專利名稱：利用熱鏈接吸著劑床的水回收的制作方法
利用熱鏈接吸著劑床的水回收
背景技術(shù)：
水回收是航天器環(huán)境和一些其他密閉空氣環(huán)境中的重要工藝。對(duì)于像去除二氧化碳這樣的某些基本的航天器工藝來(lái)說(shuō)，干燥的空氣流是期望或必需的。一些二氧化碳去除系統(tǒng)(分子篩)不能容許進(jìn)入的流體流中的濕氣。其他的(胺吸著劑)不期望地?fù)p失掉流體流中的濕氣含量。例如，在短期航天器任務(wù)中，水分回收可能并不是關(guān)鍵的而且胺吸著劑能夠充分地起作用。但是，在更長(zhǎng)的任務(wù)中，可能有必要回收水分使其能夠再用。在這些情況中，通常在二氧化碳去除之前進(jìn)行水回收。在當(dāng)前實(shí)踐中，從工藝空氣進(jìn)行的水回收利用了干燥劑介質(zhì)，所述干燥劑介質(zhì)被循環(huán)地加載(loaded)和卸載(unloaded),所述加載通過(guò)從潮濕的工藝流中去除水來(lái)進(jìn)行，而所述卸載通過(guò)加熱以解吸所吸附的水并使其返回干燥的排出工藝流中來(lái)進(jìn)行。常規(guī)的水回收系統(tǒng)需要大量的熱能和/或大件設(shè)備。由于水的高汽化熱，當(dāng)從工藝空氣流中去除水蒸氣時(shí)會(huì)釋放大量的熱，所述熱必須從吸附干燥劑床去除以保持有利于有效吸附性能的溫度。相反地，必須增加大量的熱能，以在排出工藝空氣流回到艙室之前提供將水蒸氣從解吸干燥劑床釋放到排出工藝空氣流的汽化熱。這種熱輸入的需要與將解吸干燥劑加熱到升高的溫度(高于吸附床溫度)的需要相結(jié)合以有效驅(qū)除所吸附的水蒸氣。在常規(guī)系統(tǒng)中，離開解吸床和進(jìn)入解吸床的熱傳輸通常由工藝空氣流提供。這在空氣和干燥劑材料中需要大的溫度變化，因?yàn)榭諝饬鞯谋葻崤c其所攜水蒸氣的汽化熱相比較小。通過(guò)使用再生式工藝空氣熱交換器可以減少供能需求，但將解吸床排出空氣流提高到大大高于排出吸附干燥劑床的空氣溫度的需求限制了其使用。盡管這些熱交換器能夠提供能耗及設(shè)計(jì)整合優(yōu)勢(shì)，但是它們顯著影響整個(gè)系統(tǒng)的壓降、質(zhì)量和成本。通過(guò)更快速地循環(huán)更小的干燥劑床，系統(tǒng)質(zhì)量可被減少，但這增加了支持這些床的熱擺動(dòng)(thermal swing)的能量需求，增長(zhǎng)了空氣加熱器和熱交換器的大小以及系統(tǒng)功率輸入。所以，當(dāng)前的水去除系統(tǒng)固有地尺寸大并且需要大量能量來(lái)操作。

發(fā)明內(nèi)容
—種水回收系統(tǒng)包括吸著床(sorbing bed)、解吸床、熱泵和控制器。所述吸著床包括入口、吸著劑和出口。所述吸著床接收第一流體流并從所述第一流體流中吸著水。所述解吸床包括入口、吸著劑和出口，與所述吸著床對(duì)準(zhǔn)并熱連接到所述吸著床，且接收第二流體流并將水解吸到所述第二流體流。所述熱泵置于所述吸著床與所述解吸床之間并將熱從所述吸著床傳遞到所述解吸床。所述控制器給所述熱泵分配功率以保持所述解吸床的出口附近的區(qū)域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區(qū)域?qū)?zhǔn)的所述吸著床的區(qū)域。一種從流體流回收水的方法包括導(dǎo)引第一流體流穿過(guò)第一吸著劑床使得所述第一流體流內(nèi)的水被所述第一吸著劑床內(nèi)的第一吸著劑所吸著。所述方法還包括用所述第一吸著劑床中的水的吸著所產(chǎn)生的熱來(lái)加熱第二吸著劑床。所述第二吸著劑床定位成鄰近所述第一吸著劑床并與所述第一吸著劑床熱鏈接。所述第二吸著劑床包括流體流入口、吸著齊U、流體流出口和等于所述入口與所述出口之間距離的床長(zhǎng)度。所述方法還包括給位于所述第一吸著劑床與所述第二吸著劑床之間的熱泵供能以主動(dòng)地加熱所述第二吸著劑床并冷卻所述第一吸著劑床。所述方法還包括導(dǎo)引第二流體流穿過(guò)所述第二吸著劑床使得當(dāng)所述第二吸著劑床被加熱時(shí)，水被從位于所述第二吸著劑床內(nèi)的第二吸著劑解吸并被所述第二流體流從所述第二吸著劑床去除。所述方法還包括保持所述第二吸著劑床的區(qū)域的溫度高于與所述第二吸著劑床的區(qū)域相鄰的區(qū)域處所述第一吸著劑床的溫度。所述第二吸著劑床的被加熱區(qū)域從所述流體流出口延伸到所述第二吸著劑床的床長(zhǎng)度的約10%和約100%之間的長(zhǎng)度。


圖1示出水回收系統(tǒng)。圖2示出將吸著床和解吸床對(duì)換的圖1的水回收系統(tǒng)。圖3示出具有熱泵的水回收系統(tǒng)，所述熱泵延伸吸著床與解吸床的長(zhǎng)度。圖4示出吸著床與解吸床的流體流在相反方向上流動(dòng)的水回收系統(tǒng)。圖5示出不同水回收系統(tǒng)的能量需求的圖表。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種緊湊的、低功率的水回收系統(tǒng)以及從流體流中回收水的方法。所述水回收系統(tǒng)使用熱鏈接吸著劑床，其中，吸著床處由水吸收所產(chǎn)生的熱被傳遞到解吸床以用于水解吸。使用最少的額外能量在吸著床出口附近冷卻吸著床并在解吸床出口附近加熱解吸床。冷卻吸著床的后段及加熱解吸床的后段優(yōu)化了排出的流體流。比起單獨(dú)使用被動(dòng)式熱傳遞時(shí)，離開吸著床的流體流更干燥而離開解吸床的流體流含有更多水。此水回收系統(tǒng)使得能夠使用小的床尺寸，由于吸著床和解吸床的溫度之間的差異總是小，其可以在不引起明顯功率損失的情況下頻繁循環(huán)于吸著與解吸之間。根據(jù)這里所描述的水回收系統(tǒng)和方法，工藝流包括任何流體流。工藝流通常包括在密閉環(huán)境內(nèi)循環(huán)的流體流，所述密閉環(huán)境包括但不限于航天器、潛艇及航空器環(huán)境。示例性的工藝流包括在航天器和航空器內(nèi)的工藝空氣流，例如艙內(nèi)空氣。這些工藝流含有水蒸氣，所述水蒸氣能夠從流中去除并能重新引入同一流或其他流中以回收并再使用所去除的水蒸氣。圖1示出水回收系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例。水回收系統(tǒng)10包括第一吸著劑組件12A、第二吸著劑組件12B、熱泵14和控制器16。第一吸著劑組件12和第二吸著劑組件12B對(duì)準(zhǔn)并熱鏈接。也就是說(shuō)，第一吸著劑組件12A與第二吸著劑組件12B彼此接近并配置成使得一個(gè)吸著劑組件所產(chǎn)生的熱能夠傳遞給另一個(gè)。圖1示出第一吸著劑組件12A和第二吸著劑組件12B并列使得第一吸著劑組件12A的每個(gè)區(qū)段都對(duì)準(zhǔn)第二吸著劑組件12B的對(duì)應(yīng)區(qū)段。熱鏈允許來(lái)自吸著劑組件一個(gè)區(qū)段的熱傳遞到另一吸著劑組件的對(duì)應(yīng)區(qū)段。所述熱鏈可構(gòu)造成使得熱傳遞可被動(dòng)地和/或主動(dòng)地發(fā)生。第一吸著劑組件12A包括通道18A與20A及床22A。根據(jù)流體流的方向，通道18A允許流體流進(jìn)入或排出第一吸著劑組件12A。如圖1中所示，通道18A是入口。一旦流體流已經(jīng)通過(guò)通道18A進(jìn)入第一吸著劑組件12A，流體流就穿過(guò)床22A。床22A含有吸著劑材料32。流體流穿過(guò)床22A到達(dá)通道20A。根據(jù)流體流的方向，通道20A允許流體流進(jìn)入或排出第一吸著劑組件12A。如圖1中所示，通道20A是出口。圖1中所示的床22A包含三個(gè)床區(qū)段。雖然床22A是連續(xù)的，但為了更好的說(shuō)明本發(fā)明，將描述不同的床區(qū)段。床區(qū)段24A位于入口通道18A附近的區(qū)域內(nèi)，床區(qū)段28A位于出口通道20A附近的區(qū)域內(nèi)而床區(qū)段26A位于床區(qū)段24A與28A之間。在通道18A是第一吸著劑組件12A的入口的情況下，流體流一般從床區(qū)段24A行進(jìn)到床區(qū)段26A再到床區(qū)段28A并在通道20A處排出第一吸著劑組件12A。以下更詳細(xì)地描述第一吸著劑組件12A的吸著和解吸操作。床22A中存在的吸著劑材料32既能夠從流體流中吸著(吸收和/或吸附)水，又能將水解吸到流體流中。吸著劑材料32從含有水蒸氣的流體流中吸收或吸附水。當(dāng)水被吸著劑材料32吸收或吸附時(shí)產(chǎn)生熱。通過(guò)使用足夠的熱能，吸著劑材料32將會(huì)解吸水使其能由流體流去除。合適的吸著劑材料32不吸收或吸附顯著量的二氧化碳。在示范實(shí)施例中，吸著劑材料32是水特定的(water-specific)。也就是說(shuō),吸著劑材料32僅吸收或吸附水。合適的吸著劑材料32包括硅膠、沸石分子篩、陰陽(yáng)離子交換介質(zhì)、用一種或多種吸濕鹽浸潰的陶瓷或聚合物基材及其組合。所述陶瓷或聚合物基材內(nèi)浸潰的吸濕鹽的例子包括但不限于碳酸銫、氟化銫、氯化鈣及溴化鋰。在示范實(shí)施例中，吸著劑材料32的平均顆粒直徑的范圍在約350微米到約1400微米。第二吸著劑組件12B與第一吸著劑組件12A在結(jié)構(gòu)上相似或相同。第二吸著劑組件12B包括通道18B和20B及床22B。類似通道18A，通道18B允許流體流根據(jù)流的方向進(jìn)入或排出第二吸著劑組件12B。如圖1中所示，通道18B是入口。一旦流體流已經(jīng)通過(guò)18B進(jìn)入第二吸著劑組件12B，流體流就穿過(guò)床22B。床22B含有吸著劑材料32。流體流穿過(guò)床22B到達(dá)通道20B。通道20B允許流體流根據(jù)流的方向進(jìn)入或排出第二吸著劑組件12B。如圖1中所示，通道20B是出口。圖1中所示的床22B包含三個(gè)床區(qū)段。雖然床22B是連續(xù)的，但為了更好的說(shuō)明本發(fā)明，將描述不同的床區(qū)段。床區(qū)段24B位于入口通道18B附近的區(qū)域內(nèi)，床區(qū)段28B位于出口通道20B附近的區(qū)域內(nèi)而床區(qū)段26B位于床區(qū)段24B與28B之間。在通道18B是第二吸著劑組件12B的入口的情況下，流體流一般從床區(qū)段24B行進(jìn)到床區(qū)段26B再到床區(qū)段28C并在通道20B處排出第二吸著劑組件12B。第一吸著劑組件12A的床22A和第二吸著劑組件12B的床22B對(duì)準(zhǔn)且熱鏈接。例如，床區(qū)段24A與床區(qū)段24B對(duì)準(zhǔn)并且熱能夠從一個(gè)床區(qū)段傳遞到另一床區(qū)段。也就是說(shuō)，由于它們位置鄰近和熱鏈，熱能夠從床區(qū)段24A傳遞到床區(qū)段24B，反之亦然。床區(qū)段26A和26B以及床區(qū)段28A和28B類似地對(duì)準(zhǔn)并熱鏈接，使得熱能夠從一個(gè)床上的區(qū)段傳遞到另一個(gè)床上的與其對(duì)準(zhǔn)的區(qū)段。由于床22A與22B是連續(xù)的，熱傳遞并不嚴(yán)格地僅限于在對(duì)準(zhǔn)的床區(qū)段之間傳遞。然而，一般來(lái)說(shuō)，熱通常從床的一個(gè)區(qū)域傳遞到另一個(gè)床的鄰近區(qū)域。熱可以被動(dòng)地(通過(guò)傳導(dǎo))、主動(dòng)地(通過(guò)熱泵)或即主動(dòng)又被動(dòng)地在對(duì)準(zhǔn)的床區(qū)段之間傳遞。在圖1中，所示的熱泵14位于第一吸著劑組件12A的床區(qū)段28A與第二吸著劑組件12B的床區(qū)段28B之間的界面處。熱泵14構(gòu)造成主動(dòng)地加熱一個(gè)床區(qū)段并冷卻另一個(gè)。熱泵14可以構(gòu)造成在床22k與22B之間傳遞熱或主動(dòng)地加熱一個(gè)床而冷卻另一個(gè)。例如，熱泵14可以加熱床區(qū)段28A而冷卻床區(qū)段28B，反之亦然。不像被動(dòng)式熱傳遞，熱泵14允許逆著熱梯度來(lái)傳遞熱能。在示范實(shí)施例中，熱泵14整合在水回收系統(tǒng)10內(nèi)。在一個(gè)示范實(shí)施例內(nèi)，熱泵14是熱電設(shè)備。熱電設(shè)備利用熱電效應(yīng)，所述熱電效應(yīng)描述的是溫度差到電壓的直接轉(zhuǎn)換，反之亦然。熱電設(shè)備在每側(cè)上具有不同溫度時(shí)產(chǎn)生電壓。反過(guò)來(lái)，當(dāng)向熱電設(shè)備施加電壓時(shí)，其產(chǎn)生溫度差(即，一側(cè)被加熱而另一側(cè)被冷卻)。當(dāng)熱泵14是熱電設(shè)備時(shí)，向所述熱電設(shè)備施加電壓以加熱一個(gè)床區(qū)段(例如，床區(qū)段28B)并冷卻另一個(gè)床區(qū)段(床區(qū)段28A)。雖然熱泵14可以采用熱電設(shè)備以外的其他形式，但將在熱泵14是熱電設(shè)備的情況下詳述水回收系統(tǒng)10。對(duì)于激活熱電設(shè)備14而言，功率源和控制器是必要的。在示范實(shí)施例中，直流功率從航天器或航空器上已有的功率源被發(fā)送到熱電設(shè)備14?？刂破?6接收來(lái)自功率源的功率并將該功率分配到熱電設(shè)備14?？刂破?6基于一些因素確定在給定時(shí)間施加到熱電設(shè)備14的電壓，所述因素可包括水回收應(yīng)用、床22A和22B的尺寸以及床22A和22B的溫度。例如，在水回收系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器30A與30B分別測(cè)量床22A的溫度(Ta)以及床22B的溫度(TB)，并將所測(cè)得的溫度傳輸?shù)娇刂破?6。基于從溫度傳感器30A和/或30B接收的溫度，控制器16將所確定的電壓(V1)分配到熱電設(shè)備14。在水回收系統(tǒng)10包括第二熱電設(shè)備(熱泵34)的情況下，控制器16將所確定的電壓(V2)分配到熱電設(shè)備34。下面將更詳細(xì)地討論包含第二熱電設(shè)備34的水回收系統(tǒng)10的實(shí)施例。將'或％應(yīng)用到熱電設(shè)備14與34允許加熱一個(gè)床并冷卻另一個(gè)床。按照?qǐng)D1，水回收系統(tǒng)10被布置成使得來(lái)自流體流中的水在第一吸著劑組件12A中被吸著(吸收和/或吸附)并在第二吸著劑組件12B中被解吸。含有水蒸氣的流體流通過(guò)入口通道18A被傳送到第一吸著劑組件12A (吸著床)。所述流體流進(jìn)入第一吸著劑組件12A并從床區(qū)段24A開始通過(guò)含有吸著劑材料32的床22A。流體流中存在的水被床區(qū)段24A內(nèi)的吸著劑材料32吸著。吸著劑材料32吸著水是放熱的。因此，床區(qū)段24A中的吸著產(chǎn)生熱。該熱被動(dòng)地傳遞到與床24A熱鏈接的床區(qū)段24B。流體流繼續(xù)穿過(guò)床22A到達(dá)床區(qū)段26A。此時(shí)，由于床區(qū)段24A中的吸著，流體流相比其進(jìn)入時(shí)具有較少的水蒸氣。另外的水在床區(qū)段26A內(nèi)被吸著劑材料32吸著并產(chǎn)生另外的熱。床區(qū)段26A內(nèi)所吸著的水和所產(chǎn)生的熱的量通常少于床區(qū)段24A中所吸著的水和所產(chǎn)生的熱。床區(qū)段26A中的吸著所產(chǎn)生的熱被動(dòng)地傳遞到與床區(qū)段26A熱鏈接的床區(qū)段26B。流體流繼續(xù)穿過(guò)床22A到達(dá)床區(qū)段28A。此時(shí)，流體流剩下有一些但很少的水蒸氣。更多的水在床區(qū)段28A中被吸著劑材料32吸著并產(chǎn)生另外的熱。床區(qū)段28A中所吸著的水和所產(chǎn)生的熱的量一般少于床區(qū)段26A中所吸著的水和所產(chǎn)生的熱。床區(qū)段28A中的吸著所產(chǎn)生的熱利用熱泵14主動(dòng)地傳遞到床區(qū)段28B。在熱泵14是熱電設(shè)備的情況下，對(duì)熱泵14施加電壓以加熱床區(qū)段28B并冷卻床區(qū)段28A，逆著一個(gè)小的相反溫度梯度將由吸著產(chǎn)生的熱從床28A傳遞到床28B。因此，床區(qū)段24B與26B分別由床區(qū)段24A與26A被動(dòng)地加熱，而床區(qū)段28B由來(lái)自床區(qū)段28A的吸附熱和加到熱泵14的電能一起加熱。比進(jìn)入的流體流更干燥的流體流通過(guò)出口通道20A排出第一吸著劑組件12A。在含有水蒸氣的流體流被引入第一吸著劑組件12A的同時(shí)，干燥的流體流被引入第二吸著劑組件12B。所述干燥的流體流通過(guò)入口通道18B被傳送到第二吸著劑組件12B(解吸床)。所述干燥的流體流進(jìn)入第二吸著劑組件12B并從床區(qū)段24B開始穿過(guò)具有吸著劑材料32的床22B，所述吸著劑材料32含有來(lái)自前次吸著循環(huán)的水。向床區(qū)段24B施熱，使得吸著劑材料32所含的水解吸出來(lái)并進(jìn)入穿過(guò)床區(qū)段24B的流體流。在床區(qū)段24B中解吸水所需的熱由床區(qū)段24A內(nèi)的水吸著所產(chǎn)生的熱來(lái)提供。該熱通過(guò)這些床區(qū)段之間的熱鏈傳遞。吸著劑材料32解吸水是吸熱的。流體流繼續(xù)穿過(guò)床22B到達(dá)床區(qū)段26B。床區(qū)段26B中的吸著劑材料32 —般比床區(qū)段24B中的含有更多的水。此時(shí)，由于床區(qū)段24B內(nèi)的解吸，流體流含有比其進(jìn)入時(shí)更多的水蒸氣。另外的水被床區(qū)段26B內(nèi)的吸著劑材料32解吸。在床區(qū)段26B內(nèi)解吸水所需的熱由床區(qū)段26A內(nèi)的水吸著所產(chǎn)生的熱來(lái)提供。該熱通過(guò)這些床區(qū)段之間的熱鏈傳遞。床區(qū)段26B內(nèi)所解吸水的量一般多于床區(qū)段24B內(nèi)所解吸的水。流體流繼續(xù)通過(guò)床22B到達(dá)床區(qū)段28B。床區(qū)段28B內(nèi)的吸著劑材料32 —般比床區(qū)段26B內(nèi)的含有更多的水。更多的水在床區(qū)段28B內(nèi)被吸著劑材料32解吸。床區(qū)段28B內(nèi)解吸水所需要的熱由床區(qū)段28A內(nèi)的水吸著所產(chǎn)生的以及由熱泵14所傳遞的熱來(lái)提供，允許床區(qū)段28B運(yùn)轉(zhuǎn)在比床區(qū)段28A稍高的溫度下。熱泵14還將被供應(yīng)來(lái)操作所述熱泵的電能作為熱添加到床區(qū)段28B。由于床區(qū)段28B內(nèi)的吸著劑材料32 —般含有比床區(qū)段24B和26B內(nèi)更多的水，為了解吸水也就需要更多的熱。床區(qū)段28B內(nèi)解吸的水的量一般多于床區(qū)段26B內(nèi)解吸的水。具有比進(jìn)入的流體流更高濕度的流體流通過(guò)出口通道20B排出第二吸著劑組件12B。當(dāng)?shù)谝晃鴦┙M件12A是吸著床而第二吸著劑組件12B是解吸床時(shí)，熱泵14構(gòu)造成冷卻床區(qū)段28A并加熱床區(qū)段28B。通過(guò)冷卻床區(qū)段28A，經(jīng)過(guò)第一吸著劑組件12A的流體流所能攜帶的水量減少。這增加了床區(qū)段28A中的水吸著并提供比未使用主動(dòng)冷卻時(shí)更干燥的排出流體流。通過(guò)加熱床區(qū)段28B，經(jīng)過(guò)第二吸著劑組件12B的流體流所能攜帶的水量提高。這增加了床區(qū)段28B中的水解吸并提供比僅使用床區(qū)段28B的被動(dòng)加熱時(shí)更潮濕的排出流體流。因此，在示范實(shí)施例中，出口附近的解吸床區(qū)域?qū)?huì)具有比出口附近的吸收床區(qū)域更高的溫度。在示范實(shí)施例中，床區(qū)段28B與床區(qū)段28A之間的溫度差異在約2°C與約50°C之間。在甚至更加示范的實(shí)施例中，床區(qū)段28B與床區(qū)段28A之間的溫度差異在約5°C與約30°C之間。通過(guò)對(duì)熱電設(shè)備(熱泵14)施加相對(duì)小的電壓，可分別使得來(lái)自吸收床和解吸床的排出流體流的干燥度和潮濕度最大化，以提供高效的水回收系統(tǒng)。如上所述，夕卜部熱交換器的使用提高了回收系統(tǒng)的成本和重量。水回收系統(tǒng)10提供一種簡(jiǎn)單且高效的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)只需要最小的能量輸入而無(wú)須更重的熱交換系統(tǒng)。由于只需最少的能量用于主動(dòng)式床加熱和冷卻并且吸著劑床之間的熱鏈允許被動(dòng)地傳遞水吸著期間所產(chǎn)生的熱，第一與第二吸著劑組件12A與12B可以在吸著和解吸模式之間頻繁地循環(huán)。吸著與解吸床的切換之間的循環(huán)時(shí)間基于床22A與22B的尺寸以及水回收系統(tǒng)10的應(yīng)用來(lái)確定。在示范實(shí)施例中，循環(huán)時(shí)間在約I分鐘與約60分鐘之間。圖2示出與圖1中所示相同但其中吸著床與解吸床對(duì)換的水回收系統(tǒng)10?，F(xiàn)在，第一吸著劑組件12A是解吸床而第二吸著劑組件12B是吸著床。含有水蒸氣的流體流通過(guò)入口通道20B被引入床22B，穿過(guò)床22B并在出口通道18B處排出第二吸著劑組件12B。隨著床22B內(nèi)的吸著劑材料32吸著水，吸著所產(chǎn)生的熱通過(guò)熱鏈被動(dòng)地傳遞到床22A。另外，位于床區(qū)段24A與床區(qū)段24B之間界面處的第二熱泵(熱泵34)主動(dòng)地加熱床區(qū)段24A并冷卻床區(qū)段24B。熱泵34以與熱泵14 一樣的方式起作用。在示范實(shí)施例中，熱泵34是熱電設(shè)備。在含有水蒸氣的流體流被引入第二吸著劑組件12B的同時(shí)，干燥的流體流被引入第一吸著劑組件12A。所述干燥的流體流通過(guò)入口通道18A引入到床22A，穿過(guò)床22A并在出口通道20A處排出第一吸著劑組件12A。床22A內(nèi)的吸著劑材料32將水解吸到干燥的流體流。為了容易地在吸著與解吸模式之間切換水回收系統(tǒng)10的床22k與22B，可采用三通閥 36A、36B、38A 和 38B。在圖1和圖2中示出的水回收系統(tǒng)10中，不在同一時(shí)間對(duì)熱泵14和34供能。只在第一吸著劑組件12A如關(guān)于圖1所述是吸著床時(shí)對(duì)熱泵14供能。熱泵14加熱床區(qū)段28B并冷卻床區(qū)段28A。只在第二吸著劑床12B如關(guān)于圖2所述是吸著床時(shí)對(duì)熱泵34供能。熱泵34加熱床區(qū)段24A并冷卻床區(qū)段24B。當(dāng)未被供能時(shí)，熱泵14和34不干擾床區(qū)段24A與24B以及床區(qū)段28A與28B之間的熱鏈并允許所述床之間的被動(dòng)熱傳遞。由于熱泵14與34不需要大量功率來(lái)操作，吸著/解吸循環(huán)可被頻繁地改變(也即，對(duì)吸著床與解吸床進(jìn)行切換)。在典型實(shí)施方式中，當(dāng)?shù)谝晃鴦┙M件12A是吸著床時(shí)通過(guò)通道18A進(jìn)入的流體流中的高百分比(例如90%)的水蒸氣能夠被傳遞到當(dāng)?shù)谝晃鴦┙M件12A是解吸床時(shí)通過(guò)通道20A排出的最終流體流。圖1和圖2示出大略分為三份的床22A和22B (例如，每個(gè)都有相同面積的24A、26A和28A)。根據(jù)這些說(shuō)明，每個(gè)床長(zhǎng)度的約三分之二通過(guò)熱鏈參加被動(dòng)熱傳遞，每個(gè)床長(zhǎng)度的三分之一通過(guò)熱泵14或34參加主動(dòng)熱傳遞。在示范實(shí)施例中，每個(gè)床的既參加被動(dòng)熱傳遞又參加主動(dòng)熱傳遞的長(zhǎng)度(也即熱泵14和34的長(zhǎng)度)在床的總長(zhǎng)度的約10%和100%之間。也就是說(shuō)，熱泵14和/或34延伸約10%床長(zhǎng)度和整個(gè)床長(zhǎng)度之間。在特別的示范實(shí)施例中，熱泵14和/或34延伸約25%床長(zhǎng)度和約50%床長(zhǎng)度之間。圖3示出熱泵14延伸床22A和22B全長(zhǎng)的水回收系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例。在此實(shí)施例中，僅有一個(gè)熱泵14整合在水回收系統(tǒng)10內(nèi)。在此情況下，熱泵14所汲取的功率多于之前所描述的水回收系統(tǒng)
10。此布置需要另外的功率，但提供更簡(jiǎn)單的制造和壓降方面的優(yōu)勢(shì)。圖1和圖2示出利用流體流的同方向流動(dòng)的水回收系統(tǒng)10。水回收系統(tǒng)10的一些實(shí)施例采用反方向流動(dòng)的布置。圖4示出流體流在相反方向上流動(dòng)的水回收系統(tǒng)10的實(shí)施例。在此實(shí)施例中，第一吸著劑組件12A是吸著床而第二吸著劑組件12B是解吸床。發(fā)生如上面所描述的吸著、解吸和被動(dòng)熱傳遞。在示范實(shí)施例內(nèi)，熱泵14位于床22A與22B的“濕”端的界面處。如本 領(lǐng)域技術(shù)技術(shù)人員基于圖4所示的流動(dòng)方向可知的，床區(qū)段24A與24B通常分別比床22A和22B的其他區(qū)段含有更多的水。將熱泵14設(shè)置在高含水量的床端處提供了最大的潛在解吸。在此布置中只需要單個(gè)熱泵。如上述的實(shí)施例中，熱泵14可延伸床長(zhǎng)度的約10%與約100%之間。由于在此實(shí)施例中只出現(xiàn)一個(gè)熱泵14，兩個(gè)溫度傳感器(30A和30B)都設(shè)置在床22A和22B的濕端附近?？刂破?6將功率輸送給熱泵14以加熱解吸床并冷卻吸著床。圖5示出模擬的現(xiàn)有技術(shù)水回收系統(tǒng)以及模擬的根據(jù)圖4所示類型水回收系統(tǒng)10的“濕端”的代表性功率輸入。所述模擬為兩種水回收系統(tǒng)預(yù)前設(shè)定相等的氣流Γ25 CFM),濕度負(fù)載C55F入口露點(diǎn))和濕度回收性能Γ90%)。操作每個(gè)水回收系統(tǒng)所需的功率輸入(y軸)與吸著和解吸模式之間的循環(huán)時(shí)間(X軸)相關(guān)。當(dāng)循環(huán)時(shí)間增加時(shí)，一些水回收系統(tǒng)所需的功率減少，但吸著劑床組件的尺寸和質(zhì)量相對(duì)于循環(huán)時(shí)間成比例上升。作為一種示出每個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)功率輸入的方式，線40示出解吸解吸床所需的理想功率(也即，在解吸間隔期間所去除的水蒸氣的吸附熱，假設(shè)無(wú)損失且吸著劑床溫度無(wú)變化)。在示例的5分鐘循環(huán)時(shí)間內(nèi)，隨解吸率的下降，解吸解吸床的濕端所需的功率(假設(shè)無(wú)損失)在約170瓦和約95瓦之間變化。線42表示當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)并示出使用熱傳遞流體為空氣的外部熱交換器來(lái)解吸解吸床所需的功率。使用外部空氣熱交換器解吸解吸床的濕端所需的功率約為600瓦。為了在解吸床的(濕)排出端實(shí)現(xiàn)所需的溫度，由于空氣的低熱容所導(dǎo)致的寄生損失以及需要將所述床的干燥端處的吸著劑物質(zhì)加熱到實(shí)質(zhì)更高溫度，線42遠(yuǎn)超過(guò)線40(也即需要更多功率)。反過(guò)來(lái)，線44表示圖4中所示水回收系統(tǒng)10的實(shí)施例且低于線40。使用水回收系統(tǒng)10的熱鏈接的床12A、12B以及熱泵14來(lái)解吸解吸床的濕端所需的功率在約40瓦和約50瓦之間。所以，圖5示出相比于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，水回收系統(tǒng)10的功率需求得以降低。本發(fā)明提供一種從流體流中回收水的方法。該方法包括引導(dǎo)第一流體流穿過(guò)第一吸著劑床使得第一流體流中的水被第一吸著劑床中的第一吸著劑吸著。水被所述第一吸著劑從所述第一流體流中吸著產(chǎn)生熱。該方法還包括用所述第一吸著劑床中的水的吸著所產(chǎn)生的熱來(lái)加熱第二吸著劑床。第二吸著劑床定位成鄰近第一吸著劑床并與第一吸著劑床熱鏈接。第二吸著劑床具有流體流入口、流體流出口以及等于流體流入口與流體流出口之間距離的床長(zhǎng)度。該方法還包括給位于第一吸著劑床和第二吸著劑床之間的熱泵供能以主動(dòng)地加熱第二吸著劑床并冷卻第一吸著劑床。熱泵通常位于第二吸著劑床的出口附近。該方法還包括引導(dǎo)第二流體流穿過(guò)第二吸著劑床使得當(dāng)?shù)诙鴦┐脖患訜釙r(shí)，水被從位于第二吸著劑床中的第二吸著劑解吸。所解吸的水由第二流體流從第二吸著劑床去除。該方法還包括將第二吸著劑床的一區(qū)域的溫度保持在高于第一吸著劑床在相鄰于第二吸著劑床的所述區(qū)域的區(qū)域處的溫度。被保持在比第一吸著劑床的相鄰區(qū)域更高溫度的第二吸著劑床的所述區(qū)域從第二吸著劑床的流體流出口延伸到從流體流出口的床長(zhǎng)度的約10%到約100%之間的長(zhǎng)度。盡管已參照示范實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在不背離本發(fā)明范圍的情況下可做各種改變，并且各種元素可用等同物代替。另外，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)做各種變型以適應(yīng)具體的情況或材料。因此，所意圖的是，本發(fā)明不限于所公開的具體實(shí)施例，而是本發(fā)明將會(huì)包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種水回收系統(tǒng),包括: 吸著床，所述吸著床用于接收第一流體流并從所述第一流體流吸著水，所述吸著床包括: 入口 ； 吸著劑；和 出口 ； 解吸床，所述解吸床與所述吸著床對(duì)準(zhǔn)并熱連接到所述吸著床，用于接收第二流體流且將水解吸到所述第二流體流，所述解吸床包括: 入口 ； 吸著劑；和 出口 ； 熱泵，所述熱泵位于所述吸著床與所述解吸床之間，用于將熱從所述吸著床傳遞到所述解吸床；以及 控制器，所述控制器用于向所述熱泵分配功率，以保持所述解吸床的出口附近的區(qū)域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區(qū)域?qū)?zhǔn)的所述吸著床的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述吸著床和解吸床的所述吸著劑選自硅膠、沸石分子篩、陰陽(yáng)離子交換介質(zhì)、用一種或多種吸濕鹽浸潰的陶瓷或聚合物基材及其組合組成的組。
3.如權(quán)利要求2所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述一種或多種吸濕鹽選自碳酸銫、氟化銫、氯化鈣、溴化鋰及其組合組成的組。
4.如權(quán)利要求1所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述熱泵包括熱電設(shè)備。
5.如權(quán)利要求4所述的水回收系統(tǒng)，還包括: 用于向所述熱電設(shè)備和所述控制器供能的功率源。
6.如權(quán)利要求4所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述吸著和解吸床各自具有從所述入口到所述出口測(cè)量的大致相等的床長(zhǎng)度，并且其中，所述熱電設(shè)備的長(zhǎng)度在大約所述床長(zhǎng)度的10%和所述床長(zhǎng)度的100%之間。
7.如權(quán)利要求6所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述熱電設(shè)備的長(zhǎng)度在所述床長(zhǎng)度的約25%和所述床長(zhǎng)度的約50%之間。
8.如權(quán)利要求1所述的水回收系統(tǒng),還包括: 第二熱泵，所述第二熱泵位于所述吸著床和所述解吸床之間，用于在所述吸著床和所述解吸床之間傳遞熱， 其中，所述控制器控制所述第二熱泵。
9.如權(quán)利要求1所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述第二熱泵包括熱電設(shè)備。
10.如權(quán)利要求1所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述解吸床的出口附近的所述區(qū)域的溫度和與所述解吸床的出口附近的所述區(qū)域?qū)?zhǔn)的所述吸著床的區(qū)域的溫度之間的差異在約2°C和約50°C之間。
11.如權(quán)利要求1所述的水回收系統(tǒng)，其中，所述解吸床的出口附近的所述區(qū)域的溫度和與所述解吸床的出口附近的所述區(qū)域?qū)?zhǔn)的所述吸著床的區(qū)域的溫度之間的差異在約5°C和約30°C之間。
12.—種用于從流體流中回收水的方法，所述方法包括: 導(dǎo)引第一流體流穿過(guò)第一吸著劑床使得所述第一流體流中的水被所述第一吸著劑床內(nèi)的第一吸著劑所吸著； 用所述第一吸著劑床中的水的吸著所產(chǎn)生的熱來(lái)加熱第二吸著劑床，所述第二吸著劑床定位成鄰近所述第一吸著劑床并與所述第一吸著劑床熱鏈接，所述第二吸著劑床具有流體流入口、流體流出口以及等于所述入口與所述出口之間距離的床長(zhǎng)度； 給位于所述第一吸著劑床和第二吸著劑床之間的熱泵供能以主動(dòng)地加熱所述第二吸著劑床并冷卻所述第一吸著劑床； 導(dǎo)引第二流體流穿過(guò)所述第二吸著劑床使得當(dāng)所述第二吸著劑床被加熱時(shí)，水被從位于所述第二吸著劑床內(nèi)的第二吸著劑解吸并被所述第二流體流從所述第二吸著劑床去除；以及 保持從所述流體流出口延伸所述床長(zhǎng)度的約10%和約100%之間的長(zhǎng)度的所述第二吸著劑床的區(qū)域的溫度大于所述第一吸著劑床在與所述第二吸著劑床的所述區(qū)域相鄰的區(qū)域處的溫度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一和第二吸著劑選自硅膠、沸石分子篩、陰陽(yáng)離子交換介質(zhì)、用一種或多種吸濕鹽浸潰的陶瓷或聚合物基材及其組合組成的組。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述一種或多種吸濕鹽選自碳酸銫、氟化銫、氯化鈣、溴化鋰及其組合組成的組。
15.如權(quán)利要求1 2所述的方法，其中，所述熱泵包括熱電設(shè)備。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述熱電設(shè)備的長(zhǎng)度在大約所述床長(zhǎng)度的10%和所述床長(zhǎng)度的100%之間。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述熱電設(shè)備的長(zhǎng)度在所述床長(zhǎng)度的約25%和所述床長(zhǎng)度的約50%之間。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第二吸著劑床的所述區(qū)域的溫度和所述第一吸著劑床在與所述第二吸著劑床的所述區(qū)域相鄰的區(qū)域處的溫度之間的差異在約2°C和約50°C之間。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二吸著劑床的所述區(qū)域的溫度和所述第一吸著劑床在與所述第二吸著劑床的所述區(qū)域相鄰的區(qū)域處的溫度之間的差異在約5°C和約30°C之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用熱鏈接吸著劑床的水回收，具體地，一種水回收系統(tǒng)包括吸著床、解吸床、熱泵和控制器。所述吸著床接收第一流體流并從所述第一流體流中吸收和/或吸附水。所述解吸床與所述吸著床對(duì)準(zhǔn)并熱連接到所述吸著床，且接收第二流體流并將水解吸到所述第二流體流。所述熱泵置于所述吸著床與所述解吸床之間并將熱從所述吸著床傳遞到所述解吸床。所述控制器給所述熱泵分配功率以保持所述解吸床的出口附近的區(qū)域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區(qū)域?qū)?zhǔn)的所述吸著床的區(qū)域。一種用于從流體流中回收水的方法包括導(dǎo)引流體流穿過(guò)所述水回收系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B01D53/26GK103157341SQ20111040832
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者E.W.霍奇森, W.G.小帕佩爾 申請(qǐng)人:哈米爾頓森德斯特蘭德空間系統(tǒng)國(guó)際有限公司