逆流式热/质量交换反馈控制制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景在本世纪，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；并且这两项挑战紧密关联，例如在《经济学家》(The 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。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、以及崩溃的生态系统。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)。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。水库在干涸；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。此外，可以有利地从污染的废水流中(例如，从油气生产中)提取出水，以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。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(RO)是当前领先的除盐技术。在大规模工厂中，所要求的比电量可以低至30％的回收率4kWh/m3，相比之下理论最小值是约1kWh/m3；较小规模的RO系统(例如，船上的)是效率较低的。其他现有的海水除盐系统包括基于热能的多级闪蒸(MSF)、以及多效蒸馏(MED)，二者均是能量密集且资本密集的工艺。然而在MSF和MED系统中，最大盐水温度和输入热量的最大温度是受到限制的以避免硫酸钙、氢氧化镁、以及碳酸钙析出，这会导致在热传递设备上形成软垢和硬垢。增湿-除湿(HDH)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。这种技术的一种简单形式包括增湿器、冷凝器、以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。HDH工艺与MSF和MED系统相比在更低的顶部盐水温度下运行，因此在某种程度上避免了结垢组分的析出。在美国专利号8,119,007 B2(A.Bajpayee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这个溶液被冷却来使基本上纯的水从该溶液中脱溶出来。本申请的专利技术人也是以下包括对HDH和用于纯化水的其他工艺的额外讨论的专利申请的专利技术人之一：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；以及在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；以及在2013年8月5日提交的美国申请13/958,968。
技术实现思路
在此描述了用于逆流式热及质量同时交换的设备和方法。这些设备和方法的多个不同实施例可以包括下文描述的这些元件、特征和步骤中的一些或全部。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。通过一个或多个传感器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。这些方法和设备允许通过控制该系统中的多个流量控制器，例如泵、鼓风机和阀等等，来控制这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。这些方法和设备例如可以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。附图简要说明图1是逆流式热交换器的示意性展示。图2展示了图1的热交换器中的流量、温度和浓度指示符发送器。图3是流程图，展示了操作该系统的方法的步骤。图4是逆流式冷却塔的示意性展示。图5是逆流式冷凝器的示意性展示。图6a是增湿-除湿(HDH)系统的示意性展示，该系统在测量系统参数的这些不同位置做出了标记并且展示了流动动力学特性。图6b是来自图6b的HDH系统的冷凝器的示意性展示，其中该冷凝器包括两个级，每个级包括三个塔板。图7是图6a的HDH方法在没有中间提取时的流程图。图8是具有单一中间提取的HDH方法的流程图。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HDH方法的流程图。图11是对于该方法的实例而言在不同水温下所得的输出比率(GOR)与质量流量比率的曲线图。图12是对于该方法的实例而言无量纲的焓产生速率与热容量比率的曲线图。在附图中，贯穿这些不同的视图，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这些相同或相似物项的多个例子。这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。详细说明从以下对本(这些)专利技术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，本专利技术的各个方面的以上以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以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。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，则该成分可以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％)可以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以是由按重量计或按体积计来代表的。下文描述的工艺、程序和现象可以在环境压力(例如，约50-120kPa-例如约90-110kPa)和温度(例如-20℃至50℃-例如约10℃-35℃)下发本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.18 US 61/917,8471.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：格雷迪安特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US