CN1056565A

CN1056565A - 冷度贮藏及/或水纯化的方法及其装置

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Publication number: CN1056565A
Application number: CN91102822A
Authority: CN
Inventors: 郑建炎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1991-04-30
Publication date: 1991-11-27
Anticipated expiration: 2006-04-30
Also published as: CN1061434C; JP3043408B2; TW197956B; AU7857791A; JPH05506920A; US5059228A; US5388414A; WO1991017392A1

Abstract

本发明涉及一种冷度贮藏及稀释废水处理的结合方法及设备，是在非高峰用电时段制出冰而在高峰用电时段加以溶化以进行冷度贮藏。冰的溶化是在降低压力下，将温水迅速注入蒸汽与冰共存的区域中而其所形成的蒸汽就凝结在冰上，将冰溶化，温水便被迅速的冷却然后送于冷冻过程中作冷却用。用于处理稀释废水时，是在倾斜板或直立板上形成冰以除去溶液中之不纯物。冰结晶是在降低压力下，在板上予以蒸发。其蒸气是在冷却线圈上，被压缩而与超三相点蒸汽相接触或被凝结或吸收所压缩而液化。

本发明方法的设备是包括真空冷冻、蒸汽液化及冰溶解区域以及阀体及热交换器等。

Description

本发明涉及一种冷度（Cool Thermal）贮藏及/或水纯化的方法及其装置。这种方法是凭借于固体-液体-气体多相变换操作以在充填时段进行直接接触而当场形成结晶体，在排放时段进行直接接触而当场溶化结晶操作。冰水是由水冷却操作与溶化结晶操作所偶合而产生。本发明之方法及装置也可应用于无水系统上。

目前的冷度贮藏需要是由电力事业所创。因为将冷度贮藏系统应用于电力事业上，可增加其收益、降低生产成本，或提供夏季之需要。电力事业以令人信服的行销计划与诱人的效率，来推动这种冷度贮藏的观念。

此种事业可据于“避免需要”而以冷度贮藏系统来捞回收益。

电力事业是以几种不同的能源来生产电力，如低成本的水力、核能发电至昂贵的气体涡轮机发电等。低成本的核能及水力发电厂在用电非高峰时段（特别是晚上九点至上午九点）是具有多余的电量，反之，气体涡轮发电机之操作成本，在用电高峰时段，经常超过其所收电费。降低白天用电高峰时段的用电量及增加夜晚用电非高峰时段的用电量，是为电力事业的利益关键。电力负荷的妥善管理，当然符合于经济性。冷度贮藏技术则可贡献于这种电力负荷管理的改善。提高电力利用率所节省的成本，可平衡冷度贮藏系统的成本。想提高电力利用率，可提高白天高峰时段的电费，降低非高峰时段的电缆或给予折扣，以分散高峰时段的电力需要至非高峰时段。

本发明的目的是要提供一种可提供冷度贮藏及水纯化的双重目的。这种系统，对于处理稀释溶液特别有效。污水（包括低浓度中之有毒污水在内）有各种来源，如地道水，工业废水及核能废水等。此类废水可经处理而成为可用之水。本发明之双重目的系统，具有优于传统之冷藏系统以及传统的水纯化系统。

先行技术

本发明的双重目的系统，是提供冷度贮藏及水纯化的两种功能。先行技术是由真空冷冻而达到冷度贮藏及水纯化的方法，说明如下：

A 冷度贮藏

冰水、水或相变化物质，可用作贮藏媒体。除了水以外，很少具有相变化物质离开实验室而实际上成功的也极少。对于大部分作为冷却用途，水往往是难胜任作为贮藏媒体。水的冷却及冷冻仅对于经济而言。

冰水贮藏

观念上，冰水贮藏是一种最简单的设计方式。下面将从几方面加以分析后，冰水贮藏的优点将使人们倍受欢迎。水是由提高其温度而贮存热量。水的比热是每华氏度·磅为1Btu。因此，12000华氏度·磅，则需要贮存1吨、小时的冷却。当然，如尽量地提高系统所能承受的温度便可减少水的需要量。

在传统的设计方式中，冰水贮藏是以升高华氏20度为依据，即相当于每吨、小时约为10立方呎。因此，将水冷却到最低的温度实在困难。（例如40F）然而，冷却系统也不可能将贮存水的温度提高满20度。

吸收冷冻或机械压缩冷冻方式，可将水冷却至大约华氏40度。吸收式冷冻机的主要制造厂为纽约的Syracuse开立公司及威斯康辛州Le Crosse的传恩公司。机械压缩式冷冻机的主要制造厂为宾州York的约克公司及威斯康辛州Le Crosse的传恩公司。吸收式冷冻机，通常是以溴化锂的水混合液作为其工作媒体。机械式冷冻机则以离心式压缩机，螺旋式压缩机或往复式压缩机而以氟利昂作为冷冻剂。

冰贮藏

当一磅冰加以溶化时，其潜热或吸收热为144Btu。此量是稍少于1.5呎³/吨·小时之水。以下是冰贮藏的三种传统系统。即，（a）静态冰贮藏（b）动态冰贮藏及（c）半融冰贮藏。本发明是导入新的第四种冰贮藏系统。

（a）静态冰贮藏系统

在静态冰贮藏系统中，冰是以非直接冷冻操作方式制成于管上而由循环水的溶化制出冷水，作为空调用。冰的容积需与流体的水道配合，以使传送冰体热量的进出。管内的流体可为盐水或冷却剂。盐水系统是用乙二醇来传送冰体的热量。冷却剂系统，则由管内的循环冷却剂，带走贮藏器内的热量，但在贮藏器内加入热量时，循环水是流过冰体四周的自由区域。

静态冰贮藏系统的主要制造厂，为纽泽西州Englewood的凯美公司。凯美公司在其冰贮藏系统中所用的水冷却器，是由传恩公司所制造。

（b）动态冰贮藏系统

冰是贮存于一容器中。循环水流是与片状冰相接触而被冷却，然后再回到冷却处理装置或结构物中。动态冰贮藏系统的主要制造厂为德州，Denton的特波公司及密苏里州Springfield的美乐公司。

（c）半融冰贮存系统

在半融冰贮存系统中，半溶化冰混合物是由非直接冷冻操作所产生。此时令大量的半溶冰可直接循环以作空调用或将水由半融冰冷却而作空调用。发展半溶冰系统是伊利诺州、芝加哥的芝加哥桥及铁公司以及加拿大的桑威尔工程公司。

注意，本发明的方法及装置是由固体-液体-气体的多相转换操作而当场产生冰及溶化冰，由此提供一种新型式的冰贮藏系统。

低溶点盐类

低溶点，是用以形容易溶化或在最低的可能温度所溶化的混合化合物。使用于热度贮藏的低溶点盐类，是一种盐水合物而在47F溶解者。在结晶形态的盐是与水分子融合。在水合物形态的盐，是与水分子不结合或融合。热形态的能必须加入于水合物。

此种盐水合物的溶解热为41Btu/磅，与水的溶解热144Btu/磅相比较，每磅可获得20Btu的冷水贮藏。低溶点盐类不仅可在比冰温高的情况下贮存热量，而且其体积比水为小。

盐与水是被装在塑胶容器中（约8吋×24吋×1.75吋）。容器是由内部重量承受支架及空间所构成以维持容器内的垂直隔间。同时，为增加贮藏系统的容量，容器是放置于冷水贮存槽中。为低溶点盐系统而设计的储存槽，必须使冷水以均匀的流速流入于容器中。当慢速层流流入于容器时，则需要额外的空间作为保存及扩散用。低溶点冷却贮藏系统的主要供应厂为加州Huntington Beach的转相系统公司。

注意，本发明的方法及装置，也可用于当场产生水合结晶体及分解水合结晶体，因此可用作一种新的水合冷度贮藏系统。

B.真空冷冻法

真空冷冻法，可使用于含水及非含水溶液两者的分离。各种真空冷冻法已被引用于除去盐分的领域。若干此项方法已在实验工厂的操作中被试验过。

有关于真空冷冻法的含水溶液处理中，含水溶液是被引进于一腔室中，同时为水迅速蒸发并结成冰结晶体，腔室是维持于比溶液的冻结温度下的溶液蒸气压还要小的压力。此操作称谓真空冷冻法中之S/L/V转换。此种操作结果，是形成低压的水蒸气（称为第1蒸气）及冰母体液浆（称为第一冷凝量）。海水脱盐时，此压力约为3.5torr。所形成的低压水蒸气，必须除去并转换于冷凝状态;冰结晶体必须从母体液中分离;最后的纯化冰必须融化以产生新鲜的水。此外，在转换蒸气于冷凝状态所释出的热量，必须用于溶化冰所需要的热。上述方法是使用若干不同转移蒸气及若干不同热转换方式。

几种真空冷冻法已被引进于脱盐领域中。此等方法（1）真空冷冻蒸气压缩法（VFVC），由科特工业所发展，（2）真空冷冻蒸气吸收法（VFVA），由开立公司所发展，（3）真空冷冻喷射吸收法（VFEA），由科特工业所发展，（4）真空冷冻固体冷凝法（VFSC），在美国天主教大学内发展，（5）吸收冷冻蒸气压缩法（AFVC）由浓缩专门公司所引进，（6）真空冷冻高压冰溶融法（VFPIM），由郑建炎氏及郑兴旺氏所引进，及（7）真空冷冻多相转换法，也由郑建炎氏及郑兴旺氏所引进。

真空冷冻蒸气压缩法，是在赛林瓦特事务所研究及发展报告第295号中详述。在此方法中，低压水蒸气是被压缩到较水三相点压力（约4.58torr）稍高的压力，而且使其与纯化冰直接相接触，由此同时将水蒸气冷凝而将冰溶化。本方法的主要缺点，是以特殊设计之压缩器加以压缩低压水蒸气，但无法操作，而且压缩效率低。

真空冷冻蒸气吸收法，是开立公司在1964年所发展，但未持续。此方法，在赛林瓦特事务所之研究及发展报告第113号中有详述。在此方法中，低压的水蒸气是被浓缩之溴化锂溶液所吸收。其稀释溶液是由蒸发方式被再浓缩而水蒸气是冷凝成新鲜水。所吸收的热量，是由再循环水流经过传热面而除去;然而循环水流是用于融解冰结晶体。

真空冷冻喷射吸收法，也由科特工业所发展而在赛林瓦特事务所之研究及发展报告第744号中有详述。在此方法中，由冷冻步骤所获得的低压水蒸气，是由蒸气喷射器及吸收器回路的组合体所压缩。将浓缩的氢氧化钠溶液用于吸收一部分的低压蒸气;稀释的氢氧化钠溶液乃沸腾以形成300torr的水蒸气，并被用于压缩剩余之低压水蒸气。

真空冷冻固体冷凝法，是由美国天主教大学的H.M.Curran及C.P Howard教授所发展而在赛林瓦特事务所之研究及发展报告第511号中有详述。在此方法中，氟利昂-12乃被用于将低压蒸气转换为冰所放出的潜热去除剂及供应在冷冻步骤中所形成的冰与在低压水蒸气所转换而成的冰两者之溶化所需要的潜热。

吸收冷冻蒸气压缩法（AFVC），是由麻州Andover之浓缩专门公司所引进，并在Wrightsville海岸之水研究及技术试验站的事务所，建立一所每天有25000加仑处理量的实验工厂。此吸收冷冻蒸气压缩法（AFVC），是一种真空冷冻法，而在其方法中，冷冻是在搅拌槽结晶器中借助水蒸气的蒸发而完成，且此水蒸气再由邻近腔室中之浓缩氯化钠溶液（Nacl）所吸收。同时，此种由水蒸气所稀释的氯化钠溶液，是被注入于一产生器中，而在该处借蒸气压缩循环被浓缩为其原来强度而此压缩循环是利用一密闭回路冷却剂作为工作流体。蒸气压缩循环是在吸收器与产生器之间操作，以吸收的方式取得热量，而将其提升到一水准，使其可用于将产生器内的吸收剂蒸发掉。在产生器内所释放的蒸气是以直接接触方式用于将冰溶解。

注意，最初的蒸气是在近于凝结温度之吸收溶液中被吸收，而且吸收热是由蒸发冷却剂的方式所去除。

在美国第4236382号专利中所述之改善真空冷冻高压冰溶化法，是将含水溶液在降压下加以迅速蒸发，同时产生低压水蒸气及冰结晶体。所形成的冰是先在反洗器中加以纯化，然后在高压下（例如600大气压）溶解于传热管道中，而低压水蒸气是在管道外形成不纯物（冰）。由不纯化所释放的潜热，是用于供应冰-溶解操作中所需要的热。不纯物是由利用含水溶液（如供给溶液或浓缩液）当场分解操作而逐渐被去除而由交换冷冻操作在管道内部形成冰之相当量。所形成的冰也由前述之高压冰溶化操作而溶掉。

真空冷冻多相转换法，是由郑建炎氏及郑兴旺氏所引进而于美国第4505728号专利中有详述。在该方法中，其最先产生的蒸气是经由不纯物溶化之不纯化而加以水化。

本发明概要

本发明是为提供三种新式系统的冷度贮藏法，各为A式系统、B式系统及C式系统。A系统为单一目的的冰贮藏系统，B式系统为双重目的之系统，其可提供冷度贮藏及水纯化两种功能;

C式系统则为单一目的之水合物贮藏系统。

A式系统，是包括三个主要过程区域：是第1过程区域（Z-1）、第2过程区域（Z-2）及第3过程区域（Z-3）。第1过程区域是分隔成若干个细长隔间，且每一个隔间中均贮存大量由蒸气所产生的水，使每一个细长隔间与第2及第3过程区域，以蒸气连通。区域1中之每一水细长层，可保留于浅盘中或由毛细管力保留于海绵中。第2过程区域中之第1蒸气V12，其压力是较水之三相点压力为低而被转换为凝结体。第3过程区域中之水流M03，乃迅速被气化，形成压力高于水与冷却水流M30之三相点压力。

本系统是循环地运动，而且在每一循环中均有充填时段及排放时段。在充填时段，第1过程区域的压力会降到三相点压力之下，以产生压力较水之相点压力为低的第1蒸气而且当场产生大量的冰。同时，第1蒸气可由汽化方式在液体/气体介面所产生也可由升华方式在固体/液体介面所产生。每一细长隔间中所形成的冰，乃贮存于其所形成的隔间内。区域内压力则由蒸气输往于第2过程区域之方式予以维持。第1蒸气是大量转换为凝结晶相体通常为液体。

在排放时候，冷水流M03乃被引到第3过程区域，而迅速被汽化以产生第2蒸气V31，其蒸气压较水之三相点压力还高而产生冷水流。此冷水是用以冷却用。第2蒸气是流入于第1过程区域中，以当场将冰融掉。

因为冰当场被形成而当场被贮存以及当场被融解，不需要转换为冰。注意，在A式系统中，根本不需要在第1过程区域中将液体转换。在充填时候，由区域1当作第1蒸气所形成的冰，是由区域1流入区域2;在排放时段，由第1区域当作第2蒸气所融解之冰是由区域3流入于区域1。

在大规模的冷藏系统中，可具有若干个容器，而且各含有第1过程区域，共有第2过程区域及共有第3过程区域。也可具有若干容器，各含有第1过程区域及第3过程区域，共有第2过程区域。

除下述过程外，C式系统的结构及运动，是除下述外与A式系统类同：

（a）水与水合形成剂之混合物是被置于各细长隔间中;

（b）在充填及排放时段，各别大量的水合晶体同时形成及分解;

（c）第1蒸气压是较三相点压力为高而由简单的凝结操作转换为大量的液体。

B式系统与A式系统的结构及操作所不同，如下：

（1）直立或倾斜板，与密封空间被置于区域1。

（2）在充填时段，每块板上的被处理水是以薄液膜的形态存在。汽化及固化的同时作用是引起形成第1蒸气及大量的平滑冰。

（3）在排放时段，第2蒸气是与平滑冰相接触并使其融解而产生纯化水。

注意，B式系统是具有很大的经济效益，因该设备可同时用于进行冷却及空调而同时产生纯化水。

图面的简单说明

图1A及1B是各表示充填时段及排放时段的A式系统。其中有第1过程区域（区域1）、第2过程区域（区域2）及第3过程区域（区域3）。同时，在区域1之细长隔间中保留水层。在充填时段，各薄层水是转换为第1蒸气及冰;第1蒸气是在区域2中转换为凝结体。在排放时段，大量的水是区域3中迅速汽化而形成大量的冷却水;第2蒸气是与区域1中之冰相接触以将冰融掉。

图1A及1B所表示的系统也可用于C式水合贮藏系统上。因C式系统的操作程序与A系统是类同。

图2为表示水系统的相概略图。其中，表示A式系统及B式系统的操作条件。

图3A及3B是表示在A式系统的区域1的盘子内，将薄水层充填及排放的操作;图4A及4B则说明在A式系统区域1的海绵内，薄水层之充填及排放操作。

图5A及5B，是表示B式系统的结构而倾斜板置于区域1的若干空间中。此图也表示充填时段的操作情形。图6A及6B是表示B式系统的结构图而一直立板是置于区域1的径方向。此图也表示充填时段的操作情形。

图7、8及9是表示将第1蒸气转换为液体的各种方式;图10、11及12则表示将水迅速汽化以产生第2蒸气流及冷却水流的各种方式。

图13为表示包括二个或多个容器的整合系统，其中的每一容器，均包含第1过程区域及第3过程区域以及共有的第2过程区域。图14则表示包括四个容器的整合系统，其中每一容器均包含第1过程区域、共有的第2过程区域及共有的第3过程区域。以阀配合，每一容器均可进行充填及排放操作。

实施例

本发明是引进三种新式冷度贮藏系统，各为A式系统、B式系统及C式系统。A式系统为单一目的的冰贮藏系统;B式系统为具有冷度贮藏与水纯化双重目的系统;C式系统则为单一目的的水合物贮藏系统。

图1A与1B是表示A式系统。图1A是表示充填时段的状况;图1B则表示排放时段的状况。本系统中有一真空容器1而构成第1过程区域2（区域1）、主要蒸气通道3、第2过程区域4（区域2）及第3过程区域5（区域3）。区域1为由浅盘6所隔间。大量的水7是保留于每一浅盘中。两个相邻浅盘间的小间隙，是提供蒸气通道。因此，每一盘上的水便以蒸气与区域2及区域3连紧。参阅图1A，第1蒸气V₁₂是在充填时段中，由区域1所产生的;参阅图1B，第2蒸气V₃₁，是在排放时段中，进入区域1内细长间隔中。在充填时段，区域2是第1蒸气转换为冷凝状态的区域。区域3为M₀₃迅速被蒸发以产生蒸气V₂₁及冷水流V₃₁的区域。在区域2中，是有隔墙9、热交换机10及使第1蒸气进入于该区域的开孔11。在区域3，是有盘12，而在盘上，水13是形成瀑布状水流而迅速被汽化以形成第2蒸气。第2蒸气是经过开孔14，而离开本区域。

图2是表示水的压力温度概略图。它显示三相点15（32F，4.58torr），蒸发线15-16、融解线15-17，及升华线15-18。同时固相区域、液相区域及气相区域也显示于其中。在充填时段中，第1蒸气是由点19所表示的状况下，由冰表面升华而产生。在排放时段，冰是在靠近三相点15处的状况下而融解。

图3A是表示在浅盘20中之细长水层内，所发生之充填操作的进行情形。在充填操作开始时，所有的层均为液态水21。第1蒸气是由水之汽化所产生，而水层的顶部区域是被超冷而在液体层23A的顶部，形成冰层22A。一旦冰层形成后，液体层便由冰层所复盖。当压力19较三相点压力15为低时，升华便发生，因此，不断地形成第1蒸气而将冰层超冷化。此超冷是在水/冰介面中形成冰，而此冰即为冰层的底面。升华与结冰是继续。因此，冰层成长如22A，22B，22C，22D所表示，而水层乃缩减而且消失，如23A，23B，23C所示。因第1蒸气主要是由升华而产生，其压力19乃较三相点压力为低。因此，等1蒸气可视为三相点蒸第1蒸气须由第1过程区域中除去，而被转换为大量液体转换第1蒸气的各种方式，可参照图7、8、9如下所述。

图3B是表示发生于细长水层中之排放操作的进行情形。假定在排放操作开始时，所有的层为冰22D。当第2蒸气V₃₁与冰层相接触时，上层是融解以产生在冰层25A底部所流出的细长液体层24A。当排放操作进行，该液体层是逐渐变厚如24A，24B，24C及24D所示，而冰层即变薄如25A，25B，25C所示并消失。排放过程中之操作压力，是较三相点压力高些。

盘上的水量，是在充填时段由于第1蒸气的形成而减少，并在排放过程中由于在水管上的第二蒸气的凝结而增加。因此在每一循环后，盘上的水量实质上保留不变。

在区域1中，可使用海绵的细长层以保留区域1中的细长水层。当使用薄海绵时，在充填时段中由顶层及底层发生蒸发及升华，而在顶面及底面也可产生第2蒸气的凝结。图4A是表示充填时段的进行情形。其中在最初时期，细长海绵层26是由液体水27所充满。当充填操作进行时，形成冰的顶层，而逐渐变厚如28A，28B，28C及28D所示，形成之冰底层如29A，29B，29C及29D所示逐渐变厚而水层是如30A，30B，30C所示变薄而消失。图4B则表示排放时段的进行情形。其中在最初时期，所有的层是充满了水。当排放过程开始后，冰层是由顶面及底面融化以形成顶液体层及底液体层。顶液体层如31A，31B，31C及31D所示增加厚度;底液体层也如32A，32B，32C及32D所示增加厚度;冰层如33A，33B及33C所示变薄并消失。

总之，本系统是循环地运动而每一循环均具有充填时段及排放时段。在充填时段中，于区域1及区域2中，则发生如下两步骤：

步骤1：第1蒸气的产生及冰的当场形成

当第1过程区域的压力降到三相点压力下时，产生第1蒸气，其压力是较三相点压力为低（4.58Torr）而当场形成大量的冰。第1蒸气可在液体/气体介面由蒸发而产生，或在固体/气体介面由升华而产生。在每一隔间所形成的冰，乃被贮存于原先结冰的隔间中，该区域中压力，则借除去水蒸气的方式，予以维持。

步骤2：转换第1蒸气为冷凝体

在步骤1所产生的第1蒸气是流入于第2过程区域中，而在该处由一个或多个下述操作，转换为冷凝体：（a）吸收操作，（b）吸附操作，（c）冷却有机物流体上的反升华操作，及（D）两阶段反升华及反升华融解操作。

在排放时段，于区域3及1中，各发生如下两阶段操作。

步骤3：冷水及第2蒸气的产生

被冷却水流M₀₃是被引到第3过程区域中，而迅速蒸发以产生冷水M₃₀及第2蒸气V₂₁，其压力较三相点压力为高。所产生的冷水则可用于空调及/或冷却之用。

步骤4：冰之当场融解

在第3过程区域中所产生的蒸气，是被引到第1过程区域中，并与所贮存的冰相接触，由此同时冷凝第2蒸气而当场将冰加以融解。

由图1A及1B所述系统，也可当作水合物贮藏用之C式系统而使用。许多有机及无机化合物可形成水合物。水合物的形式，是在物理化学及相学的书中有详述，如下述书藉第七章：

“相学及非均质平衡”由John，E，Riccl所著。由Van，Norstrand公司于1951年，及Dover出版公司于1966年出版。

以冷冻曲线可达到一致性融解水合物及非一致性融解水合物。当一定浓度之溶度，被冷却于水合物凝固点下温度时，水合晶体便可形成。当水合晶体与原始液之混合物，被加热至水合物凝固点上温度时，水合晶体乃分解变成水。在C式系统中，大量的由水及水合物溶质，结合而成的混合液，被置于区域1之细长间隔中。在充填时段，冷媒是被引到区域2中，以便由区域1中吸取蒸气。区域1中之压力由此被降低，使水蒸发并将混合液冷却到水合物形成温度下。第1蒸气被形成而产生水合晶体。在排放时段，冷却水是在区域3中迅速汽化，在第2压力形成第2蒸气，由此产生冷水流。第2蒸气是被区域1之细长隔间中的溶液所吸收，以分解水合晶体。操作温度及压力，各比A式系统者为高。简单的冷却器可用于区域2中，以供给区域中所需要的冷却。

B式系统为具有冷藏及水纯化之双重目的。B式系统与A式系统两者的主要不同处，是在于区域1内部所使用的结构及区域1内之运动。在A式系统中，水保留于细长隔间中，而除配合冷冻及融解操作而少些移动外，水是保持静止的。在B式系统中，经过纯化的水是流过冰面，以促进自固体/液体介面的不纯物质扩散。

图5及6为两种形式的结构。第一方式的结构是称为倾斜板结构而使用此结构方式的单元，是称为倾斜板单元。第二方式结构则称为径向直立板结构而使用此结构方式的单元，则称为径向直立板单元。

图5A及5B乃表示倾斜板单元的结构而且表示其在充填时段的进行情形。此单元是具有垂直真空器34、包含流动管道35a的中央分布管35、多块倾斜板36，及将水引到倾斜空间38的多个长孔37。

在充填时段，水是自流动水薄膜39中蒸发并被迅速冷却。在倾斜板面上的冰层40，则由超冷水薄膜所形成。当冰层厚度增加，流动水薄膜之位置是向上移动。在没有降低冰之形成率下，依然可形成更厚的冰层。此原因是冰形成时所放出的潜热，被传送到液体薄膜上，而用于供给蒸发所需之潜热。

图5B是表示当液体薄膜39A继续在其表面流动时产生更厚的冰层40A。所形成的第1蒸气是流入于区域2，并如同A式系统转换为凝结体。由于水不断地在冰面上流动而被处理，水中的溶质是由冰/水介面被带走而形成冰。因此，所形成的冰，则比原来的水较纯。未凝结的液体是变为浓缩溶液而被排出于系统外。

在排放时段，冷水M₀₃是被引进于区域3，而在区域2中停止冷却。水M₀₃迅速汽化，形成第2蒸气而其余的水则变成冷水流M₃₀。第2蒸气是流过来与冰层表面相接触。第2蒸气的凝结与冰之融解是同时发生，以产生纯化水流，它是浓缩第2蒸气融化冰的混合流。

图6A及6B是表示径向直立板单元的结构，并表示在充填时段的进行情形。此单元是具有直立真空容器41，中央管子42，多数固定于中央管上的径向直立板43，将水分配于直立板上的多数分配管（未图示）。图中表示由流动液体薄膜45形成冰层44而此冰层是在充填时段末期变成更厚的冰层44A。在此单元的操作是与倾斜板单元所述相同。

在A式、B式及C式系统中之区域1中所形成的第1蒸气，必须在区域2中被转换成液体，使其从该区域再传送出去。因在C式系统中所形成的第1蒸气，为一超三相点蒸气，由简单的凝结操作，便可完成所要转换。然而，在A式或B式系统中所形成之第1蒸气，均为次三相点蒸气，它是在冷却面形成固体（及升华）。因此，在转换过程中需使用进一步加工方法。三种方法各表示在图7、8及9。

图7所示的单元，是具有真空容器46，低压蒸气压缩器47，及冷却单元48。在操作中，次三相点的第1蒸气V₁₂是由次三相点的压力所压缩到超三相点压力，并且由冷却器凝结而变水流L₂₀。冷媒M₀₂是进入于冷却器，被加热而排出为M₂₀。

图8所述的单元，是由反升华及反升华融解操作之两步，将次三相点的第1蒸气转换成液体。此单元是具有一真空容器49、四个冷凝隔间50、51、52及53，以及一个超三相点蒸气产生隔间54。冷凝隔间内不仅有冷却单元55、56、57及58，而且每个隔间均装有第1蒸气阀（未示）及超三相点蒸气阀（未示）。在超三相点蒸气产生隔间内，有加热线圈59及洒水装置（未示）。在操作时，将第1蒸气阀打开，冷媒乃被引入于三个冷凝隔间之冷却线圈中，而将超三相点蒸气阀关闭时，此三个隔间是让第1蒸气进入并被反升华。加热流体N₀₂是被引入于超三相点蒸气产生隔间中的加热线圈而作为N₂₀被排出。此时，水乃被喷洒于加热线圈上，以产生超三相点蒸气。冷凝隔间中之超三相蒸气阀及第1蒸气阀，分别打开及关闭以便让超三相点蒸气进入并融化该反升华物。反升华物之融化是变成所欲的转换液体。

图9所示之单元，是由两阶段的吸收操作加以完成所欲转换。此单元，是具有真空容器60，分隔区域1，区域2A64、区域2B65及区域2C66的隔墙61、62、63，区域2A中之细长直立隔间67区域2B中之细长直立隔间28，将吸收溶液J₀₂A喷洒于区域2A中细长直立隔间墙上之喷洒器69，是将水喷洒于区域2B中之细长直立隔间壁上喷洒器70，将稀释吸收溶液J₀₂A由区域2A排出之歧管71，喷洒其他吸收溶液J_02C的喷洒器72及将稀释吸收溶液J_2CO由区域2C中排出的开口等。

操作时，在区域1中所形成的次三相点第一蒸气，是被吸收于溶液J₀₂A中，使吸收温度提高于吸收压力的纯水饱和温度上。在吸收过程所产生的热量，乃传至区域2B之水中，以产生超三相点压力的水蒸气V₂₂产生的超二相点蒸气又被其他吸收溶液J_02C所吸收，其吸收热是经由热媒M₀₂，M₂₀被除去。第1蒸气是被第1吸收溶液所吸收，变成稀释的第1吸收溶液中的一部分。

在排放时段，水流是在区域3中被迅速汽化，产生第2蒸气流V₃₁及冷水流。图10、11及12是表示，完成此功能的三种方法。

图10所示为直接喷洒单元，其具有真空容器74、喷洒器75，及套座76。当此单元维持于一高于三相点压力的适当压力下，而且待冷却的水流M₀₃被洒在套座上时，水乃迅速汽化以产生第2蒸气V₃₁及冷却水流M₃₀。冷水M₃₀是作冷却之用，而与完成工作的水一同送回。所形成的第2蒸气是用以融化区域1中的冰及水合晶体。

图11所示为瀑布式单元，它具有真空容器77及几个摆动盘78。待冷却水M₀₂是向下流经盘，迅速汽化以形成第2蒸气及冷却水流M₂₀。

图12所示为间接喷洒单元，它具有真空容器79、喷洒装置80，及热交换线圈81。在此单元的操作中，是有M及N两股水流出现。水流N₀₃及再循环流N₃₂是结合喷洒于热交换线圈上。结合的水流经迅速汽化后产生第2蒸气V₃₁及冷却水流。外水流M₀₃及在热交换线圈中流动，而且被线圈外之冷水所冷却，而成为可作冷却用之另一冷却水流M₃₀。

同时拥有数个过程单元是经济上有利，其中各单元均包含第1过程区域及第3过程区域，而是由阀的适当安排便可共有第2过程区域。同时拥有数个单元也是相当有利，而各单元包含第1过程区域及是由各单元阀的适当安排，共有第2过程区域及第3过程区域。

图13所述之系统中，有两个过程容器83及84，共有一第2过程区域85。第一个过程容器是拥有第1过程区域87，及第3过程区域88以及阀89。第二过程容器是拥有第1过程区域90，第3过程区域91，及阀92。在第2区域中，有一低压蒸气压缩器93及一传热线圈94而冷媒M₀₃/M₃₀是在其内部流动。如图所示，第2容器是在充填时段而第1容器则在排放时段。

当第1容器的阀89关闭时，待冷却的水M₀₂乃迅速被汽化以产生第2蒸气及冷却水流M₂₀。当第2容器的阀92打开时，流往区域3，91的水乃停止，而在第2容器区域1之细长隔间中的水乃被蒸发，并产生第1蒸气及大量的冰。第1蒸气是由压缩器93所压缩，变成冷凝液L₃₀。

图14所示为一整合系统，是拥有四个冷藏容器而各容器中均有一第1过程区域。四个容器是共用一共同外部第2过程区域及一个共同外部第3过程区域。本系统是具有分配容器95，四个冷藏容器96、97、98、99，共有第2过程区域100，及共有第3过程区域101。四个冷藏容器均各具有第1蒸气阀102、103、104、105，以控制容器与第2过程区域间的连紧，及第2蒸气阀106、107、108、109，以控制容器与共有第3过程区域的连紧。第1蒸气110与第2蒸气111各有通道。各冷藏容器均由适时地开闭第1蒸气阀及第2蒸气阀以进行充填操作或排放操作。此整合系统之操作与上述之单一容器单元为类似。

总之，本发明具有下列的结论：

（1）因本发明的系统将使用于冷藏，故充填时段可复盖整个用电非高峰时间，而排放时段则复盖整个高峰用电时段。因此，充填时段可长达12小时。然而，为申请专利的目的而言，仅需以冷冻之分离过程来划分。为此种目的，充填时段可谓长于10分钟。也可设定其最低限为30分钟以上或一小时，以便与先行技术过程有所明显的区别。

（2）在说明书及申请专利范围中，“直接接触”一词是用以表示无任何金属层隔开热源，而此热是由结晶成形所产生，而热之散失，则是由液体的汽化所造成。

（3）在B式系统中，在冰体/液体介面所释出的热，是仅传过冰面上流动之液体薄膜。因此，冰所形成的厚度实质上不会减少传热率，除非蒸气管道变成阻塞。因此，可形成几寸厚的冰层。

（4）在A式系统中，在冰形成区域所释出的热，是传过冰层到升华区域。因此，冰层的厚度可影响传热率。然而，由于区域1中可升华及结冰的面积很大，单位面积所需要的传热率很小。因此，可让冰层厚达1至2吋。在A式系统中，所形成之冰层厚度最薄约0.25吋。

Claims

1、一种冷度贮藏及/或水纯化方法，其特征在于将含水液体施于冷冻操作以形成大量含水分子的第一化合物结晶，而且在过程系统中使产生大量的冷却水；包括第1过程区域(区域1，)，第2过程区域(区域2)及第3过程区域(区域3)，其中，第1过程区域是包括具有开口的结晶保留装置以便提供蒸气流动的管道，及扩大固体与气体或固体与液体间的介面，而第2过程区域是包括自水蒸气除去热量的传热装置，第3过程区域是包括提供扩大液体一气体间的介面面积，而在区域1中进行循环操作为特征并每一循环均包括直接接触而当场产生结晶的充填时段，及直接接触而当场融解结晶操作的排放时段；

在充填时段的操作是包括下列步骤：

步骤1产生第1蒸气而当场形成

将大量的含水液体置于区域1中，而将区域1中的压力降低，以形成第1蒸气及大量第1化合物结晶，同时，区域中的压力借助将第1蒸气自区域中除去及将所形成的结晶由结晶维持结构加以保留；

步骤2将第1蒸气转换为冷凝液

在步骤1中所形成的第1蒸气，由包括热量除去操作的方式转换为冷凝液；

在排放时段的操作是包括下列步骤：

步骤3产生冷水及第2蒸气

将水流引到第3过程区域中之扩大液体/气体介面面积，而迅速加以蒸发以产生冷却水流及形成第2蒸气；

步骤4当场融解结晶

将在步骤3所形成的第2蒸气，与在步骤1所产生而且由结晶维持结构所维持于第1区域中的大量第1化合物结晶加以热交换，以将第2蒸气转换为大量水而将大量结晶加以融解。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该所形成的大量第1化合物结晶为冰。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该所形成之大量第1化合物结晶为水合物。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该循环中之充填时段，是超过十分钟。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该循环中的充填时段，是超过三十分钟。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该循环中的充填时段，是超过1小时。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该第1过程区域是被隔成若干细长隔间而且此隔间是由间隙紧密隔开，而此间隙是作为蒸气通道。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该第1过程区域是被隔成若干细长隔间而且各隔间中均有由毛细管力所保留之液体量。

9、如权利要求2所述的方法，其特征在于其中在第1过程区域的该含水溶液，是包括一种或多种溶质的待接受纯化的含水溶液，而在充填时段中将此液体施于冰表面，以促进溶质由冰/液介面的转换量而在排放时段所形成的融解是变成为纯化水。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于其中所形成冰之厚度是超过0.25吋。

11、一种将含水液体施以冷冻操作的设备，以形成大量包含水分子于其中的第1化合物结晶及产生大量冷水，其特征在于它还包含第1过程区域（区域1）、第2过程区域（区域2）及第3过程区域（区域3），而各区域包括：

（a）含有三个区域的真空容器;

（b）在区域1中的结晶维持结构，其将区域划分为多数过程次区域，以便用作扩大固体/气体及/或液体/气体介面面积以及用作蒸气流动管道;

（c）区域2中的传热装置，其用于除去蒸气流的热量，由此将蒸气转换为冷凝体;

（d）提供扩大液体-气体介面面积于区域3中之水流的装置;

（e）主蒸气通道，它是提供第1过程区域与第2过程区域及第1过程区域与第3过程区域间的连紧;而在循环中正常操作而且各循环包括直接接触而当场形成结晶操作之充填时段，及直接接触而当场融解结晶操作之排放时段，而包括下列步骤：

步骤1产生第1蒸气而当场形成结晶

将大量的含水液体置于区域1中，而降低将区域1中的压力，以形成第1蒸气及大量第1化合物结晶，同时，区域1中的压力借助将第1蒸气自区域中除去而维持且所形成的结晶是由结晶维持结构所保留;

步骤2将第1蒸气转换为冷凝体

在步骤1中所形成的第1蒸气，由热量除去操作的方式转换为冷凝体;

而在排放时段的操作是包括以下步骤：

步骤3产生冷却水及第2蒸气

将水流引到第3过程区域中，并注入于扩大液体/气体介面面积中，由此迅速蒸发以产生冷却水流及第2蒸气;

步骤4当场融解结晶

在步骤3所形成的第2蒸气，与步骤1所产生的大量第1化合物结晶加以热交换而由区域1的结晶保持结构予以保存，由此将第2蒸气转换为大量液体及将结晶体加以融解者。

12、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该区域1中的结晶保存结构，是由多数浅盘所构成。

13、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该区域1中之结晶保存结构是包括多数细长层结构而且各层结构均由毛细管力保存大量含水液体。

14、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该结晶保存结构是由多数倾斜板所构成。

15、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该结晶保存结构是由多数直立板所构成。

16、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该区域2中的传热装置是包括将第1蒸气的压力自比水三相点压力较低的压力提到高过水三相点压的压力的蒸气压缩器及将纯化之第1蒸气加以冷凝的冷凝器。

17、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该区域2的传热器，是包括两个或多个第1蒸气冷凝器及产生高过水三相点压的蒸气的蒸气发生器，以及第1蒸气阀及各第1蒸气阀用的超三相点蒸气阀。

18、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该区域2中之传热装置是包括吸收第1蒸气的吸收装置。

19、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该置于区域3的装置是包括一套座及液体分配器。

20、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该置于区域3的装置是包括热交换器及内部液体分配器，由此内部液体是迅速汽化以产生冷却内部液体及第2蒸气，而外部液体是借流过热交换器而加以冷却而由冷却的内部液体所冷却后变成外部冷液体。

21、如权利要求11所述的设备，其特征在于其中该置于区域3的装置是包括多数盘使在排放时段待冷却的水流流过此盘而供应于扩大液体-气体介面面积。