CN106062483B - 热泵除湿的增强方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却和除湿第一空气流的装置包括：第一热交换器，将第一空气流从第一温度冷却到较低的第二温度；吸收器；再生器；以及一个或多个泵和导管。该装置在以下条件下操作：液体干燥剂在吸收器中从第一空气流去除水分，离开第一热交换器的第一空气流的第二温度低于被供应到吸收器的液体干燥剂的温度。

Description

热泵除湿的增强方法
相关申请
本申请是基于2013年10月25日提交的、题为“液体干燥剂直接膨胀式空调(LIQUID-DESICCANT DIRECT-EXPANSION AIR CONDITIONER)”的美国临时专利申请61/895809，以及2014年6月20日提交的、题为“液体干燥剂蒸汽压缩式空调(LIQUID-DESICCANTVAPOR-COMPRESSION AIR CONDITIONER)”的美国临时专利申请62/015155的非临时申请，上述申请的内容在此整体并入。
政府利益
本发明在由国防部授予的第SBIR FA8501-14-P-0005号授权下由政府支持进行。政府对本发明具有一定权利。
背景技术
热泵是可以将热能从第一温度源移动到第二较高温度槽(temperature sink)的热力装置。热能沿与其被动地流动的方向(即，其被动地从较高温度流向较低温度)相反的方向的这种传递需要能量的消耗，上述能量可以包括电力、化学能、机械功或高品位热能的多种形式被供应到热泵。
在温暖的天气，热泵通常用于将热能从建筑内移动到周围环境，即，它们对建筑物内所占据的空间提供舒适性空气调节。该空气调节具有两个重要组成部分：显冷，降低建筑物内的温度，以及潜冷，降低湿度。仅当室内的温度与湿度两者都被控制时才能保持舒适和健康的室内条件，因此热泵的显冷和潜冷都是重要的。
不幸的是，热泵并非高效的潜冷装置。由于它们“泵送”热能而不是水分，所以仅当处理空气在其初始露点温度之下被冷却时热泵才除湿，在许多应用中，被冷却到低温以便水蒸汽冷凝的处理空气必须被重新加热以便保持舒适的室内温度。这种过冷和重新加热的过程浪费了能量并增加了保持舒适室内条件的成本。
干燥剂空调可以是用于控制室内湿度的更有效的工具。干燥剂是对水蒸汽具有高亲和性的材料。它们可以被用来直接吸收来自空气的水蒸汽而不是首先冷却空气至低于其露点温度。在干燥剂吸收水蒸汽之后，该干燥剂被加热使得所吸收的水蒸汽被释放到适当的槽(例如，室外环境)。水蒸汽的该释放使干燥剂再生为随后可再次吸收水蒸汽的状态。
在一种类型的干燥剂空调中，用于再生干燥剂的热能由蒸汽压缩热泵的制冷剂冷凝器供应。下面的五个专利和专利申请描述了实施液体干燥剂空调的不同方式，该液体干燥剂空调用从制冷剂冷凝器重新获得的热能使干燥剂再生：
Peterson等人，美国专利第4941324号
Peterson专利描述了一种蒸汽压缩空调，其中，空调的蒸发器和冷凝器二者的外表面用液体干燥剂润湿。水蒸汽和热量从流过蒸发器的干燥剂润湿表面的处理空气中被吸收。干燥剂将水排放到流过冷凝器的干燥剂润湿表面的冷却空气流中。在稳定的操作条件下，干燥剂的浓度自然寻求水被蒸发器上的干燥剂吸收的速率等于水被在冷凝器上的干燥剂解吸的速率的值。
Forkosh等人，美国专利第6546746号；Griffiths，美国专利第4259849号
Forkosh专利和Griffiths专利都描述了蒸汽压缩空调，其中，液体干燥剂在制冷剂蒸发器中被冷却并在制冷剂冷凝器中被加热。冷却的干燥剂被传递到并遍布于多孔接触介质的第一床。流过该第一多孔床的处理空气被冷却并干燥。加热的干燥剂被传递到并遍布于多孔接触介质的第二床。流过该第二多孔床的冷却空气从温暖的液体干燥剂中获得热能和水蒸汽。正如Petersen专利一样，在稳定的操作条件下，干燥剂的浓度自然寻求水被热泵的蒸发器侧上的干燥剂吸收的速率等于水被在冷凝器侧上的干燥剂解吸的速率的值。
Vandermeulen等人，美国申请US 20120125020
Vandermeulen专利申请描述了一种蒸汽压缩空调，其中，第一热传递流体在制冷剂蒸发器中被冷却且第二热传递流体在制冷剂冷凝器中被加热。冷却的第一热传递流体冷却第一组膜覆盖板，上述第一组膜覆盖板具有在膜之下的每个板的表面上流动的液体干燥剂。处理空气随着其在与膜接触的第一组板之间的间隙中流动而被冷却并干燥。加热的第二热传递流体加热第二组膜覆盖板，上述第二组膜覆盖板具有在膜之下的每个板的表面上流动的液体干燥剂。冷却空气随着其在与膜接触的第二组板之间的间隙中流动而从干燥剂中获得热能和水蒸汽。正如Petersen专利一样，在稳定的操作条件下，干燥剂的浓度自然寻求水被热泵的蒸发器侧上的干燥剂吸收的速率等于水被在冷凝器侧上的干燥剂解吸的速率的值。
Dinnage等人，美国专利第7047751号
Dinnage专利描述了一种蒸汽压缩空调，其中，离开空调的制冷剂蒸发器的冷却的、饱和的处理空气流过干燥轮的两个扇区中的第一个，离开空调的制冷剂冷凝器的温暖的、不饱和的冷却空气流过第二扇区。水蒸汽被第一扇区中的干燥剂从处理空气中吸收并被第二扇区中的干燥剂解吸到冷空气。干燥轮在两股气流之间旋转使得吸收过程和解吸过程同时并连续发生。
Lowenstein等人的第五个专利(美国专利第7269966号)描述了一种当液体干燥剂是腐蚀性卤化物盐溶液时实施功能上与Peterson专利中所描述的空调相似的液体干燥剂空调的技术。
热泵利用在Griffths、Forkosh、Vandermeulen或Dinnage专利中描述的技术来增加它们的潜冷，这些热泵都有着基本性能限制。因为Griffiths和Forkosh专利使用绝热的多孔接触介质的床(即，在床之内没有冷却或加热的嵌入的内源)相比于通过床的气流，干燥剂注水速度(flooding rate，吸水速度)必须高。需要这些高注水速度使得干燥剂的温度不会显著增加(在当干燥剂吸收水时热量被释放的床中)或显著减少(在当干燥剂吸收水时热量被吸收的床中)。这些高注水速度需要具有高功率抽吸的大泵。它们也在被注水的床中产生大的空气侧压降，增加热泵的风扇功率。
使用Vandermeulen技术的热泵必须在其散热器(thermal sink)(例如，用于使用蒸汽压缩技术的热泵的制冷剂蒸发器)与液体干燥剂吸收器之间泵送冷却的热传递流体，且其必须在其热源(例如，用于使用蒸汽压缩技术的热泵的制冷剂冷凝器)与液体干燥剂解吸器之间泵送加热的热传递流体。这两个热传递回路都通过引入迫使热泵的散热器在较低温度下运行以及其热源在较高温度下运行的温差增加热泵的功率使用并降低性能。
使用Dinnage技术的热泵中固有的局限性的源头是固体干燥剂转子。特别是：
(a)由于干燥轮旋转到要被除湿的气流中，没有简单方式来预冷干燥轮的暖再生(即，水解吸)扇区。因此，储存在轮的大部分中的热量被传递到该气流，从而减少由空调产生的冷却效果。相似地，由于固体干燥轮的冷却处理(即，吸水性)扇区旋转到暖空气流中，再生固体干燥剂的暖空气中的热能的有效部分进行加热大部分的轮的任务。这种加热任务在从干燥剂中积极地解吸水的暖空气中降低热能的量。
(b)干燥轮的再生扇区和处理扇区必须彼此相邻。该几何约束需要供应空气和再生空气以非常靠近的方式彼此相反地流动。
(c)再生扇区和处理扇区的圆形与一般用于用作空调的制冷剂蒸发器和制冷剂冷凝器的翅片管热交换器的矩形不同。而在空调的高度或宽度的任一个上的设计约束可以通过调整矩形热交换器的纵横比而被容纳，干燥轮在其高度和宽度方面均必须以相同比例增大(或缩小)。
应用Lowenstein专利中的技术的热泵也具有重要限制，尽管限制不是根本性的，而是集中在制造新型热泵设计所需的固定设备中的投资的实际问题。特别地，当实施为蒸汽压缩空调时，Lowenstein专利中的技术将需要制造者对于现在用于传统翅片管热交换器的空调的蒸发器和冷凝器使用完全不同的组装工序。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，一种用于冷却和除湿第一空气流的装置包括：第一热交换器，将第一空气流从第一温度冷却到较低的第二温度；吸收器，包括：接触介质的多孔床，其表面被液体干燥剂的第一流润湿，该液体干燥剂的第一流被供应到吸收器且在第一空气流已经在第一热交换器中被冷却之后通过该接触介质的多孔床使第一空气流流动；以及第一收集容器，接收流出接触介质的多孔床的液体干燥剂；再生器，接收流入第一收集容器的液体干燥剂的至少一部分，并从所接收到的液体干燥剂中去除水；以及一个或多个泵和导管，执行下述内容的至少一个：在吸收器与再生器之间交换液体干燥剂，在吸收器之内再循环液体干燥剂，或在再生器之内再循环液体干燥剂；以及
其中，该装置在以下条件下操作：液体干燥剂在吸收器中从第一空气流去除水分，离开第一热交换器的第一空气流的第二温度低于被供应到吸收器的液体干燥剂的温度。
在至少一个实施例中，再生器是解吸器，其中在第二热交换器中已经被加热到第三温度的第二空气流流过被液体干燥剂润湿的多孔接触介质的床，液体干燥剂释放水分到第二空气流，并且第二收集容器接收流出解吸器中的多孔介质的床的液体干燥剂。
在至少一个实施例中，第一热交换器和第二热交换器是热泵的散热器和热源。
在至少一个实施例中，第一热交换器是蒸发器，且第二热交换器是第一蒸汽压缩热泵的冷凝器。
在至少一个实施例中，从吸收器流到再生器的液体干燥剂和从再生器流到吸收器的液体干燥剂在热交换器中交换热能。
在至少一个实施例中，一个或多个导管将第一收集容器和第二收集容器流体连接。
在至少一个实施例中，第一收集容器和第二收集容器具有共用的至少一个壁以及在至少一个壁中的至少一个开口，上述至少一个开口允许液体干燥剂在两个容器之间流动。
在至少一个实施例中，第一收集容器和第二收集容器被结合到单个、共用的收集容器。
在至少一个实施例中，在两个质量流均以相同量纲单位被测量并且接触介质的表面用毛细作用携带(wick)液体干燥剂的条件下，液体干燥剂的第一流与第一空气流的质量流速比小于0.147。
在至少一个实施例中，用毛细作用携带液体干燥剂的接触介质包括玻璃纤维的波纹板。
在至少一个实施例中，该装置还包括使第一收集容器和第二收集容器流体连接的至少两个导管，其中，泵帮助干燥剂在至少一个导管中的流动。
在至少一个实施例中，泵适于被调整以改变在第一收集容器和第二收集容器之间的干燥剂的交换。
在至少一个实施例中，阀将离开一个泵的流分成两股流，其中一股流被运送到吸收器和/或第一收集容器，另一股流被运送到解吸器和/或第二收集容器。
在至少一个实施例中，将流分成两股流的阀可被调整使得两股流的相对量可被控制。
在至少一个实施例中，吸收器中的多孔接触介质的床不具有嵌入式的内部冷源，解吸器中的多孔接触介质的床不具有嵌入式的内部热源。
在至少一个实施例中，吸收器中的多孔接触介质的床具有嵌入式的内部冷源，该冷源为第二蒸汽压缩热泵的蒸发器，解吸器中的多孔接触介质的床具有嵌入式的内部热源，该热源是第二蒸汽压缩热泵的冷凝器。
在至少一个实施例中，第一蒸汽压缩热泵和第二蒸汽压缩热泵共用共同的压缩机。
根据本发明的示例性实施例，一种用于冷却和除湿第一空气流的方法，其包括：通过第一热交换器将第一空气流从第一温度冷却到较低的第二温度；用被供应到吸收器的液体干燥剂的第一流润湿包括接触介质的多孔床的吸收器的表面；在吸收器中通过液体干燥剂从第一空气流中去除水分，其中离开第一热交换器的第一空气流的第二温度低于被供应到吸收器的液体干燥剂的温度；通过第一收集容器接收流出接触介质的多孔床的液体干燥剂；通过再生器接收流入第一收集容器的液体干燥剂的至少一部分，使得水从所接收的液体干燥剂被去除；以及以下至少一个：在吸收器与再生器之间交换液体干燥剂，在吸收器之内再循环液体干燥剂，或在再生器之内再循环液体干燥剂。
在至少一个实施例中，再生器是解吸器，该方法还包括以下步骤：在第二热交换器中将第二空气流加热到第三温度；使第二空气流流动通过用液体干燥剂润湿的多孔接触介质的床，使得水分被释放到第二空气流；以及通过第二收集容器接收流出解吸器中的多孔介质的床的液体干燥剂。
在至少一个实施例中，第一热交换器和第二热交换器是热泵的散热器和热源。
在至少一个实施例中，在两个质量流均以相同量纲单位被测量以及接触介质的表面用毛细作用携带液体干燥剂的条件下，液体干燥剂的第一流与第一空气流的质量流速比小于0.147。
附图说明
图1是如在美国专利第7047751号中所述的固体干燥剂蒸汽压缩空调装置的框图；
图2是根据本发明的示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图3是示出对于处理空气和冷却空气两者在典型操作期间流过本发明的示例性实施例的状态点的焓湿图(psychrometric chart，湿度计算图)；
图4是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图5是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图6是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图7是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图8是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图9是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；
图10是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的绝热液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图；以及
图11是根据本发明的另一示例性实施例的、具有增加空调的潜冷的液体干燥剂吸收器和解吸器的蒸汽压缩空调的框图。
具体实施方式
这里要求保护的本发明和其所提供的益处可以通过比较其操作与Dinnage专利中所描述的技术的操作而被理解。图1是如在Dinnage专利中所公开的蒸汽压缩空调的框图。其示出了蒸汽压缩空调，其中供给空气流在制冷剂蒸发器(52)中被冷却且再生空气流在制冷剂冷凝器(58)中被加热。离开制冷剂蒸发器(52)的冷的、饱和的供应空气在其穿过旋转干燥轮(55)的处理扇区(54)时被干燥。当轮旋转时，被干燥剂吸收的水被排放到再生空气中，并且所谓的“处理扇区”变成干燥剂被再生空气加热的“再生扇区”(60)。
虽然示出为应用于蒸汽压缩空调，但是Dinnage专利中描述的技术可以增加其他类型热泵的潜冷。其有效性依赖于所有的干燥剂的基本属性：在平衡条件下由干燥剂吸收的水的量是其环境的相对湿度的函数。对于冷却建筑物的热泵，离开较低温度散热器(例如，蒸汽压缩空调的制冷剂蒸发器)的空气比离开较高温度热源(例如，蒸汽压缩空调的制冷剂冷凝器)的空气具有高得多的相对湿度。被交替地暴露于这两股气流的干燥剂会将水分从具有更高相对湿度的流移动到具有更低湿度的流。该水分传递的净效应将增加由热泵提供的潜冷。
在示例性实施例中，本发明通过用液体干燥剂吸收器替换干燥轮的处理扇区以及用液体干燥剂解吸器替换再生扇区消除了用于Dinnage专利中的技术的两个几何限制(前面提到的局限性的第二个和第三个)。对于图2中示出的本发明的实施例，对固体干燥剂技术的液体干燥剂技术的该替换需要至少两个泵(44s、44w)，上述泵用于在吸收器(53)与解吸器(51)之间移动液体干燥剂(46s、46w)。吸收器和解吸器都具有多孔接触介质(59)的内部床，该多孔接触介质具有被从液体干燥剂分配器(49)供应的液体干燥剂润湿的表面。在通过多孔接触介质(59)的分开的床流下后，液体干燥剂排放到分开的储槽(45s、45w)中，上述储槽将液体干燥剂供应到泵(44s、44w)的入口。
图2示出的本发明的实施例冷却并除湿在HVAC应用中一般从室外、室内或两个位置的结合被抽吸的处理空气流(66)。处理空气流(66)首先在制冷剂蒸发器(52)中被冷却。该冷却既降低离开制冷剂蒸发器(52)的处理空气流(63)的温度又增加了上述处理空气流的相对湿度，使得上述处理空气流的相对湿度典型地大于90％。具有高的相对湿度的处理空气流(63)流过吸收器(53)中的多孔接触介质(59)的干燥剂润湿床。由于处理空气(63)具有非常高的相对湿度，所以液体干燥剂从处理空气(63)中吸收水蒸汽。这种吸收有三个作用：(a)该处理空气的绝对湿度减小，(b)该液体干燥剂的浓度减小，和(c)处理空气的温度升高(该最后效果是由在吸收过程中释放的热引起的)。因此，与离开蒸发器(52)的处理空气(63)相比，该处理空气(64)以较低绝对湿度和较高温度离开吸收器(53)。然后，冷的、干燥的空气流(64)能释放到建筑物中。
被供应到吸收器(53)的顶部的液体干燥剂比在吸收器(53)的底部处离开的液体干燥剂更强(即，更浓缩)。较弱的液体干燥剂(46w)从在吸收器(53)之下的储槽(45w)被泵送到分配器(49)，该分配器将液体干燥剂运送到解吸器(51)。在解吸器(51)中，由液体干燥剂吸收的水被排放到暖的、低相对湿度的冷却空气(61)中，上述暖的、低相对湿度的冷却空气离开制冷剂冷凝器(58)并流过解吸器(51)中的多孔接触介质(59)的干燥剂润湿床。在解吸器(51)中获得水后，更潮湿的冷却空气(62)被排出到周围环境(例如，排放回室外)。如果已经将水排放到冷却空气(62)中，则离开解吸器(51)的底部的液体干燥剂比当它进入解吸器时更强。该更强的干燥剂(46s)被泵送到分配器(49)，该分配器将液体干燥剂供应到吸收器(53)的顶部。
(在图2中，在流过解吸器时获得水的空气已经被称为“冷却空气”，因为它最初冷却蒸汽压缩热泵的冷凝器。在干燥技术的讨论中，该空气也被称为为“再生空气”和“净化空气”。冷却空气(61)可以从建筑物外部被吸入。)
图2示出了本发明的一个实施例，其中热泵是蒸汽压缩空调。除了它的蒸发器(52)和冷凝器(58)之外，该空调具有循环制冷剂(43)的压缩机(41)和使得制冷剂(43)的压力从接近压缩机(41)的排放压力的高压降低到接近压缩机的吸入压力的低压的膨胀阀(42)。蒸汽压缩空调还具有用于移动冷凝器上的冷却空气(61)和蒸发器上的处理空气(63)的风扇(风扇未在图2中示出)。
通过观察图3中的焓湿图上的过程可以理解图2所示的由本发明提供的增强的潜冷。对于图3中所示的过程，86F(华氏温度)(干球温度)和0.01889lb/lb(绝对湿度比)的环境空气(状态点A)在热泵的蒸发器中被处理，并且用于在热泵的冷凝器中冷却。用于冷却的空气的体积流率比被处理的空气大四倍。
如图3所示，待处理的环境空气(状态点A)在蒸发器中首先朝向饱和(状态B点)被冷却，然后在蒸发器中进一步被冷却到状态点C。在状态点C处，处理空气具有接近100％的相对湿度。该接近饱和的处理空气随后流过吸收器中的干燥剂润湿的多孔接触介质的床并被干燥到状态点D。如前所述，当干燥剂吸收水分且释放的热量增加了处理空气的温度时，热量被释放。温度的增加和绝对湿度的减小的联合作用将处理空气的相对湿度降低到49％的最终值。
冷却热泵的冷凝器的环境空气(状态点A)在状态点E离开冷凝器，其温度已经从86F增加到112F。在状态点E的冷却空气的相对湿度为35％，当导向解吸器时该冷空气的相对湿度足够低以使流到解吸器中的弱液体干燥剂返回到由液体干燥剂吸收器所需的强浓度。
使用液体干燥剂来增加其潜冷的热泵的图2所示的本发明的实施例在热力学上相当于图1所示的固体干燥剂实施。对于液体干燥剂实施和固体干燥剂实施两者，由干燥部件提供的增加的潜冷可通过停止固体干燥转子的旋转或停止液体干燥泵而被关闭。在干燥部件不活跃时，由于通过不活跃的干燥部件的空气侧压力下降，空调将类似于传统热泵空调执行轻微降低的性能。干燥部件的开/关循环可以被用于调节由空调提供的显冷和潜冷的比。
固体干燥剂的实施和液体干燥剂的实施两者的性能被在吸收侧和解吸侧之间交换的热能(由于干燥剂在这些侧之间移动)劣化(即，上述Dinnage专利中所列的第一个限制)。具有增强的潜冷的热泵的液体干燥剂实施在其固体干燥剂对应物之上具有的重要优点在于，通过添加液对液热交换器，以预冷从解吸器流到吸收器的暖干燥剂，同时预热从吸收器流到解吸器的冷干燥剂，其效率可被提高。用于具有液对液互换式热交换器(IHX)的空调的液体干燥剂热泵的该构造在图4中所示。如该图中所示，来自解吸器(51)的暖的、强干燥剂(46s)与来自吸收器的冷的、弱干燥剂(46w)交换热能，这两股干燥剂流在互换式热交换器(69)的相对侧上流动。该热交换具有两个重要效果，第一，其减少了从液体干燥剂传递到吸收器(53)中的处理空气(63)的热能，这就增加了由热泵提供的制冷量。IHX(69)中的热能的交换也温暖了被供应到解吸器的弱干燥剂，这增加了解吸器中的水排放。
如图4所示，强干燥剂(46s)流和弱干燥剂(46w)流是通过IHX(69)的并流(co-current)。如一般在热交换器的设计中实践的，IHX中的热能的交换可以通过引导两个逆流通过IHX被增加。
图2和图4所示的本发明的实施例具有“一次通过”干燥剂循环——离开解吸器(51)的所有干燥剂被泵送到吸收器(53)，并且离开吸收器(53)的所有干燥剂被泵送到解吸器(1)。用于控制潜冷和显冷的相对量的装置可以通过修改干燥剂循环被并入本发明，使得到吸收器和解吸器的干燥剂的流速被独立地控制。
图5示出了本发明的实施例，其中到吸收器和解吸器的干燥剂的流速可被独立控制。在该实施例中，来自解吸器(51)之下的储槽(45s)的强干燥剂(46s)被泵送到解吸器(51)的顶部，而来自吸收器(53)之下的储槽(45w)的弱干燥剂(46w)被泵送到吸收器(53)的顶部。由于被泵送的干燥剂电路不再提供将干燥剂中的水从吸收器转移到解吸器所必须的、解吸器和吸收器之间的流体连通，所以必须提供流体连通的替代设备。
在图5所示的实施例中，流体连通的替代设备是一对传输管(40s、40w)，该对传输管在储槽内的两个不同高度处连接吸收器(45w)的储槽与解吸器(45s)的储槽。每个储槽内的干燥剂的高度和密度决定了储槽内的液体静压力的竖直分布。当两个储槽中的干燥剂的高度相同时，具有更多稠密干燥剂(即强的、更浓的干燥剂)的储槽中的液体静压力将总是高于在储槽中处于相同高度的其他储槽(假设两个贮槽坐放在同一水平面上)。此外，液体静压力差在储槽内的低海拔处较大。
在图5所示的实施例的操作期间，通过吸收器中的干燥剂的水的吸收将提高吸收器储槽(45w)中的干燥剂的水平。相似地，通过解吸器中的干燥剂的水的解吸将降低解吸器储槽(45s)中的干燥剂的水平。当两个储槽中的干燥剂的高度和浓度建立从吸收器(45w)之下的储槽通过上传输线(40w)到达解吸器(45s)之下的储槽的弱干燥剂流以及从解吸器(45s)之下的储槽通过下传输线(40s)到达吸收器(45w)之下的储槽的强干燥剂流、且这两股流满足从吸收器到解吸器的水的净流等于水从处理空气被吸收的速度，且干燥剂的非水部分的净流(例如，当液体干燥剂是氯化锂的水溶液时，为氯化锂)是零的条件时，将达到稳定操作状态。
在图5所示的实施例中，解吸器和吸收器之间的流体连通的装置会影响被输送到吸收器(53)的较弱干燥剂(46w)与被输送到解吸器(51)的较强干燥剂(46s)之间的浓度差。一种促进吸收器和解吸器之间的干燥剂交换的流体连通设备将减小干燥剂的浓度差，而一种抑制交换的设备将增加该浓度差。此外，随着干燥剂中浓度差的增加，由吸收器提供的潜冷(即除湿)的量将减少，因为干燥剂的浓度差的该增加反映了被输送到吸收器的较弱干燥剂和被输送到解吸器的较强干燥剂。通过提供能够控制干燥剂的交换的解吸器和吸收器之间的流体连通的装置，由热泵提供的总制冷的一部分(即潜冷)可以积极地被调整以满足建筑物对潜冷和显冷的需要。
如图5所示，当流体连通的装置是两个传输管时，直径、长度和传输管(40s、40w)连接到储槽的位置的高度将影响强干燥剂和弱干燥剂在两个储槽(45s、45w)之间交换的速率。一般而言，较大和较小直径的管将限制干燥剂的交换，并在两个储槽之间产生较大的干燥剂浓度差。减少两个传输管连接到储槽的位置的高度差也将趋于限制干燥剂的交换。
虽然对干燥剂的交换将是非常严格的，但是用单个传输管取代图5中所示的两个传输管(40s、40w)是可行的。在该实施例中，弱干燥剂和强干燥剂的两个交换流都将在一个传输管中，弱干燥剂在管的上半部分单向流动，强干燥剂在下半部分沿相反方向流动。该单个传输管的长度可以被缩短以减少其施加的限制。此外，在两个储槽共享公共侧壁的实施例中，传输管将被侧壁中的简单的孔取代。
图6、图7和图8示出用以控制本发明的两个储槽之间的弱干燥剂和强干燥剂的交换的不同设备。在图6示出的本发明的实施例中，传输泵(44t)将弱干燥剂从吸收器(45w)之下的储槽移动到解吸器(45s)之下的储槽，并且强干燥剂沿相反方向移动通过传输管(40)，该传输管连接到泵入口和泵出口所连接的位置下方的储槽。
在图7所示的本发明的实施例中，位于用于弱干燥剂的泵(44w)的下游的分流阀(68)将弱干燥剂(46w)的一部分转移到解吸器(51)。强干燥剂通过传输管(40)返回到吸收器(53)之下的储槽(45w)。对于分流阀可被控制的实施例，两个储槽之间的弱干燥剂和强干燥剂的交换可被调节。从分流阀在用于强干燥剂的泵(44s)的下游的构造以及分流阀引导一部分的干燥剂流入强干燥剂储槽或弱干燥剂储槽而不是相应的干燥剂分配器的构造中可以获得分流阀(68)的益处。
与图5中所示的实施例的交换相似，在图8所示的本发明的实施例中，吸收器之下的储槽(45w)与解吸器之下的储槽(45s)之间的弱干燥剂和强干燥剂的交换被液体静压力差引发。然而，图8中所示的实施例的交换由可以改变传输线(40)中的阻力的调节流量阀(69)控制。
图6、图7和图8中所示的本发明的实施例，通过控制两个储槽之间的弱干燥剂和强干燥剂的交换，提供了用于改变被递送到吸收器和解吸器的干燥剂的浓度的装置。如前所述，干燥剂浓度的这种控制被用于控制由热泵提供的总制冷的一部分(即潜冷)。
图5示出了本发明的实施例，其中，传输管是吸收器与解吸器之间流体连通的唯一设备。图5、图6和图8中所示的吸收器与解吸器之间的流体连通的替代装置也可以被应用到图2和图4所示的本发明的实施例，其中干燥剂泵(44s、44w)已经在吸收器和解吸器之间提供了流体连通。当流体连通的替代装置被应用时，用于弱干燥剂(44w)的泵和用于强干燥剂(44s)的泵可以被独立控制。“一次通过”的要求，即被排放到吸收器(45w)之下的储槽中的所有的干燥剂被泵送到解吸器以及被排放到解吸器(45s)之下的储槽中的所有的干燥剂被泵送到吸收器，不再适用。
本发明的商业价值将取决于它的性能和它的资金成本。简化它的设计从而降低其制造成本的本发明的实施例如果性能方面的相关退化并不太大，则可以生产商业上更可行的产品。
图9所示的本发明的实施例被简化，其中离开吸收器(53)的干燥剂和离开解吸器(51)的干燥剂流入共同储槽(45c)。该实施例避免了单独储槽和在两个储槽之间交换干燥剂的装置的成本。然而，借助单个储槽(45c),传递到吸收器(46w)和解吸器(46s)的干燥剂的浓度将相同，所以该简化的实施例不提供由热泵供应的潜冷的控制。而且，由于被传输到吸收器和解吸器的干燥剂来自共同储槽，所以图4所示的由互换式热交换器(69)提供的性能的增强不会获得。
如先前所解释的，互换式热交换器(69)提高了热泵的性能，该热泵使用液体干燥剂吸收器和解吸器来通过以下两种效果增加其潜冷：(a)其降低了从液体干燥剂传输到吸收器(53)中的处理空气(63)的热能，以及(b)其提高了被供应到解吸器的弱干燥剂的温度，这增加了解吸器中的水排放。在本发明的不使用互换式热交换器的实施例中，最小化液体干燥剂到吸收器和解吸器两者的流动是重要的，其使得伴随这些流的有害的热能交换被最小化。
图2到图9中示出的本发明的实施例中使用的液体干燥剂吸收器(53)和解吸器(51)两者都是绝热的，即，它们在它们的多孔接触介质(59)的床之内不具有加热或冷却的内源。虽然在美国专利4259849和6546746的发明的一部分的液体干燥剂吸收器和解吸器不具有内部热交换，但在该种条件下，它们所操作的条件需要它们被供应相对高流动的液体干燥剂。特别是，两个专利中的吸收器被设计成冷却和干燥初始是温暖且潮湿的空气流。为了执行该功能，被供应到吸收器的液体干燥剂必须被冷却到低于被处理的空气的最终温度的温度。另外，如已经解释的，需要高注水速度，使得干燥剂的温度在水被液体干燥剂放热吸收期间不会显著增加。
与两个美国专利4259849和6546746中的吸收器的操作相比，本发明的实施例中的吸收器处理初始是潮湿但冷的空气(例如，已经被蒸汽压缩空调的蒸发器或其他空气冷却热交换器冷却的空气)。待处理的空气(63)的温度将比供应到吸收器的干燥剂(46w)的温度更低。随着液体干燥剂从处理空气中吸收水分，热被再次释放，但低温处理空气现在冷却液体干燥剂并限制其温度的上升。在本发明的实施例的操作条件下，没有必要以高速使干燥剂流动来作为限制干燥剂的温度的上升的方法。
作为示例，本发明可以具有在水平气流和竖直干燥剂流条件下操作的吸收器，且该吸收器具有以下特征：
多孔接触介质：玻璃纤维的波纹板
介质的体积表面积：420m2/m3(基于润湿表面积)
介质尺寸：1.0×0.1×1.0m(宽度×深度×高度)
干燥剂注水速度：25l/min-m2(基于介质的顶表面、水平表面)
空气迎面风速：1.3m/s
具有这些特征，通过多孔介质的总空气流和干燥剂流分别是1.3m3/s和2.5l/min。在空气密度(1.2kg/m3)和干燥剂密度(1.25kg/l)的典型值，液体干燥剂与气态空气的质量比(L/G)是0.033。如果进入吸收器的处理空气是54℉和99％rh(0.008788lb/lb的绝对湿度)，并且供应到吸收器的液体制冷剂是处于85.6℉的27.5％的氯化锂，离开吸收器的处理空气将是65.9℉和57.5％rh(0.007764lb/lb的绝对湿度)。
以液体干燥剂的低流速操作本发明的实施例的吸收器将是有利的，因为：(1)低流速减小循环液体干燥剂所需的泵的尺寸和功率，(2)当干燥剂流速低时，通过吸收器移动空气所需的风扇功率减小，(3)当液体流速低时，液体干燥剂的液滴将比较不容易被空气夹带，以及(4)先前描述的伴随液体干燥剂流中的热能的损失会更少。
Griffiths描述了用于由“用热固性树脂浸渍的波纹片材”组成的美国专利4259849中的吸收器的多孔接触介质。在市售的使用卤盐溶液的液体干燥剂***的吸收器中最常使用的多孔接触介质是纤维质波纹介质，其与作为被德国亚琛的蒙特公司制造并销售的相似。
的工程应用手册说明了当用水操作时“获得足够润湿和最佳性能”，垫5090-15的注水速度(其具有与本发明的先前示例中的波纹介质大致相同的体积表面积)应该不低于每平米90l/min的顶部水平表面面积。此外，不会导致来自5090-15垫的液滴夹带的水平流动的空气的最高迎面风速为3.0m/s。因此，以最低的注水速度和最高空气速度，传统的5090-15垫将具有等于0.042的液体与气体的质量比(L/G)。
需要重点注意的是需要用于的先前的最小注水速度——90l/min-m2——以利用水获得介质表面的良好覆盖。当和与相似的纤维质波纹介质与诸如氯化锂溶液的液体干燥剂一起使用时，液体干燥剂的更高表面张力抑制介质的润湿。
因此，当液体是液体干燥剂时，必须使用更高的注水速度以确保良好的润湿和介质的覆盖。由Kathabar制造和销售的液体干燥剂除湿机将具有纤维质波纹介质的注水速度，通常为240l/min-m2(6gpm/ft2)。由于液体干燥剂的密度通常为水密度的1.3倍，所以传统的液体干燥剂除湿机中的吸收器将在液体与气体的质量比(L/G)更接近0.147时运转，该质量比高于用于本发明的先前示例中的吸收器的L/G比四倍以上。
为了有效地获得本发明的益处，当液体干燥剂以近似每平米25l/min的顶部水平表面面积的速率被供应到吸收器时，所有实施例中使用的液体干燥剂吸收器必须具有接触介质的多孔床的良好润湿。如前面提到的，这个速率太低而不能保证纤维质波纹介质的表面的良好的润湿。
当多孔接触介质由用毛细作用携带液体干燥剂的基质制成时，吸收器中的接触介质的良好的润湿已经在25l/min-m2的液体干燥剂流速时借助25％和35％的盐浓度之间的氯化锂溶液获得。用毛细作用携带液体干燥剂的多孔接触介质的示例是由Munters公司以的商标名称制造并销售的玻璃纤维波纹介质。
来自以低流速的液体干燥剂操作吸收器获得的优点还将应用于解吸器的操作。此外，在图2到图9所示的本发明的实施例中，被供应到吸收器的液体干燥剂的性质将与被供给到解吸器的液体干燥剂非常相似。由于性质的这种相似性，解吸器的设计和操作将与吸收器的设计和操作非常相似。与吸收器相似，解吸器的性能将从其以低的流过解吸器和具有毛细表面的多孔接触介质的液体对气体的质量比的操作中获益，使得其表面可被低流动的液体干燥剂均匀地润湿。
图2到图9全都示出增加由热泵提供的潜冷的本发明的实施例。在这些实施例中，液体干燥剂吸收器接收首先通过热泵的散热器(例如，蒸汽压缩热泵的蒸发器)的空气流，并且液体干燥剂解吸器接收首先通过热泵的热源(例如，蒸汽压缩热泵的冷凝器)的空气流。此外，吸收器和解吸器流体联接，使得离开该解吸器的强液体干燥剂的一部分可以被输送到吸收器且离开该吸收器的弱液体干燥剂的一部分可以被输送到解吸器。
本发明还可以增加由热交换器提供的潜冷，该热交换器通过干燥离开从外源接收强液体干燥剂的吸收器中的热交换器的空气来冷却空气。图10示出了本发明的实施例，其中落在太阳能收集器(83)上的太阳辐射(79)产生热水(81)，该热水被泵送到空气加热器(85)。离开该空气加热器(85)的加热的空气(88)被供给到液体干燥剂解吸器(1)，在该处，具有低的相对湿度的加热的空气从液体干燥剂中获得水。在解吸器中产生的浓缩的液体干燥剂(46s)被泵送到液体干燥剂吸收器(53)。空气冷却热交换器(72)降低了空气(66)的处理流的温度。图10所示的空气冷却热交换器(72)被供应制冷剂(80)，该制冷剂可以是蒸发制冷剂或冷却的热传递流体。空气冷却热交换器(72)还可以是不流通冷却剂或制冷剂的热泵的散热器，如被称为(1)热电装置、(2)斯特林制冷机、(3)热弹性装置、(4)磁声装置、(5)磁热装置和(6)热声装置的热泵。离开空气冷却热交换器(72)的冷却的空气处理流(63)(现在具有高的相对湿度)进入液体干燥剂吸收器(53)。冷却的处理空气中的水蒸汽由吸收器中的液体干燥剂吸收。干燥的处理空气(64)离开该吸收器并被供给到需要冷却且干燥的空气的最终用途。离开吸收器的弱液体干燥剂(46w)被泵送到解吸器，在该处，该弱液体干燥剂被再生为强浓缩物。
在图10所示的***中具体表达的本发明的基本特征是(1)具有高相对湿度的冷却的处理空气在液体干燥剂吸收器中被干燥，该液体干燥剂吸收器被供应有温度高于进入的处理空气的温度的液体干燥剂，以及(2)供应到吸收器的液体干燥剂的质量流比处理空气的质量流低，上述两股流的液体对气体(L/G)的质量比小于0.147。
在图10中，产生强液体干燥剂的液体干燥剂再生器是解吸器，其接收来自由太阳能收集器提供的热水来加热的热交换器的暖空气。多种其他类型的再生器和用于再生器的热源可以取代图10中所示的再生器而不影响该图中所示的本发明的基本特征。特别是，再生器可以是通常被描述为净化空气再生装置，或者其可以是用于液体干燥剂的煮沸器(boiler)。并且，对于用以驱动再生器的热能的来源可以是从热电联产(cogeneration)***恢复的热量或由燃气热水器提供的热水的热量。
图10所示的实施例使用具有互换式热交换器(69)的先前描述的“一次通过”干燥剂循环在强液体干燥剂(46s)与弱液体干燥剂(46w)之间输送热能。虽然当离开解吸器(51)的强液体干燥剂(46s)是热的时(由于其可以是当再生器被高温热能驱动时)，互换式热交换器将显著提高性能，但图10所示的特别的干燥剂循环可被替换为图2、图5、图6、图7、图8和图9所示的液体干燥剂循环。
图2到图10所示的本发明的实施例全都使用绝热吸收器和解吸器。应认识到，增加由空气冷却热交换器提供的潜冷的目的可以通过进一步处理在被内部冷却的液体干燥剂吸收器中离开空气冷却热交换器的冷却的、高相对湿度空气而实现。并且，应认识到，当解吸器被内部加热时，液体干燥剂解吸器的将水排放到气流(已经由首先穿过热泵的热源预热好)中的性能的提高也将发生。图11示出了类似于图2所示实施例的本发明的实施例，但是具有液体干燥剂吸收器(53i)中的内部冷源(90)以及液体干燥剂解吸器(51i)中的内部热源(92)。
图11所示的内部冷却吸收器(53i)和内部加热解吸器(51i)可以分别为蒸汽压缩热泵的蒸发器和冷凝器，蒸发器和冷凝器两者都具有干燥剂湿润表面。此外，具有干燥剂润湿表面的蒸发器和冷凝器可以各自用由Lowenstein等人的专利(美国专利第7269966号)中描述的技术实施。
具有内部冷却吸收器的本发明的实施例可以供应具有靠近或低于32°F的结露点的空气而没有冰或霜积累在吸收器上，因为从处理空气被去除的水蒸汽被总是具有低于水的冻结温度的液体干燥剂吸收。然而，供应具有靠近或低于32°F的结露点的空气的传统的蒸汽压缩热泵将需要效率低的除霜循环，其中蒸发器的温度被增加到32°F之上，使得任何积累的冰和霜融化并作为水被排出蒸发器，被应用到具有内部冷却的吸收器的蒸汽压缩热泵的本发明的实施例能够在同样低的结露点供应空气同时进行操作而不被除霜循环间断。
对于本发明的来自图11所示的构造的实施例，其中处理空气(66)的初始冷却和再生空气(61)的加热发生在蒸汽压缩热泵的蒸发器和冷凝器中，并且内部冷却吸收器(53i)和内部加热解吸器也是蒸汽压缩热泵的蒸发器和冷凝器，用于两个蒸汽压缩热泵的制冷循环可以是彼此独立的或它们可以共享部件。对于具有共享部件的制冷循环的本发明的实施例，可被共享的部件包括压缩机、膨胀阀、制冷剂接收器、制冷剂累积器、制冷剂过滤器或者这些部件的一些组合。
许多不同的液体干燥剂可以在本文所描述的本发明的实施例中使用，在应用中，本发明为占用空间提供了舒适条件，使用非水组分具有非常低的蒸汽压力的液体干燥剂是令人期望的。作为示例，诸如氯化锂、氯化钙、溴化锂、溴化钙、乙酸钾、甲酸钾、硝酸锌、硝酸铵的离子盐溶液可以被用作液体干燥剂。而且，离子液体和一些液体聚合物用作具有液体干燥剂的非水部分的非常低的蒸汽压的液体干燥剂。在本发明的应用中，其中液体干燥剂的痕迹(trace)在被供给到最终用途的空气中可以被容许的，液体干燥剂可以是乙二醇。
虽然本发明的具体实施例已被说明和描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，各种其他的变化和改型可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下作出。因此，本文旨在覆盖所附权利要求书中的本发明的范围之内的所有的这些变化和改型。

Claims (16)

1.一种用于冷却和除湿第一空气流的装置，包括：
第一热交换器，将所述第一空气流从第一温度冷却到较低的第二温度；
第二热交换器，加热第二空气流，
吸收器，包括：
接触介质的第一多孔床，其表面被液体干燥剂的第一流润湿，该液体干燥剂的第一流被供应到所述吸收器且在所述第一空气流已经在所述第一热交换器中被冷却之后通过该接触介质的第一多孔床使所述第一空气流流动；以及
第一收集容器，接收流出所述接触介质的第一多孔床的液体干燥剂；
解吸器，包括：
接触介质的第二多孔床，其表面被液体干燥剂的第二流润湿，且在所述第二空气流已经在所述第二热交换器中被加热之后通过该接触介质的第二多孔床使所述第二空气流流动；以及
第二收集容器，接收流出所述接触介质的第二多孔床的液体干燥剂；以及
一个或多个泵，将所述液体干燥剂供给到所述吸收器和所述解吸器，
其中，
供给到所述吸收器的第一液体干燥剂和供给到所述解吸器的第二液体干燥剂被独立控制；
所述液体干燥剂在所述吸收器中从所述第一空气流去除水分，并且将所述水分在所述解吸器中释放到所述第二空气流，
所述液体干燥剂在所述吸收器和所述解吸器之间交换；以及
离开所述第一热交换器的所述第一空气流的第二温度低于被供应到所述吸收器的所述液体干燥剂的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热交换器和所述第二热交换器是热泵的散热器和热源。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一热交换器是蒸发器，且所述第二热交换器是第一蒸汽压缩热泵的冷凝器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述吸收器流到所述解吸器的液体干燥剂和从所述解吸器流到所述吸收器的液体干燥剂在热交换器中交换热能。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，一个或多个导管将所述第一收集容器和所述第二收集容器流体连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一收集容器和所述第二收集容器具有共用的至少一个壁以及在所述至少一个壁中的至少一个开口，所述至少一个开口允许液体干燥剂在两个容器之间流动。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一收集容器和所述第二收集容器被结合成单个、共用的收集容器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，在两个质量流均以相同量纲单位被测量并且所述接触介质的表面用毛细作用携带液体干燥剂的条件下，所述液体干燥剂的第一流与所述第一空气流的质量流速比小于0.147。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，用毛细作用携带液体干燥剂的所述接触介质包括玻璃纤维的波纹板。
10.根据权利要求5所述的装置，还包括使所述第一收集容器和所述第二收集容器流体连接的至少两个导管，其中，泵帮助干燥剂在至少一个导管中的流动。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述泵适于被调整以改变在所述第一收集容器和所述第二收集容器之间的干燥剂的交换。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，供给到所述吸收器的第一液体干燥剂和供给到所述解吸器的第二液体干燥剂通过至少一个阀被独立控制，所述阀控制离开至少一个泵的流。
13.一种用于冷却和除湿第一空气流的方法，包括：
通过第一热交换器将所述第一空气流从第一温度冷却到较低的第二温度；
用被供应到所述吸收器的液体干燥剂的第一流润湿包括接触介质的多孔床的吸收器的表面；
在所述吸收器中利用所述液体干燥剂从所述第一空气流中去除水分，其中离开所述第一热交换器的所述第一空气流的第二温度低于被供应到所述吸收器的所述液体干燥剂的温度；
通过第一收集容器接收流出所述接触介质的第一多孔床的液体干燥剂；
通过在所述吸收器和所述解吸器之间交换液体干燥剂从所述液体干燥剂的第一流中去除水分，所述解吸器包括：
接触介质的第二多孔床，其表面被液体干燥剂的第二流润湿，
且在所述第二空气流已经在所述第二热交换器中被加热之后通过该接触介质的第二多孔床使所述第二空气流流动；以及
第二收集容器，接收流出所述接触介质的第二多孔床的液体干燥剂；以及
独立控制供给到所述吸收器的第一液体干燥剂和供给到所述解吸器的第二液体干燥剂。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一热交换器和所述第二热交换器是热泵的散热器和热源。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，在两个质量流均以相同量纲单位被测量并且所述接触介质的表面用毛细作用携带所述液体干燥剂的条件下，所述液体干燥剂的第一流与所述第一空气流的质量流速比小于0.147。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一收集容器和所述第二收集容器被结合到单个、共同的收集容器。
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