CN101506599A - 采用连续螺旋状半融冰雪移除系统的脱盐方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用冷冻结晶技术的脱盐方法和系统，所述方法和系统结合利用压缩空气能量作为使温度降低的来源。当压缩空气由涡轮膨胀机释放时，产生作为副产物的冷空气，其中的冷空气被引入室内，已通过与冷的室壁进行热交换而被预先冷却的海水液滴的喷射云随后被循环并暴露到室内的冷空气中。液滴随后沉降在室底部，在那里它们在稍高于低共熔温度下沉积，以形成冰/盐水的半融冰雪混合物。带有螺旋状叶片的半融冰雪移除机构被设置成连续地从室内移除冰粒。

Description

采用连续螺旋状半融冰雪移除系统的脱盐方法和系统

技术领域

本发明涉及脱盐系统领域，并且尤其是涉及利用压缩空气能量系统在结晶室底部产生冰/盐水混合物的脱盐方法和系统，其中，螺旋状的半融冰雪移除系统被设置成能够连续地从结晶室移除冰粒。

背景技术

在美国，通常大多数地区存在足够多可供利用的新鲜饮用水源。即使在供水不足的地区，人们也已经努力将水从有可利用水的地方输送到需要水的地方。例如，相当大量的水现在正从科罗拉多河(ColoradoRiver)经加利福尼亚输水道(Califoria Aqueduct)输送到人口众多但干旱的加利福尼亚南部(Southern California)地区，从而有充足的水可供利用，这些水不但用于饮用目的，而且也用于农业和灌溉。也存在其它供应和输送水的方式，诸如通过公共设施和管道网，所述水包括来自于湖泊、水库、河流、冰川等的那些水。

然而，遍及该国家和世界也存在许多这样的地理区域，在其中新鲜饮用水不是可容易利用的，或者在其中不方便或不可能在控制成本的基础上将水输送到需要水的地方。这些地区包括山区、农村地区、岛屿等。靠近诸如在干性或干燥气候中的海岸线也存在大的人口聚集中心，在其中存在足够多的海水，但可供利用的饮用水不足以供养人口。

因此，过去已经研发了用于从海水产生新鲜饮用水的脱盐系统和方法。任何脱盐系统的关键在于能够从基础水中分离出包含盐和其它杂质的污染物，从而能够产生新鲜的饮用水。为简单起见，从此时开始，术语“海水”将用于指任何需要净化的污水，而不管水实际上是来自于海洋，还是来自于任何其它源头的水。

当前正在使用至少三种不同类型的脱盐系统并获得了不同程度的成功，包括1)热方法，该方法是利用热或其它方式将海水转化为水蒸汽，诸如通过沸腾实现，2)膜处理方法，该方法是利用相对薄的可渗透材料层分离水和盐，以及3)冷冻结晶处理过程，该过程是利用冻结过程和海水的相图产生新鲜饮用水。

本发明与各种冷冻结晶处理过程一起使用。冷冻结晶处理过程与其它过程的不同之处在于海水被置于冷却温度下，诸如通过制冷剂实现，这引起海水冻结，其中，冷冻用于帮助形成由纯水组成的固态冰晶，所述固态冰晶能随后与包含在残留的基础水中的盐污染物分离。

然而，由于现有的脱盐方法和系统具有缺点，因此需要高效且成本有效的脱盐系统来允许从海水中连续地产生新鲜的饮用水。

发明内容

本发明与采用压缩空气能量系统以冻结海水并在结晶室底部形成似雪水的冰/盐水混合物的脱盐系统一起使用，容易连续地移除冰晶。优选地，所述脱盐系统结合压缩空气能量系统，其中的压缩空气被释放以产生作为副产物的冷空气，所述冷空气随后能够被引入结晶室内并用于速冻被喷入结晶室内的海水液滴。并非如同过去的冷冻结晶方法的情况一样利用制冷剂来降低海水的温度以进行脱盐，本发明优选采用从释放和膨胀压缩空气能量得到的清洁冷空气直接与海水液滴混合以产生冻结的冰粒来进行海水脱盐。

脱盐方法通常包括如下步骤：

1、产生在低至大约-80摄氏度或-175华氏度的温度且稍高于一个大气压下的冷空气的体积流，并将该冷空气引入绝热的结晶混合室内。可以通过采用涡轮膨胀机膨胀压缩空气而获得该冷空气，或者是通过涡轮膨胀机和连带地产生电以及作为副产物的冷空气的发电机而获得该冷空气。

2、产生海水的体积流，所述海水能作为液滴云被喷入室内并与冷空气混合以导致海水液滴的温度降低到或稍高于低共熔温度，对于常规海水，其为大约-21.2摄氏度或-6.2华氏度。在这个方面，所述系统能够被设置成使海水在其被喷入所述室内之前被预先冷却，这能够通过使海水流经环绕结晶室的管道和/或空腔而实现，其中，室内的低温能够用于在海水被引入所述室内之前通过热交换冷却海水。

3、当海水液滴开始和冷空气混合并由于热交换而快速冻结时，纯水的冰晶开始形成，所述冰晶开始与每个液滴周围的盐水溶液分离。随着时间的过去，即在小于几秒种内，冰开始形成并与浓缩的盐水分离，当形成更多的冰时盐水变得更加浓缩。这些局部冻结的冰粒随后开始下落到室底部，在那里它们聚集以便形成冰/盐水的半融冰雪混合物。

4、所述系统优选将半融冰雪混合物的温度维持在稍高于低共熔温度，使混合物保持湿的并且似雪水的，而且不冻结或形成盐晶体。本发明被设计成连续地从结晶室的底部移除这种似雪水的冰/盐水混合物，每次产生相当大量的半融冰雪时，无需停止冷冻结晶处理。

本发明的脱盐系统优选包括结晶混合室，其中，海水和冷空气在所述室内相互混合。海水优选被加压并通过一排喷嘴以形成海水液滴的喷雾。通过将冷空气注入混合室内，使海水液滴暴露到冷空气中并被冷空气循环，在每个液滴内将开始形成冰晶。

为有效地控制室的温度，室壁优选设有环绕结晶室的管道和/或空腔，海水能够经过所述管道和/或空腔进行分配。这有助于调节室的温度，而且有助于在海水进入所述室之前将海水预先冷却到接近冷冻温度，因此海水一旦进入结晶室内将较迅速地冻结。来自压缩机的废热也能够用于获得相似的效果，即废热经环绕结晶室的管道和/或空腔进行分配，这有助于防止冰粒粘附并聚集到室壁上。这也作为一种热交换器，使来自压缩机的热空气在其被送往涡轮膨胀机并被膨胀以产生冷空气之前被预先冷却。

由于海水被冷却到接近其低共熔温度(大约-21.2摄氏度)并分离成固态冰(冻结的新鲜水)和液态盐水(在水溶剂中具有高度浓缩的盐溶质)而发生海水脱盐，在此情形下，冰晶的形成迫使盐水离开冰结构。在这个方面，海水冻结优选发生在两个阶段：(1)通过环绕冷结晶壁的管道或空腔泵入的过滤的海水的冷却(强冷却作用)，以及(2)在海水液滴“飞”过室内的冷空气期间海水液滴的冷却(在短暂的保留时间内冷却液滴)。

优选以如下方式从室内移除半融冰雪混合物：

已经研发出一种连续除冰系统，该系统采用了位于室底部能够连续操作的水平定向的螺旋状的叶片部件。该机构具有叶片，所述叶片旋转以引起在室底部形成的冰粒横向行进通过位于主室底部的出口室内的开口。这需要冰粒形成更多的半融冰雪，而不是坚硬的冰块，从而使它不粘附到叶片并能很容易被向侧面推动。

本发明解决的一个问题是如何保持半融冰雪混合物连续地移动通过主室内的开口，而同时维持主室内的压力以迫使所述半融冰雪离开。如果压力施加到主室但所述主室未被密封，则空气将容易通过开口，并且室内的压力将建立不起来。

按照如下方式解决该问题：半融冰雪优选被形成为使它实质上是不透气的，即半融冰雪优选为湿的并且由微小的冰粒和附着到冰粒上的液态盐水组成，以便形成类似半融冰雪的连贯性。以这种方式，当半融冰雪在叶片的作用下被迫横向朝向开口并且结晶室内的空气压力增加时，所述半融冰雪将填充叶片内的环形空间，从而当半融冰雪通过时，所述半融冰雪将密封出口室并防止加压空气经出口处排出。叶片也优选环绕边缘被密封并与所述出口室齐平，这能够通过使用诸如由黄铜制成的密封壁而实现，所述密封壁与叶片齐平并且与叶片的外部形状紧配合。以这种方式，通过用半融冰雪填充叶片以及其中的空隙或间隙，底部的出口室能够有效地被密封，从而不用防止半融冰雪经出口处排出。

本发明解决的另一问题涉及启动阶段，此时半融冰雪仍然不得不完全填充叶片，并且主室内需要压力以填充其中的空隙或间隙。该问题通过采用启动构型得以解决，所述启动构型开始于在其末端被密封的出口室，并且用于允许冰粒被移除的活板门关闭，但具有能允许被截留的空气排出的小通风孔。以这种方式，当系统最初被打开时，主室内的压力能够被增加并保持，足以使半融冰雪开始流动并填充叶片内的空隙或间隙。接着，一旦半融冰雪已填充空隙和间隙，即在开口周围产生不透气的屏障，则活板门能够被打开，这允许冰粒开始通过出口处流出出口室，而同时半融冰雪保持在叶片周围并被包裹在开口内，以密封出口室。半融冰雪优选防止空气通过开口，而同时半融冰雪能够横向向下游移动通过出口室到达出口处，在那里，冰粒能够下落到冰晶收集器内和/或传送带上，冰晶在那里能够被移除并允许融化。

侧室优选被设置成靠近主室，主室内的冷空气能够经所述侧室排出。侧室的构型优选导致冷空气在主室底部拐弯，使空气向侧面行进，并随后向上通过侧室并离开，而海水液滴则沉积在主室的底部。这种设置优选导致小的海水液滴沉积到主室的底部上，这也有助于将更多的半融冰雪在横向朝向开口向下推，并帮助防止空气流干扰降落的液滴。

当叶片旋转并且半融冰雪横向移动通过出口室时，盐水优选开始与冰粒分离，并且被允许聚集以及向下流动到位于出口室底部的排水管，所述排水管优选位于开口的下游。叶片趋于打破冰形成物并便于盐水溶液的排出。排水管的下游位置优选确保液态盐水不过早地与半融冰雪分离并排出半融冰雪，而是被允许混合并保持部分半融冰雪靠近主室的开口，在那里，所述半融冰雪保持为不透气以密封开口。

当叶片继续移动半融冰雪通过出口室并朝向出口处并且越来越多的盐水从半融冰雪混合物排出时，半融冰雪混合物优选开始主要由纯冰粒组成，同时具有少许微小的气穴和气泡，盐水过去位于那里。也就是说，到半融冰雪一路移动到达出口处的时侯，混合物优选几乎为“干燥”的，具有很少或不具有与冰粒混合的液态盐水。此时，冰粒被叶片推动通过出口室，并且冰粒被允许通过活板门所处的出口处下落并进入冰收集器内或者下落到传送带上，所述传送带将冰粒输送到它能够融化以形成纯水的地方。

由于冰团由冰组成并因而是冷的，因此当冰团融化时所产生的新鲜水将是冷却水。新鲜的冷却水能够从那里被分配用于饮用目的或者用于其它的目的，诸如被储存起来以便以后被空气调节系统利用。

附图说明

图1为本发明的连续除冰系统的截面侧视图，示出了右侧的结晶室，所述结晶室具有用于喷射海水液滴的喷嘴和用于注入冷空气的注入口以及用于除冰的具有螺旋状(helical screw-like)的叶片的连续旋转轴，所述旋转轴沿着底部水平地延伸通过下面的水平开口。

图2为图1的连续除冰系统的截面俯视图，示出了涡轮压缩机，所述涡轮压缩机供给热压缩空气通过围绕主室延伸的管道，诸如图5中所示的那些管道。

图3为图1的主室和叶片的截面图，示出了将如何围绕叶片形成沉积冰晶和浓缩盐水的冰团。注意盐水本身由于重力而向下排到冰/半融冰雪堆的底部；

图4示出了图1的连续除冰系统的一种不同启动构型，所述系统沿着侧面并在出口室末端具有用于叶片的黄铜密封壁。所述壁被设计成与叶片齐平并且沿着叶片的长度与叶片紧配合，以便将空气截留在叶片周围的出口室内，而且在叶片的末端设置固体屏障。该实施例也具有通风孔(位于顶部)和活板门(显示在底部)，所述通风孔允许被截留的空气排出，所述活板门能够在启动阶段保持关闭，如将讨论的，但它能够在末端空间被填充后打开。所述系统也具有位于主室下游用于移除盐水的排水管；

图5显示出图1的主室和侧室的截面图，具有围绕其壁延伸的管道和/或空腔，用于使海水和/或热压缩空气循环通过室壁。

具体实施方式

如图1中所示，本发明的海水脱盐系统优选包括一个隔热的结晶混合室1，其中，海水和冷空气能在所述混合室内混合。在图1中未按照比例显示所述混合室1和侧室42。下面将更加详细地讨论含有本发明的半融冰雪移除系统的混合室1的下部。

在混合室1的顶部优选具有喷嘴或一排喷嘴3，所述喷嘴能够形成喷入混合室1内的海水液滴5的喷雾。所述喷嘴3优选产生海水的体积流，海水能够作为液滴云5被喷入混合室1内，如所显示的。该脱盐系统优选在海水通过喷嘴3进入混合室1之前加压并过滤海水。

优选的实施例采用压缩空气能量系统来产生冷空气，所述冷空气被引入混合室1内并用于速冻液滴5。优选在混合室1的顶部引入冷空气，从而使冷空气与下降的海水液滴5相互作用，并优选使液滴5的温度降低至或稍高于低共熔温度，对于常规海水而言，低共熔温度为大约-21.2摄氏度或-6.2华氏度。如图5中所示，冷空气的体积流能优选在低至大约-80摄氏度或-175华氏度的温度且稍高于1个大气压下从上方的4处进入混合室1。

能够通过单独采用涡轮压缩机9压缩空气以及使涡轮膨胀机7膨胀压缩空气而产生冷空气，或者与发电机一起使用同时产生电和作为副产物的冷空气。采用涡轮膨胀机7也能储存并释放压缩空气。不同于在过去冷冻结晶方法的情况中采用制冷剂来降低海水温度以用于脱盐目的，本发明利用从释放并膨胀压缩空气能量得到的清洁冷空气。通过将冷空气引入混合室1内以使海水液滴5被暴露到冷空气中并被冷空气循环，在每个液滴5内将开始形成冰晶。

在这个方面，优选预先确定每个海水液滴5的体积尺寸以及海水和冷空气的温度以及混合室1的总尺寸和构型。也优选预先确定海水喷雾和冷空气被注入混合室1内以及被混合的方式，以确保最终的混合物快速达到为冷冻和脱盐目的的最佳温度。冷空气能够被向上注入以产生逆流方案，或者被向下注入以产生共流方案，但优选以与海水液滴5相同的方向被向下注入，如图5中所示。

为有效地控制混合室1的温度，如图5中所示的室壁11优选被吸入的热海水和/或来自压缩机9的热压缩空气加热，以防止冰聚集并粘附在壁11上。除了为调节室壁11的温度而发生的热交换之外，当吸入的海水通过室壁时，如将被讨论的，热交换有助于在海水被喷入混合室1内之前预先冷却海水，并且当压缩空气被用于调节混合室的温度时，热交换有助于在空气被涡轮膨胀机7膨胀之前预先冷却空气。

优选地，当使用海水时，海水被过滤并被加压以及随后供入如图5中所示的管道15内，在那里海水优选被分配通过环绕结晶室1周边的管道13。可以使用管道13，或者室壁11能够被形成为具有位于中间的空腔，诸如具有间隔物的双壁系统。以这种方式，除了调节混合室1的温度之外，海水能通过热传递而被预先冷却，使它一旦进入结晶室1内将更快冻结。优选地，在海水进入混合室1内之前，海水的温度可以接近于凝固点或者甚至稍低于蒸馏水的凝固点(0摄氏度或32华氏度)。

来自压缩机9的废热也可以用于获得类似效果。也就是希望围绕结晶室1防止冰粒粘附并聚集到室壁11，并因此一种利用来自压缩机9的废热的方式是将热压缩空气或由废热产生的热水分配在环绕混合室1延伸的管道13和/或空腔内。这同样作为一种热交换器，从而使来自压缩机9的热空气能够在它被送往涡轮膨胀机7之前被预先冷却，使由涡轮膨胀机7释放的空气能够甚至更冷、更加有效。

热传递导致热的压缩空气到它通过环绕冷的主结晶室1的管道13的时侯被冷却。冷却的压缩空气被涡轮膨胀机7膨胀以产生被引入主室1内的超级冷空气。因此，空气被加压、冷却以及通过涡轮膨胀机7以便进一步冷却，从而存在超级冷空气的连续流以冷冻主室1内的海水液滴5。这也能使压缩空气被储存在管道内，在实质上“无罐”的系统中。

海水和/或热空气的较高温度有助于防止冰聚集在室壁上并调节室内的温度以维持其内一致的温度。同时，热从室内的低温传递到环绕所述室的管道和/或空腔有助于冷却海水和/或热空气，这有助于在海水被喷入所述室之前预先冷却海水，和/或在热空气被涡轮膨胀机冷却并被引入混合室1内之前预先冷却热空气。优选地，大多数的海水的预先冷却发生在当海水处于管道/空腔内时，并从而存在一种使热从海水和压缩空气传输到室壁和室内空气的良好方式。

图5显示出热压缩空气围绕混合室1的上半部分布，而热海水被显示成围绕混合室1的下半部分布。然而，在替代的实施例中，热空气能够围绕下半部分布，并且海水能够围绕上半部分布。

由于海水被冷却到接近于其低共熔温度(大约-21.2摄氏度)并且海水分离成固态冰(冻结的新鲜水)和液态盐水(水溶剂中具有高度浓缩的盐溶质)而发生脱盐，在此情形下，冰晶的形成迫使盐水离开冰结构。在这个方面，海水的冷冻优选发生在两个阶段：(1)冷却通过环绕冷结晶壁11的管道13和/或空腔泵入的过滤的海水(强冷却作用)，以及(2)在海水液滴5“飞”过混合室1内的冷空气期间冷却海水液滴(在短暂的保留时间内冷却液滴5)。

在液滴5向下“飞”过冷空气期间，每个液滴开始朝向其中央逐渐向内变冷，并且最终将开始在液滴外壳内形成冰晶。通常，冷冻由外向内发生，但随着时间的过去，形成的冰结构迫使盐水排出来，即盐水排斥。也已观察到环绕浓缩的盐水中心形成的任何冰壳形成内应力和碎片，并且迫使浓缩的液态盐水排出到冰壳的外部。当这些被覆盖的冰晶相互碰撞时，盐水溶液被迫环绕新形成的冰晶合成物。该过程一直持续到被盐水环绕的冰的宏观结构完全分离。

在一个例子中，直径大于4000微米的液滴5可以具有仍未冻结的内核部分，并且直径小于200微米的液滴可以完全冻结至其中央。已观察到即使所有的液滴具有相同的尺寸，一些将冻结得迟并且一些将冻结得早，这是因为在相同尺寸的每个液滴内如何环绕微观核形成冰的过程随数量和尺寸改变。

对于液滴5而言重要的是冻结以形成固态冰粒和液态盐水的两相溶液，因此希望液滴在飞行期间达到或接近低共熔温度。另一方面，如果液滴变得太冷(低于低共熔温度)，则当它们下落通过结晶室时，每个液滴内的新鲜水能和固态盐晶体及固态盐水冻结在一起，在这种情况下，可能更加难以使盐和新鲜水分离。例如，这可能发生在当海水喷雾由各种尺寸液滴组成时，其中，较小的液滴可能达到低于低共熔温度，并且到它们达到混合室1底部的时侯完全冻结。

因此，本发明的一个重要方面是混合室1并且尤其是混合室1的底部被维持在预定的温度，这允许在极低的温度下已冻结的小液滴维持在高于低共熔温度，并因此形成半融冰雪的冰/盐水混合物，而不是冰块。通过控制混合室1内的温度，这些冰粒能够开始和浓缩的盐水一起聚集，以形成湿的包含纯冰晶和盐水的半融冰雪混合物。

采用这些系统和方法，优选考虑以下因素以确保能够在混合室1的内部维持适当的温度并形成适当的冰粒：1)冷空气的温度，2)海水液滴的温度，3)液滴的尺寸，4)冷空气相对于降落的液滴的方向，5)冷空气相对于液滴的速度，6)液滴暴露到冷空气中的时间，该时间是混合室高度的函数，7)混合室内的压力，以及8)环绕室壁的管道和/或空腔内的海水和/或压缩空气在被引入混合室1内之前的温度等。

如将讨论的，通过混合半融冰雪混合物能够发生冰粒和盐水的分离，其中，盐水能通过重力离开冰粒排出，并且冰粒能够从盐水中移除。在这个方面，优选以如下方式从混合室1内移除半融冰雪混合物：

如图1中所示，已经开发出位于混合室1下端的连续除冰系统21，该系统采用了具有圆柱形轴28的水平定向的螺旋状的叶片部件23，所述叶片部件能够连续地旋转和操作。叶片部件23优选具有螺旋叶片26，当轴28旋转时所述螺旋叶片旋转，其中，叶片26使在混合室1底部形成的冰粒侧向移动通过位于主室1底部的出口室27内的圆柱形开口25。在图3中能够看到圆柱形开口25的形状。这需要冰粒形成为较多的半融冰雪，而不是硬冰块，从而使它不粘附到叶片部件23上，并且使它能够容易地侧向朝向出口室27内的出口处36被推到侧面，在那里，冰粒能够下落到容器29或传送带31上，并且从混合室1内移除。

为确保冰粒不聚集在叶片部件23上，轴28优选设有吸入的海水能够通过的内腔和/或管道系统31，如同结晶室的情况。这有助于保持叶片部件23相对温暖，并防止冰粒聚集并粘附到叶片26或轴28上，以及有助于调节海水的温度，无需使用额外的能量。在优选的实施例中，海水最初从其源头被泵入入口处35，并随后经轴28内的内腔或管道系统31进行分配，首先通过中央的内管31a，并随后通过外腔31b，以及随后循环出来到达管道线33并进入环绕室壁11的管道13，如讨论的。以这种方式，由叶片部件23提供的热传递效果能够用于增大由室壁11提供的热传递效果。

本发明的这些方面也有助于防止海水液滴5和冰粒变得太冷，如讨论的，太冷会不利地引起盐与冰一起冻结。当液滴落在主室1内时，即从室1的顶部落到底部时，优选以这种方式控制和调节温度，从而使海水液滴5最初被暴露到刚好低于低共熔温度的温度下，但随后在混合室1的底部上升到刚好高于低共熔温度的温度，这允许冰粒正确地形成并且与液态盐水分离。在这个方面，冰粒的连贯性是很重要的，从而使冰能够正确地形成并且与盐水分离，以及使冰能够容易从混合室1内移除。

本发明解决的问题之一是保持冰/盐水的半融冰雪8连续地移动通过出口室27内的底部开口25，同时维持混合室1内的压力以迫使所述半融冰雪排出来。如果压力施加到主室1但室1未被密封，则空气将容易通过开口25，并且内部压力将建立不起来。

按照如下方式解决这个问题：首先，系统优选形成半融冰雪8，从而使它实质上是不透气的，即通过使它具有适当的连贯性。也就是说，半融冰雪优选包括微小的冰粒和附着到冰粒上的一定数量的液态盐水，以便形成类似半融冰雪的连贯性。而且，底部开口25和出口室27优选在末端密封，如图4中所示，并且开口25和出口室27的内表面优选由黄铜制成并被构型成使它们相对齐平，并且与叶片26的外部边缘紧配合。以这种方式，当半融冰雪8在叶片26的作用下被迫横向通过出口室27并且结晶室1内的空气压力增加时，半融冰雪8将开始填充环形空间，包括叶片26内存在的空隙或间隙30。以这种方式，当半融冰雪8通过出口室27时，半融冰雪8能密封开口25并防止加压空气经出口处36排出，即使当出口处36打开时(以允许从出口室27中移除冰粒)。位于半融冰雪8前方的任何过量的被截留空气能够经位于出口室27远端的通风开口44排出，这有助于允许半融冰雪朝向出口处36移动。

可以看出压力优选被引入主室1内，以迫使半融冰雪8进入存在于叶片部件23内的空隙或间隙30。因此，优选环绕边缘密封出口室27，这可以通过使用诸如由黄铜制成的密封壁并通过密封出口室27的远端48来实现，所述密封壁与叶片26齐平并与叶片的外形紧配合，如图4中所示。以这种方式，通过填充叶片部件23内的空隙或间隙30能够有效地密封开口25，而不用防止半融冰雪8通过出口处36。

本发明解决的另一个问题涉及启动阶段，当半融冰雪8仍然不得不完全填充叶片26内的空隙或间隙30，需要压力来填充其中的空隙或间隙30。该问题采用如图4中所示的启动构型得以解决，所述构型包括1)附加的黄铜密封壁，所述密封壁为固定的且位于叶片部件23的远端以密封出口室27的末端，2)具有枢转门的活板门38设置在出口室27内的出口处36，冰粒能够通过所述活板门，以及3)位于出口室27远端的由压力触发的通风孔44。

当系统最初被打开时，活板门36可以关闭，从而使室1内的压力能够增加并维持，但少量空气优选经通风孔44排出，足以避免在半融冰雪8前方截留空气，这能够使半融冰雪8开始移动并填充叶片部件23内的空隙或间隙30。接着，一旦半融冰雪8已填充空隙和间隙30，即为了在开口25周围产生不透气屏障，活板门38能够被打开，以允许冰粒开始通过出口处36流出出口室27，同时半融冰雪8保持在叶片部件23周围被包裹在开口25内，以密封其中的空隙和间隙30。半融冰雪8优选防止通过开口25的空气通道，同时能够经出口室27朝向出口处36向下游横向移动，在那里冰粒能够下降到冰晶收集器29或传送带31内，从而使它能够被移除并允许融化。

注意：在操作开始时，在海水流入系统前，冷空气被循环通过如图1中所示的主室1和侧面的离心机室42以及叶片部件23，以便在海水流入密封结构之前使密封结构处于其低的稳态温度。在出口室27末端的通风孔44能够被主室1和侧室42中的压力驱动而打开。例如，当30-psia的空气进入两个室内时，通风孔能够被设定到大约13-psig(27.67psia)。在海水进入主室并且半融冰雪8形成并开始沿着叶片部件23移动后，空气的流出变得日益受限于填充叶片环形空间的半融冰雪8并且通风孔44闭合。当位于移动的半融冰雪8前方的被截留空气压力超过预定量时其排出，所述预定量能够被设定为大约13-psig。当所有被截留的空气经通风孔44排出并允许半融冰雪8前进后，通过打开活板门38而允许半融冰雪8的稳态流前行。

注意当气流获得30psia(15.3psig)的压力时，因为30-psia>27.67-psia，则13.00-psig(27.67-psia)的通风孔将打开。冷空气在叶片部件23上流动并且经通风孔44流出，其优选允许叶片表面被冷却到接近以后操作所需的稳态低温。活板门38优选保持闭合直到半融冰雪8开始到达活板门38。当半融冰雪8开始聚集在叶片部件23上时，气流将仍然继续离开通风孔44。然而，存在一个时间点，此时大量累积的半融冰雪将闭合容量与结晶室1内的30-psia隔离并且通风孔阀44闭合。13.00-psig的排气阀的关闭优选发信号给底部的活板门38，以便摆开并允许冰晶经出口处36流出。

在一种实施例中，如图2中所示，起初从气源供给涡轮压缩机9的90psia优选放出几乎90psia以启动涡轮膨胀机旋转。开始时，涡轮膨胀机7缓慢旋转并排出空气，空气仅稍微被冷却并且被确定加压。涡轮膨胀机7的加速旋转也经由它们的公共轴而使涡轮压缩机9加速。加速的涡轮压缩机9产生越来越高的压力供给至涡轮膨胀机7直到到达稳定状态，200-psia的压力被供给至涡轮膨胀机7并且30-psia的压力被供给至结晶室1。

在结晶室1中，优选无海水被供给通过喷嘴3并且叶片部件23不旋转直到涡轮膨胀机7和涡轮压缩机9到达该稳定状态，并且冷空气已填充环绕叶片部件23的密封的空间，而且以结晶室1内的30-psia排出离心机室。打开海水泵启动喷嘴3，其中，海水通过(1)粗过滤器，以去除较大的颗粒以及任何悬浮的中密度油，以及(2)精细过滤器，以移除微粒。随后，海水在它被供给到喷嘴3之前优选循环通过叶片部件23和环绕结晶室1的管道13。海水的入口优选低于海平面，以避免吸入任何浮油。

同时打开喷嘴3，优选打开叶片部件23的发动机。如图1和2中所示，优选具有发动机驱动的齿轮50，所述齿轮驱动并旋转轴28。位于竖直和水平方向的另外的推力轴承52、54也优选被设置成将叶片部件23维持在基本固定的位置，同时允许其旋转。这些轴承帮助解决各种运动以及制作叶片部件23的钢的收缩和膨胀。在轴28的远端优选具有一系列可以由辊子或黄铜板等制成的轴承56，所述轴承也有助于将轴28相对于混合室1保持适当的对准和定向。叶片部件23的作用是搅动冰粒，从而促进分离并且亚稳定状态达到其平衡相。

如最好在图5中看到的，同时也显示在图1中，侧室42优选被设置成靠近主室1，底部附近有开口43，主室1内的冷空气能够通过所述开口排出。这优选导致冷空气在主室1的底部拐弯，如图1中所示，从而使空气向侧面行进，并随后向上通过侧室42并排出。相对大的液滴能够沉积在主室1的底部，但由于存在包含在空气流中的小液滴(直径小于20微米)，小液滴可能经过主室并进入侧室42，因此优选在开口43处在空气流中强加一个U形转弯。该U形转弯优选导致小的冻结液滴被迫从空气流中向下并沉积到主室1底部存在的半融冰雪8上。这也有助于将更多的半融冰雪8在朝向开口25横向向下推，以及帮助防止空气流干扰降落的液滴。

当叶片部件23旋转并且半融冰雪8横向移动通过开口25时，盐水优选开始与冰粒分离，并且如图1中所示，盐水被允许聚集并且向下流动到位于出口室27底部的排水管40，所述排水管优选位于主室开口25的下游。在该过程中，冰粒被形成并且由纯水组成，然而可能含有大约23％盐和77％水的盐水保持液态，从而使它能够与冰分离并且流经冰粒以及向下到达排水管40。这有助于确保纯水能够与盐水分离。如果希望的话，可以从盐水中提取矿物质和盐。

叶片部件23趋向于打破冰形成物并方便排出盐水溶液。叶片26的搅动作用也方便快速转化任何亚稳化合物，以变成固态冰和液态盐水的平衡混合物。重要的是维持存在的半融冰雪8处于稍高于低共熔温度，以确保盐水相不冻结并且不形成不能与“纯水”冰分离的冰构型。

同样需要重点注意的是盐水的排水管40优选位于主室1的下游，在出口室27内并经过主室的开口25。这有助于确保液态盐水不过早地分离并排出半融冰雪8，但允许混合并保持部分半融冰雪接近主室的开口25，在那里，半融冰雪8保留在混合物中以便帮助密封开口25。这样，在允许液态盐水被排出去之前，半融冰雪8将继续帮助密封位于主室1的底部处的开口25。

在这个方面，注意如果排水管例如位于主室1的中央，例如，盐水将很可能分离并且向下排入混合室1的中间，这将可能导致半融冰雪8在它有机会填充围绕叶片26的空隙或间隙30之前丧失其液态连贯性。这将导致微小的气穴过早地形成在混合物内，其将允许空气通过开口25并导致混合室1损失压力。

当叶片部件23继续移动半融冰雪8通过出口室27并朝向出口处36以及越来越多的盐水从半融冰雪8排出时，半融冰雪混合物优选开始主要由纯冰粒组成，连同过去是盐水的少许微小的气穴和气泡。也就是说，即使半融冰雪由于覆盖每个冰晶的液态盐水而保持“湿”时，当半融冰雪通过开口25并且液态盐水开始分离以及通过排水管40下落时，出口室27内的半融冰雪混合物8随后变得更加干燥，即到其到达出口处36的时侯由更少的盐水组成。

因为排水管40位于主室1的下游，当半融冰雪8通过开口25时优选保持为“湿的”，从而能够进行密封，即密封不受盐水溶液的排出的影响。然而，到半融冰雪8一路上移动到达出口处36的时侯，混合物优选几乎为“干的”，具有很少或不具有与冰粒混合的液态盐水。即使出口处36的冰粒可以含有一些微小的气穴和气泡，但这不影响位于出口处36上游的开口25周围的密封。

此时，当冰粒被叶片部件23推动通过出口室27时，冰粒被允许下降通过活板门38位于的出口处36，并且进入冰收集器29内，或者落到传送带31上，所述传送带将冰粒输送到它能够融化以形成纯水的地方。

移除的冰粒团能够被融化，以便在存储罐的底部产生新鲜水。处于相对较高温度下的新鲜水，这种情况下是大约+15摄氏度，能够像冲洗柱一样向下喷到冰粒上，以冲洗冰并使冰融化。可替代地，或者与冲洗水一起，局部的热空气可以被带入存储罐内以进一步帮助融化冰粒，形成冷却的新鲜饮用水。可以提供移除并融化冰的其它装置。

由于冰团由冰组成并因此是冷的，因此当冰团融化时所产生的新鲜水将是冷却水。新鲜的冷却水能够从那里被分配用于饮用目的或用于其它的目的，诸如被储存起来以便以后被空气调节系统利用。

Claims (25)

1.一种用于海水脱盐并且连续移除冰的系统，所述系统包括：

压缩机，所述压缩机用于压缩空气；

膨胀机，所述膨胀机用于使压缩空气膨胀以伴随产生冷空气；

具有至少一个喷嘴的室，海水能通过所述喷嘴以液滴形式被喷入所述室内，并且来自所述膨胀机的冷空气能被引入所述室内，其中，将海水暴露到冷空气使得在所述室内形成由纯水组成的冰粒成为可能；

位于轴上的可旋转的叶片部件，所述轴横向延伸通过横向延伸的出口室，所述出口室位于所述室的底部，所述叶片部件帮助从所述室内移除冰粒，从而有助于使所述冰粒中的纯水与海水中的杂质分离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶片部件包括从所述室的底部向外横向延伸通过所述出口室的螺旋状的部件，其中，所述叶片部件具有统一的直径，并且所述叶片部件与所述出口室的圆柱形内表面基本齐平地延伸。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，沿在所述室的下游的所述出口室的底部设置排水管。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，在所述排水管的更下游处在所述出口室内设置出口处，所述出口处包括用于允许冰粒从所述出口室移除的装置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述装置包括活板门，所述活板门向下摆动以允许所述冰粒下落到所述出口室下方。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述出口室被基本上密封成使所述室内的压力能够在所述系统被启动之前增加。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，在所述出口室的远端设置通风孔，以允许释放所述室内部的一部分压力，并且所述出口室的内表面的至少一部分由黄铜制成。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，邻近所述室设置侧室，所述侧室允许冷空气从所述室循环出去，同时允许较小的冰粒下落到所述室的底部。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述侧室在与所述出口室相同的方向上延伸，使在所述侧室内下落的冰粒将沉积到所述叶片部件上。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述室的壁适配有至少一个管道或空腔，所述管道或空腔允许海水在其中循环，以帮助调节所述室内的壁的温度并帮助冷却海水。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述室的壁适配有至少一个管道或空腔，所述管道或空腔允许来自所述压缩机的热空气用于调节所述室内的壁的温度并帮助冷却所述压缩空气。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶片部件在其内部适配有至少一个管道或空腔，所述至少一个管道或空腔允许海水在其中循环，以帮助调节所述叶片部件的温度并帮助冷却海水。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，引入所述室内的冷空气的温度低于海水的低共熔温度，并且其中，允许所述冰粒以半融冰雪的形式沉积在所述室的底部，其中，位于所述室底部的半融冰雪的温度高于海水的低共熔温度。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括下面的至少一个：

1)所述系统适合于使海水能够从上向下喷入所述室内，并能够引入所述冷空气，以使所述冷空气在所述室内部向上流动；

2)所述系统适合于使海水能够从上向下喷入所述室内，并能够引入所述冷空气，以使所述冷空气以与海水相同的方向在所述室内部向下流动。

15.一种用于海水脱盐的方法，所述方法包括：

压缩空气以产生压缩空气能量；

采用膨胀机释放所述压缩空气以伴随产生冷空气；

将所述冷空气引入室内；

采用至少一个喷嘴将海水以液滴形式喷入所述室内；

将所述海水液滴暴露到所述室内的冷空气中，从而形成由纯水组成的冰粒，并允许所述冰粒向下落入所述室的底部；

操作位于轴上的可旋转的螺旋状的叶片部件以从所述室内移除所述冰粒，所述轴横向延伸通过位于所述室底部的横向延伸的出口室，从而有助于使所述冰粒中的纯水与海水中的杂质分离。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述叶片部件与所述出口室的圆柱形内表面基本齐平地延伸，并且所述出口室被基本上密封成使所述室内部的压力能够在所述系统被启动之前增加，其中，在所述叶片部件和喷嘴被启动之前，所述室被基本上密封并允许冷空气将所述室的温度降低到稳定状态的预定温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述出口室的远端设置通风孔，以允许释放所述室内部的一部分压力，在所述系统被启动后，允许所述通风孔稍微打开以使半融冰雪混合物在所述叶片部件的作用下沿着所述出口室纵向移动。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，当所述半融冰雪混合物开始填充所述室底部的叶片部件环形空间时，大致提供不透气层，这有助于维持所述室内部的压力，同时使所述半融冰雪混合物沿着所述出口室被横向向外推动。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，当所述叶片部件旋转并且所述半融冰雪被混合时，液态盐水基本上经沿着所述室下游的所述出口室的底部设置的排水管排出。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，当所述叶片部件旋转时，包含冰粒的半融冰雪进一步向下游横向移动到超出所述排水管，并且被允许经出口处下落，使所述半融冰雪能够从所述出口室移除。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，邻近所述室设置侧室，并且允许所述室内的冷空气经所述侧室从所述室循环出去，同时允许所述室内的较小冰粒沉积到所述室的底部。

22.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法包括引入低于海水的低共熔温度的冷空气，并且保持所述室底部的冰/盐水的半融冰雪混合物高于所述低共熔温度。

23.根据权利要求15所述的方法，包括如下步骤中的至少一个：

1)将海水从上向下喷入所述室内，并引入所述冷空气，使所述冷空气在所述室内向上流动；

2)将海水从上向下喷入所述室内，并引入所述冷空气，使所述冷空气在与海水被喷入所述室的方向相同的方向向下流动。

24.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法包括使海水循环通过所述室的壁和/或叶片内的至少一个管道或空腔，以帮助使所述室壁和/或叶片变热，并因此使所述室和/或叶片内部的低温帮助海水在其被喷入所述室内之前被预先冷却。

25.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法包括将热空气从压缩机循环通过所述室的壁内的至少一个管道或空腔，以帮助所述室的壁变热，其中，当所述热空气向所述膨胀机循环时，所述室内部的低温能够帮助预先冷却所述热空气。

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