申請?zhí)?011/0056822 A1中有進一步描述并說明。增濕腔室20和除濕腔室24兩者中的亞環(huán)境大氣壓可以是基本上相同的，并且可以例如比環(huán)境大氣壓低至少10％，例如，為90kPa或更??；或者在具體實施例中，為70kPa或更?。换蛘咴诟唧w的實施例中在10與60kPa之間。

增濕器和除濕器的壓力可以基于在液體組合物的溫度下水的蒸汽壓來選擇并確立。

增濕腔室20可以填充有一種呈例如聚氯乙烯(PVC)填料形式的填充材料56以便促進載氣與液體混合物之間的湍流氣體流動和增強的直接接觸。該增濕器(和該除濕器)的主體可以例如由不銹鋼形成，并且是基本上蒸汽不可滲透的；由例如環(huán)氧樹脂密封劑、墊片、O形環(huán)、焊接或類似技術形成的密封件被設置在該增濕器的蒸汽和水輸入和輸出處以及每個模塊化部件和鄰接導管的界面處以便維持該系統(tǒng)中的真空。在一個實施例中，增濕腔室20基本上呈圓柱形，并且高度為約1.5m并且半徑為約0.25m。

載氣的增濕通過以下方式來實現(xiàn)：將液體混合物從一個或多個噴嘴22噴射到在增濕器12的頂部處的一個噴霧區(qū)中，然后使其穿過一種填充材料56并且向下穿過一個雨區(qū)到達在該腔室底部處的收集的液體混合物的一個表面46，同時該載氣向上移動穿過增濕腔室20(如圖示)，并且與該液體混合物相接觸(特別是在填充材料56的床層中)，由此將來自該液體混合物的水蒸汽添加至該載氣中。

然后將增濕的載氣從增濕器12通過一個導管16引導至除濕器14，在該除濕器中該載氣在一個除濕腔室24中進行除濕，該除濕是使用經(jīng)由泵54通過一個液體混合物輸入導管26并通過除濕腔室24內(nèi)部的一個螺旋形導管28泵送的冷液體組合物進行的，從而允許熱量從該氣體傳遞至除濕器14內(nèi)部的液體組合物。因此，該氣體中的水蒸汽在螺旋形導管28上冷凝并且作為基本上純的水收集在除濕腔室24底部處的一個水池48中。所收集的純水然后可以通過一個純水輸出導管32從除濕器14移除，以例如用作飲用水、用于灌溉作物、用于洗滌/清潔、用于烹飪等。該載氣可以經(jīng)由末端導管16和18在該增濕器與該除濕器之間自然地或通過使用一個風扇循環(huán)。如果使用一個風扇進行氣體循環(huán)，那么該風扇可以通過一個光伏太陽能電池板或一個風力渦輪機供能，并且該風扇可以被放置在頂部氣體導管16中或底部氣體導管18中。

在除濕器14中初步加熱之后，該液體組合物經(jīng)由一個液體組合物導管34被傳至增濕器12?？梢栽趯Ч?4中或沿著該導管包括一個加熱器36以便在該液體組合物進入增濕器12之前對其進一步加熱。加熱器36可以使用一個太陽能源(例如，該加熱器可以呈一個太陽能收集器的形式)和/或可以使用任何廢熱源(例如，使用由其他附近的機器或由一種發(fā)電設備產(chǎn)生的廢熱)來加熱該液體組合物。在具體實施例中，對該液體組合物的加熱進行限制以防止由于超過該液體組合物中的結垢組分(例如，硫酸鈣、硫酸鎂、碳酸鈣和/或碳酸氫鈣)的沉淀溫度所導致的該設備中的結垢。

例如，液體組合物可以被加熱至不大于65℃的一個溫度。

在這個過程中，增濕器12和除濕器14兩者內(nèi)部的壓力降低至低于大氣壓(即，在該增濕器和該除濕器周圍的大氣的環(huán)境壓力，例如在海平面處低于約101kPa)，與在環(huán)境大氣壓下運行的先前增濕-除濕脫鹽過程形成對比。隨著增濕器12內(nèi)部的壓力降低，該增濕的氣體攜帶更多水蒸汽的能力增加，從而當該氣體在除濕器14中進行除濕時使純水的產(chǎn)生增加。這種增加的水蒸汽輸送能力可以通過濕度比(即，濕空氣中的水蒸汽質(zhì)量與干燥空氣質(zhì)量的比率)來解釋，因為該比率在低于大氣壓的壓力下更高。例如，在干球溫度為60℃的空氣(作為載氣)的情況下，在50kPa下的飽和濕度比要比在大氣壓下高出大約150％。

經(jīng)由氣體導管60、62以及64提供一種多次抽提配置，其中從增濕器12中的多個不同中間位置抽提氣體并且將該氣體進給至除濕器14中的相應的不同中間位置，從而允許氣體質(zhì)量流的操縱、設備的熱平衡以及更高的熱量回收。這些“相應的”位置表示在對應腔室中的位置，在這些位置處，所抽提的流體流的溫度和蒸汽濃度與該抽提的流注入其中的流體流的溫度和蒸汽濃度是相似的(如果不是相等的)(例如，在1℃和1％內(nèi))。這種“相應的”位置用于避免被特征化為混合的不可逆性的損失。當具有不同平衡狀態(tài)的兩個流混合時，可能需要一個高度不可逆的過程來使這些流達到熱平衡，從而引起較大熱力學損失。

可以通過在導管60、62、64中的變頻控制風扇66來驅(qū)動氣流穿過導管60、62以及64。應抽提穿過每個導管60/62/64氣體的速率強烈地取決于工作條件，并且該速率可以通過以下方式來進行控制：通過改變從一個電壓源供應至變速風扇66的電壓來調(diào)節(jié)風扇66的速度，或通過調(diào)節(jié)抽提導管60、62、64中的壓降(例如，通過使用在該導管中的一個可調(diào)節(jié)閥并通過控制該閥以使穿過該導管的通道的直徑膨脹或收縮)。在具體實施例中，載氣混合物(或液體組合物)的流速可以在該過程期間動態(tài)地改變(增加或減少)。

因此，載氣混合物或液體組合物的這些抽取和注入可沿著在增濕器中和除濕器中的這些流體流動路徑中的多個中間位置之間延伸的一個或多個離散的導管發(fā)生。在另一個實施方式中，在增濕器中和除濕器中的這些流體流動路徑之間的載氣混合物或液體組合物的這些抽提和注入可沿著跨過該增濕器中和該除濕器中的這些流體流動路徑的大多數(shù)連續(xù)地延伸的多個中間位置發(fā)生。

圖1的上述系統(tǒng)是一種水加熱的空氣封閉式露天水系統(tǒng)，該系統(tǒng)從增濕器12至除濕器14中具有三次空氣抽提。導管26、34以及30中的狀態(tài)a至d用于表示液體流的不同狀態(tài)，并且導管16和18中的狀態(tài)e和f表示在除濕之前和之后的濕空氣的不同狀態(tài)。基于由G.P.Narayan等人，“太陽能驅(qū)動的增濕-除濕脫鹽用于小規(guī)模分散化水生產(chǎn)的潛力(The Potential of solar-driven humidification-dehumidification desalination for small-scale decentralized water production)”，《可再生與可持續(xù)能源綜述》(Renewable and Sustainable Energy Reviews)，第14卷，第1187-1201頁(2010)列出的HDH的不同分類，存在該系統(tǒng)的幾種其他實施例。

組合的熱量和質(zhì)量傳遞裝置中的熱平衡：

“控制體積”平衡：

為了理解HME裝置中的熱力學平衡，首先考慮一個熱交換器的更簡單的情況。在無限大熱傳遞面積的極限情況中，這一裝置中的熵產(chǎn)生率是由所謂的熱不平衡或殘余不可逆性所致，這與使得交換熱的這些流的熱容率不相等的條件相關聯(lián)。換言之，一個熱交換器(具有恒定的流體流熱容量)據(jù)稱在熱容率比為一時是熱“平衡的”(具有零殘余不可逆性)。這種熱力學平衡概念對于熱交換器來說為熟知的，最近被擴展至HME裝置。

為了定義HME裝置中的一種熱“平衡的”狀態(tài)，通過與熱交換器類比將關于組合的熱量和質(zhì)量交換的一個改進的熱容率比定義為冷流的總焓率的最大變化與熱流的總焓率的最大變化的比率。這些最大變化是通過定義任一流可以在該裝置的出口處達到的理想狀態(tài)來定義的。例如，一個冷流可以在該出口處達到的理想狀態(tài)將是在該熱流的入口溫度；并且一個熱流可以在該出口處達到的理想狀態(tài)將是在該冷流的入口溫度。

在固定的入口條件和有效性下，如上所示，一種組合的熱量和質(zhì)量交換裝置的熵產(chǎn)生在該改進的熱容率比(HCR)等于一時減至最少。此外，對于一個固定的熱傳遞速率、冷凝速率以及HME大小來說，當該HCR接近一時，一個除濕器中的熵產(chǎn)生接近最小值。因此，可以認為HCR為一時定義了HME裝置的平衡狀態(tài)，而不管它是一個固定有效性還是一個固定硬件條件。然而，這是一種“控制體積”平衡狀態(tài)，其中設計不包括質(zhì)量抽提和注入。下面，通過改變沿著工藝路徑的水與空氣質(zhì)量流率比，將該控制體積概念擴展至HME裝置中的完全熱力平衡。

焓夾點：用于定義HME裝置的性能的新穎參數(shù)：

為了清楚地觀察同時進行的熱量和質(zhì)量傳遞過程，在圖2中提供一個除濕器的溫度對比焓的近似曲線，其中從e至f的路徑70表示用于濕空氣的除濕的工藝路徑，并且從a至b的路徑72表示用于通過海水流進行能量捕獲的工藝路徑。點f’和b’表示濕空氣和水流在除濕器具有無限大小的情況下將對應地達到的假定理想狀態(tài)。因此，h^＊|_f-h^＊|_f'(表示為ψ_h)和h^＊|_b'-h^＊|_b(表示為ψ_c)是由于具有一個“有限大小的”HME裝置所致的焓率的損失(每單位量在該系統(tǒng)中循環(huán)的干燥空氣)。這種損失無法在一種控制體積平衡的條件下(在不增加與該裝置中的熱和質(zhì)量傳遞相關聯(lián)的面積的情況下)通過該裝置的熱平衡來減少。對于一個給定裝置，這種損失表示該裝置的能量有效性(ε)并且與交換器有效性的常規(guī)定義直接相關。這種針對一個熱量和質(zhì)量交換器的有效性的定義給定如下：

總焓率的最大變化是冷流和熱流的總焓率的最大變化中的最小值。

有利的是，通過流動穿過該系統(tǒng)的干燥空氣的量對焓率進行歸一化以易于表示焓對比溫度的圖中的熱力學過程。使用這一概念，從方程(2)通過將分子和分母除以干燥空氣的質(zhì)量流率導出以下方程。

Ψ_TD是由于具有一個“有限大小的”HME裝置所引起的在末端位置處的焓率損失并且定義如下：

在一個熱交換器的情況下，Ψ_TD類似于最小末端流與流溫差(TTD)。假定熱流是最小熱容量流，一個熱交換器的有效性的方程可以如以下所提供來導出(方程8和方程9)。

擴展至冷流為最小熱容流的情況是類似的。通過比較方程5和方程9，類推是清楚的。

TTD在熱力學分析很少用于定義一個熱交換器的性能；而溫度夾點是通常使用的參數(shù)。區(qū)別在于溫度夾點是在熱交換器中的任何點處而不僅僅是在末端位置處的最小流與流溫差。如同溫度夾點一樣，Ψ可以被定義為在該交換器中的任何點處而不僅僅是在末端位置處由于一個有限的裝置大小所致的焓率的最小損失。這種最小損失是如圖3中所示，通過考慮由僅兩種狀態(tài)(g表示空氣并且i表示水)表示的無限小的控制體積來達成?？梢詫⑦@些真實狀態(tài)各自的理想狀態(tài)定義為g’和i’。在該位置處的局部Ψ可以被定義為最小h|_i’-h|_i(表示為Ψ₂)和h|_g-h|_g’(表示為Ψ₁)。因此，Ψ的一般定義將是如下：

因此，基于這一部分中提出的論證，一個HME裝置的Ψ類似于一個HE的溫度夾點，并且它可以被稱為“焓夾點”。由于存在濃度差作為HME裝置中質(zhì)量傳遞的驅(qū)動力，故可能有利的是當定義該裝置的性能時，不使用一個溫度夾點或一個末端溫差。

能量有效性是HE和HME的另一種常用的性能度量。然而，能量有效性是一個控制體積參數(shù)并且僅考慮末端差異。為了針對平衡進行設計，考慮局部差異?？紤]一個增濕過程的溫度特征曲線，如圖4中所示，“夾”點74不會出現(xiàn)在末端位置處而是在一個中間點處。如果通過能量有效性定義該裝置的性能，那么這種行為未被捕獲。在極端情況下，增濕器的較高有效性值可以導致一種內(nèi)部溫度和濃度交叉。使用Ψ不會出現(xiàn)這個問題，因為它是一個局部參數(shù)并且因此被用于定義在此的HME裝置(增濕器和除濕器)的性能。

基于質(zhì)量抽提和/或注入的平衡：

如以上所描述，改進的熱容率比的值為一界定了在無抽提的情況下控制體積的一種熱平衡狀態(tài)。對于這種情況，HCR在該裝置的所有位置處均不等于一。在質(zhì)量抽提或注入的情況下，可以改變水線72的斜率，這樣使得HCR在整個裝置中是一。這是使該HME裝置完全平衡的工作條件。依據(jù)Ψc和Ψh來改寫HCR的表達式以便理解這一概念。

當對于控制體積，HCR＝1時，Ψ_TD,c＝Ψ_TD,h；當在所有位置處HCR＝1時，Ψ＝常數(shù)。

為了改變水與空氣質(zhì)量流率比以使得在該裝置中的每個位置處HCR＝1(或相反地，在每個點處Ψ＝常數(shù))，可能需要在每個點處進行抽提或注入(即，抽提和/或注入的次數(shù)接近無窮大)。將這稱為“連續(xù)熱力學平衡”。雖然連續(xù)熱力學平衡在理解具有質(zhì)量抽提和注入的系統(tǒng)方面具有理論意義，但在實踐中它可能難以實現(xiàn)。因此，在此還評估了用有限次數(shù)的抽提/注入使一個HME裝置平衡。

如通過觀察圖2和圖3可以理解，在無注入的一個“控制體積”平衡的除濕器中，局部Ψ最小值是在兩個末端位置處(還參見方程13)；并且在所有中間點處，Ψ更高。這是由溫度-焓圖的性質(zhì)造成，如在下文更詳細地論述。控制體積平衡的情況中Ψ的局部變化在圖5中示出。在圖5(以及在此的其他地方)中，每kg干燥空氣的比焓(用于描述圖2和圖3中的控制體積位置)通過總熱負荷(Δh*)進行歸一化。如可以從圖5中觀察到，單次注入(N＝1)使Ψ在一個中間位置處為最小值(或者相反地使HCR在該位置和兩個末端位置處等于1)，如由曲線76所示。在注入次數(shù)接近無窮大(N≈∞)的情況下，如由曲線78所示，Ψ的局部值在該裝置的整個長度上可以是最小的并且恒定的(方程14)?？諝庾⑷氲姆较蚴沁M入除濕器中。因為改變了水與空氣質(zhì)量流率比來使該裝置平衡(而不是改變個別的質(zhì)量流率)，所以可以等效地從(逆流)除濕器注入水。

圖6示出連續(xù)和單次抽提/注入對除濕器中的總不可逆性的影響。每單位量冷凝水所產(chǎn)生的熵在用連續(xù)抽提/注入的情況下被減少至四分之一并且在用單次抽提/注入的情況下被減少至3/5。這一結果代表一種最優(yōu)情況。這種大幅減少證明了熱力學平衡對于熱量和質(zhì)量交換器的重要性。

連續(xù)熱力學平衡的函數(shù)形式：

考慮方程14，可以表達關于一個完全平衡的除濕器和增濕器中的流體流的溫度和濕度比特征曲線的封閉型表達式(方程15-20)。如果空氣的工藝路徑(以一個焓-溫度圖表示)遵循函數(shù)ξ(方程15)，那么質(zhì)量流率比在除濕器中變化，這樣使得海水工藝路徑是相同的焓函數(shù)，但偏移方程17。在濕度特征曲線中也遵循焓的類似偏移(方程16和方程18)。

Ta＝ξ(h*) (15)

ω＝η(h*) (16)

Tω＝ξ(h*-ψ) (17)

ωint＝η(h*-ψ) (18)

具有連續(xù)注入的一個除濕器的溫度和濕度特征曲線的一個實例對應地在圖7和圖8中示出。從圖7和圖8中可以觀察到具有連續(xù)質(zhì)量注入(使得在整個裝置中HCR＝1)的除濕器具有接近于恒定驅(qū)動濕度差而不是恒定溫差的特征曲線。驅(qū)動濕度差被計算為本體空氣流80的局部濕度比(在整體溫度下評估的)與界面82的濕度比(在界面溫度下評估為飽和的)的差異。這是一個重要的結論，并且它還可以使我們得出以下結論：僅針對溫差的平衡(如由已知的先前研究所進行的)將不會導致熱力學最優(yōu)。

對于一個完全平衡的增濕裝置，概念是類似的對于由方程15和方程16表示的濕空氣線來說，增濕器水線將由以下給出：

T_w＝ξ(h*+Ψ) (19)

ω_int＝η(h*+Ψ) (20)

完全抽提/注入特征曲線可以通過僅改變水與空氣質(zhì)量流率比來獲得。這可以通過從HME裝置連續(xù)抽提空氣抑或水(或兩者)或?qū)⒖諝庖只蛩?或兩者)連續(xù)注入HME裝置中來進行。

HDH系統(tǒng)的建模：

在這一部分中，將針對HME裝置開發(fā)的熱力學平衡的概念應用于HDH系統(tǒng)設計。在圖1中示出在研究中的系統(tǒng)的一個實施例。

無抽提/注入的系統(tǒng)：

在圖9中示出無抽提/注入的HDH系統(tǒng)(圖1中所示)的溫度-焓圖?？諝獾墓に嚲€70由增濕器和除濕器中的飽和線e-f表示。在HDH系統(tǒng)的性能計算中由于空氣沿其工藝路徑始終飽和的近似性所致的不確定性較小并且在下面詳細地討論。海水工藝線在除濕器中由a-b(72)、在加熱器中由b-c(72’)并且在增濕器中由c-d(72”)表示。

以下說明使用最高鹽水溫度、給水溫度以及部件焓夾點作為輸入變量來設計本系統(tǒng)的詳細算法。

對于沒有抽提/注入(N＝0)的系統(tǒng)，遵循以下步驟：

1)選取總熱負荷(Δh*)的一個值；

2)繪制一個飽和空氣溫度特征曲線[T＝ξ(h*)]；

3)繪制在兩端均滿足ψ的一個線性除濕器溫度特征曲線；

4)將總焓范圍分成多個較小的相等控制體積(CV)；

5)從這些較小控制體積之一中的海水特性計算Δs_w,1(每kg海水)；

6)用圖解法計算Δs_w,2(每kg干燥空氣)；

7)以Δs_w,2/Δs_w,1計算增濕器流的質(zhì)量流率比；

8)使用ω＝η(h*)來計算Δω；

9)計算該控制體積中產(chǎn)生的水的質(zhì)量流率；

10)計算離開該較小控制體積的海水流的質(zhì)量流率；

11)計算該增濕器溫度特征曲線的斜率；

12)計算在該增濕器中的間隔中的水流的較低溫度；

13)對于所有間隔重復步驟5至步驟12的過程，并且產(chǎn)生增濕器溫度特征曲線；

14)計算該增濕器中的水流與空氣流之間的最小焓夾點；

15)對關于增濕器焓夾點的誤差是否較小進行評估(如果是，則進行到步驟16；如果不是，則返回步驟1)；

16)計算總熵產(chǎn)生；

17)計算熱量輸入；并且

18)計算增益輸出比。

上述解決方案是迭代的，并且如以下所描述對熱物理特性進行評估。

在該分析中利用以下理解，即，溫度對比焓的圖中的水線的斜率可以用于評估在這些HME裝置中的任何給定點處的質(zhì)量流率比：

此外，使用溫度-焓圖評估的變化狀態(tài)的熵可以用于評估這些增濕裝置和這些除濕裝置中的質(zhì)量流率。

具有無限次抽提和注入的系統(tǒng)：

可以利用方程15至方程20設計具有無限次抽提/注入的系統(tǒng)，這樣使得在增濕器或除濕器之一中的殘余不可逆性為零。圖10和圖11示出上述方程在經(jīng)由溫度對比位置的圖進行系統(tǒng)設計中的應用。從夾點觀點來看，增濕器和除濕器中的溫度夾點在“除濕器平衡的”情況下和“增濕器平衡的”情況下是在不同的終端處。然而，在兩種對應情況下，焓夾點在除濕器和增濕器中的所有點處是最小并恒定的。

用于對具有無限次抽提/注入的系統(tǒng)進行建模的詳細程序可以概括如下：

1)通過假定除濕器和增濕器的平行溫度特征曲線來估計總熱負荷(Δh*)；

2)繪制一個飽和空氣溫度特征曲線[T＝ξ(h^*)]；

3)繪制一個除濕器溫度特征曲線[T＝ξ(h^*-ψ)]；

4)將總焓范圍分成多個較小的相等間隔；

5)計算Δs(每kg水)；

6)計算Δs(每kg干燥空氣)；

7)計算增濕器流的質(zhì)量流率比；

8)計算Δω；

9)計算該間隔中產(chǎn)生的水的質(zhì)量流率；

10)計算在之后間隔中該增濕器中的水流的質(zhì)量流率；

11)計算該增濕器中的水流的鹽度；

12)計算該增濕器中的水流的比熱；

13)計算該增濕器溫度特征曲線的斜率；

14)計算在該增濕器中的間隔中的水流的較低溫度；

15)對于所有間隔重復步驟5至步驟14的過程，并且產(chǎn)生增濕器溫度特征曲線；

16)在h_A＝h_sat(T_fw)+ψ和T_A＝T_sat(h_A)的情況下定義狀態(tài)A；

17)在h_B＝h_sat(T_fw)的情況下定義增濕器中的水流的狀態(tài)B，并且由在h_B處的增濕器溫度特征曲線確定T_B；

18)使整個增濕器溫度特征曲線向上偏移ΔT＝T_A-T_B；

19)計算總熵產(chǎn)生；

20)計算熱量輸入；并且

21)計算增益輸出比。

在開發(fā)這一程序中，設置一個約束，即，所注入的流的狀態(tài)(溫度和濕度)與它所注入至其中的流相同。施加這一約束以避免由于處于不同狀態(tài)的流的混合而產(chǎn)生熵。此外，除濕器中的空氣具有相同的入口和出口溫度以及濕度，這與水不同，水在增濕器和除濕器中具有不同的流向溫度(由于存在加熱器)。

具有單次抽提和注入的系統(tǒng)：

可能更實際的是在HDH系統(tǒng)中應用有限次數(shù)的抽提和注入。因此，在此研究了單次抽提/注入的作用連同無限次抽提/注入的作用。圖12示出了具有單次抽提和注入的一個系統(tǒng)的溫度特征曲線。在所示的情況下，在狀態(tài)“ex”下在位置84處從除濕器抽提空氣并且將空氣以相同狀態(tài)“ex”注入增濕器中的一個相應位置中(也在位置84處)以避免在注入過程期間產(chǎn)生熵。這種抽提標準被應用于本論文中所報道的所有情況，因為它有助于通過分開所注入的流與穿過HME裝置的流體流之間不匹配的溫度和/或濃度的作用來獨立地研究熱力學平衡的作用，這些作用當存在時可能使得難以量化僅由于平衡所致的熵產(chǎn)生減少。

用于對具有單次空氣抽提和注入的系統(tǒng)進行建模的詳細程序概括如下：

1)選取總熱負荷(Δh^*)的一個值；

2)選取該除濕器中的注入點的焓；

3)繪制一個飽和空氣溫度特征曲線[T＝ξ(h^*)]；

4)繪制在兩端處和在該注入點處滿足ψ的除濕器溫度特征曲線(2條線)；

5)將總焓范圍分成多個較小的相等間隔；

6)計算Δs(每kg水)；

7)計算Δs(每kg干燥空氣)；

8)計算增濕器流的質(zhì)量流率比；

9)計算Δω；

10)計算該間隔中產(chǎn)生的水的質(zhì)量流率；

11)計算在之后間隔中該增濕器中的水流的質(zhì)量流率；

12)計算該增濕器中的水流的鹽度；

13)計算該增濕器中的水流的比熱；

14)計算該增濕器溫度特征曲線的斜率；

15)計算該增濕器中在該間隔中的水流的較低溫度；

16)對于所有間隔重復步驟6至步驟15的過程，并且產(chǎn)生增濕器溫度特征曲線；

17)計算增濕器中的水流與空氣流之間的最小焓夾點；

18)對關于增濕器焓夾點的誤差是否較小進行評估(如果是，則進行到步驟19；如果不是，則(a)如果已經(jīng)嘗試了這一熱負荷的所有注入點，就返回步驟1或(b)如果尚未嘗試這一熱負荷的所有注入點，就返回步驟2；

19)計算總熵產(chǎn)生；

20)計算熱量輸入；并且

21)計算增益輸出比。

結果與討論:

在這一部分中，對于熱力學平衡可以對HDH系統(tǒng)的能量性能具有的作用進行了調(diào)查。在該研究中值得關注的性能參數(shù)是增益輸出比(GOR)。GOR是所產(chǎn)生的水的蒸發(fā)潛熱與進入循環(huán)中的凈熱量輸入的比率。這一參數(shù)實質(zhì)上是水產(chǎn)生的有效性，它是在該系統(tǒng)中起作用的熱量回收的量的指數(shù)。

潛熱是在除濕器中水蒸汽(在濕空氣混合物中)的平均分壓下計算。

回收率(RR)是該研究中值得關注的另一個參數(shù)。RR是進入系統(tǒng)的每單位量進料所脫鹽的水的量。

除濕器平衡的系統(tǒng)與增濕器平衡的系統(tǒng)的比較：

在圖10和圖11中，示出了兩種HDH系統(tǒng)的溫度特征曲線：一種具有一個平衡的除濕器(圖10)，并且另一個具有一個平衡的增濕器(圖11)。在這一部分中，在不同的焓夾點值下對這兩種系統(tǒng)的性能進行比較。如從圖13中可以觀察到，在該增濕器平衡的系統(tǒng)以星號繪圖并且該除濕器平衡的系統(tǒng)以菱形繪圖的情況下，性能是非常類似的。在較低的焓夾點值(ψ<7kJ/kg干燥空氣)下，該除濕器平衡的系統(tǒng)具有稍微更高的性能；并且在較高的焓夾點值下，就GOR而言，該增濕器平衡的系統(tǒng)稍微更好。

為了理解在這一部分中研究的兩種系統(tǒng)的類似GOR值，考慮圖14。對于一個固定的最高鹽水溫度、給水溫度以及在增濕器88和除濕器86中的焓夾點，示出每千克在該系統(tǒng)中脫鹽的水在該增濕器和該除濕器中產(chǎn)生的熵。當該系統(tǒng)的除濕器被完全平衡時，除濕器86中產(chǎn)生的熵被減少至一種無質(zhì)量抽提和注入的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的熵的四分之一。然而，增濕器88中產(chǎn)生的熵增加65％。當平衡除濕器86時，增濕器88正離開平衡狀態(tài)。在具有一個完全平衡的增濕器的系統(tǒng)中，增濕器88中的熵產(chǎn)生被減少至小于一種無質(zhì)量抽提和注入的系統(tǒng)中的熵產(chǎn)生的三分之一。除濕器86中產(chǎn)生的熵變化很小。在該系統(tǒng)中每kg脫鹽的水所產(chǎn)生的總熵90對于在此討論的兩種系統(tǒng)來說是大約相同的；并且因此，這些系統(tǒng)具有類似的GOR值。對于其他邊界條件，也觀察到類似的趨勢。

總之，基于研究由于在這一部分中報道的不同情況下的平衡所致的熵產(chǎn)生的變化，發(fā)現(xiàn)由于連續(xù)均衡所致的總系統(tǒng)熵產(chǎn)生的減少在“除濕器平衡的”系統(tǒng)和“增濕器平衡的”系統(tǒng)的相同焓夾點下是非常類似的。因此，也發(fā)現(xiàn)GOR對于這兩種系統(tǒng)來說是類似的。

抽提/注入的次數(shù)的影響

在圖15中示出了抽提/注入(在不同焓夾點下)的次數(shù)對HDH系統(tǒng)的性能的影響，其中無限次抽提/注入系統(tǒng)以菱形繪圖；單次抽提/注入系統(tǒng)以星號繪圖；并且無抽提系統(tǒng)以圓圈繪圖?？梢詮脑搱D表中得出幾個重要的觀察結果。

首先，可以觀察到熱力學平衡只有在增濕器和除濕器具有小于約27kJ/kg干燥空氣的焓夾點時在HDH循環(huán)中是有效的。對于不同邊界條件，已發(fā)現(xiàn)超過上述焓夾點值，與一種無任何抽提或注入的系統(tǒng)的性能(GOR)的差異是較小的(即，小于20％)。此外，在該增濕器中和該除濕器中的焓夾點值非常低(ψ≤7kJ/kg干燥空氣)時，具有無限次的抽提和注入的連續(xù)平衡被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生比使用單次抽取和注入所獲得的結果好得多的結果。對于80℃的最高鹽水溫度、20℃的給水溫度以及“無限”大的增濕器和除濕器(ψ_hum＝ψ_deh＝0kJ/kg干燥空氣)，發(fā)現(xiàn)單次抽提/注入的GOR是8.2(與一種具有無限次抽提/注入的類似系統(tǒng)的GOR為109.7相比)。在更高的焓夾點值(7kJ/kg干燥空氣<ψ≤15kJ/kg干燥空氣)下，單次抽提/注入使總系統(tǒng)的熵產(chǎn)生減少大致類似于在無限次抽提/注入的情況下產(chǎn)生的熵產(chǎn)生的量。在甚至更高的焓夾點值(15kJ/kg干燥空氣<ψ≤27kJ/kg干燥空氣)下，單次抽提勝過無限次抽提，這可以被視為出人意料的結果。試圖通過查看無限次和單次抽提/注入平衡如何影響增濕器88和除濕器86中的熵產(chǎn)生來理解這一點(參見圖16)。

圖16示出在20kJ/kg干燥空氣的部件焓夾點下，在具有零、一次和無限次抽提/注入的系統(tǒng)中的增濕器88和除濕器86中所產(chǎn)生的熵?？梢杂^察到當應用連續(xù)抽提/注入時，在平衡的部件中(即，在除濕器86中)產(chǎn)生的熵減少，但在增濕器88中產(chǎn)生的熵增加。換言之，當使該除濕器平衡時，該增濕器是“去平衡的”。對于單次抽提/注入情況，雖然在除濕器86中產(chǎn)生的熵的減少量小于在無限次抽提/注入情況下所產(chǎn)生的熵的減少，但增濕器不是去平衡的。因此，所產(chǎn)生的總熵90在該單次抽提/注入情況下更低，并且GOR更高。

此外，有可能設計一種具有連續(xù)抽提/注入的系統(tǒng)，該系統(tǒng)既不完全平衡增濕器也不完全平衡除濕器，而是都部分地平衡。這種系統(tǒng)很可能具有比單次抽提/注入系統(tǒng)更高的性能。

示例性應用：

在此所描述的這些方法和設備可以用于例如在小型農(nóng)村社區(qū)中提供水純化。在這類應用中能源(例如，生物質(zhì))可以提供低品位能量，但由于化石燃料的不可獲得性和可靠電網(wǎng)的缺乏，生物質(zhì)經(jīng)常是最佳選擇。在此描述的這些方法可以使一個基本HDH系統(tǒng)(使用低品位熱量運行)的能量效率改進高達100％。能量效率的這種改進有助于減少能量成本，從而使該系統(tǒng)有可能實現(xiàn)向小型農(nóng)村社區(qū)提供純化水。

這些方法和設備的另一種有前景的應用(特別是在美國)是處理來源于頁巖氣或頁巖油提取的產(chǎn)出水和回流水。本披露的這些方法也可以在使HDH技術成本有效地用于這種應用中發(fā)揮重要作用。

在描述本發(fā)明的實施例中，專用術語是為清晰起見而使用的。為了描述的目的，專用術語旨在至少包括技術和功能上的等效物，這些等效物以相似的方式運作來達到相似的結果。此外，在本發(fā)明的具體實施例包括多個系統(tǒng)要素或方法步驟的一些情況下，那些要素或步驟可以被一個單一要素或步驟替換；同樣，一個單一要素或步驟可以被達到相同目的多個要素或步驟替換。此外，當在此對于本發(fā)明的實施例指定不同性質(zhì)的參數(shù)或其他值時，那些參數(shù)或值可以上下調(diào)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(或增長1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等)，或其四舍五入的近似值，除非另有規(guī)定。此外，雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的具體實施例展示并描述了本發(fā)明，但本領域普通技術人員將理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其中的形式和細節(jié)做出不同替代和改變。再進一步，其他方面、功能以及優(yōu)勢也在本發(fā)明的范圍內(nèi)；并且本發(fā)明的所有實施例并不需要實現(xiàn)所有的優(yōu)勢或具備上述所有特征。此外，在此與一個實施例結合討論的步驟、要素以及特征同樣可以與其他實施例結合使用。貫穿本文所引用的參考文獻，包括參考文本、期刊論文、專利、專利申請等的內(nèi)容通過引用以其全部內(nèi)容結合在此；并且來自這些參考文獻的適當?shù)慕M件、步驟以及特征可能會或可能不會包括在本發(fā)明的實施例中。再進一步，在背景部分中鑒別的組件和步驟是本披露的整體部分，并且可以與在本發(fā)明范圍內(nèi)的披露中其他地方描述的組件和步驟結合使用或者將其替代。在方法權利要求中，以一種特定的順序來敘述多個階段，無論帶有或不帶有為便于參考所加的順序的前綴字符，這些階段不被解釋為在時間上受限于敘述它們的順序，除非另有規(guī)定或由術語和措詞進行暗示。