[发明专利]混合大气水生成器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年5月22日提交的美国专利申请No.62/165,728和2015年12月10日提交的美国专利申请No.62/265,880的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

由于人口增长、城市化和工业化，全球人类的用水量每年都在大幅增加。淡水被用于农业、能源生产、工业制造以及人类和生态系统的需求。在各个耗水部门之间，生活部门对清洁水的质量和可获得性更为敏感。1950年至2010年间生活部门全球取水量的变化表明，全球生活用水量增长到最初的3.7倍，相当于过去60年的年平均增长率为2.2％。

全球淡水分布极不均衡，导致区域性水资源短缺或过剩。确定区域水资源量最常用的指标是法尔肯马克压力指数(Falkenmark Stress Indicator)(FSI)，它根据人均液态水资源可用性(PWR)将一个国家归类为不同类别的水短缺。根据这个指标，表1代表预计到2025年将会经历用水压力或水短缺的国家。

表1：预计到2025年将会经历用水压力或水短缺的国家(资料来源：W.A.Jury，H.J.Vaux，新兴的全球水危机：管理稀缺与冲突，95(2007))

由于流失到地表或地下水资源的工业废水和农药释放出难以除去的有毒化合物，常规的基于絮凝、沉淀、砂滤、消毒、臭氧化和脱盐的饮用水处理方法如今被证明不是完全有效的。此外，由于在这些处理程序中利用不同的化学物质去除悬浮物和消毒，出现了一些对人类健康有害的致癌和致突变副产品。除了水处理阶段之外，不仅输水网络的构建和维护成本较高，而且这个网络的任何崩溃都会显著影响人类的健康和安全。

由于全球性的干旱蔓延，以及所谓的集中供水和输水系统的上述挑战/缺点，近二十年来，分散式大气水生成系统的概念已出现并且被研究人员和制造商所追随。大气水生成器(AWG)基于蒸气压缩制冷(VCR)过程操作以通过冷却和除湿从空气中提取水。据估计，地球周围的大气总共含有超过12.9E12立方米的可再生水。这个数量甚至比全世界的沼泽、湿地和河流中可用的淡水总量还要多。根据AWG制造商提供的信息，使用其产品收获1升水的成本为0.01-0.02美元/升，超过普通海水淡化系统(0.45-0.52美元/立方米)的30倍。而且，目前AWG的一个严重问题是干燥地区由于蒸汽压缩制冷(VCR)装置的低性能而导致的高容量下降，蒸汽压缩制冷(VCR)装置是任何AWG的核心。

尽管AWG装置的主要市场应该处于供水不足的干旱地区，但现有装置在那些地区却表现出最差的性能和最低的容量。因此，可利用的装置不能产生足够的水，使得在其主要市场上实际上无用。因此，非常希望开发一种改进的AWG，即使在干旱地区也能确保高效率和低成本的高的水生成率。

大气水生成器(AWG)的发展

1900年，一种可以利用冷却过程从空气中提取水的设备被E.S.Belden申请了专利(美国专利661,944)。基本上，AWG装置是一种典型的蒸气压缩制冷(VCR)，即通过将空气冷却到露点温度以下从空气冷凝水的空调系统。它不包括除普通制冷装置外的任何附加部件，如图1所示，图1是基于蒸汽压缩制冷循环的典型AWG的示意图。在这些装置中，压缩机从蒸发器吸入制冷剂气体，并在压缩之后将高压和高温气体朝冷凝器排放。通过冷凝器，气体由于向二次流(通常为空气或水)放热而冷凝，并且饱和或过冷液体进入膨胀阀。由于通过膨胀阀进行节流，制冷剂的压力和温度急剧下降，低压低温的两相制冷剂流入蒸发器。VCR循环的冷却作用出现在蒸发制冷剂的蒸发器中。这种蒸发导致从蒸发器盘管周围流动的空气流吸收热量，这将其冷却到露点温度以下，并引起水的生成现象。

尽管第一个AWG是在20世纪初建成的，但是AWG装置的首次批量生产始于21世纪初。目前，有几家公司正在批量生产住宅和商业规模的AWG装置。根据系统尺寸和大气条件，这些装置每天能够生成几升到1,000升的水量。现有AWG装置的主要挑战在于，在干旱地区，由于露点温度和环境空气中的含水量明显较低，其水生成量和性能急剧下降。然而，由于水资源短缺，干旱地区对这些装置有较大需求。需要进一步开发AWG技术以满足未来的全球用水需求。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在下文的详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容不意于确定所要求保护的主题的关键特征，也不意于用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。