[发明专利]使用选择性转移膜的蒸发冷却系统和方法

说明书

本文中公开了紧凑型膜蒸发冷却器、使用紧凑型膜蒸发冷却器冷却工艺流体（例如空气）的方法、以及包括紧凑型膜蒸发冷却器的空气调节系统和方法。如本文所公开的紧凑型膜蒸发冷却器可有利地减少或消除循环工作流体所需的功耗。

本申请要求2015年10月7日提交的美国临时申请62/238,433的权益，其全部内容通过引用并入本文。

政府权利声明

本发明是依据能源部高级能源研究计划署(ARPA-E)授予的合同号DE-AR0000371利用政府支持完成的。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

目前绝大多数热泵和制冷系统利用蒸气-压缩热力循环的变化。这种方法改变惰性工作流体的压力以控制其相关的饱和温度，这允许在流体相变时通过金属表面传递显热。这项技术是成熟的并且已经有很大的发展，但是仍然有一些限制。例如，许多最有效的制冷剂对大气有不良影响，例如氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)制冷剂对臭氧层的损耗。尽管氢氟烃(HFC)制冷剂不会消耗臭氧层，但它们具有显著的全球变暖潜力(GWP)。尽管制冷剂名义上包含在封闭系统内，但目前的行业惯例在2007年通过释放这些高全球变暖潜力(GWP)气体，将144.9公吨二氧化碳的等价物添加到大气中。此外，在隔离制冷剂的壁上的显热传递的使用趋向于需要在低于湿空气的饱和温度的情况下进行局部冷却，以通过冷凝降低其含水量，该要求限制了该过程的可能热力学效率。

因此，不断需要改进的空气调节和制冷系统。

发明内容

在一个方面，本发明提供了用于冷却工艺流体的紧凑型膜蒸发冷却器。在一个实施方式中，紧凑型膜蒸发冷却器包括：第一选择性转移膜；邻近第一选择性转移膜的第一侧的热交换器，热交换器构造成提供未冷却的工艺流体进入热交换器的流入和冷却的工艺流体离开热交换器的流出；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室，其配置为将工作流体与工艺流体物理隔离，并且提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧相邻的至少一层工作流体；以及与第一选择性转移膜的第二侧相邻的蒸气室，蒸气室构造成将室中的工作流体的分压保持为小于工作流体隔室中的相同流体的分压并且收集通过膜转移并蒸发到蒸气室中的工作流体的蒸气，其中紧凑型膜蒸发冷却器被配置用于将热量从热交换器传递到工作流体室中的工作流体。

另一方面，本发明提供了一种使用如本文所公开的紧凑型膜蒸发冷却器来冷却工艺流体的方法。在一个实施方式中，该方法包括：提供未冷却的工艺流体进入热交换器的流入和冷却的工艺流体离开热交换器的流出，其中热交换器邻近第一选择性转移膜的第一侧，并且其中热交换器构造成将工作流体与工艺流体隔离；在第一选择性转移膜和热交换器之间的工作流体隔室中提供工作流体，以提供与第一选择性转移膜的第一侧和热交换器的第一侧相邻的至少一层工作流体，维持邻近第一选择性转移膜的第二侧的蒸气室中的工作流体的分压低于工作流体隔室中的工作流体的分压，导致至少一部分工作流体通过膜转移并蒸发进入蒸气室作为蒸汽，其中工作流体的蒸发导致足够的热量从工作流体室传递，以将工作流体保持在比工艺流体更低的温度，从而导致热量从工艺流体中抽出，使得工艺流体流出的温度低于工艺流体流入温度。

另一方面，本发明提供了一种空气调节系统。在一个实施方式中，空气调节系统包括：如本文所述的冷却器，其中工艺流体是空气并且工作流体是水；压缩机，用于压缩通过膜从工作流体转移并蒸发到室中的水蒸气；冷凝器，将压缩的水蒸气冷凝成冷凝物；以及将冷凝物返回到工作流体隔室的通道。