用于制冷和/或大气水收集的多级吸附器设备及其用途的制作方法

本发明总体上涉及一种用于制冷和/或大气水收集(atmospheric waterharvesting，awh)的多级吸附器设备(multi-stage adsorber device)及其用途。

背景技术：

0、发明背景

1、全球变暖是气候变化的主要驱动因素，这已经成为现实。气候变化的后果，再加上经济、人口和社会挑战，正在对我们的全球能源需求造成巨大压力。能源-水-食品关系(被定义为能源、水和食品安全之间的关系)是相互影响的。因此，受气候变化影响的能源安全反过来又影响到食品和水安全，威胁到人口数量和我们赖以生存的生态系统的健康。

2、为了缓解这些问题并确保持续的经济发展，我们比以往任何时候都更加依赖化石燃料发电。当今，地球上近84％的能源来自化石燃料资源。预测估计，从2003年到2030年，全球能源消耗将增加71％(例如，参见ioan sarbu等人的“applications of solar energyfor domestic hot-water and building heating/cooling”，international journal ofenergy，2011年，第2期，第5卷，第34-42页)。能源危机已经影响到全球经济发展的可持续性，并且需要提高能源利用率。此外，水和能源系统相互依赖，因为基本上在能源生产和电力生成的所有阶段中都要使用水。

3、淡水短缺正日益影响人口数量，并且越来越多的人受到饮用水获取限制，这一问题日益严重。到2025年，估计约有18亿人将生活在绝对缺水地区，而三分之二的世界人口将生活在缺水条件下。到2030年，世界人口的一半可能生活在高度缺水的条件下，即无法获得清洁、新鲜且安全的饮用水。此外，需要能源来提取、运输和输送适当质量的水以供不同的人类应用，然后在废水返回环境之前再次处理废水。

4、冷却/制冷且尤其是空调对于维持“奢华”的生活是必要的，并将继续在全球范围内扩展。冷却/制冷装备都消耗电力，加剧了上述能源危机，并更普遍地加剧了气候变化。据估计，当今用于冷却应用的空调和电风扇的使用量约占全球建筑用电总量的五分之一，或当今全球电力消耗的约10％(参见“the future of cooling-opportunities for energy-efficient air conditioning”，iea出版物，international energy agency(iea)，2018年5月)。

5、电力被认为是“高级(high-grade)”能量。它能够很容易地以最小损耗运输到任何地方。此外，电力可以容易地转换成任何形式的能量，包括压力、势能、动能、机械能、热能等。在高峰需求期间，例如在夏季，主要城市的持续停电变得越来越频繁，而空调装备使用的增加是这种停电的主要原因。

6、能量、水和食品是维持人类生命的必需品。另一方面，冷却/制冷是一种奢侈品。因此，消耗宝贵的高级电能用于冷却/制冷应用(例如空调)是对能源的严重滥用。

7、图1是典型蒸汽压缩制冷循环的示意性流程图，该蒸汽压缩制冷循环是用于冷却/制冷应用且更具体地空调的最广泛使用的技术。典型蒸汽压缩制冷器的主要部件包括(i)蒸发器，(ii)冷凝器，(iii)压缩机和(iv)膨胀阀系统。蒸汽压缩制冷器通常具有许多优点，包括：

8、-以最小量的制冷质量流量获得大的冷却能力；

9、-可以说是高效率，具有特别高的性能系数(cop)；和

10、-冷却到低于环境条件的能力。

11、蒸汽压缩制冷器也具有许多缺点，最明显的是：

12、-它们需要使用特定的液体化合物或制冷剂，包括促成气候变化的氢氟烃(hfc)制冷剂，以及促成臭氧层损耗的氯氟碳烃(cfc)和氢氯氟烃(hcfc)制冷剂(现已在大多数国家被禁止)；

13、-由于较低的制冷剂充注量、导致相对高摩擦压降和热力损失的较小通道，因此当它们的尺寸变小时，它们低效操作；和

14、-它们消耗“高级”能量，即仍然主要由燃烧化石燃料(这造成二氧化碳排放)生成的电力，二氧化碳排放是导致气候变化和全球变暖的温室气体排放的主要原因。

15、图2是所谓的吸附制冷器的示意图，其构成了使用上述蒸汽压缩制冷器技术的替代方案。吸附制冷器利用吸附过程，由此吸附物的流体分子附着在固体多孔吸附材料的微孔上。图2更具体地显示了双床配置类型(dual-bed configuration type)的吸附制冷器，即包括两个吸附床，它们以交替方式操作以经历连续的吸附循环和解吸循环。在吸附循环期间，蒸汽从与蒸发器接触的制冷剂(吸附物)的池中蒸发，在该过程中引发蒸发冷却。在单独环路(loop)中循环的冷却剂(例如水)在作为变冷的冷却剂离开蒸发器之前流过蒸发器，例如用于空间冷却。由蒸发器生成的蒸汽被第一吸附床吸附，该第一吸附床通常被冷却以提高吸附效率。当第一吸附床经历吸附时，第二吸附床经历解吸循环。更具体地，第二吸附床被加热以诱导蒸汽解吸，导致解吸的蒸汽从第二吸附床释放到冷凝器，在冷凝器中解吸的蒸汽冷凝成冷凝物，该冷凝物返回到制冷剂的池。冷凝产生的潜热被传递到循环通过冷凝器的流体，用于随后的散热。每个吸附床的操作在连续的吸附循环和解吸循环之间交替和循环，以维持冷却。

16、吸附制冷是一种非常有前途的技术，并且具有许多优点，最显著的是：

17、-使用环保制冷剂，诸如水、乙醇、甲醇等；

18、-操作简便；

19、-更少的移动部件和振动；

20、-低成本维修；

21、-由可再生热能源(例如太阳热能)、低级热量和/或从工业过程输入的废热驱动的能力。

22、然而，当前可用的吸附制冷器不如蒸汽压缩制冷器有效，并且表现出相对低的性能系数(coefficient of performance，cop)。吸附剂和吸附物之间不良的热传递和质量传递特性也导致低能量效率，并因此导致高的比能耗(specific energy consumption)。这些制冷器还具有低的比冷却功率(specific cooling power，scp)，因此需要巨大的吸附质量和庞大的吸附床/吸附器。因此，当前的吸附制冷器笨重且体积庞大，这也是由于在操作期间需要执行间歇、不连续的冷却而导致的。低效的蒸发器设计也会影响吸附制冷器的整体性能。

23、实际上，目前市售的吸附制冷器不能替代现有的蒸汽压缩系统，这是因为它们的低cop，其通常保持在0.75以下。如果在比能耗方面取得成功突破，允许cop高于1，则这种技术可能成为可行且有竞争力的替代方案。

24、本领域中存在几种类型的吸附制冷器，包括单床、双床或多床配置。以下文献提供了对现有的吸附制冷器构思的综述：

25、-m.s.fernandes等人的“review and future trends of solar adsorptionrefrigeration systems”，renewable and sustainable energy reviews，第39卷，第102-123页，2014年11月；

26、-r.p.sah等人的“a review on adsorption cooling systems with silica geland carbon as adsorbents”，renewable and sustainable energy reviews，第45卷，第123-134页，2015年5月；和

27、-p.soni等人的“review on improvement of adsorption refrigerationsystems performance using composite adsorbent:current state of art”，energysources，part a：recovery,utilization,and environmental effects，2021年5月21日。

28、因此，仍然需要一种改进的解决方案。

技术实现思路

0、发明概述

1、本发明的总体目的是提供一种吸附器设备，该吸附器设备可以用作例如制冷器设备，并且消除了现有技术解决方案的限制和缺点。

2、更具体地，本发明的目的是提供这样一种解决方案，该解决方案实现和操作起来是高效的，而且更具成本效益。

3、本发明的另外的目的是提供这样一种解决方案，该解决方案是模块化的并且容易扩大规模(up-scalable)，以增加和调整系统生产量以满足所需的需要。

4、本发明的另一个目的是提供这样一种解决方案，该解决方案确保用于进行解吸的有效热回收。

5、本发明的又一个目的是提供这样一种解决方案，该解决方案表现出较低的系统能量消耗要求(电的和热的)并使热力学损失最小化。

6、本发明的另外的目的是提供这样一种解决方案，该解决方案不仅可用于制冷应用，而且还可用于诸如大气水收集(awh)的其他应用。

7、本发明的另一个目的是提供这样一种解决方案，该解决方案可以适当地与可再生能源、特别是太阳能相结合和集成，和/或最佳利用来自工业过程的废热。

8、由于权利要求中定义的解决方案，这些目的以及其他目的得以实现。

9、因此，提供了一种多级吸附器设备，其特征在权利要求1中叙述，即多级吸附器设备包括：

10、-依次分布的多个吸附级，每个吸附级包括联接到相邻的蒸汽室的吸附器，其中每个下一吸附级的吸附器经由热传递结构热联接到前一吸附级的蒸汽室；

11、-加热级，该加热级热联接至吸附级中的第一吸附级，以选择性地向吸附器提供热能；

12、-冷却级，该冷却级热联接到吸附级中的最后一个吸附级，以选择性地引起蒸汽室中解吸的蒸汽的冷凝；和

13、-冷却回路，该冷却回路具有使冷却流体循环通过冷却级的第一冷却部分和使冷却流体选择性循环通过吸附器中的每一个的第二冷却部分，

14、其中，在多级吸附器设备的解吸循环期间，加热级被激活以诱导吸附器中的蒸汽解吸，从而导致解吸的蒸汽从每个吸附器流入相邻的蒸汽室，

15、其中，每个热传递结构被配置成在多级吸附器设备的解吸循环期间使解吸的蒸汽沿着热传递结构的表面冷凝，使得由解吸的蒸汽的冷凝产生的潜热被传递到下一吸附级的吸附器，

16、其中，在多级吸附器设备的吸附循环期间，加热级被停用以允许蒸汽吸附到吸附器中，

17、其中，冷却回路被配置成在多级吸附器设备的解吸循环期间使冷却流体仅循环通过第一冷却部分，

18、并且其中，冷却回路还被配置成在多级吸附器设备的吸附循环期间使冷却流体循环通过第一冷却部分和第二冷却部分两者。

19、由于本发明，在每个解吸循环期间实现了高效率，这要归功于由解吸的蒸汽在热传递结构上的冷凝所产生的潜热，该潜热被用来对随后的吸附级的吸附器进行再加热。此外，由于冷却流体循环通过每个吸附器，因此在每个吸附循环期间实现了快速冷却，从而将吸附剂的温度降低到期望的吸附温度，以提高吸附效率。

20、该多级吸附器设备的各种优选和/或有利实施例形成从属权利要求2至12的主题。

21、还要求保护本发明的多级吸附器设备用于制冷或用于大气水收集(awh)的用途。

22、还要求保护一种制冷器装置，其包括根据本发明的用作制冷器设备的多级吸附器设备、向多级吸附器设备供应冷却流体的冷却剂容器以及在多级吸附器设备的吸附循环期间向吸附级供应蒸汽的蒸发器。

23、该制冷器装置的各种优选和/或有利实施例形成从属权利要求16至25的主题。

24、还提供根据权利要求26所述的制冷器系统，即制冷器系统包括：

25、-第一制冷器模块和第二制冷器模块，每个制冷器模块包括用作制冷器设备的根据本发明的至少一个多级吸附器设备；

26、-冷却剂容器，其用于向第一制冷器模块和第二制冷器模块供应冷却流体；

27、-蒸发器，其用于选择性地向第一制冷器模块或第二制冷器模块供应蒸汽；和

28、-散热器，其联接到冷却剂容器和蒸发器，用于再冷却来自冷却剂容器的热冷却流体，

29、其中，制冷器系统被配置成使得，当第一制冷器模块经历吸附循环时，第二制冷器模块经历解吸循环，反之亦然，并且

30、其中，制冷器系统还被配置成使得：

31、-根据第一制冷器模块还是第二制冷器模块经历吸附循环，将冷却流体从冷却剂容器通过散热器供应至第一制冷器模块或第二制冷器模块；

32、-根据第一制冷器模块还是第二制冷器模块经历解吸循环，将冷却流体从冷却剂容器供应至第一制冷器模块或第二制冷器模块；

33、-冷却流体从第一制冷器模块和第二制冷器模块返回到冷却剂容器；

34、-根据第一制冷器模块还是第二制冷器模块经历吸附循环，将蒸汽从蒸发器供应至第一制冷器模块或第二制冷器模块；和

35、-当经历解吸循环时，由于在第一制冷器模块或第二制冷器模块中的冷凝而形成的冷凝物返回到冷却剂容器。

36、该制冷器系统的各种优选和/或有利实施例形成从属权利要求27至32的主题。

37、还要求保护一种大气水收集(awh)装置，该装置包括根据本发明的用作大气水收集设备的多级吸附器设备、向多级吸附器设备供应冷却流体的冷却剂容器、以及在多级吸附器设备的吸附循环期间向多级吸附器设备的吸附级供给潮湿空气的环境空气进气口(ambient air intake)。

38、优选地，环境空气进气口通过节流阀联接到多级吸附器设备的吸附级的蒸汽室，节流阀在多级吸附器设备的吸附循环期间选择性地激活，以允许潮湿空气被供应到多级吸附器设备的吸附级。在多级吸附器设备的解吸循环期间，节流阀被选择性地激活，以允许在吸附级的蒸汽室中形成的冷凝物被收集在冷却剂容器中。

39、还提供了根据权利要求35所述的大气水收集系统，即大气水收集系统包括：

40、-根据本发明的两个或更多个多级吸附器设备，每个多级吸附器设备用作大气水收集设备；

41、-冷却剂容器，其用于向每个多级吸附器设备供应冷却流体；

42、-环境空气进气口，其用于选择性地将潮湿空气供给到多级吸附器设备；和

43、-散热器，其联接到冷却剂容器，用于再冷却来自冷却剂容器的热冷却流体，

44、其中，大气水收集系统被配置成使得在任何给定时间处所述多级吸附器设备中只有一个经历解吸循环，而所有剩余的多级吸附器设备经历吸附循环，并且

45、其中，大气水收集系统还被配置成使得：

46、-冷却流体从冷却剂容器通过散热器供应到正经历吸附循环的每个多级吸附器设备；

47、-冷却流体从冷却剂容器供应到正经历解吸循环的多级吸附器设备；

48、-冷却流体从多级吸附器设备返回到冷却剂容器；

49、-潮湿空气从环境空气进气口供给到正经历吸附循环的每个多级吸附器设备；和

50、-由于正经历解吸循环的多级吸附器设备中的冷凝而形成的冷凝物返回到冷却剂容器。

51、该大气水收集装置的各种优选和/或有利实施例形成从属权利要求36至42的主题。

52、还提供根据权利要求43所述的组合的制冷器和大气水收集系统，即组合的制冷器和大气水收集系统包括：

53、-根据本发明的用作制冷器设备的多级吸附器设备的第一对和根据本发明的用作大气水收集设备的多级吸附器设备的第二对；

54、-冷却剂容器，其用于向每个多级吸附器设备供应冷却流体；

55、-蒸发器，其用于选择性地向多级吸附器设备的第一对中的一个或另一个多级吸附器设备供应蒸汽；

56、-环境空气进气口，其用于选择性地将潮湿空气供给到多级吸附器设备的第二对中的一个或另一个多级吸附器设备；

57、-散热器，其联接到冷却剂容器和蒸发器，用于再冷却来自冷却剂容器的热冷却流体；以及

58、-冷凝物罐，其用于收集由第二对多级吸附器设备中的每个多级吸附器设备产生的冷凝物，

59、其中，组合的制冷器和大气水收集系统被配置成使得，当多级吸附器设备的第一对中的一个多级吸附器设备经历吸附循环时，另一个多级吸附器设备经历解吸循环，并且使得当多级吸附器设备的第二对中的一个多级吸附器设备经历吸附循环时，另一个多级吸附器设备经历解吸循环，并且

60、其中，组合的制冷器和大气水收集系统还被配置成使得：

61、-冷却流体从冷却剂容器通过散热器供应到正经历吸附循环的每个多级吸附器设备；

62、-冷却流体从冷却剂容器供应到正经历解吸循环的每个多级吸附器设备；

63、-冷却流体从多级吸附器设备返回到冷却剂容器；

64、-蒸汽从蒸发器供应到多级吸附器设备的第一对中的经历吸附循环的多级吸附器设备；

65、-由于多级吸附器设备的第一对中的经历解吸循环的多级吸附器设备中的冷凝而形成的冷凝物返回到冷却剂容器，

66、-潮湿空气从环境空气进气口供给到多级吸附器设备的第二对中的经历吸附循环的多级吸附器设备；以及

67、-由于在多级吸附器设备的第二对中的经历解吸循环的多级吸附器设备中的冷凝而形成的冷凝物被收集到冷凝物罐中。

68、该组合的制冷器和大气水收集系统的各种优选和/或有利实施例形成从属权利要求44至46的主题。

69、还提供了一种执行多级吸附的方法，其特征在独立权利要求47中叙述，即这种方法包括以下步骤：

70、(a)提供被设计成在交替的解吸和吸附循环中操作的至少一个多级吸附模块，该多级吸附模块包括两个或更多个连续的吸附级，每个吸附级包括联接到相邻的蒸汽室的吸附器，其中每个下一吸附级的吸附器经由热传递结构热联接到前一吸附级的蒸汽室；

71、(b)在解吸循环中操作多级吸附模块，即通过向吸附级中的至少第一个吸附级的吸附器供应热能以诱导蒸汽解吸，并从吸附级中的最后一个吸附级的吸附器带走热能以引起解吸的蒸汽的冷凝，由此解吸的蒸汽由每个吸附器释放并流向每个相邻的蒸汽室，在相邻的蒸汽室中解吸的蒸汽沿着每个热传递结构的表面冷凝，从而释放潜热，该潜热被传递到每个下一吸附级的吸附器以维持蒸汽解吸；和

72、(c)在吸附循环中操作多级吸附模块，即通过停止向吸附级中的第一个吸附级的吸附器的所有热能供应并从所有吸附级的吸附器带走热能以冷却吸附器并维持吸附。

73、本发明的方法尤其可以应用于制冷的目的或应用于大气水收集(awh)的目的。

74、最后，还提供了一种适用于本发明上下文的蒸发器，其特征在独立权利要求50中叙述，即蒸发器包括：被配置为允许从热源传递热的热交换器结构；热联接到热交换器结构的多孔芯吸结构(porous wick structure)，该多孔芯吸结构被配置为可被液体冷却介质润湿；以及被配置为用液体冷却介质润湿多孔芯吸结构的冷却剂分配系统，其中多孔芯吸结构被构造成部分暴露于蒸汽流以使液体冷却介质的一部分蒸发。

75、该蒸发器的各种优选和/或有利实施例形成从属权利要求51至60的主题。

76、下面讨论本发明的另外的有利实施例。