專利名稱：從氣態(tài)混合物中獲得水和潛能的方法和裝置的制作方法
從氣態(tài)混合物中獲得水和潛能的方法和裝置
背景技術(shù)：
1. 發(fā)明領域
本發(fā)明涉及用于從大氣空氣(atmospheric air)中獲得潛能和非氣態(tài)水 (nonvaporous water)的方法。
2.
背景技術(shù)：
從環(huán)境中獲得能量已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。發(fā)展最成熟的方法集中 在風能、太陽能和重力影響下的水流的能量。也已經(jīng)制定了許多策略來從 大氣空氣中獲得潛能。這些策略中的一些依賴于加入的水蒸氣和垂直降低 的大氣空氣壓以促進空氣向上的運動。壓差迫使這種在密閉的垂直導管內(nèi) 的空氣上升穿過驅(qū)動發(fā)電機的風渦輪機以提取能量。在另一種策略中，導 管底部的空氣被加溫；并且溫暖的水蒸氣被加入。假設蒸氣在空氣在密閉 導管內(nèi)上升時冷凝，則這使空氣升溫并增強向上的運動。除去了導管上部 區(qū)域的冷凝水。其他策略得到了類似的結(jié)果，但是都依賴于將液態(tài)水蒸發(fā) 到空氣中，因而冷卻空氣且促進空氣向下運動，而不是向上運動。該工藝 尋找到有用的應用，如清潔來自無能量獲得利益的工業(yè)煙囪的污染物。另 一種策略使液態(tài)水泵送至高的高度，且在此高度被噴射到環(huán)境空氣中以通 過蒸發(fā)來冷卻空氣。在從高到低的高度延伸的導管內(nèi)進行蒸發(fā)空氣的冷 卻，且通過風渦輪機提取所得到的向下的空氣的動力能，從而驅(qū)動發(fā)電機。
另外的其他策略并不依賴于壓力高度差，但公開了用于從由鍋爐提供 的水蒸氣中獲得能量的機械裝置。至少一種其他策略使用了產(chǎn)生蒸汽的閃 蒸器和產(chǎn)生能量的蒸汽驅(qū)動的渦輪式發(fā)電機，且另 一種策略依賴于通過液 化空氣本身，而不是僅僅液化水蒸氣來獲得能量的復雜的機械裝置。
10許多策略都公開了從密閉體積內(nèi)包含的氣水混合物中去除冷凝的液 態(tài)水。 一種策略公開了用于使用連接到金屬板的倒置圓錐的冷凝表面來控 制冷凝物形成液滴的裝置。另 一種策略公開了用于收集被高速空氣吹離冷 卻旋管的水的裝置，從而改善了由使用在低流速水收集系統(tǒng)中的旋管進行 的這種收集。又一種策略公開了使用直接靠風供給動力的帶電氣溶膠源。 該裝置包括大面積的電極篩，其將帶電的水滴發(fā)射到風流中，作為風電換 能器。再一種策略公開了用于從等溫壓縮至飽和態(tài)的空氣中獲得水的裝 置，將空氣等溫壓縮至飽和態(tài)需要從此方法中去除能量以維持等溫壓縮的 裝置。相比之下，本發(fā)明的方法將受控量的大氣空氣絕熱減壓至存在的水 蒸氣達到飽和態(tài)時所處的壓力，而無需與外部環(huán)境進行能量交換。
發(fā)明概述
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于從大氣空氣的水蒸氣中獲得潛能 和非氣態(tài)水，即液態(tài)水或固態(tài)水的方法。在實現(xiàn)前述目的時，用于獲得潛 能的方法包括使受控量的大氣空氣減壓，使得空氣的溫度降低至水蒸氣達
到飽和時的點；以及通過冷凝，且可能通過凝華來改變水蒸氣的狀態(tài)，并 釋放潛能。隨后將由水蒸氣的狀態(tài)變化產(chǎn)生的非氣態(tài)水提取至內(nèi)部貯水 器，該貯水器與受控量的空氣分開，但處于相同的壓力下，因而使獲得潛 熱的過程是幾乎不可逆的。接著，再壓縮被減壓的空氣，使得再壓縮空氣 因已經(jīng)吸收了由水蒸氣釋放的潛熱，所以其溫度比被減壓前高很多。然后， 獲得再壓縮空氣的潛能和非氣態(tài)水。
本發(fā)明的另 一個目的是提供一種根據(jù)前一段描述的方法起作用的裝 置。該裝置包括隔熱室，其內(nèi)界定有一可控體積；且該裝置進一步包括可 控的入口或空氣吸入閥，用于允許大氣空氣進入室。設置了用于絕熱增大 室的可控體積的隔熱減壓機構(gòu)，以降低室內(nèi)的潮濕空氣的溫度，使得潮濕 空氣中的水蒸氣達到飽和點，改變狀態(tài)并釋放潛熱。設置了非氣態(tài)水提取 閥，以提取因室內(nèi)的水蒸氣的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的非氣態(tài)水。在受控體積的 空氣已經(jīng)被再壓縮至期望的釋放狀態(tài)之后，將所提取的水留存在內(nèi)部貯水 器中，用于獲得。設置了再壓縮機構(gòu)來減少室的可控體積以升高空氣的溫度；而且還設置了空氣獲得閥(air harvesting valve )以釋放再壓縮空氣， 使得能夠獲得與潛熱吸收和所得到的升高的溫度有關(guān)的熱能。還設置了非 氣態(tài)水獲得閥，以獲得留存在內(nèi)部貯水器中的非氣態(tài)水。
在由前面的段落描迷的本發(fā)明的方法和裝置中，以絕熱方式進行減壓 和再壓縮。本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員將會理解，在實際的應用中，釆用 的術(shù)語"絕熱"意指幾乎是絕熱的。
附圖簡述


圖1是表示特定體積的大氣空氣的示例性尺寸的模型的透視圖2是闡釋了可能通過獲得來自圖1的特定體積的大氣空氣中的潛能 來實現(xiàn)的功率的圖3是闡釋了可能通過獲得由與圖1闡釋的大氣空氣相同量的大氣空 氣碰撞的太陽能轉(zhuǎn)化的能量來實現(xiàn)的可比擬功率的圖4是闡釋了可能通過獲得來自圖1的以不同速度移動的相同體積的 大氣空氣中的動力能來實現(xiàn)的可比擬功率的圖5是闡釋了物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)隨熱力學狀態(tài)變量變化的三維 表示的透視圖6是從氣態(tài)混合物中獲得潛能和非氣態(tài)水的工藝的邏輯流程圖7是用于減壓和再壓縮氣體的示例性的汽缸活塞機構(gòu)的局部剖視的 和局部截面的側(cè)視圖8是類似于圖7的裝置的局部剖視的和局部截面的側(cè)視圖，但提供 了雙相工藝；
圖9是用于減壓和再壓縮氣體的具有柔性隔膜的示例性的密閉室的清 晰透浮見圖IO是水滴去除濾器(water droplet removal filter)的前視圖； 圖11是圖10的水滴去除濾器的側(cè)視圖；圖12是水滴去除扇的前視圖13是圖12的水滴去除扇的側(cè)視圖14是闡釋了在絕熱減壓大氣空氣、去除非氣態(tài)水以及隨后的絕熱再 壓縮空氣的過程中的溫度與壓力的關(guān)系的圖，絕熱再壓縮空氣之后，空氣 包含冷凝的潛熱；
圖15是闡釋了飽和空氣的混合比隨溫度和壓力變化的圖16是闡釋了潮濕空氣處理過程中的溫度對壓力的熱力學關(guān)系的圖， 該處理包括吸入、減壓、冷凝、水提取、再壓縮和獲得；
圖17是闡釋了由圖16所示的處理過程中的體積對壓力的熱力學關(guān)系 的圖18是闡釋了利用了由圖16和17所示過程中的大氣空氣的潛能獲得 量、所要求的減壓功和可回復的再壓縮功的圖19是闡釋了預熱和預濕由圖16所示工藝中的吸入空氣的效果的圖20是闡釋了在圖19所示的處理過程中，最初的體積和最終的體積 對壓力的熱力學關(guān)系的圖；以及
圖21是類似于圖18的圖，且闡釋了利用了由圖19和20所示過程中 的大氣空氣的潛能獲得量、所要求的減壓功和可回復的再壓縮功的圖。
優(yōu)選實施方案的詳細描述
本發(fā)明提供了一種用于獲得因存在于大氣空氣中的水蒸氣的狀態(tài)發(fā) 生變化而產(chǎn)生的潛能和非氣態(tài)水，即液態(tài)水和/或固態(tài)水的方法和裝置。應 注意，在說明書中，術(shù)語"大氣空氣"期望指自然的、周圍的空氣，其包含 作為其其中一種組成的水蒸氣。還應注意的是，術(shù)語"提取"指在本發(fā)明的
裝置內(nèi)，減壓過程后，將非氣態(tài)水移至內(nèi)部貯水器，且術(shù)語"獲得"指當在 每個完整的處理循環(huán)后被分離出裝置時，除去和處置所提取的非氣態(tài)水、 空氣和能量。如本文所使用的，術(shù)語"熱能"指物質(zhì)的原子和分子隨機運動 的潛能和動能。"熱力自由能"表示物理系統(tǒng)中能夠轉(zhuǎn)化為做功的總能量。水汽化的潛熱在100攝氏度下的540卡路里每克到0攝氏度下的600 卡路里每克之間變化。在液態(tài)水的汽化過程中，液態(tài)水吸收潛熱，而在水 蒸氣的冷凝過程中，水蒸氣釋放潛熱。升華的潛熱在100攝氏度下的600 卡路里每克到0攝氏度下的680卡路里每克之間變化。當冰直接變?yōu)樗?氣(升華)時，冰吸收潛熱，而當水蒸氣直接變?yōu)楸?凝華)時，水蒸氣 釋放潛熱。
長1000米、寬1000米且厚100米的示例性氣團1000有1,000,000 (106) 平方米的面積和100,000,000 (108)立方米的總體積暴露于太陽。圖1顯示了
代表這種氣團的示例性尺寸的模型。在物理學語言中，術(shù)語"功率"專門指 每單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移的能量。該術(shù)語在本文中用于此意思。例如，每單位時
間從潮濕空氣中獲得(轉(zhuǎn)移)的能量可以合適地稱為"潛在功率(latent power)"。圖2是闡釋了可能通過獲得來自特定量的具有這些尺寸的大氣 空氣中的水蒸氣中的潛能來實現(xiàn)的潛在功率的圖。如圖1所示，這種潛在 功率(potential power)(每單位時間轉(zhuǎn)移的能量)已經(jīng)被用于在周圍空氣 的壓力下和在所示的溫度范圍和相對濕度范圍內(nèi)來計算特定體積的空氣 內(nèi)的所有水蒸氣的冷凝。與50 %的相對濕度和100 %的相對濕度時的水蒸 氣冷凝有關(guān)的潛在功率顯示出在約1000兆瓦特到所示的超過名義溫度范 圍的接近1千萬兆瓦特的值之間變化。
圖3是闡釋了可能通過獲得由與圖1闡釋的大氣空氣相同量的大氣空 氣碰撞的太陽能(太陽的輻射能)轉(zhuǎn)化的能量來實現(xiàn)的可比擬功率的圖。 如圖所示，在最佳的大氣空氣條件和方位下，貢獻的功率可以接近1000 兆瓦特。太陽能顯示出從多云條件下的約70兆瓦特變化到水平表面時的 超過100兆瓦特。如果覆蓋此整個區(qū)域的收集設備被定位成直接面對太陽 輻射，那么甚至可以提取更多的太陽能；然而，圖2所示的潛在功率的最 小值可以與收集器產(chǎn)生的最佳太陽功率相比擬，所有的收集器被定位成在 地面上與太陽光線垂直。
圖4是闡釋了可能通過獲得來自以不同速度移動的相同量的大氣空氣 中的動力能來實現(xiàn)的可比擬功率的圖。如圖所示，貢獻的功率可以大于 1000兆瓦特。顯示了風速僅為1米每秒(2.24mph)時的潛在功率的 ，這與圖4的動力學功率(kinetic power)圖中的最低速度相對應。如圖所示， 潮濕氣團的潛在功率是其潛在的動力學功率的100至1000倍。
在三種類型的環(huán)境能量的比較中，圖2、 3和4顯示了可能通過獲得 來自大氣空氣的水蒸氣中的潛能來實現(xiàn)的相當大量的功率，這是明顯的。 在凍結(jié)溫度和僅50%的相對濕度下，水蒸氣的潛能超過了太陽輻射能的平 均的氣候利用率；其甚至可以與在獲得太陽能的最佳條件下獲得的太陽能 不相上下。此冰冷的、50%相對濕度的條件下的水蒸氣的潛能也超過了現(xiàn) 代風能獲得技術(shù)所采用的風速范圍外的風的動能。在世界上具有更高大氣 空氣溫度和相對濕度的地方，可從水蒸氣中獲得的潛能遠大于可從太陽能 和動能來源中獲得的潛能。
圖5類似于許多物理教科書上的圖，其是闡釋了物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)和 氣態(tài)隨熱力學狀態(tài)變量，即溫度、壓力和體積變化的三維^t型。裝置中常 用的冷凝蒸氣的方法和固化液體的方法是等壓冷卻和等溫壓縮；且這些用 特定的工藝箭頭標示。在這些新近的工藝中，獲得了期望的狀態(tài)改變的物 質(zhì)，但是因這些物質(zhì)改變狀態(tài)而由分子釋放的能量并沒有保留在受控體積 的空氣中，且對于受控體積的空氣來說，這些能量必須以系統(tǒng)化的方式被 除去和丟棄，以遵循特定的等壓或等溫處理。相比之下，本發(fā)明的工藝使 受控體積的潮濕空氣減壓，直到所包含的水蒸氣達到飽和狀態(tài)。該方法無 需與外部環(huán)境進行能量交換即可實施，且一皮描述為絕熱減壓。正如發(fā)明概
述中所述陳述的，本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員應該理解，在實際應用中， 所采用的術(shù)語"絕熱的"意指幾乎是絕熱的。
本工藝在圖5中表示為"絕熱"減壓，這與該圖所示的"等壓"冷卻和"等 溫"壓縮的冷凝途徑相反。本發(fā)明的工藝詳細說明了絕熱減壓工藝，其中當 水蒸氣改變狀態(tài)時由其釋放的能量并沒有被除去和丟棄，而是保留在受控 體積的減壓空氣中。在再壓縮工藝之后，相繼獲得狀態(tài)改變的水和由狀態(tài) 改變釋放的能量來作為本發(fā)明工藝的產(chǎn)物。圖6的邏輯流程圖連同圖7、 8 和9闡釋了獲得潛能和非氣態(tài)水的優(yōu)選工藝；且在描述了由圖7、 8和9 闡釋的3個優(yōu)選實施方案以及描述了由圖10到13闡釋的工藝支撐元件 (process-supporting element)之后，將會詳纟田描述該工藝。圖7是未按比例繪制的示意圖，其象征性地表示本發(fā)明裝置的優(yōu)選實
施方案的各元件，該裝置通常由參考數(shù)字IO標示。裝置10是一個密閉系 統(tǒng)，其包括隔離結(jié)構(gòu)12以防止熱能的喪失。應該注意，為了簡化，隔離 結(jié)構(gòu)12示意性地顯示為包圍了包含裝置部件的組合的空間。本發(fā)明所屬 領域的技術(shù)人員應該理解，隔離能夠可選擇地被有效設置到裝置10的需 要絕緣的單個部件周圍。
鑒于圖7、 8和9所示實施方案的基本功能的相似性，因此將最詳細 地描述圖7所示的實施方案。裝置10包括中空的汽缸14,其內(nèi)可滑動地 設置了通過活塞桿18連接到驅(qū)動器20的活塞16，驅(qū)動器20在由雙端箭 頭19標示的相對的向右和向左的方向上平移活塞桿18和活塞16。驅(qū)動器 20可以包括任何適當數(shù)目的由水力、氣力、凸輪、齒條和小齒輪、滾珠螺 桿、帶或鏈機構(gòu)或者線性或旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動的眾所周知的設備(未顯示)。 驅(qū)動器20還包括位置傳感器(未顯示)，用于標示驅(qū)動元件的位置。汽缸 14具有密閉端22。通常由參考數(shù)字24標示的室被界定為位于汽缸14內(nèi)， 且處于密閉端22和活塞16之間。室24、活塞16、活塞桿18和驅(qū)動器20 包含通常由參考數(shù)字25標示的減壓再壓縮機械裝置。如同室24，通常由 參考數(shù)字26標示的可控體積被界定為位于汽缸14內(nèi)，且處于密閉端22 和活塞16之間。該體積通過調(diào)整活塞16的位置來控制。應該理解，中空 的汽缸14并不一定限制為圓形或者在一些應用中甚至是對稱的截面。
室24經(jīng)由隔熱的空氣吸入導管50連通大氣空氣；通過可控入口 (controllable inlet),諸如空氣吸入設備或者閥52來控制空氣流經(jīng)導管50 并進入室24。本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員將會理解，界定閥是控制流體流 動的設備。閥包括適用于開口的蓋、塞和覆蓋物，通過閥的諸如擺動、上 升和下降、滑動、轉(zhuǎn)動或類似運動的運動，他們打開和閉合開口以允許或 防止諸如流體通過?，F(xiàn)代的閥不僅可以控制流動，而且還可以控制壓力、 速度、體積和通過管道、水槽、斜道或類似通道的液體、氣體、漿體甚至 是干物質(zhì)的方向。閥可以打開和關(guān)閉、控制、調(diào)節(jié)和隔離；閥尺寸的范圍 可以是直徑從幾分之一英寸到大約30英尺；并且閥的復雜度可以顯著變 化。
16圖7顯示了通常由參考數(shù)字51標示的象征性表示的空氣預處理系統(tǒng)，
其包括空氣吸入閥52、空氣預熱設備53和空氣預濕設備55?？諝馕腴y 52顯示為是能夠?qū)⑦M入的大氣空氣直接輸送到室24中的一個多功能閥。 可選擇地，空氣吸入閥52也可以在將進入的大氣空氣輸送到室24中之前， 將其輸送通過空氣預熱設備53，通過空氣預濕設備55或通過這兩個設備 53和55。本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員將會理解，分離的閥(未顯示)也 可以用于這樣將大氣空氣輸送到室24中。三種可選擇方案中的每一種都 導致可利用的外部能量被加入到吸入前的周圍大氣空氣的潛能中?？衫?的外部能量來源的示例包括太陽輻射、熱發(fā)動機歧管、通過工廠的熱煙氣、 從電廠排出的蒸汽以及類似來源。
裝置控制器54由圖7顯示為具有由圏起的數(shù)字1到6表示的象征性 的終端，其與設備10的類似表示的終端相通。如圖所示，空氣吸入閥52 通過每一個由圈起的數(shù)字1表示的終端間的連接件(connection )而連接至 裝置控制器54并受其控制。驅(qū)動器20通過每一個由圈起的數(shù)字2表示的 終端間的連接件在裝置控制器54的控制下對活塞16定位。
非氣態(tài)水提取閥56通過每一個由圏起的數(shù)字3表示的終端間的連接 件在裝置控制器54的控制下從室24提取非氣態(tài)水。在獲得非氣態(tài)水來用 于外部使用之前，內(nèi)部貯水器58經(jīng)由隔熱導管60接收非氣態(tài)水并將其保 留在裝置10內(nèi)。重點要注意的是，提取水并使水必須置于內(nèi)部貯水器58 中使得釋放潛熱的過程是幾乎不可逆的，內(nèi)部貯水器58中的水與室24中 的受控體積的空氣26分開，但是處于相同的壓力下。
如圖7所示，為了使蒸發(fā)量最少，傾斜設置內(nèi)部貯水器58,使得保留 的水的上表面積比受控體積的空氣中的所有水滴的總面積要小。與圖7所 示的線性傾斜不同，也可以基于同樣的原因?qū)?nèi)部貯水器58設置成如圖8 所示的凹狀構(gòu)型。室24和內(nèi)部貝i水器58之間的導管60的尺寸也盡可能 得小，以使位于室24外的空氣的體積最小并使蒸發(fā)量最少。而且，基于 同樣的原因，使非氣態(tài)水提取閥56的操作也與外部空氣吸入閥52的操作 協(xié)調(diào)一致。另外，控制非氣態(tài)水提取閥56,以將內(nèi)部貯水器58和導管60 中的非氣態(tài)水維持在可能的最大高度，以使內(nèi)部貯水器58和導管60內(nèi)包含的空氣量最少，且室24內(nèi)不包含空氣，在室24內(nèi)，非氣態(tài)水被通常由 參考數(shù)字71表示的一般性表示的水移除設備除去。存在最少量的水留置 在導管或閥中的可能性，在隨后的減壓過程中可以蒸發(fā)這些水，這支持了 前述術(shù)語"幾乎不可逆的"中的詞匯"幾乎"的使用。
汽缸14的室24具有通常由參考數(shù)字46標示的排放通道(其以夸大 的比例被顯示)以接收室24內(nèi)的非氣態(tài)水，并將其引導至非氣態(tài)水提取 閥56?；钊麠U18具有細長的中空管結(jié)構(gòu)。水滴去除設備驅(qū)動器桿73同軸 地且可滑動地延伸穿過活塞桿18,并被可操作地連接在水滴去除設備71 和驅(qū)動器20之間。驅(qū)動器20以向右和向左的方向平移水滴去除設備桿73 和水滴去除設備71，此平移獨立于活塞桿18和活塞16,以將冷凝并聚集 在水滴去除設備71上以及室24的內(nèi)表面上的水轉(zhuǎn)移至排放通道46，用于 隨后的提取。
非氣態(tài)水獲得閥62從內(nèi)部貯水器58經(jīng)由隔熱導管63至裝置10的外 部貝i水器64來獲得非氣態(tài)水。非氣態(tài)水獲得岡62經(jīng)由每一個由圏起的數(shù) 字4表示的終端間的連接件而受到裝置控制器54的控制。如果裝置10位 于適合的地形，那么另外地或可選擇地，低水位(low-level)的外部貯水 器65可以位于比內(nèi)部貯水器58低的高度。諸如水渦輪機驅(qū)動的發(fā)電機66 的能量獲得設備可以鄰近低水位的外部貯水器58設置，以在重力作用下 從內(nèi)部貝fr水器58到低水位的外部貯水器65的水流中來獲得能量。圖7也 闡釋了這種可選擇的配置，可選擇的水流路徑由虛線標示。
空氣獲得閥67從室24經(jīng)由隔熱導管68至隔熱的裝置10外部的熱能 獲得設備70來獲得溫暖的再壓縮空氣?？諝猥@得閥67經(jīng)由每一個由圈起 的數(shù)字5表示的終端間的連接件而受到裝置控制器54的控制。壓力傳感 器27安裝在室24內(nèi)以測定室24內(nèi)的壓力，并經(jīng)由每一個由圈起的數(shù)字6 表示的終端間的連接件將表示壓力的信號發(fā)送至裝置控制器54。應該注 意，可以由標示位置的數(shù)據(jù)估算室壓力，驅(qū)動器20將活塞16設置在該位 置處。
圖8是未按比例繪制的示意圖，其象征性地表示了通常由參考數(shù)字no
標示的本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案的裝置。與圖7所示的裝置IO類似，
18裝置110是密閉的系統(tǒng)，其包括隔離結(jié)構(gòu)112以防止熱能的喪失。如圖7 所示，且基于同樣的原因，隔離結(jié)構(gòu)112示意性地顯示為包圍了包含裝置 部件的組合的空間。
裝置110與圖7所示的汽缸活塞裝置10類似，但是包括共用的汽缸 114、通常由參考數(shù)字124標示的第一室和通常由參考數(shù)字128標示的第 二室。第一室124和第二室128具有共線的縱軸。汽缸114具有第一密閉 端122和第二密閉端123。由可滑動地設置在汽缸114內(nèi)的共用的活塞1]6 以反相方式(oppositely phased manner)來操作這兩個室。第一室124被界 定為位于汽缸114內(nèi)且在第一密閉端122和活塞116之間，而第二室128 -故界定為位于第二密閉端123和活塞116之間。通過活塞桿118將活塞116 連接至驅(qū)動器120，驅(qū)動器120按三個雙端箭頭119中的中間長度的箭頭 所標示的向右的和向左的方向來平移活塞桿118和活塞116。如圖7的描 述中提到的，驅(qū)動器120可以包括任何適當數(shù)目的由水力、氣力、凸輪、 齒條和小齒輪、滾珠螺桿、帶或鏈機構(gòu)或者線性或旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動的眾所 周知的設備(未顯示)。驅(qū)動器120還包括位置傳感器(未顯示)，用于 標示驅(qū)動元件的位置。
類似于圖7的闡釋，圖8顯示了通常由參考數(shù)字151標示的象征性表 示的空氣預處理系統(tǒng)，其包括空氣吸入it備或閥152、空氣預熱設備153 和空氣預濕設備155?？諝馕腴y152顯示為是能夠?qū)⑦M入的大氣空氣直 接輸送到室124和128中的一個多功能閥，其控制大氣空氣通過隔熱空氣 吸入導管150來進入。可選擇地，空氣吸入閥152也可以在將進入的大氣 空氣輸送到室124和128中之前，將其輸送通過空氣預熱設備153，通過 空氣預濕設備155或通過這兩個設備153和155。同樣，正如前面圖7的 描述中提到的，本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員將會理解，分離的閥(未顯示) 也可以用于這樣將大氣空氣輸送到室124和128中。而且，三種可選擇方 案中的每一種都導致可利用的外部能量被加入到吸入前的周圍大氣空氣
的潛能中。
裝置控制器154由圖8顯示為具有由圈起的數(shù)字1到12表示的象征 性終端，其與設備110的類似表示的終端相通。如圖所示，空氣吸入閥152通過每一個由圈起的數(shù)字1表示的終端間的連接件而連接至裝置控制器
154并受其控制。驅(qū)動器120通過每一個由圈起的數(shù)字2表示的終端間的 連接件而在裝置控制器154的控制下對活塞116定位。
室124和128、活塞116、活塞桿118和驅(qū)動器120包括通常由參考 數(shù)字125標示的減壓再壓縮機構(gòu)。通常由參考數(shù)字126和130標示的可控 體積分別^皮界定為在室124內(nèi)位于汽缸114內(nèi)且在密閉端122和活塞116 之間，而在室128內(nèi)位于汽缸114內(nèi)且在密閉端123和活塞116之間?？?控體積126和130通過調(diào)整活塞116的位置來控制。分別在室124和128 內(nèi)的減壓和再壓縮循環(huán)呈180度的相位差。當一個室內(nèi)的空氣一皮減壓時， 另一個室內(nèi)的空氣被再壓縮。與圖7所示裝置的情形一樣，應該理解，中 空的汽缸114并不一定限制為圓形或者在一些應用中甚至是對稱的截面。
第一內(nèi)部空氣吸入閥169和第二內(nèi)部空氣吸入閥179經(jīng)由分別由圈起 的數(shù)字7和9表示的終端間的連接件而處在裝置控制器154的控制下，對 從隔熱導管i50至第一室124和第二室128的空氣的吸入進行控制。第一 非氣態(tài)水提取閥156和第二非氣態(tài)水提取閥180經(jīng)由分別由圈起的數(shù)字3 和11表示的終端間的連接件而處在裝置控制器154的控制下，從第一室 124和第二室128經(jīng)由隔熱導管160和161至內(nèi)部貯水器158和187來提 取非氣態(tài)水。
如圖8所示，為了使蒸發(fā)量最少，以凹狀設置內(nèi)部貯水器158和187， 使得保留的水的上表面積比受控空氣中的所有水滴的總面積要小。如圖7 所示，也可以基于同樣的原因來傾斜設置內(nèi)部貯水器158和187。位于室 124和128之間的導管160和161的尺寸以及內(nèi)部貯水器]58和187也分 別盡可能得小，以使蒸發(fā)量最少；且基于同樣的原因，使非氣態(tài)水提取閥 156和180的操作也與外部空氣吸入閥152的操作協(xié)調(diào)一致。另外，分別 控制第一非氣態(tài)水提取閥156和第二非氣態(tài)水提取閥180,以將內(nèi)部貯水 器158和187以及導管160和161中的非氣態(tài)水維持在可能的最大高度。 這使得內(nèi)部貯水器158和187以及導管160和161內(nèi)包含的空氣量最少， 且在室124和128內(nèi)不包含空氣，在室124和128內(nèi)，非氣態(tài)水被通常分 別由參考數(shù)字171和181標示的第一水去除設備和第二水去除設備除去。汽缸114的第一室124和第二室128具有通常分別由參考數(shù)字146和 148標示的第一排放通道和第二排放通道(其以夸大的比例被顯示)，以 分別從第一室124和第二室128接收非氣態(tài)水，并將其分別引導至第一非 氣態(tài)水提取閥156和第二非氣態(tài)水提取閥180。活塞桿118具有細長的中 空管結(jié)構(gòu)。第一水滴去除設備驅(qū)動器桿173同軸地且可滑動地延伸穿過活 塞軒118，并被可操作地連接在第一水滴去除設備171和驅(qū)動器120之間。 第二水滴去除設備驅(qū)動器桿175也具有細長的中空管結(jié)構(gòu)?；钊麠U118同 軸地且可滑動地延伸穿過中空的第二水滴去除設備驅(qū)動器桿175，并被可 操作地連接在第二水滴去除設備181和驅(qū)動器120之間。驅(qū)動器120按由 三個雙端箭頭119中的最短的和最長的箭頭分別標示的相反的向右和向左 的方向來平移第一水滴去除設備桿173和第二水滴去除設備桿175,且因 此來平移第一水滴去除設備171和第二水滴去除設備181。第一水滴去除 設備171和第二水滴去除設備181分別獨立于活塞116,且彼此獨立地將 冷凝和聚集在水滴去除設備71上以及第一室124和第二室128的內(nèi)表面 上的水轉(zhuǎn)移至第一排放通道146和第二排放通道148，用于隨后的提取。
非氣態(tài)水獲得閥162和168通過每一個由圈起的數(shù)字4和12表示的 終端間的連接件而處在裝置控制器154的控制下，從內(nèi)部貯水器158和187 經(jīng)由隔熱導管163和189至外部貯水器164來獲得非氣態(tài)水。如果裝置110 位于適合的地形，那么另外地或者可選擇地，低水位的外部貯水器165可 以位于比內(nèi)部貯水器158低的高度。諸如水渦輪機驅(qū)動的發(fā)電機166的能 量獲得設備可以鄰近低水位的外部貯水器165設置，以在重力作用下獲得 源于從第一和第二內(nèi)部貯水器158和187到低水位的外部貯水器165的水 流的能量。圖8也闡釋了這種可選擇的配置，可選擇的水流路徑由虛線標 示。
第一空氣獲得閥167和第二空氣獲得閥177通過分別由圈起的數(shù)字5 和8表示的終端間的連接件而處在裝置控制器154的控制下，從第一室124 和第二室128經(jīng)由隔熱導管168至熱能獲得設備170來獲得空氣。第一壓 力計量器127和第二壓力計量器129經(jīng)由分別由圈起的數(shù)字6和10表示 的終端間的連接件將表示室124和128中的壓力的信號發(fā)送至裝置控制器154。應該注意，可以由標示位置的數(shù)據(jù)估算室壓力，驅(qū)動器120將活塞 116設置在該位置處。
可以通過使用許多裝置和方法來完成減壓和再壓縮。例如，作為圖7 所示的汽缸活塞機構(gòu)的可選擇的優(yōu)選實施方案，未按比例繪制的圖9顯示 了通常由參考數(shù)字224標示的密閉室的清晰透視圖，其具有密閉端222和 位于室224相反端的柔性隔膜(flexible diaphragm ) 232。通常由參考數(shù)字 226標示的可控體積被界定為位于室224內(nèi)且在密閉端222和柔性隔膜232 之間?？煽伢w積226由柔性隔膜232的位置來控制，而柔性隔膜232通過 隔膜桿218連接至驅(qū)動器220，驅(qū)動器220如雙箭頭219所標示的向右和 向左的方向來驅(qū)動隔膜桿218。雖然室224顯示為圓形的汽缸狀，但是其 可以是任何固定的構(gòu)型。雖然并沒有顯示在代表性的圖9中，但是與圖7 所示的室24—樣，室224也具有空氣預處理系統(tǒng)、空氣獲得閥、水提取 閥和水去除設備。柔性隔膜232基本上實現(xiàn)了與圖7所示的活塞16相同 的功能。閥和水去除設備的操作也如同前述的圖7所示的類似元件。
在圖8所示的裝置110的情形中，其中共用的活塞116和一對相反設 置并操作的室124和128用于進行彼此有180度相位差的減壓和再壓縮操 作，圖8所示的可選擇的優(yōu)選實施方案(未顯示)可以使用與一對相反設 置并操作的室224 —樣的柔性隔膜232 (如圖9所示)來進行類似的彼此 有180度相位差的減壓和再壓縮操作。雖然未顯示，但是與圖8所示的第 二室128—樣，額外的室也具有空氣吸入閥、空氣獲得閥、水提取閥和水 去除設備。共用的柔性隔膜232基本上實現(xiàn)了與圖8所示的共用的活塞116 相同的功能。閥和水去除設備的操作也如同前迷的圖8所示的類似元件。
應該注意，其他可選擇的實施方案可以替換圖7到圖9中所示的那些 實施方案。 一個示例(未顯示)是結(jié)合了類似于圖7和圖8所示的那些的 多個隔熱室和可操作的支撐元件。分開的縱向軸中的每個都穿過至少 一個 室，并將從共用的中央驅(qū)動器徑向延伸。
如圖10和11所示，圖7所示的普通水滴去除設備71 (以及圖8所示 的設備171和181 )中的一種，即通常由參考數(shù)字72標示的水滴去除濾器 被設置在室24 (或者圖8所示的室124和128 )內(nèi)，使得濾器72和受控空氣之間有相對運動。類似于使用濾器纖維(filter fiber)提取水的是這樣 一種熟悉的經(jīng)歷，當呼出的空氣通過滑雪面具或圍巾的纖維之間時，來自 呼出的空氣中的水蒸氣冷凝在這些纖維上面。在本設備中，水滴收集并聚 集在濾器72的纖維78上。在重力的作用下，所得到的液態(tài)水下降并向下 匯聚到室24 (或者圖8所示的室124和128)的下部部分，且在裝置控制 器54的控制下，通過水提取閥56 (或圖8所示的水提取閥156和180) 被提取。雖然濾器72被顯示和描述為具有纖維78,但是應該理解，濾器 72也可以具有能夠?qū)⑺卫淠⒕奂谒麄兊谋砻嫔系脑S多其他濾器元 件中的任意一種。
如前述圖7所示，且如前所述，裝置10的活塞桿18在中央位置連接 至活塞16;驅(qū)動器20以雙端箭頭19所標示的向右或向左的方向平移活塞 桿18和活塞16以分別減壓和再壓縮室24 (或者如圖8所示的室124和 128)內(nèi)的受控空氣。圖IO和圖11分別顯示了水滴去除濾器72的前視圖 和側(cè)視圖，其包括支撐濾器纖維78的濾器架74。水滴去除設備驅(qū)動器桿 73在中央位置連"t婁至濾器架74，且驅(qū)動器20沿著如雙端箭頭83所標示 的向右或向左的方向平移水滴去除設備驅(qū)動器桿73和濾器架74。濾器架 74可以獨立于活塞16被平移，只要活塞16的位置允許濾器架74有足夠 的空間進行平移，以在水滴去除濾器72和受控空氣之間產(chǎn)生相對的運動。
濾器架74被構(gòu)建成可滑動地安置在室24內(nèi)，且彈性環(huán)76被安裝在 濾器架74的外周周圍。水滴去除濾器72將冷凝并聚集在濾器72上的水 轉(zhuǎn)移到汽缸14的排放通道中，而彈性環(huán)76擦去冷凝并聚集在室24的內(nèi) 表面上的水到汽缸14的排放通道中，這都用于隨后的提取。因為濾器架 74可以獨立于活塞16移動，所以活塞16可以保持靜止不動，直到期望百 分數(shù)的水滴已經(jīng)被水滴去除濾器72從受控空氣中除去并轉(zhuǎn)移至汽缸14的 密閉端22。對期望的水滴去除百分數(shù)的規(guī)定是基于每單位時間的能量和水 提取的最佳的總生產(chǎn)率，這與減壓和水移除過程中的每一次機械循環(huán)所耗 費的時間和做的功有關(guān)。這意味著期望的百分數(shù)基于期望的操作參數(shù)和現(xiàn) 有的天氣條件進行變化。
圖12和圖13分別闡釋了圖7所示的普通水滴去除設備71 (以及圖8
23所示的設備171和181 )中的另一種，即通常由參考數(shù)字82標示的水滴去 除扇。圖12和圖13分別顯示了水滴去除扇82的前視圖和側(cè)視圖，其包 括扇架84。輪軸88處于中心位置且可旋轉(zhuǎn)地-波扇架84支撐，且至少一個 扇葉90從輪軸88徑向延伸，圖12顯示了 4個扇葉。水滴去除設備桿73 在中央位置連接至輪軸88。驅(qū)動器20沿著如雙端箭頭83所標示的向右和 向左的方向軸向移動水滴去除設備桿73和輪軸88,且驅(qū)動器20還可以按 環(huán)形箭頭85所標示的來旋轉(zhuǎn)水滴去除設備桿73。輪軸88可以獨立于活塞 16旋轉(zhuǎn)并軸向移動，只要活塞16的位置允許輪軸88有足夠的空間進行移動。
扇82在空氣中產(chǎn)生湍流，推動水滴互相碰撞并冷凝、撞擊和聚集， 并且可能迫使一些水蒸氣沉積在室24 (或者如圖8所示的室124和128 ) 的內(nèi)表面上。常規(guī)的推進器葉片的斜度(pitch)通常隨離開葉片旋轉(zhuǎn)軸的 距離而平穩(wěn)降低，因此這種葉片將會產(chǎn)生相對平穩(wěn)的空氣和水滴流動。然 而，注意到扇82的葉片90的斜度經(jīng)歷了許多突然的轉(zhuǎn)變而引發(fā)了強有力 的湍流，這造成水滴石並撞葉片90、彼此碰撞和碰撞室24 (或者如圖8所 示的室124和128)的內(nèi)表面，并且聚集并下降到室24 (或者如圖8所示 的室124和128)的下部的內(nèi)表面。
扇架84被構(gòu)建成可滑動地安置在室24 (或者如圖8所示的室124和 128)內(nèi)，且彈性環(huán)86被安裝在扇架84的外周周圍。扇架24將冷凝并聚 集在扇82上的水轉(zhuǎn)移到汽缸14 (或者如圖8所示的汽缸114)的排放通 道46 (或者如圖8所示的排放通道146和148 )中，而彈性環(huán)86擦去冷 凝并聚集在室24 (或者如圖8所示的室124和128)的內(nèi)表面上的水到汽 缸14 (或者如圖8所示的汽缸114)的排放通道46 (或者如圖8所示的排 放通道146和148 )中，這都用于隨后的提取。與濾器72—樣，因為扇的 輪軸88可以獨立于活塞16 (或者如圖8所示的116)移動，所以活塞16 (或者如圖8所示的116)可以保持靜止不動，直到期望百分數(shù)的水滴已 經(jīng)被水滴去除扇82從受控空氣中除去并轉(zhuǎn)移到汽缸14 (或者如圖8所示 的汽缸114 )的排放通道46 (或者圖8所示的排放通道146和148 )中而 用于隨后的提取。雖然已經(jīng)將圖10和圖11所示的水滴去除濾器72以及圖12和圖13所示的扇82描述成它們會與圖7和圖8所示的裝置一起使 用，但是應該理解，他們也同樣可以類似地用在圖9所示的裝置中。
如前所述，圖6的邏輯流程圖闡釋了本發(fā)明的用于從氣態(tài)混合物中獲 得潛能和非氣態(tài)水的優(yōu)選工藝。為了簡便，除了另外標示，工藝步驟將主 要關(guān)于圖7所示的機構(gòu)來進行描述，該機構(gòu)在功能上代表了其他實施方案。 如圖所示，在第一工藝步驟中，特定量的大氣空氣被吸入到裝置10的可 控體積26中。這由打開空氣吸入閥52和在驅(qū)動器20的驅(qū)使下使汽缸14 內(nèi)的活塞16向右移動來啟動。兩種行為均由裝置控制器54控制，當特定 量的空氣已經(jīng)被吸入室24時，裝置控制器54也關(guān)閉空氣吸入閥52。
在三個前述可選擇方案的第一個中，使用在裝置10外部收集的可利 用的能量對預吸入的大氣空氣進行加熱，例如，如圖1所闡釋的，以增加 熱力工藝所吸入的熱能。在三個前述可選擇方案的第二個中，使用在裝置 10外部收集的可利用的能量將汽化的水引入到預吸入的大氣空氣中。在三 個前述可選擇方案的第三個中，預吸入的大氣空氣是溫暖的，且汽化的水 也被引入到其中。
在第二工藝步驟中，在將吸入的空氣吸入到裝置10內(nèi)的可控體積26 中之后，受控地減壓吸入的空氣，使得其具有更大的體積以及因此而來的 更低的密度。進行減壓，使得在減壓空氣與外部環(huán)境之間進行;f艮少的能量 交換或無能量交換；也就是說，幾乎絕熱地進行減壓。當進行絕熱減壓時，
水蒸氣的分壓降低至飽和蒸氣壓，此時，水蒸氣冷凝成液態(tài)， 一部分水蒸 氣也可能凝華成固態(tài)。因此減壓空氣包括作為組分的水蒸氣、液態(tài)水和可 能的固態(tài)水的混合物。水狀態(tài)的改變伴隨著潛能的釋放，該潛能被加入到
減壓空氣的總內(nèi)能中。圖14是表示在絕熱減壓大氣空氣、去除非氣態(tài)水 以及之后的絕熱再壓縮空氣(其隨后包含冷凝的潛熱)的過程中，溫度與 壓力的關(guān)系的圖。圖15是表示飽和空氣的混和比隨溫度和壓力變化的圖。
在第三工藝步驟中，在減壓過程中和/或在最大減壓點時，提取了減壓 空氣中的大于0且小于1的非氣態(tài)水的部分。在此過程的此點處，在獲得 部分液態(tài)水和任何固態(tài)水而用于外部使用之前，將它們留存在如圖7所示 的裝置10內(nèi)的分開的內(nèi)部貯水器58中。因為當提取水時，從系統(tǒng)中提取非氣態(tài)水的內(nèi)能，所以該過程是稍微非絕熱的，但是去除的非氣態(tài)水的內(nèi) 能比待處理的空氣的內(nèi)能小。該過程包括壓力或溫度無顯著的變化，因此 表現(xiàn)為發(fā)生在重合的點4和5 (標示了對受控空氣進行減壓的最低壓力和
標示了分別在圖16和圖19中的在所有非氣態(tài)水都一皮去除后的受控空氣的 條件)。
在第四工藝步驟中，在提取少部分非氣態(tài)水并將其置于內(nèi)部貯水器之 后，將留存的減壓空氣絕熱再壓縮至空氣被最初吸入時的壓力。當再壓縮 空氣的壓力的量到達初始的受控體積的空氣的壓力的量時，可以終止再壓 縮。當再壓縮空氣的體積的量到達初始的受控體積的空氣的體積的量時， 也可以終止再壓縮。在后一種情形中，基于熱力學原因，最終的壓力將高 于初始吸入壓力。另外，當所表示的再壓縮空氣的壓力和體積的量處于沿 著再壓縮空氣的壓力的量到達初始的受控體積的空氣的壓力的量時的點 和再壓縮空氣的體積的量到達初始的受控體積的空氣的體積的量時的點 之間的不飽和絕熱線的任何狀態(tài)時，可以終止再壓縮。事實上，作為一實 際問題，當所表示的再壓縮空氣的壓力和體積的量通過打開空氣獲得閥67 而處于沿著不飽和再壓縮絕熱線的任何狀態(tài)時，可以終止再壓縮。
在第五工藝步驟中，在描述的最終熱力學條件下，從包含圖7的可控 體積26的室24中獲得再壓縮空氣。隨后，通過導管68將再壓縮空氣引 至外部熱能獲得設備70以獲得增大的再壓縮空氣內(nèi)能。再壓縮空氣的最 終條件是溫度超過初始大氣空氣的溫度，且可能壓力也超過初始大氣空氣 的壓力。當期望的且合適的時候，可以保留獲得的空氣的熱能以備后用。 例如，熱力學自由能可以用于改變工作材料的狀態(tài)，當工作材料被允許變 回到其初始狀態(tài)時，儲存的能量被釋放。常用于該工藝的工作材料是石蠟。
可選擇地，可以通過一種或多種方法立即獲得所獲得的空氣的熱能， 這些方法對所獲得的空氣的溫度和壓力與大氣空氣的溫度和壓力之間的 差起作用。獲得增大的內(nèi)能和由壓差產(chǎn)生的能可以通過采用若干方法中的 任一種來實現(xiàn)。獲得的空氣和大氣空氣之間的熱能差和壓差可以用于驅(qū)動 熱力學泵和發(fā)動機。通過使用諸如熱電偶、硅上的熱電薄膜以及類似物的 熱電發(fā)電機，獲得的空氣與外部大氣空氣之間的溫差可以用于將熱能轉(zhuǎn)化為電能。通過使用諸如斯特令發(fā)動機的熱發(fā)動機，溫差也可以用于將熱能 轉(zhuǎn)化為機械能。通過使用諸如垂直定位的風渦輪機驅(qū)動的發(fā)電機66的傳
送設備(convection device),獲得的空氣與大氣空氣之間的溫差和壓差也 可以用于將熱能轉(zhuǎn)化為電能。
第六工藝步驟可以在第五工藝步驟之前、之后或與其同時進行，在第 六工藝步驟中，圖7所示的非氣態(tài)水獲得閥62被打開，釋放了從初始吸 入的大氣空氣中提取并保留在裝置10的內(nèi)部貯水器58中的非氣態(tài)水。在 環(huán)境條件以及處于或接近內(nèi)部貯水器58的高度時，釋放的非氣態(tài)水通過 導管63并進入外部貯水器64?？蛇x擇地，且當期望的和合適的時候，非 氣態(tài)水可以被釋放至斜槽或?qū)Ч苤校湓谥亓ψ饔孟聦⑺龑е粮偷母?度，以有利于獲得因非氣態(tài)水相對高的初始位置而擁有的勢能。如圖7所 示，當下降的水在到達外部的低水位的貯水器65之前被引導穿過渦輪發(fā) 電機66時，可以獲得勢能。所獲得的勢能可以加入到通過獲得潛能而得 到的能量中。值得注意的是，進行所需要的從減壓空氣中提取非氣態(tài)水的 第三工藝步驟也可以通過利用狀態(tài)的潛在變化而不是利用化學處理從大 氣空氣中獲得水來提供可飲用的水。
由于非氣態(tài)水的提取，所以空氣中非氣態(tài)水的總殘留量比減壓工藝過 程中被冷凝和可能的凝華的水蒸氣的總量要少得多。因此，將殘留的非氣 態(tài)水轉(zhuǎn)變回水蒸氣所涉及的增加的內(nèi)能部分同樣比減壓過程中增加的總 內(nèi)能少得多。因而，再壓縮空氣的內(nèi)能明顯高于初始吸入的空氣的內(nèi)能。 根據(jù)終止再壓縮的條件下的操作規(guī)定，再壓縮空氣的壓力也明顯高于初始 吸入空氣的壓力。
前述的物理過程和其選項可以分類為通過強制的冷凝或者結(jié)晶獲得 潮濕空氣的潛能，由此將水蒸氣分子因其冷凝和可能的凝華而釋放的能量 的一部分加入到受控空氣的內(nèi)部熱能中。根據(jù)熱力學第一定律，加入到氣 體系統(tǒng)中的能量以增加的系統(tǒng)內(nèi)能和系統(tǒng)做的功的總和來計算。通過單位 質(zhì)量的氣體系統(tǒng)的能量和功可以方便地描述前述內(nèi)容。每單位質(zhì)量的氣體 系統(tǒng)的內(nèi)能的變化可以分為2部分每單位質(zhì)量氣體的并未改變狀態(tài)(即 不冷凝或凝華)的部分的能量變化；和每單位質(zhì)量氣體的通過冷凝成液態(tài)內(nèi)能變化的這兩種促成作用(contribution )中的第一種可以方便地表 示為等容時空氣的質(zhì)量比熱容與氣態(tài)混合物經(jīng)歷熱力學過程時的溫度變 化的乘積。內(nèi)能變化的第二種促成作用可以表示為冷凝的氣體組分的冷凝 潛熱，或如果合適的話，表示為升華潛熱與每單位質(zhì)量的氣體系統(tǒng)的被冷 凝的組分的質(zhì)量的乘積。每單位質(zhì)量的由氣體系統(tǒng)所做的功表示為氣態(tài)混 合物的壓力與每單位質(zhì)量的體積變化的乘積。所有這些量都指的是正在進 行的過程。在微分方程的形式中，此過程可以依據(jù)熱力學第一定律表示為
dq = c dT + L dm +p da
其中，dq是每單位質(zhì)量的空氣加入到系統(tǒng)中的能，c是等容時空氣的 質(zhì)量比熱容，dT是溫度變化，L是冷凝潛熱，當合適時(冷凝的和可能的 凝華的每單位質(zhì)量的蒸氣的能)，dm是每單位質(zhì)量的空氣中改變狀態(tài)的水 蒸氣的質(zhì)量變化，p是氣體的壓力，而da是每單位質(zhì)量的空氣的空氣體積 的變化。每單位質(zhì)量的干空氣的水蒸氣的質(zhì)量通常稱為混合比，且每單位 質(zhì)量的干空氣的體積通常稱為比容，其是空氣密度的倒數(shù)。
所有按照表示熱力學第一定律的等式的微分變化都指的是指定的過 程。由前述內(nèi)容指定的過程是絕熱過程。對理想的絕熱過程來說，定義dq =0。圖14闡釋了理想的絕熱過程的過程。圖14的溫度刻度是均勻間隔 的。壓力刻度是不均勻間隔的，且校正壓力，使得并不涉及水蒸氣組分的 狀態(tài)變化的不飽和絕熱過程是斜直線。吸入的空氣由1000毫巴的壓力、 85°F的溫度和75 %的相對濕度的點表示。吸入的空氣中的水蒸氣的實際量 是飽和所需量的75%。最大水蒸氣濃度在圖15中被確定為飽和混合比， 正如前面提到的，飽和混合比定義為每單位質(zhì)量的千空氣的所有剩余組分 所包含的水蒸氣的最大量的比。氣塊的實際混合比對空氣在相同溫度和壓 力下的飽和混合比的比(乘上100% )被稱為相對濕度。飽和混合比已知 是空氣的溫度和壓力的函數(shù)。圖15中的水蒸氣線顯示了此飽和混合比函 數(shù)的選定值的集合。
減壓過程的第一階段指定為不飽和絕熱減壓。這由從吸入的空氣態(tài)朝 降低的壓力和降低的溫度延伸的直線路徑顯示在圖14中。當此不飽和絕熱過程進行時，未出現(xiàn)冷凝，因而dm-0。然而，保持為蒸氣態(tài)的水蒸氣 的最大量受到飽和混合比的限制，且因此由壓力和溫度指定。圖14中與 溫度和壓力相關(guān)且表示不飽和絕熱過程的線或絕熱線的正斜率比圖15中 表示水蒸氣飽和混合比的低，即沒那么陡。當絕熱減壓空氣時，表示不飽 和絕熱過程的線與飽和混合比的線相交，如圖16所示，因為它們都朝較 低值的溫度和壓力延伸。這闡釋了當不飽和絕熱減壓降低了壓力和溫度 時，在減壓過程中，仍能夠保持呈蒸氣態(tài)的水的量迅速減少，直至減少至 所包含的水蒸氣的精確量。也就是說，實際的混合比等于飽和混合比的遞 減值，在飽和混合比時，相對濕度達到100%。當減壓過程繼續(xù)通過飽和 點時，水蒸氣以基本上使被減壓的空氣的實際混合比維持在飽和混合比的 遞減值的速率冷凝成液態(tài)水。
在表示熱力學第一定律的等式中，由術(shù)語L dm指代冷凝的潛能。圖 14專門追蹤了絕熱減壓過程中的壓力和溫度，根據(jù)圖14，狀態(tài)改變的潛 能保持在絕熱變化的系統(tǒng)內(nèi)，并被加入到處理過的空氣混合物的內(nèi)能，由 此適當?shù)馗淖兞藴囟?壓力關(guān)系。當水蒸氣冷凝成液態(tài)水時，在減壓過程 中釋放的大量的潛能加入到受控的空氣混合物的內(nèi)能中。按照熱力學第一 定律的等式，這導致了正量的L dm轉(zhuǎn)移至增大量的c dT。潛熱的此種添 加由圖14闡釋為明顯背離溫度的減壓變化，從而產(chǎn)生了較小的相對于壓 力的溫度冷卻速率。為了使誤解發(fā)生機率降至最低，將飽和后的絕熱減壓 在下文中稱為飽和絕熱過程，以區(qū)分于初始的不飽和絕熱過程。飽和絕熱 減壓繼續(xù)至圖14中由過程曲線上的表示最低壓力的點標示的指定端點。 在此端點，所表示的受控體積的空氣是包括液態(tài)水滴和可能的冰晶體的氣 態(tài)混合物。
大氣空氣中所包括的最大量的水蒸氣是通常小于3%或4%的小的百 分數(shù)。此陳述由圖15中所表示的數(shù)據(jù)支持，這顯示了根據(jù)每單位質(zhì)量的 空氣的未冷凝組分的最大水蒸氣質(zhì)量的飽和水蒸氣混合比。圖15中所示 的數(shù)據(jù)表示空氣壓力的范圍在從400毫巴延伸到超過1000毫巴的區(qū)域內(nèi)， 1000毫巴是表示地球表面的大氣空氣的值。正如該圖所闡釋的，水蒸氣的 變化與空氣溫度和壓力非常相關(guān)。對給定的壓力值來說，溫度越高，則水蒸氣容量越大。例如，在1000mb的壓力下，溫度從30。F升高到90。F使水 蒸氣容量增大了約10倍。圖15中顯示的飽和混合比的最大值是每公斤干 空氣40克水蒸氣。對每立方米1公斤數(shù)量級的周圍空氣密度來說，此水 蒸氣質(zhì)量的最大量僅表示約4%的空氣質(zhì)量。與相同質(zhì)量的蒸氣態(tài)的水的 內(nèi)能相比，留存在系統(tǒng)內(nèi)的液態(tài)水滴的內(nèi)能的量也是相當小的。因而，在 第三工藝步驟中，若去除了大多數(shù)或全部液態(tài)水滴，由此去除那些水滴的 內(nèi)能時，那么水去除是非絕熱過程步驟。然而，由于與氣態(tài)的空氣混合物 的內(nèi)能相比，冷凝的水滴的內(nèi)能非常小，所以就整個氣態(tài)混合物和液滴而 言，從空氣混合物中去除水可以被認為是幾乎絕熱的。對少量液態(tài)水的內(nèi) 能損失來說，這意味著與前述熱力學第一定律的等式右邊的能項相比，每 單位質(zhì)量的空氣加入到系統(tǒng)中的能(dq)的確切值是很小的。
通過許多方法中的任一種都可以實現(xiàn)水的提取。 一種方法是在減壓過 程中，例如圖7所顯示的，只允許已經(jīng)冷凝在室24的內(nèi)表面上的水在重 力作用向下匯集在室24的下部部分內(nèi)，且在裝置控制器54的控制下經(jīng)由 水提取閥56被提取。更有效的方法包括使用前述的水滴去除設備71 (或 圖8所示的171和181 )。
在從減壓空氣中提取了所有的或大多數(shù)液態(tài)水滴后，將空氣絕熱再壓 縮至其初始的壓力和溫度。圖14闡釋了從接近400毫巴的最低壓力點向 上并向右至接近1000毫巴的過程端點的再壓縮。此再壓縮過程闡釋了所 有的液態(tài)水和固體水已經(jīng)被去除的情形。在此情形中，絕熱再壓縮沿著不 飽和絕熱過程曲線，因為空氣的水蒸氣含量在再壓縮開始后立即變得不飽 和。這是因為冷凝已經(jīng)顯著降低了空氣中實際的水蒸氣含量，且再壓縮增 大了受控空氣的溫度和壓力，使得由飽和混合比測得的水蒸氣含量的最大 量系統(tǒng)性地超過了再壓縮過程中的實際混合比。因此，相對濕度系統(tǒng)性地 小于100%,且再壓縮是不飽和絕熱。再壓縮過程保持不飽和且絕熱，直 到再壓縮結(jié)束。圖14顯示了減壓、非氣態(tài)水去除和再壓縮過程使再壓縮 空氣的最終溫度顯著高于初始的吸入空氣的溫度。根據(jù)熱力學第一定律， 所有冷凝的潛能已經(jīng)被保留在系統(tǒng)內(nèi)并被轉(zhuǎn)化成再壓縮空氣的內(nèi)能，這由 空氣溫度的升高得以證明。如前所述，如果任何液態(tài)水滴保留在熱力學系統(tǒng)內(nèi)，那么開始絕熱再壓縮將會造成水滴的蒸發(fā)。這將涉及再壓縮空氣的 一些內(nèi)能轉(zhuǎn)化成蒸發(fā)的潛能。就圖14而言，此再壓縮過程的最初階段將 會沿著指定了減壓的相同的飽和絕熱過程向回進行，但是只進行到所有的 液態(tài)水滴或水晶被蒸發(fā)。這之后，此過程將作為不飽和絕熱再壓縮繼續(xù)進 行。在此情形下，不飽和絕熱過程曲線將略微在圖14所實際顯示的曲線 的右邊。這將導致比前迷情況下稍微冷一些的溫度，但仍舊遠高于吸入溫
度。注意到，此過程選項并沒有由圖14明確顯示。
通過將本發(fā)明的實施方案中的任意一種與外部環(huán)境熱隔離來滿足所
描述的絕熱過程。裝置10內(nèi)包含的氣態(tài)混合物與裝置10的外部環(huán)境之間
所示，與燃燒發(fā)動機和類似裝置相伴的溫度差不同，這種與本發(fā)明相伴的 溫度差將會是幾十開氏溫度，而不是數(shù)百或數(shù)千開氏溫度。因而，使用現(xiàn)
圖16量化地闡釋了處理潮濕空氣的過程中的溫度對壓力的熱力學關(guān) 系，處理包括吸入、減壓、冷凝、水提取、再壓縮和獲得。吸入了具有50°F 溫度、1000毫巴的壓力和75%的相對濕度的大氣空氣。在此初始溫度和 壓力下，如圖15和16所示，飽和混合比是每公斤干空氣約7.8克的水。 因此，實際的混合比將是每公斤干空氣(0.75 ) ( 7.8 ) = 5.85克水。因為 空氣剛開始是不飽和的，所以減壓沿著不飽和絕熱線進行，直到空氣達到 飽和混合比等于此實際的混合比值時的溫度和壓力。在飽和絕熱過程之 后，繼續(xù)減壓，直到達到400毫巴的壓力。然后，提取水滴，且隨后不飽 和絕熱再壓縮至1000毫巴壓力使空氣達到最終約77。F溫度。
圖17是闡釋了由圖16所示的處理過程中的體積對壓力的熱力學關(guān)系 的圖。圖17所示的圖的水平軸表示待處理的空氣的實際的瞬間體積V對 初始吸入空氣的體積Vci的比。此初始體積Vo等于由圖7所示的室24的截 面積乘以當空氣吸入閥52開始關(guān)閉時活塞16和汽缸14的密閉端22之間 的距離。附圖16和17的圖中的點1和點2代表過程的空氣吸入部分。該 部分不涉及溫度或壓力的變化。在這些重合點，V和Vo是相等的；且因此 體積比是1.0。在這些重合點開始減壓，且此比增大，直到在體積比剛好高于2.0的重合點4和5處結(jié)束減壓。點3表示減壓過程中，所包括的水
蒸氣開始進行冷凝，以及可能的凝華時的點。應該注意，因為空氣吸入閥
52是可控的，所以初始吸入空氣的量Vo可以^皮設定到由圖7所示的實施 方案中的室24的最大體積的任何期望的分數(shù)。
隨著減壓繼續(xù)進行，即當活塞16更遠離密閉端22移動時，瞬間的空 氣體積v增大至大于初始體積Vo的值。由圖17和20所示的水平刻度的 每一個的變化表示膨脹或收縮的空氣體積對初始體積V()的比。因此，該圖 顯示了 V/V()比從1. 0的值繼續(xù)增大至由實施方案確定的一些最大值。就圖 7、 8和9所示的實施方案而言，存在對空氣能夠膨脹的程度的限制。對于 由圖7所示實施方案的限制通過活塞沖程的長度來規(guī)定。對于由圖9所示 實施方案的限制是可以由柔性隔膜232的向右運動所形成的最大體積。由 圖16和17所表示的過程被設計成具有最終的減壓體積V,其稍微高于初 始吸入空氣體積V()的兩倍。
圖19是闡釋了對由圖16所示過程的吸入空氣進行預熱和預濕的效果 的圖，圖20是闡釋了由圖19所示處理的過程中的體積對壓力的熱力學關(guān) 系的圖。圖20的水平軸與圖17的相同，且此過程被類似地設計成減壓受 控空氣以使最終的減壓體積略高于吸入體積的兩倍。在使用可利用的外部 能量方面，三個可選擇方案對第一工藝步驟的影響是增大了空氣吸入前的 水蒸氣混合比。對預吸入的大氣空氣進行預熱和/或預濕的效果由圖19闡 釋，其中圖16所示的預吸入的大氣空氣的溫度升高了正好10°F，且水蒸 氣含量到達此更高溫度下的飽和。如圖15所示，60下的溫度、1000毫巴 的壓力和100%的濕度下的混合比的值略微大于每公斤千空氣11克的水， 比前述實施例中，在50下下每公斤干空氣7.8克水增加了約每公斤干空氣 3.2克水。
在如圖16所示的第三工藝步驟中，在描述第二工藝步驟中所指定的 不飽和絕熱減壓從表示活塞16的點2和3 (由圖7所示)開始在驅(qū)動器 20的推動下在汽缸14內(nèi)向右運動。正如圖16的點3所示的，潮濕空氣混 合物的壓力和溫度達到各值，使得所包括的水蒸氣達到飽和點，開始冷凝 成液體，以及可能還凝華以形成固體。當減壓繼續(xù)進行時，冷凝繼續(xù)進行；且冷凝的潛熱繼續(xù)纟皮加入到空氣
混合物的內(nèi)能中。如圖16所示，內(nèi)能的增加降低了幾乎絕熱的膨脹和減 壓過程中的空氣溫度的降低速率。因此，空氣溫度隨由圖16表示的在點2 和3之間進行減壓的變化速率明顯不同于表示在點3和4之間的變化速率。
如前面關(guān)于第一工藝步驟的三種選擇方案所討論的，如果可利用的能 用于預熱和/或預濕大氣空氣，那么吸入的空氣將會具有非常不同的熱力學 特性。在由圖19介紹和表示的實施例中，吸入的空氣具有60。F的溫度， 而不是50。F的溫度。而且，預濕被認為將吸入的空氣的相對濕度增大至 100% 。圖19和20的預熱和預濕的吸入空氣的這些改變的值由點1 (標示 當打開空氣吸入閥52時，預吸入的環(huán)境條件)和點2 (標示關(guān)閉空氣吸入 閥時，吸入的空氣的條件)表示。
雖然大氣空氣的一些其他氣體組分在減壓過程中也可以達到飽和(如 由第三工藝步驟所說明的)，這通常是可能的，但是壓力的實際值在圖16 中從1000毫巴降低至剛400毫巴基本上限制了通常的大氣空氣組分飽和 成正好一種，即水蒸氣的數(shù)目。
在由活塞16的到達所指定的減壓過程結(jié)束之前(如圖7所示)，在其 最右邊的行程的盡頭，大氣空氣的初始水蒸氣的一部分已經(jīng)冷凝成液態(tài) 水。因為由圖16中的點4表示的溫度低于水的凝固溫度，所以一部分冷 凝水可能凝固成一些水的晶態(tài)，由此釋放另外的凝固潛能，該潛能加入到 減壓空氣的內(nèi)能中。
重要的是，預濕意指吸入的空氣被飽和，使得表示吸入條件的點2和 表示飽和的點3在圖19和20中重合。與由圖16表示的吸入大氣空氣的 實施例相比，這是明顯不同的，在圖16的實施例中，空氣從點2至點3 進4亍不飽和絕熱減壓，且之后，沿著點3至點4的々包和絕熱線。由圖16 的點4表示的溫度是約-47°F，而由圖19表示的預熱和預濕空氣的由點4 表示的溫度僅僅是約-15°F。在完全減壓時的這些溫度之間的差闡釋了由 于通過圖19所示的可利用的外能來預熱和預濕吸入空氣而實現(xiàn)了另外的 潛能。在由7所示的汽缸活塞機構(gòu)中，當活塞16在裝置控制器54控制下 從空氣吸入閥52閉合瞬間時的其位置移動至其最極端位置時，由規(guī)定的吸入空氣的體積變化來進行減壓過程。此體積變化與由圖17和20所示的
實施例相同，且結(jié)果是得到了由圖16和19中的點4的位置表示的最低壓 力的差。
如圖16、 17、 19和20所示，從點5至點6 (點6標示受控空氣在被 再壓縮至環(huán)境空氣的壓力之后的最終狀態(tài))分別繼續(xù)進行受控量空氣的絕 熱再壓縮。如圖17所示，在驅(qū)動器20的推動下，通過向左朝汽缸14的 密閉端22移動活塞16來實現(xiàn)再壓縮。在再壓縮過程中，受控空氣的少部 分內(nèi)能可以用于熔化任何水晶體，并再蒸發(fā)第三工藝步驟中未從空氣中有 效去除的任何水滴。如果是這種情形的話，絕熱再壓縮的第一部分將表示 為分別在圖16、 17、 19和20的點4和3之間的逆運動，直到剩余的冰晶 體和水滴被完全轉(zhuǎn)化成水蒸氣。這之后，絕熱再壓縮將會表示為沿著幾乎 平行于從點5到點6的過程路線的直線路線前行。
正如圖16、 17、 19和20所示，^v減壓空氣中去除相當一部分水滴和 水晶體提供了絕熱再壓縮過程，此過程將空氣回到其初始壓力和明顯高于
其被吸入時的溫度。相當大的溫差是由于已經(jīng)被加入到再壓縮空氣的內(nèi)能 中的冷凝潛能和凝固潛能。
注意到，當打開空氣獲得閥67時，沿著絕熱再壓縮曲線的點6的位 置隨圖7的汽缸14內(nèi)的活塞16的位置變化。例如，在圖17中表示再壓 縮過程之后的室24內(nèi)的體積的點6與表示初始吸入空氣的體積的點1的 位置不相同。相反，點6處于標示略微更大體積的位置處。如果延遲到再 壓縮過程將再壓縮空氣返回到其初始體積之后再打開空氣獲得閥67,那么 最終的溫度和壓力都將高于在圖16中由點6表示的溫度和壓力。這將會 表示相對于環(huán)境的溫度和壓力的更大的熱差和正壓差。圖19和20闡釋的 再壓縮過程被規(guī)定為當再壓縮空氣到達空氣吸入壓力且裝置控制器54打 開空氣獲得閥67時結(jié)束。在由圖19和20的點6表示的條件下，且期望 隨后的空氣減壓再壓縮處理循環(huán)時，通過打開空氣獲得閥67來獲得再壓 縮空氣。隨后可以保留所獲得的空氣的熱能來用于稍后使用，如改變另一 種材料的狀態(tài)，或可以通過使用諸如前述的設備將其轉(zhuǎn)化成電能和/或機械 能來立即使用此熱能。圖16 (不飽和大氣空氣)和圖19 (由可利用的外部能源預熱并預濕 的大氣空氣)的實施例中的再壓縮空氣的最終的熱力學條件(點6)的每 一個明顯不同于吸入條件。而且，如前所示，圖19中的實施例的最終熱 力學條件明顯不同于圖16中的相應端點。圖16的點6處的最終空氣溫度 是約77°F，而點6處的已經(jīng)通過圖19中的可利用的外能被預熱和預濕的 大氣空氣的最終空氣溫度是約U4。F。此最終的過程溫度高于空氣的最初 的大氣空氣溫度約64°F，且高于由16表示的未預熱或預濕的最終再壓縮 空氣約37。F。由于預濕，甚至被鹽化的或以其他方式造成不純的水以及由 于預熱，所以所獲得的適于飲用的水的量以及所獲得的潛能的量都顯著增 大。如前所述，所獲得的水從每公斤干空氣5.8克增大至ll克。
基于示例性的被處理空氣的內(nèi)能的熱力學定義所做的分析顯示出，在 過程結(jié)束時，每一個實施例中的空氣都具有比其吸入時更大量的熱力學自 由能。這樣的分析還清楚地證明了預先使用可利用的外能可以顯著提高由 所述過程產(chǎn)生的最終的再壓縮空氣溫度。為了全面觀察總的可利用的外 能，已經(jīng)為圖16、 17、 19和20所示的實施例計算了提取的潛能、所要求 的減壓功和可回復的再壓縮功。這些值容易地解釋用于圖7、 8和9中的 示例性實施方案，其中所要求的減壓功牽拉活塞16或116或牽拉柔性隔膜 232分別離開它們各自的密閉端22、 122或222。再壓縮功是由減壓空氣 的壓力與環(huán)境空氣的較高壓力之間的差供給到活塞或隔膜上的可回復的 功(recoverable work )。
圖18闡釋了在1000mb、 50。F和75 %相對濕度下的吸入空氣的過程結(jié) 果。圖21闡釋了 1000mb下，使用可利用的外能和濕源被預熱至60。F的 較高溫度和預濕到100%的較高相對濕度下的類似體積的吸入空氣的過程 結(jié)果。過程曲線詳細追蹤了該過程，且最終的結(jié)果由端點表示。用于從處 理的空氣中獲得潛能的不同的曲線顯示在圖18和21中，當回到空氣獲得 位置時，出現(xiàn)了強制進行減壓過程所要求的功和作為再壓縮的可回復的 功。曲線追蹤了這些量的累積值，且每一個曲線上的端點顯示了最終值。 在兩個圖中，可以看出隨著減壓過程的進行，越來越難以獲得潛能。圖18 顯示出所獲得的潛能明顯低于進行所要求的減壓功所要求的能量水平。然而，當預熱和預濕空氣時，即使預熱和預濕相對少量的空氣時(由圖21 所示)，潛能都顯著增大且所要求的減壓功略微減少，因而顯著提高了提 取的潛能對所供給的凈功的比。
這些結(jié)果不應該被解釋為違背了熱力學定律，且它們不應該被認為支 持了任何類型的"永恒運動"裝置。沒有"產(chǎn)生"額外的能。潛能、與系 統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的內(nèi)能都已經(jīng)存在于水中且僅轉(zhuǎn)化成熱力學自由能、物理系統(tǒng) 內(nèi)的能，通過改變水的狀態(tài)，該物理系統(tǒng)內(nèi)的能可以被轉(zhuǎn)化成做功。
通過此過程獲得潛能可以被認為類似于駕駛帆船。帆船從周圍的風中 提取的能量明顯超過了船員操作舵柄所要求的功。從自然的、環(huán)境中存在 的能、潮濕空氣中提取的潛能超過了必須供給減壓用的功與再壓縮過程中
回復的功之間的差。依靠大自然，而不是依靠此能量處理裝置10的操作
者來提供所獲得的凈能。
雖然已經(jīng)詳細闡釋并描述了用于實施本發(fā)明的最佳方式，但是并不期 望已經(jīng)闡釋并描述了本發(fā)明所有可能的形式。相反，說明書中使用的詞匯
是描述性的詞匯，而不是限制性的詞匯；且應該理解，本發(fā)明所屬領域的 技術(shù)人員可以進行各種變化而并不背離由所附的權(quán)利要求界定的本發(fā)明 的主旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于從大氣空氣中獲得潛能和水的方法，所述方法的期望的多個循環(huán)中的一個包括以下步驟(a)將受控體積的大氣空氣吸入到隔熱室中；(b)絕熱減壓受控體積的空氣，以將所述室內(nèi)的溫度和壓力降低至(1)壓力等于所述室內(nèi)的水蒸氣的飽和蒸氣壓，(2)水蒸氣開始改變狀態(tài)成非氣態(tài)水，(3)絕熱減壓繼續(xù)降低壓力、溫度和飽和蒸氣壓，從而使水蒸氣持續(xù)相變成非氣態(tài)水，以及(4)水蒸氣的相變繼續(xù)將潛能釋放入所述室內(nèi)的空氣中；(c)從所述室中提取因水蒸氣到非氣態(tài)水的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的非氣態(tài)水，并在與所述室內(nèi)的減壓空氣的壓力相同的壓力下將其留存在分開的貯水器中，以使釋放潛能的過程是幾乎不可逆的；(d)絕熱再壓縮所述室內(nèi)的先前被減壓的空氣，使得由于已經(jīng)吸收了由水蒸氣釋放的潛能，所以再壓縮空氣具有比吸入的空氣在被減壓之前高得多的溫度和更大量的熱能，這是由于如果非氣態(tài)水沒有被從所述室中提取出來，那么再壓縮空氣將會留存將非氣態(tài)水的狀態(tài)變回成蒸氣所要求的熱能；(e)從裝置中獲得再壓縮空氣；以及(f)從所獲得的空氣中獲得熱能。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括步驟(g):從所述裝置中 獲得在步驟(c)中提取的非氣態(tài)水。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括在步驟(a)之前的另外 的步驟，所述另外的步驟包括在吸入大氣空氣之前，預熱所述量的大氣 空氣。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括在步驟(a)之前的另外 的步驟，所述另外的步驟包括在吸入大氣空氣之前，預濕所述量的大氣 空氣。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括在步驟(a)之前的另外 的步驟，所述另外的步驟包括在吸入大氣空氣之前，預熱和預濕所述量 的大氣空氣。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(d)中，當再壓縮空氣 的壓力量達到初始受控體積的空氣的壓力量時，終止再壓縮被減壓的空
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(d)中，當再壓縮空氣 的體積量達到初始受控體積的空氣的體積量時，終止再壓縮被減壓的空
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(d)中，當再壓縮空氣 的壓力量和體積量都處于在沿著再壓縮空氣的壓力量達到初始受控體積 的空氣的壓力量的點與再壓縮空氣的體積量達到初始受控體積的空氣的 體積量的點之間的不飽和絕熱線的點所表示的狀態(tài)時，終止再壓縮被減壓 的空氣。
9. 一種潛能和水獲得裝置，其包括 至少一個隔熱室，其具有可控體積；至少一個減壓再壓縮機構(gòu)，其用于增加和減少吸入到所述至少一個室 中的受控體積的包含水蒸氣的空氣的體積，以分別降低和升高所述至少— 個室內(nèi)的壓力和溫度；隔熱的內(nèi)部貯水器，其與所述至少一個室分開，但與所述至少一個室 相通，所述隔熱的內(nèi)部貯水器用于在與所述至少一個室內(nèi)的壓力相同的壓 力下，暫時地留存受控體積的空氣的減壓過程中，因水蒸氣的狀態(tài)變化而 產(chǎn)生的非氣態(tài)水；以及能量獲得設備，其用于從再壓縮的受控體積的空氣中獲得因狀態(tài)變化 而產(chǎn)生的熱 能。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一個室包括具有密閉 端的中空的汽缸，且在所述汽缸內(nèi)可滑動地設置有活塞，所述至少一個室 具有界定在所述汽缸內(nèi)且在所述密閉端和所述活塞之間的可控體積，且其中所述減壓再壓縮機構(gòu)包括所述至少一個室、所述活塞、驅(qū)動器和連接在 所述活塞與所述驅(qū)動器之間的活塞桿，所述驅(qū)動器使所述活塞桿和所述活 塞背離所述密閉端和朝向所述密閉端來平移，以分別減壓和再壓縮所述至 少一個室內(nèi)的空氣。
11. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一個室包括中空的汽 缸，所述至少一個室在一端是密閉的，而在相對端具有柔性隔膜，所述至 少一個室具有界定在所述汽缸內(nèi)且在所述密閉端和所述柔性隔膜之間的 可控體積，且其中所述減壓再壓縮機構(gòu)包括所述至少一個室、所述柔性隔 膜、驅(qū)動器和連接在所述柔性隔膜與所述驅(qū)動器之間的隔膜桿，所述驅(qū)動 器使所述隔膜桿背離所述密閉端和朝向所述密閉端來平移，并且使所述隔 膜背離所述密閉端和朝向所述密閉端來彎曲，以分別減壓和再壓縮所述至 少一個室內(nèi)的空氣。
12. 如權(quán)利要求IO所述的裝置，其進一步包括外部空氣吸入設備，其用于允許受控體積的含有水蒸氣的大氣空氣進 入所述至少一個室中；至少 一個隔熱的非氣態(tài)水提取閥，其用于從所述至少一個室中提取因 減壓過程中水蒸氣的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的非氣態(tài)水；非氣態(tài)水獲得閥，其用于獲得留存在所述內(nèi)部貯水器中的非氣態(tài)水； 外部貯水器，其用于接收并留存從所述內(nèi)部貯水器中獲得的非氣態(tài)水；至少 一個隔熱的空氣獲得閥，其用于終止所述至少一個室中的再壓縮 和從所述至少一個室中獲得再壓縮空氣；以及裝置控制器，其用于控制所述空氣吸入設備、所述驅(qū)動器、所迷至少 一個非氣態(tài)水提取閥、所述非氣態(tài)水獲得閥和所述至少一個空氣獲得閥的操作。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述外部貯水器設置在比所述 內(nèi)部貯水器的高度低的高度處，且其中所述裝置進一步包括流體渦輪機驅(qū) 動的發(fā)電機，所述流體渦4侖機驅(qū)動的發(fā)電機鄰近所述外部貯水器i殳置，以獲得與在重力作用下，從所述內(nèi)部貯水器至所述外部貯水器的水流有關(guān)的肯bf 。
14. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述外部空氣吸入設備是外部 空氣吸入閥，且其中所述裝置進一步包括空氣預熱設備和空氣預濕設備， 所述外部空氣吸入閥能夠?qū)⒋氲目諝庋刂臈l路線中的一條引至所 述至少一個室，第一路線是直接引入到所述至少一個室中，第二路線是穿 過所述預熱設備，然后再進入到所述至少一個室中，第三路線是穿過所述 預濕設備，然后再進入到所述至少一個室中，而第四路線是穿過所述預熱 設備和所述預濕設備，然后再進入到所述至少一個室中。
15. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述活塞桿是中空的，且所述 裝置進一步包括水滴去除濾器，其包括支撐至少一個濾器元件的濾器架，所迷濾器可 滑動地設置在所述至少一個室內(nèi)，以允許所述濾器與所述至少一個室內(nèi)的 空氣之間的相對移動，從而促使將所述至少一個室內(nèi)的水滴集中并聚集在 所述濾器元件上；以及水滴去除設備桿，其具有第一端和第二端，所述第一端連接至所述驅(qū) 動器，且所述第二端連接至所述濾器架，所述水滴去除設備桿同軸地且可 滑動地延伸穿過中空的所述活塞桿，所述驅(qū)動器軸向移動所述水滴去除設 備桿，且因而在所述至少一個室內(nèi)軸向移動所述濾器架，所述濾器架的移 動獨立于所述活塞的移動。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，水滴去除濾器元件包括濾器纖維。
17. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其進一步包括彈性環(huán)，所述彈性環(huán)安 裝在所迷濾器架的外周周圍，以將所述至少一個室的內(nèi)表面上的水擦至所 述至少一個非氣態(tài)水提取閥，用于隨后的提取。
18. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述活塞桿是中空的，且所述 裝置進一步包括水滴去除扇，其包括扇架，所述扇架中心地且可旋轉(zhuǎn)地支撐圍繞旋轉(zhuǎn)軸的輪軸，所述扇沿著所述旋轉(zhuǎn)軸可滑動地設置在所述至少一個室內(nèi)；至少一個扇葉，其從所述輪軸徑向延伸，所述輪軸是可旋轉(zhuǎn)的以使所 述至少一個扇葉繞所述輪軸的所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，以集中并聚集水滴，并形 成促使水滴運動的空氣湍流，并伴有水滴彼此之間的碰撞和水滴與所述至少一個室的內(nèi)表面的石並_接；以及水滴去除設備桿，其具有第一端和第二端，所述第一端連接至所述驅(qū) 動器，且所述第二端連接至所述輪軸，所述水滴去除設備桿同軸地、可滑 動地且可旋轉(zhuǎn)地延伸穿過中空的所述活塞桿，所述驅(qū)動器軸向移動并旋轉(zhuǎn) 所述水滴去除設備桿，且因而在所述至少一個室內(nèi)軸向移動所述扇架，并 旋轉(zhuǎn)所述輪軸，所述扇架的移動和所述輪軸的移動獨立于所述活塞的移 動。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述至少一個扇葉包括徑向延 伸的一系列葉片段，每一個葉片段具有突然不同于相鄰的葉片段的斜度的 斜度，用于在所述至少一個室內(nèi)形成強有力的空氣湍流。
20. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其進一步包括彈性環(huán)，所述彈性環(huán)安 裝在所述濾器架的外周周圍，以將所述至少 一個室的內(nèi)表面上的水擦至所 述至少一個非氣態(tài)水提取閥，用于隨后的提取。
21. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述內(nèi)部貯水器的上部部分的 構(gòu)型是包括線性傾斜的構(gòu)型和凹狀傾斜的構(gòu)型的組的其中 一種。
22. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其進一步包括壓力傳感器，所述壓力 傳感器用于將表示所述至少一個室內(nèi)的壓力的信號發(fā)送至所述裝置控制 器。
23. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述能量獲得設備包括驅(qū)動發(fā) 電機的風渦輪機。
24. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述能量獲得設備包括熱發(fā)動機。
25. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，所述熱發(fā)動機包括斯特令發(fā)動機。
26. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述能量獲得設備包括熱電發(fā)電機，用于直接產(chǎn)生與所獲得的空氣的溫度與大氣空氣的溫度之間的差成 比例的電能。
27. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述能量獲得設備包括含有工 作材料的熱能貯存器，所述工作材料響應于從所獲得的空氣轉(zhuǎn)移至所述工 作材料的熱能而改變狀態(tài)。
28. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述工作材料包括石蠟。
29. —種潛能和水獲得裝置，其包括第一隔熱室，其包括第一可控體積，且具有縱軸；第二隔熱室，其包括第二可控體積，且具有相對于所述第一室的所述 縱軸同線設置的縱軸；外部空氣吸入閥，其用于吸入含有水蒸氣的大氣空氣，以便隨后進入 所述第一室和所述第二室中；第 一隔熱的內(nèi)部空氣吸入閥，其用于允許可控體積的吸入大氣空氣進 入所述第一室中；減壓再壓縮機構(gòu)，其用于增大所述第一室內(nèi)的受控體積，以降低所述 第一室內(nèi)的潮濕空氣的壓力和溫度，使得所包括的水蒸氣達到飽和點，開 始改變狀態(tài)，并開始釋放潛熱，隨后，所述減壓再壓縮機構(gòu)繼續(xù)降低壓力 和溫度以及飽和混合比，由此繼續(xù)改變水蒸氣的狀態(tài)至非氣態(tài)水，所述減 壓再壓縮機構(gòu)隨后減小所述第 一室內(nèi)的受控體積，以升高所述第 一室內(nèi)的 再壓縮空氣的壓力和溫度；第一隔熱的非氣態(tài)水提取閥，其用于從所述第一室中提取因減壓過程 中所述第一室內(nèi)的水的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的非氣態(tài)水，以使釋放潛能的過程 幾乎不可逆；第一隔熱的貯水器，其用于在所述裝置內(nèi)且在與所述第一室內(nèi)的減壓 空氣的壓力相同的壓力下，暫時地留存從所述第一室提取的非氣態(tài)水；第一隔熱的空氣獲得閥，其用于終止再壓縮，并從所述第一室獲得再壓縮空氣；第二隔熱的內(nèi)部空氣吸入閥，其用于允許可控體積的吸入大氣空氣進 入到所述第二室中，所述減壓再壓縮機構(gòu)增大所述第二室內(nèi)的受控體積， 以降低所述第二室內(nèi)的潮濕空氣的壓力和溫度，使得所包括的水蒸氣達到 飽和點，開始改變狀態(tài)，并開始釋放潛熱，隨后，所述減壓再壓縮機構(gòu)繼 續(xù)降低壓力和溫度以及飽和混合比，由此繼續(xù)改變水蒸氣的狀態(tài)至非氣態(tài) 水，所述減壓再壓縮機構(gòu)隨后減小所述第二室內(nèi)的受控體積，以升高所述 第二室內(nèi)的再壓縮空氣的壓力和溫度，而所述第一室內(nèi)的可控體積一皮增大 以降低所述第二室內(nèi)的潮濕空氣的壓力和溫度，使得所包括的水蒸氣達到飽和點，改變狀態(tài)并釋放潛熱；第二隔熱的非氣態(tài)水提取閥，其用于從所述第二室中提取因減壓過程 中所述第二室內(nèi)的水的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的非氣態(tài)水，以使釋放潛能的過程 幾乎不可逆；第二隔熱的貯水器，其用于在所述裝置內(nèi)且在與所述第二室內(nèi)的減壓 空氣的壓力相同的壓力下，暫時地留存從所述第二室提取的非氣態(tài)水；第二隔熱的空氣獲得閥，其用于終止再壓縮，并從所述第二室中獲得 再壓縮空氣；能量獲得設備，其用于獲得從所述第 一室和所述第二室中獲得的熱能；第一隔熱的非氣態(tài)水獲得閥，其用于獲得留存在所述第一貯水器中的水；第二隔熱的非氣態(tài)水獲得閥，其用于獲得留存在所述第二貯水器中的水；以及裝置控制器，其用于控制所述空氣吸入設備、所述第一內(nèi)部空氣吸入 閥和所述第二內(nèi)部空氣吸入閥、所迷減壓再壓縮機構(gòu)、所述第一非氣態(tài)水 提取閥和所述第二非氣態(tài)水提取閥、所述第一空氣獲得閥和所述第二空氣 獲得閥，以及所述第一水獲得閥和所述第二水獲得閥的操作，使得所述第 一室的減壓與所述第二室的再壓縮重合，且所述第一室的再壓縮與所述第二室的減壓重合。
30.如權(quán)利要求29所迷的裝置，其中，所述第一室和所述第二室包括 每一個端都被密閉的中空的汽缸，且在所述汽缸內(nèi)可滑動地設置有活塞， 所述活塞將所述汽缸分成所述第一室和所述第二室，在每一個密閉端與所 述活塞之間，可控體積界定在每一個室內(nèi)，且其中所述減壓再壓縮機構(gòu)包 括所述第一室和所述第二室、所述活塞、驅(qū)動器和連接在所述活塞與所述 驅(qū)動器之間的活塞桿，所述活塞桿用于在交替地相反的方向上平移所述活 塞，以減壓所述第一室內(nèi)的空氣，而壓縮所述第二室內(nèi)的空氣，然后再壓 縮所述第一室內(nèi)的空氣，而減壓所述第二室內(nèi)的空氣。
全文摘要
一種通過絕熱減壓受控體積的大氣空氣以將其壓力和溫度降低至所包括的水蒸氣的飽和點之下，從而使水蒸氣改變狀態(tài)成非氣態(tài)水并釋放與狀態(tài)的改變有關(guān)的減壓空氣的熱能來獲得潛能和水的裝置。隨后，該裝置提取非氣態(tài)水，而將所釋放的熱能留在減壓空氣中。接著，該裝置再壓縮減壓空氣，這將會具有所得到的高于最初吸入的空氣的溫度的溫度，且由此具有高于最初吸入的空氣的熱能的熱能，以及獲得再壓縮空氣和其增大的熱能。在吸入大氣空氣之前，該裝置還可以濕潤和加熱大氣空氣以略微提高所獲得的熱能的量。
文檔編號B01D3/10GK101594919SQ200880003238
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月25日
發(fā)明者克里斯多佛·E·湯普森, 歐文·E·湯普森 申請人:克里斯多佛·E·湯普森;歐文·E·湯普森