利用熱鏈接吸著劑床的水回收制造技術

本發明專利技術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準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域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區域對準的所述吸著床的區域。一種用于從流體流中回收水的方法包括導引流體流穿過所述水回收系統。

【技術實現步驟摘要】
利用熱鏈接吸著劑床的水回收
技術介紹
水回收是航天器環境和一些其他密閉空氣環境中的重要工藝。對于像去除二氧化碳這樣的某些基本的航天器工藝來說，干燥的空氣流是期望或必需的。一些二氧化碳去除系統(分子篩)不能容許進入的流體流中的濕氣。其他的(胺吸著劑)不期望地損失掉流體流中的濕氣含量。例如，在短期航天器任務中，水分回收可能并不是關鍵的而且胺吸著劑能夠充分地起作用。但是，在更長的任務中，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行水回收。在當前實踐中，從工藝空氣進行的水回收利用了干燥劑介質，所述干燥劑介質被循環地加載(loaded)和卸載(unloaded),所述加載通過從潮濕的工藝流中去除水來進行，而所述卸載通過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進行。常規的水回收系統需要大量的熱能和/或大件設備。由于水的高汽化熱，當從工藝空氣流中去除水蒸氣時會釋放大量的熱，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)的需要相結合以有效驅除所吸附的水蒸氣。在常規系統中，離開解吸床和進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，因為空氣流的比熱與其所攜水蒸氣的汽化熱相比較小。通過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計整合優勢，但是它們顯著影響整個系統的壓降、質量和成本。通過更快速地循環更小的干燥劑床，系統質量可被減少，但這增加了支持這些床的熱擺動(thermal swing)的能量需求，增長了空氣加熱器和熱交換器的大小以及系統功率輸入。所以，當前的水去除系統固有地尺寸大并且需要大量能量來操作。
技術實現思路
—種水回收系統包括吸著床(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，與所述吸著床對準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域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區域對準的所述吸著床的區域。一種從流體流回收水的方法包括導引第一流體流穿過第一吸著劑床使得所述第一流體流內的水被所述第一吸著劑床內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生的熱來加熱第二吸著劑床。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。所述方法還包括導引第二流體流穿過所述第二吸著劑床使得當所述第二吸著劑床被加熱時，水被從位于所述第二吸著劑床內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域的溫度高于與所述第二吸著劑床的區域相鄰的區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域從所述流體流出口延伸到所述第二吸著劑床的床長度的約10%和約100%之間的長度。附圖說明圖1示出水回收系統。圖2示出將吸著床和解吸床對換的圖1的水回收系統。圖3示出具有熱泵的水回收系統，所述熱泵延伸吸著床與解吸床的長度。圖4示出吸著床與解吸床的流體流在相反方向上流動的水回收系統。圖5示出不同水回收系統的能量需求的圖表。具體實施例方式本專利技術提供一種緊湊的、低功率的水回收系統以及從流體流中回收水的方法。所述水回收系統使用熱鏈接吸著劑床，其中，吸著床處由水吸收所產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化了排出的流體流。比起單獨使用被動式熱傳遞時，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于吸著與解吸之間。根據這里所描述的水回收系統和方法，工藝流包括任何流體流。工藝流通常包括在密閉環境內循環的流體流，所述密閉環境包括但不限于航天器、潛艇及航空器環境。示例性的工藝流包括在航天器和航空器內的工藝空氣流，例如艙內空氣。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10的一個實施例。水回收系統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對準并熱鏈接。也就是說，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吸著劑組件所產生的熱能夠傳遞給另一個。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的每個區段都對準第二吸著劑組件12B的對應區段。熱鏈允許來自吸著劑組件一個區段的熱傳遞到另一吸著劑組件的對應區段。所述熱鏈可構造成使得熱傳遞可被動地和/或主動地發生。第一吸著劑組件12A包括通道18A與20A及床22A。根據流體流的方向，通道18A允許流體流進入或排出第一吸著劑組件12A。如圖1中所示，通道18A是入口。一旦流體流已經通過通道18A進入第一吸著劑組件12A，流體流就穿過床22A。床22A含有吸著劑材料32。流體流穿過床22A到達通道20A。根據流體流的方向，通道20A允許流體流進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包含三個床區段。雖然床22A是連續的，但為了更好的說明本專利技術，將描述不同的床區段。床區段24A位于入口通道18A附近的區域內，床區段28A位于出口通道20A附近的區域內而床區段26A位于床區段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，流體流一般從床區段24A行進到床區段26A再到床區段28A并在通道20A處排出第一吸著劑組件12A。以下更詳細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。當水被吸著劑材料32吸收或吸附時產生熱。通過使用足夠的熱能，吸著劑材料32將會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。在示范實施例中，吸著劑材料32是水特定的(water-specific)。也就是說,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、陰陽離子交換介質、用一種或多種吸濕鹽浸潰的陶瓷或聚合物基材及其組合。所述陶瓷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水回收系統，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準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域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區域對準的所述吸著床的區域。

【技術特征摘要】
1.一種水回收系統,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準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域的溫度大于與所述解吸床的出口附近的區域對準的所述吸著床的區域。2.如權利要求1所述的水回收系統，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、陰陽離子交換介質、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.如權利要求2所述的水回收系統，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.如權利要求1所述的水回收系統，其中，所述熱泵包括熱電設備。5.如權利要求4所述的水回收系統，還包括: 用于向所述熱電設備和所述控制器供能的功率源。6.如權利要求4所述的水回收系統，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量的大致相等的床長度，并且其中，所述熱電設備的長度在大約所述床長度的10%和所述床長度的100%之間。7.如權利要求6所述的水回收系統，其中，所述熱電設備的長度在所述床長度的約25%和所述床長度的約50%之間。8.如權利要求1所述的水回收系統,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.如權利要求1所述的水回收系統，其中，所述第二熱泵包括熱電設備。10.如權利要求1所述的水回收系統，其中，所述解吸床的出口附近的所述區域的溫度和與所述解吸床的出口附近的所述區域對準的所述吸著床的區域的溫度之間的差異在約2°C和約50°C之間。11.如權利要求1所述的水回收系統，其中，所述解吸床的出口附近的所述區域的溫度和與所述解吸床的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：EW霍奇森，WG小帕佩爾，
申請(專利權)人：哈米爾頓森德斯特蘭德空間系統國際有限公司，
類型：發明
國別省市：