CN209778363U - 一种真空升华蒸发冷冻海水淡化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，包括一个淡化单元，其包括元包括一原水进口和一淡水出口，在淡化单元中还包括一冷热能分离装置，其包括至少一结晶器和一真空泵机组，在结晶器上设进水口、蒸汽出口、冰水混合物出口和高盐废水排放口，进水口与原水进口连通，冰水混合物出口与淡水出口连通，在蒸汽出口上连接真空泵机组，为结晶器提供设定的真空压力，使得原水进入结晶器后即可出现：其中一部分原水变成蒸汽被抽出，一部分原水变为固体冰；结晶器中设一搅拌装置，其使得固体冰破碎而形成冰水混合物而排出，继而由淡水出口排出形成含盐量降低的淡水。通过本设备，可大大降低海水淡化的能耗水平，从而大幅度降低海水淡化的成本。

Description

一种真空升华蒸发冷冻海水淡化设备

技术领域

本实用新型涉及海水淡化技术领域，尤其是一种真空升华蒸发冷冻的海水淡化设备。

背景技术

淡水是人类生存和发展必需的资源。随着社会的发展，淡水资源越来越成为更为紧缺的资源。我国是国际上最为缺水的大国之一。人均拥有水源量更是排名靠后。海洋蕴藏着巨大的水资源，由于成本原因，到目前为止还未得到大规模利用。专家学者认为，目前海水淡化的价格体制不合理，应该理顺和制定新的价格体系。目前的海水淡化价格是5元/吨左右，从专业角度出发的建议价格是2元/吨。由此可见实际成本与使用期望价格差距还是很大的。但目前，城市的市民水价已达4元/吨以上，小城市最低也达2.5元/吨以上(居民水价含政府补贴)。其他用途的水价还要高很多。而且，水价上涨的趋势还在继续。这就从经济角度上为海水淡化技术的应用打开了商业应用的市场大门。

目前海水淡化所使用的技术有反渗透淡化、低温多效蒸发、低温压汽蒸馏和多级闪蒸等，各种海水淡化运营成本参见表1。

表1：

其中反渗透综合运行成本最低，一般吨水耗电4KWH左右，再加上化学品费用约0.5元/吨淡水左右，直接运行成本主要是前述这两种，如电费按0.6元/度计，则吨水直接运行成本为2.9元/吨淡水。再考虑人工、维修、反渗透膜更换等费用0.93，运行成本(不计折旧)一般成本在4元以上。

再看一下目前海水淡化技术中的设备成本。国内海水淡化设备市场单价在1万元左右(即每吨日产能1万元)。以日产1000吨海水淡化设备为例计算，大约需要投资1000万元左右，年淡化水产能约35万吨。按设备使用20年计算(不算利息)，每年设备折旧费50万元。按年运营350天计算，每日折旧费1428元。折合每吨水折旧：1.43元。

其他成本：如运营中的人工、维修成本，经营成本。但该部分成本在总成本中占比较小，大约为0.5元/吨水。

综合成本分析：

能耗成本和一次投入的海水淡化设备成本是影响海水淡化成本的决定性因素，以反渗透法为例，吨水成本应为4元以上。目前国家的水价普遍低于海水淡化成本，仅从运营的角度考虑，比较好的状态也就是个微利水平。行业从投资盈利的角度考虑，对资本吸引力不大。只是政府从宏观角度和长远发展的角度考虑，做一些以示范工程为主的项目。如从投资回收期的角度看，投资回收期较长。如以每吨水纯利在1.5元水平计算，一套日产1000吨水的机组，可年产35万吨淡水，年利润为52.5万左右，如投资仅按1000万计，设备投资回收期至少需要20年。所以，从综合运营成本和设备折旧成本看，高额的投资和运营成本是目前海水淡化技术难以大规模推向市场的最大障碍。

海水淡化技术降低成本的途径从综合成本分析上看，降低设备成本和耗能水平是海水淡化技术发展的方向。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种真空升华蒸发冷冻的海水淡化设备，通过本设备，可以大大降低海水淡化的能耗水平，从而大幅度降低海水淡化的成本。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种真空升华蒸发冷冻的海水淡化设备，其特征在于：包括一个淡化单元，该淡化单元包括元包括一个原水进口和一个淡水出口，在淡化单元中还包括一冷热能分离装置，

该冷热能分离装置包括至少一结晶器和一真空泵机组，在该结晶器上设有所述进水口、蒸汽出口、冰水混合物出口和高盐废水排放口，所述进水口与所述原水进口连通，所述冰水混合物出口与所述淡水出口连通，在该蒸汽出口上连接所述真空泵机组，为所述结晶器提供设定的真空压力，使得原水进入所述结晶器后即可出现：

其中一部分原水变成蒸汽被抽出，一部分原水变为固体冰，或者，

其中一部分原水变成蒸汽被抽出，一部分原水变为固体冰，一部分冰升华为蒸汽；

所述结晶器中设置一搅拌装置，搅拌装置使得固体冰破碎而形成冰水混合物而排出，继而由所述淡水出口排出形成含盐量降低的淡水。

优选地，所述真空泵机组是罗茨-螺杆真空泵机组。

所述冷热能分离装置中的结晶器的结构可以是多种：

其中一种结晶器的结构是：

在所述结晶器的罐体中设置供液盘，所述供液盘设置在所述罐体的下部，该供液盘包括一腔体，在该腔体的下部或侧壁上设置进液孔，通过管路与所述原水进口连接，该腔体朝上的腔室壁上设置喷液孔；所述冰水混合物出口设置在所述进水口的上方，使得所述供液盘在使用中置于液面以下。

进一步地，所述搅拌装置包括桨叶，设置在搅拌器轴上，该搅拌器轴密封地伸出所述罐体与动力源连接；所述桨叶位于的位置高于所述冰水混合物出口，位于罐体中设定液面处，使得搅拌桨一半在液面之上，另一半在液面之下,或搅拌桨低于设定液位50mm以内的高度上，以打碎液面上所结出的冰层。

进一步地，所述供液盘可以为一花洒，喷液孔朝上地设置，底部中间的进液孔通过管路连接所述结晶器罐体上的所述进水口。

进一步地，所述结晶器还可以包括加热器，所述加热器设置在所述罐体的上部空间，位于设定液面以上。

更进一步地，所述加热器为一个加热盘管或上下设置的多个加热盘管，所述加热盘管的两端管口密封地伸出所述罐体以注入和排出加热介质。

在结晶器中设置加热器，可以加速蒸发过程，有利于提高冷热能的分离速度。

所述加热盘管的加热介质进口连接设置所述真空泵机组的蒸汽出口，以利用减压升温的蒸汽作为加热介质。

结晶器的另一种结构可以是：

在所述结晶器罐体内设置一个包括下底和侧壁的盆状隔板，成为结晶盘，该结晶盘将罐体的内部空间分成上部空间和下部空间；所述搅拌装置从罐体的顶部密封地穿入置于所述上部空间的结晶盘里；连接所述进水口的液体输送管从罐体的下部空间的侧壁密封地插入罐体，再从结晶盘的侧壁偏下的位置连通所述结晶盘内；在所述结晶盘的下底上设置排放口，其上连接废水排放管，废水排放管向下延伸，通过所述高盐废水排放口从罐体的底部密封穿出罐体；在结晶器的罐底还设置一排泄口，用于下部空间的废水排出；结晶盘的侧壁靠上的部分设置出冰口，在罐体的下部空间的侧壁上设置所述冰水混合物出口。

进一步地，所述搅拌装置中的搅拌桨位于所述结晶盘中设定液位处，使得搅拌桨一半在液面之上，另一半在液面之下，或搅拌桨低于设定液位50mm以内的高度上。

使用上述设备可以这样进行海水淡化：

将海水通入该冷热能分离装置中的结晶器，该结晶器通过真空泵机组构建一个人造环境，即真空环境，该真空环境为：令进入结晶器中原水中的一部分蒸发为蒸汽，一部分凝固为冰，或者，海水中的一部分蒸发为蒸汽，一部分凝固为冰，冰的一部分升华为蒸汽。

所述人造环境是压力在水的三相图中三相点或以下的高真空环境。

真空泵机组构建人工环境后，继续工作，将进入的原水在高真空下蒸发的蒸汽不断抽离结晶器，结晶器中的原水迅速结冰，搅拌装置不断搅拌，将所结成的冰打碎，在通过所述原水进口不断向所述人造环境输入海水，蒸汽不断被抽离，剩下的海水不断结冰，并给搅拌破碎，结晶器中的海水成为冰水混合物。

冰水混合物从结晶器的冰水混合物出口排出，结晶器中的高盐废水从结晶器底部设置的高盐废水排放口排放。

在结晶器的该冰水混合物出口可以连接冰浆泵，也可使用大口径排冰口，用可密封的闸板阀封闭。

海水淡化过程可以是间歇的。在上述设备中，真空泵机组工作设定时间后，停止工作，打开结晶器上的阀门泄压，然后开启冰浆出口上的阀门，排出冰浆，然后将结晶器底部或结晶盘底部的高盐废水排放口上的阀门打开，将高盐废水出。然后关闭各个阀门，重新开启真空升华蒸发机组，放入海水。

海水淡化过程也可以是连续的。这时，上述设备需要做如下改进：

进一步地，在所述结晶器上还可以连接至少一个等压冰浆储罐，该等压冰浆储罐与所述结晶器连通，构成与所述结晶器同等压力，所述结晶器中的冰水混合物出口与该等压冰浆储罐上的进口连通，该等压冰浆储罐进口和所述结晶器的冰水混合物出口之间的管路上设有截止装置而使得两者连通或截止；在该等压冰浆储罐上设置冰水混合物出口，该等压冰浆储罐上还设有放空口与大气连通，该放空口上设置放空阀。

优选地，所述真空泵机组的吸气口分别连接所述结晶器的蒸汽出口和等压冰浆储罐上的一出气口，使得通过同一所述真空泵机组即多级真空泵机组对所述结晶器和所述等压冰浆储罐作用，形成同样的压力。

在海水淡化过程中，海水不断地从结晶器上的海水进口进入结晶器，冰水混合物出口则不断地从冰水混合物出口排出进入等压冰浆储罐中，当该等压冰浆储罐满了之后，关闭结晶器和等压冰浆储罐之间管路上的阀门，等压冰浆储罐放空成大气压，将其中的冰水混合物从冰水混合物出口排出，然后再封闭等压冰浆储罐，连接真空泵机组，形成设定真空压力，再连通结晶器。还可以同时设置两个或两个以上等压冰浆储罐，从而实现等压冰浆储罐满了的倒罐。这样，海水淡化过程就可以较长时间地连续进行。经过一段时间后，结晶器停止运行，将其中高盐废水进行排放。

优选地，所述等压冰浆储罐和所述结晶器之间的连通管路设置输送装置，该输送装置优选为泥浆泵。

所述冷热能分离装置还包括两个换热器，其一为蒸汽换热器，连接所述真空泵机组上的蒸汽排出口，使得从所述结晶器中抽出提高压力而温度也提高的蒸汽作为蒸汽换热器的加热介质；其二为冰浆换热器，连接所述冰水混合物出口，使得冰浆作为冰浆换热器的冷却介质。

蒸汽换热器可以用来对结晶器中排出的冰，进行融化，该冰通常为冰浆状态。

冰浆换热器可以用来对于进入结晶器的原水进行降温，这样更利于原水在结晶器中的冷热能分离。

所述淡化单元还可以包括一冰浆脱水器，该冰浆脱水器为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口，所述出口设于该冰浆脱水器的设定液位处，该出口即为所述淡水出口。

所述淡化单元还还可以包括冰浆池，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口，所述出口即为所述淡水出口。

所述淡化单元还可以包括一冰浆脱水器和一冰浆池，

该冰浆脱水器为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口，所述出口设于该冰浆脱水器的设定液位处，

该冰浆池，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆脱水器的出口，所述出口即为所述淡水出口。

所述淡化单元还可以包括一冰浆脱水器、一冰浆池和一冰浆融化器，

该冰浆脱水器为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口；

该冰浆池为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆脱水器的出口；

该冰浆融化器为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆池的出口，所述出口即为淡化单元的所述淡水出口，所述冰浆融化器的容器中设置加热装置。

优选地，所述淡化单元为n个，第1个淡化单元中的原水进口为海水进口，第n个淡化单元中的原水进口为n次原水进口，连接第n-1个淡化单元中的淡水出口，以此类推。

所述淡化单元最好为2-3个。

使用多个淡化单元时，可以对海水进行多次冷热能分离，第一个淡化单元制出的淡水作为二次原水，再引入第二淡化单元的结晶器中，在其中经过蒸发和结冰，冰浆排出经过冰浆融化器获得纯度更高的淡水，最后一个淡化单元的冰浆融化器的出口引出合格的淡水。

本发明提供的真空升华蒸发冷冻的海水淡化设备，通过特殊的冷热能分离装置，效能大辐提高，因此，可通过很低的能耗对于海水进行冷冻，继而对海水进行分离，获得淡水。

下面通过附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为真空升华蒸发冷冻的海水淡化的一个实施例的工艺流程图。

图2为本实用新型提供的真空升华蒸发冷冻的海水淡化设备的实施例中一个淡化单元的结构示意图。

图3为图2的淡化单元中结晶器的一种实施例的结构示意图。

图4为另一种结构的结晶器的结构示意图。

图4a为图4所示结晶器中供液盘的仰视结构示意图。

图4b为图4所示结晶器中加热盘管的结构示意图。

图5为又一种结构的结晶器的结构示意图。

图6为水的平衡相图。

图7为工况与COP关系图线，其中显示现有压缩制冷或制热时的COP状况，其中横坐标为人造环境和流体温差不同的状态点，纵坐标为各种状态点对应的COP值。

图8为工况与COP关系图线，其中显示本发明的方法在制冷或制热时的COP状况。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型提供的真空升华蒸发冷冻的海水淡化的一个实施例的工艺流程图。在该实施例的设备中，包括三个淡化单元，每个淡化单元均包括一冷热能分离装置01、一冰浆脱水器02、一冰浆池03和一冰浆融化器04。每个冷热能分离装置01中都包括数个结晶器和一个真空泵机组。真空泵机组与该数个结晶器连接，将各个结晶器内的压力降低到一个设定的低压状态。

海水顺序进入每个淡化单元，在每个淡化单元的冷热能分离装置中的结晶器里的高真空环境中，被分离成蒸汽和冰水混合物，通过冰浆脱水器将冰水混合物分成冰浆和水，冰浆再通过冰浆融化器融化成水，经过第一个淡化单元A1，得到的水，其含盐量降低，但还未达到淡水的标准，需要进行二次淡化，该水即称为二次原水，二次原水进入第二淡化单元A2，同样进行高真空环境下的冷热能分离，得到水，含盐量继续降低，但还没有达到淡水标准，于是进行三次淡化，该水即称为三次原水，三次原水通过第三淡化单元A3，最后得到符合标准的淡水。

在每个淡化单元中，降低水中含盐量的关键就是在高真空的结晶器中进行冷热能分离。

使用冷热能分离装置对于海水进行淡化的方法是：

参照图2和图3，在结晶器4中建立真空的人造环境，通过真空泵机组3，连接结晶器4上的蒸汽出口42，对于结晶器4抽真空，使得结晶器4中的压力降低到600-100Pa，例如是128Pa，在结晶器4中，通过原水进口44输入海水。在该真空环境的工况下，从如图6所示的水平衡相图可知，水处于气固平衡线与b-a-o组成的一个三角形区域中，该结晶器4的温度处于这样一个区域中，温度可以从272降低到253K，即从-1℃降低到-20℃，即在气固两相区且偏于气态区。在这样的人造环境中，一部分海水会蒸发成蒸汽，被真空泵机组3抽走，一部分海水会凝固为冰，冰的一部分还会通过升华成为蒸汽，同时，还会存有一定量的水。海水的情况会因为其成分的不同而不同，但是，在低压下仍然基本符合普通水的性质和规律，在适合的低压下，也会实现结晶。根据冰的特性，即海水冻结时，盐分被排除在冰晶以外，冰晶形成时间越长，盐分就越少。因此，在结晶器4内，通过低压环境，使得海水结冰，即可得到盐分降低的冰浆。

接下来对蒸气和冰进行分离，在结晶器4中设置的搅拌器43，将凝结的冰打碎，冰和一部分水形成冰水混合物，从冰水混合物出口49排出而成为冷能输出，蒸汽则被真空泵机组3从蒸汽出口42抽出人造环境而成为热能输出。搅拌器还有两个作用，其一是可保证结晶器中的冰不会封住整个液面，以保证液面上固液的蒸发和升华速度，其二是能够把结晶器液面上面人造环境中的冷能导入液体中，加速结冰。为此，搅拌器可以在原水进入结晶器中时就启动起来。

起始时，可以先在结晶器4中加入海水，然后启动真空泵机组3，随后海水即开始蒸发，蒸汽被抽走，结冰也就开始了，搅拌器可以从一开始就启动，凝结的冰被打碎，从冰水混合物出口49排出，与此同时，原水也不断地进入结晶器。

这样，海水陆续进入结晶器，维持结晶器4内环境压力的真空泵机组3则不断地将蒸汽从蒸汽出口42抽出，冰水混合物陆续排出冰水混合物出口49，从而实现海水的淡化分离。

为了能够提高海水的淡化程度，在第一淡化单元完成后，接着进行第二次淡化和第三次淡化，第二淡化单元和第三淡化单元的设备与第一淡化单元结构可以是完全相同的。第一淡化单元中的冰浆融化器中引出的淡水，也可以称其为2次原水，引入第二淡化单元中的冷热能分离装置中的结晶器。第二淡化单元引出的淡水，也称其为3次原水，再引入第三淡化单元中的冷热能分离装置中的结晶器。最后，可以得到符合国家标准的淡水。

冰浆脱水器02为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接冷热能分离装置01中结晶器4的冰水混合物出口49；

冰浆池03为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆脱水器的出口；

冰浆融化器04为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接冰浆池03的出口，所述出口即为淡化单元的所述淡水出口，冰浆融化器04的容器中设置加热装置。

该加热装置也可以是盘管加热器，在盘管中可以通入从结晶器中抽出经过减压升温的蒸汽或凝结后的热水。

本发明淡化海水的关键装置冷热能分离装置是使用高效真空升华蒸发机组对冷能和热能进行分离并加以利用的技术。是基于热力学第二定律基础上的新技术应用。

从图6中可看出，将人造环境，也就是水所在的空间压力从101.3KPa(大气压)降到128Pa以下时，水的汽化温度平衡点将沿气-液(C-O)线，三相点(O点)，气-固(O-A)线向下移动。即从373K降到253K以下(从100摄氏度到零下20摄氏度以下)。

为实现冷、热能量分离并便于利用，本发明的方法是将热能以蒸汽的形式抽走，冷能以冰的形式分离并储存。工艺区间放在：温度：272K—253K(或以下)(见图6中a-b线)，压力：600Pa—100Pa(见图6中o-a)。从如图6所示的水平衡相图可看到，此区间为固-气两相区。而该气相区是一个o-a-b-o的封闭三角形区域。在此区域内，水的固态形式(冰)可直接升华为蒸汽。由于压力大大低于液态水的饱和蒸汽压(参见表1)，在非平衡状态下，表层的水仍然可以液态形式存在，并可直接通过蒸发变为蒸汽。从冰升华的蒸汽与由水蒸发的蒸汽通过真空机组抽出，冰水混合物通过设置在连接结晶器4的冰水混合物出口49的管路上的冰浆泵5抽出，送到冰浆储罐6。实现了冷热能量的分离和输送。

表1：水的温度和饱和水蒸汽压对照表

温度(K)	温度(℃)	饱和蒸汽压(Pa)
			253	-20	128
258	-15	193
			263	-10	288
268	-5	423
			270.5	-2.5	498
273	0	611

本技术之所以可以突破目前以气体压缩技术为基础的热泵和制冷系统效率较低的瓶颈，使现有主流技术的能耗比COP＜8的极限值，成数倍提高。原因分析如下：

由热力学第二定律可知，一个理想的制冷循环的熵增等于零，即Qa/Ta＝Q0/Tc。(Qa为环境传热量；Q0为目标流体的传热量；Ta为环境的温度；Tc为目标流体的温度)，代入Q0+W＝Qa，则得(Q0+W)/Ta＝Q0/Tc，推导得Q0/W＝1/(Ta/Tc-1)＝εc，εc称之为制冷系数，该系数与业内所称的能效比COP相同。从上式可以看出，制冷量和输入功率的大小只与目标流体温度Tc及环境温度Ta有关。运用以上公式，通过计算可以得出当环境温度Ta＝35℃，Tc＝-119℃时，Ta/Tc＝2。这时，制冷量＝功率，即εc＝1，或业内所称的能效比COP＝1。当温差Ta-Tc开始减小时，COP值开始＞1。由于COP＝1/(Ta/Tc-1)，故随温差的减小，COP值呈加速上升走势。如图7所示，截取了当Ta＝35℃，从Ta-Tc＝44℃,COP＝6开始，至Ta-Tc＝1的COP数据图形。

Ta＝35℃时，COP与Ta-Tc的关系图如下：

随温差的减少(近似于平线上的点的横坐标)，COP值呈现加速升高。(横坐标为序列数，纵坐标为COP数值)

以目前主流压缩技术为例，当环境温度为Ta＝35℃，制冷端目标温度Tc为0℃时，此时的Ta-Tc＝35℃，COP值可达7.8(见图中横坐标的点10对应纵坐标上的数值)。实际使用中，需考虑传热的温差需要，设传热温差为5℃，此时制冷端温度需达到-5℃，才可以满足使用需要。此时的Ta-Tc＝40℃，COP值就仅能达到6.7(见图中横坐标的点5对应纵坐标上的数值)。即温差扩大了，COP值降低了。再考虑到系统效率系数问题，与现在市场上的主流设备COP＜6左右的状况是相符的。由此可知，压缩制冷技术的能效比水平由于受系统结构；环境温度和使用要求的限制，再有大的突破已无可能。

以本实施例为例，同样运用上述原理和计算公式，通过计算可以得出，当环境温度Ta＝272K，与目标流体即结晶器内冰水表面温度Tc的温度差Ta-Tc＝10度时，液体向环境散热，实现结冰。制冷量＞＞功率。COP值即可达26(见图中点30对应纵坐标上的数值)。由于在本发明中，工作环境即人造环境与目标流体即结晶器中的水所处空间是高度重合的，即在一个空间中。因此，环境温度与目标流体的温度差，可以被控制在一个较窄的范围内。根据热力学第二定律，COP值可达很高的水平。

可以这样理解，现有技术中的压缩制冷制热，要强行将热量从低温处搬到高温处，是一种逆自然的过程，而本技术，是一种顺自然的过程，将环境抽真空，在一定的真空压力下，其中的液体就会自然蒸发和凝固，凝固后的固体也可以进行升华产生蒸汽。再将产生的蒸汽和固体分别移出该环境，冰就是冷能，可以使用，例如本实用新型用于海水淡化，蒸汽升压后温度提高，可以作为热能使用。本过程消耗的能量只是构成一个设定压力的真空环境和将固体打碎移出。所以必然消耗能量要少，COP值要高！

图8截取了当Ta＝0℃，(从Ta-Tc＝39℃(Tc＝234K)),COP＝6开始，至Ta-Tc＝1℃的COP数据图形。Ta＝0℃时，COP与Ta-Tc的关系图如图8所示：

当Tc＝263K，即-10度时(点30对应纵坐标上的数值)，COP＝26.3。

下面以一个实验的数据和规模生产效率推算说明本发明的优越性。

本实验采用以实验室条件，小实验设备数据为起点，按类比法推算工业生产规模的产量和能耗的办法，以部分代替中试。但全部工艺参数将以中试数据为准。

表2是在实验1抽真空的各个阶段盐水的状态以及最后蒸发量与结冰量(产能)的关系的实验数据。

表2

表3是在实验2抽真空的各个阶段盐水的状态以及最后蒸发量与结冰量(产能)的关系的实验数据。

表3

以4L/s真空设备实验，开机2分钟内升华蒸发量分别为39.6g和38.65g。制冰量分别为263.86g和226.23g，平均245g。制冰量与蒸发量之比分别为6.66和5.85。由于0℃水的蒸发热是2501KJ/Kg，0℃的水结成为0℃的冰,需放出的热量为：334.4KJ/Kg，可得出蒸发热是结冰潜热的7.48倍左右。考虑到实验设备对冷能的损耗，实验结果中的汽化吸热与结冰潜热的比值6.25是很接近的。即每抽走1Kg的水蒸气，可冻结7.48Kg的冰

本技术与现有技术设备能效比的对比：

以4L/s(功率0.55KW)真空设备实验，按每分钟制冰250g计算，每小时可制冰15Kg。根据1kwh＝1000w×3600s＝3600000J,每冻结1吨冰需要334400KJ(即92.89KWH)的冷能。经计算本实验装置每吨冰耗能36.67KWH,COP值已达2.53(即92.89/36.67＝2.53)。已与市面上成熟的冰浆设备能效比相当。以某厂生产的SF100冰浆机为例，该机单产是本实验设备的28倍(420Kg/15Kg＝28)，但效率按安装功率计算，COP仅为1.94。如按运行功率计算，COP也仅达2.76，与本实验数据接近。

某厂生产的冰浆机参数如表4：

表4

某厂生产的冰块机参数如下表5(效率更是大大低于冰浆机)。

表5

在上述两个实验基础上，如将真空机组抽气量扩大2500倍，每小时可制冰37.5吨以上。本机组安装容量135KW,计算得知：吨冰耗电3.6度，COP值至少可达26，较目前的压缩机技术应提高5倍以上。

以真空机组抽气效率计算：

由于产冰的效率主要依赖于真空机组的抽气效率。还以4L/s(功率0.55KW)真空机组扩大2500倍(功率135KW)进行比较，计算结果如下表6。

表6

与上述计算方法所得结果(COP＝26)基本相同。从另外一个角度证明了可通过扩大真空机组规模的方式，提高系统效率。实际上，由于实验所用的真空泵形式与大型真空机组有很大不同，规模生产的设备效率还会有较大提高。

一个具体操作为：首先在水结晶器内制造真空蒸发工作环境所需的真空度600-100Pa。使水结晶器内部分低温原料水发生蒸发，水蒸汽带走热量，并使部分剩余的水开始冻结成冰。随真空度按工艺要求的提高，水结晶器工作空间内的压力继续按工艺参数要求下降，进入冰的升华区即本工艺的正常生产压力参数区。由于冰是生成在水面上，即开始升华反应。此时，利用水结晶器内的搅拌器将冰陆续排离本空间。部分冰层的排除，为冰层下面的水提供继续蒸发的条件，而继续蒸发的水蒸气又为冰层的升华提供了良好的传热条件。此时，水结晶器内升华、蒸发同时进行，不断有水蒸汽溢出并带走大量热量，并使低温新原料水不断在水结晶器内冻结成冰。再通过固-液分离设备排出成品冰，完成整个制冰和蒸汽生产流程。

本发明利用水的相变原理、蒸汽分压等物理特性，使得耗能较大的制冷和制热过程可以在能耗相对很小的情况下进行。究其原因，是由于本发明使用以顺应自然规律的方式，使冰和液态水在蒸汽分压很低，即在真空度较高的环境中升华、蒸发，并随即将水蒸气抽走。即可用较少的能量完成冷、热能量的分离。本技术在制冷的同时制热，并将冷能以冰(固态)的形式，热能以(气态)蒸汽的形式分开，并加以利用。

利用冰是单矿岩，不能和其他物质共处，水在结晶过程中，会自动排除杂质，以保持其纯净的特性。本技术为海水淡化提供新的低能耗的新技术方案，使海水淡化成本大幅降低。可在海水淡化领域开创一种新的技术途径，实现海水淡化技术的低成本广泛应用。

如图3所示提供了一种结晶器的结构的实施例。

结晶器4的结构是：结晶器4为一罐体，在罐体内设置一个包括下底和侧壁的盆状隔板，成为结晶盘41，该结晶盘41将罐体的内部空间分成上部空间和下部空间，抽真空接口42设置在罐体顶部的罐壁上，通过管路连接多级罗茨真空泵3。搅拌器43从罐体的顶部密封地穿入置于所述上部空间的结晶盘41里，位于结晶盘41中低于液位50mm以内的高度上；连接液体进口44的液体输送管45从罐体的下部空间的侧壁密封地插入罐体，再从结晶盘41的侧壁偏下的位置连通结晶盘41内。将原水引入结晶盘41；在结晶盘41的下底上设置废水出口46，其上连接废水排放管47，废水排放管47向下延伸，从罐体的底部密封穿出罐体。在结晶器4的罐底还设置一排泄口47a，用于下部空间的废水排出。

结晶盘41的侧壁靠上的部分设置出冰口48，碎冰连同一部分水混合起来的冰水混合物从出冰口落入罐体的下部空间，从侧壁上设置的冰水混合物出口49排出罐体。

在罐体上还设一观察孔40。

还包括一个等压冰浆储罐6，如图1所示，等压冰浆储罐6与结晶器4连通，使得并将等压冰浆储罐6内的压力与结晶器4中的压力相对。在等压冰浆储罐6的冰水混合物进口上设置截止阀61。本实施例中，等压冰浆储罐6的顶部设置的抽真空口62同样连接多级罗茨真空泵的真空泵机组3，由此就可以方便地使得等压冰浆储罐6中的压力与结晶器4中压力相等。等压冰浆储罐和结晶器4之间设有的管路上设置泥浆泵5，驱动冰水混合物从结晶器4进入等压冰浆储罐6。在等压冰浆储罐6的顶部还设有放空阀63使得等压冰浆储罐可以与大气连通。等压冰浆储罐6的底部设置冰浆排放口64。实际使用中，结晶器4中的结晶盘41中不断凝结的冰被搅拌器43破碎，冰和水的混合物落入结晶器4的下部空间，有冰水混合物出口排出，在管道中通过由泥浆泵5送入等压冰浆储罐6，待等压冰浆储罐6盛满后，关闭截止阀61，开启放空阀63，使得等压冰浆储罐6中的压力与大气压平衡，然后，打开下面的冰浆排放口64上的阀门，冰水混合物被排出。一个结晶器4可以并联几个等压冰浆储罐6，当一个等压冰浆储罐6排放冰浆时，开启另外的等压冰浆储罐，使得结晶器4的过程能够连续进行。等压冰浆储罐6排出的冰水混合物进入冰浆脱水器，其是一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接结晶器的冰水混合物出口49，所述出口设于该冰浆脱水器02的设定液位处，冰一般浮于液面上，方便从所述出口排出，排出的带有一些水的碎冰成为冰浆，在引入冰浆池03储存。冰浆池03，其上设置进口和出口，所述进口连接冰浆脱水器02的出口，所述出口再连接一冰浆融化器04，冰浆融化器04为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接冰浆池03的出口，出口即为淡化单元的所述淡水出口，所述冰浆融化器的容器中设置加热装置。该加热器中的加热剂可以用真空泵机组3引出的且升压升温后的蒸汽或热水。冰浆融化器排出的淡水，如果含盐量不符合要求，则再引入第二淡化单元。

在冷热能分离装置中的结晶器可以是若干个结晶器组成一个系统，以增加冷热能分离的产量。

在一个冷热能分离装置中包括两个换热器，其一是利用蒸汽热能的蒸汽换热器2，如前所述，其在后续冰浆融化器中使用，利用蒸汽的热能熔化冰浆。另一个是对于进入结晶器4的原水进行预先冷却，令其降温到1-4摄氏度的原水换热器2’。

使用时，原水通过一个原水换热器2’，利用冰浆排出后其中的冰水，对于原水冷却，降温到1-4℃，降温后的原水进入结晶器4的下部空间，再进入结晶盘41，在高真空度下结的冰，通过搅拌器43打碎，含水的碎冰从结晶盘41上部侧壁上的出冰口48排到结晶器4的下部空间，然后从冰浆出口49通过泥浆泵5输送到冰浆储罐6中，冰浆从冰浆储罐6中作为冷能输出使用。而结晶器通过多级罗茨真空泵3的抽吸获得设定的压力，同时，抽出的蒸汽输送到蒸汽换热器2中，增压之后，蒸汽的温度上升，在换热器2中与25℃的供热用水进行换热，可以使得供热用水的温度提升到大约70℃，由此输出了热能。蒸汽换热器2的蒸汽通道的出口蒸汽，由另一真空泵1抽出排放到大气中。

如图5所示，结晶器还可以是这样的结构，取消图3所示结晶器4中的结晶盘41以及相关的结构。结晶器4内为一个整体空间，在图5所示的结晶器4’中，原水进口44的高度低于冰浆出口49，冰浆出口49在设定液面之下的50mm之内。而搅拌器43上的搅拌叶的位置最好是使其一半在液面之上，另一半在液面之下。这样的设计，可以使得搅拌器的作用得到很好的发挥。

图5所示的结晶器4’比较适合于纯水或含杂质较少的液体，因为这样的液体在冷热能分离时，结冰较硬，这样结构的结晶器，冰浆比较容易排出。而图3所示的结晶器，则适合杂质含量较高的液体，这样的液体，冰比较软，冰浆一般会如同软泥，使用带有结晶盘的结晶器，软泥一般的冰浆从结晶盘落到下部空间，与液体分开，再由冰浆出口排出比较方便。

如图4所示的结晶器是对于如图5所示结晶器的改进。改进之处主要在于以下两点：其一是，在结晶器4-1的液面上方的空间中增设了加热盘管4-2，加热盘管4-2内通较热介质，对于蒸汽进行加热，这样可以增加蒸汽的流速，加速蒸发过程，有利于提高冷热能的分离效率。

加热器4-2为加热盘管，加热盘管的两端管口密封地伸出所述结晶器以连接加热介质供给设备。加热盘管的进口可以连接真空泵机组的蒸汽出口，以利用减压升温的蒸汽作为加热介质。

加热器4-2是多个加热盘管上下设置。

第二个改进点是原水进水装置的结构，如图4和图4a所示，在结晶器4-1的罐体中设置供液盘4-3，供液盘4-3设置在罐体的下部，供液盘为4-3一花洒，喷液孔朝上地设置，底部中间的进液孔通过管路连接所述结晶器罐体上的所述原水进口44；冰水混合物出口49设置在原水进口44的上方，使得供液盘4-3在使用中置于液面以下。

搅拌装置43包括桨叶，设置在搅拌器轴上，该搅拌器轴密封地伸出所述罐体与动力源连接；桨叶位于的位置高于冰水混合物出口49，位于罐体中设定液面处，或低于设定液位50mm以内的高度上，以打碎液面上所结出的冰层。

如图1所示，淡化单元为3个，第2个淡化单元中的原水进口为2次原水进口，连接第1个淡化单元中的淡水出口，……第3个淡化单元中的原水进口为3次原水进口。

如果推而广之，真空升华蒸发冷冻的海水淡化设备有n个淡化单元，第1个淡化单元的原水进口进入海水，第n个淡化单元的原水进口为n次原水进口。

由实施例可知，本方法的输出热能即多级罗茨真空泵抽出的蒸汽可直接生产60℃-70℃的热水，每生产1吨冰的同时，即可生产2吨左右的60℃热水。如仅按本技术实际制冷COP＝12计算，每生产1吨冰，耗电将少于7.75度，制冷能耗至少降低一半。加上生产的热水，总能耗可降低75％，即为COP＝6时能耗的25％(而目前市场上销售的制冰机COP值普遍低于3)。如果不使用热水融冰，也可在一定范围内提供集中供暖和洗澡热水。

本发明节能效果非常明显，开发潜力巨大。可实现设备制冷的COP大于26甚至更高。另外，本发明的设备成本较低，设备投资回收期将大幅度缩减。

遵循着目前已有的技术的海水淡化工艺，在技术成熟度和运营成本上都已得到较为充分的开发，运营成本和设备成本的降低虽还有空间，但降低的幅度已经不可能太大了。而本发明提供的利用低压环境对于海水进行的冷热能分离，即真空升华蒸发冷冻海水淡化法，则为海水淡化的发展提供了新的方法和途径。由于该方法仅使用电能，也为海水淡化成本的大幅度降低提供了新的可能。

几种淡化方法成本列表如下：

从几种海水淡化方法成本列表中可看到，升华蒸发冷冻法的成本中的能源成本占总成本的72％，其他成本比例低于或与其他技术相近。这种成本结构为日后的成本的降低，提供了较大的空间。而升华蒸发冷冻法的最大技术优势就是节能、高效。目前的计算仅是比较保守的数字，还有很大的节能空间。

使用能量分离法的海水淡化技术，其海水淡化的副产品将成为项目的巨大赢利点。这包括制海盐，向周边居民供冷、供热，蒸汽发电收入。而海水淡化的成本完全可降低到一个次要的地位。此技术将会形成对目前技术相关产业发展的重大推动。

Claims (10)

1.一种真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：包括一个淡化单元，该淡化单元包括元包括一个原水进口和一个淡水出口，在淡化单元中还包括一冷热能分离装置，

该冷热能分离装置包括至少一结晶器和一真空泵机组，在该结晶器上设有进水口、蒸汽出口、冰水混合物出口和高盐废水排放口，所述进水口与所述原水进口连通，所述冰水混合物出口与所述淡水出口连通，在该蒸汽出口上连接所述真空泵机组，为所述结晶器提供设定的真空压力，使得原水进入所述结晶器后即可出现：

其中一部分原水变成蒸汽被抽出，一部分原水变为固体冰，或者，

其中一部分原水变成蒸汽被抽出，一部分原水变为固体冰，一部分冰升华为蒸汽；

所述结晶器中设置一搅拌装置，搅拌装置使得固体冰破碎而形成冰水混合物而排出，继而由所述淡水出口排出形成含盐量降低的淡水。

2.根据权利要求1所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述冷热能分离装置中的结晶器的结构是：

在所述结晶器的罐体中设置供液盘，所述供液盘设置在所述罐体的下部，该供液盘包括一腔体，在该腔体的下部或侧壁上设置进液孔，通过管路与所述原水进口连接，该腔体朝上的腔室壁上设置喷液孔；所述冰水混合物出口设置在所述进水口的上方，使得所述供液盘在使用中置于液面以下；和/或，

所述搅拌装置包括桨叶，设置在搅拌器轴上，该搅拌器轴密封地伸出所述罐体与动力源连接；所述桨叶位于的位置高于所述冰水混合物出口，位于罐体中设定液面处，使得搅拌桨一半在液面之上，另一半在液面之下或搅拌桨低于设定液位50mm以内的高度上，以打碎液面上所结出的冰层；和/或，

所述结晶器还包括加热器，所述加热器设置在所述罐体的上部空间，位于设定液面以上。

3.根据权利要求1所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述冷热能分离装置中的结晶器的结构是：

在所述结晶器罐体内设置一个包括下底和侧壁的盆状隔板，成为结晶盘，该结晶盘将罐体的内部空间分成上部空间和下部空间；所述搅拌装置从罐体的顶部密封地穿入置于所述上部空间的结晶盘里；连接所述进水口的液体输送管从罐体的下部空间的侧壁密封地插入罐体，再从结晶盘的侧壁偏下的位置连通所述结晶盘内；在所述结晶盘的下底上设置排放口，其上连接废水排放管，废水排放管向下延伸，通过所述高盐废水排放口从罐体的底部密封穿出罐体；在结晶器的罐底还设置一排泄口，用于下部空间的废水排出；结晶盘的侧壁靠上的部分设置出冰口，在罐体的下部空间的侧壁上设置所述冰水混合物出口。

4.根据权利要求2所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述供液盘为一花洒，喷液孔朝上地设置，底部中间的进液孔通过管路连接所述结晶器罐体上的所述进水口；和/或，

所述加热器为一个加热盘管或上下设置的多个加热盘管，所述加热盘管的两端管口密封地伸出所述罐体以注入和排出加热介质。

5.根据权利要求4所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述加热盘管的加热介质进口连接设置所述真空泵机组的蒸汽出口，以利用减压升温的蒸汽作为加热介质。

6.根据权利要求3所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述搅拌装置中的搅拌桨位于所述结晶盘中设定液位处，使得搅拌桨一半在液面之上，另一半在液面之下或搅拌桨低于设定液位50mm以内的高度上。

7.根据权利要求2或3所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：在所述结晶器上还连接至少一个等压冰浆储罐，该等压冰浆储罐与所述结晶器连通，构成与所述结晶器同等压力，所述结晶器中的冰水混合物出口与该等压冰浆储罐上的进口连通，该等压冰浆储罐进口和所述结晶器的冰水混合物出口之间的管路上设有截止装置而使得两者连通或截止；在该等压冰浆储罐上设置冰水混合物出口，该等压冰浆储罐上还设有放空口与大气连通，该放空口上设置放空阀。

8.根据权利要求7所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述等压冰浆储罐和所述结晶器之间的连通管路设置输送装置；和/或，

所述真空泵机组的吸气口分别连接所述结晶器的蒸汽出口和等压冰浆储罐上的一出气口，使得通过同一所述真空泵机组即多级真空泵机组对所述结晶器和所述等压冰浆储罐作用，形成同样的压力。

9.根据权利要求1所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述冷热能分离装置还包括换热器，其为蒸汽换热器，连接所述真空泵机组上的蒸汽排出口，使得从所述结晶器中抽出提高压力而温度也提高的蒸汽作为蒸汽换热器的加热介质；和/或，为冰浆换热器，连接所述冰水混合物出口，使得冰浆作为冰浆换热器的冷却介质；和/或，

所述真空泵机组是罗茨-螺杆真空泵机组；和/或，

所述淡化单元还包括冰浆脱水器，该冰浆脱水器为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口，所述出口设于该冰浆脱水器的设定液位处，该出口即为所述淡水出口；或者，

所述淡化单元还包括冰浆池，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口，所述出口即为所述淡水出口；或者，

所述淡化单元还包括冰浆脱水器和冰浆池，

该冰浆脱水器为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口，所述出口设于该冰浆脱水器的设定液位处，

该冰浆池，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆脱水器的出口，所述出口即为所述淡水出口；或者，

所述淡化单元还包括冰浆脱水器、冰浆池和冰浆融化器，

该冰浆脱水器为一个罐体，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰水混合物出口；

该冰浆池为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆脱水器的出口；

该冰浆融化器为一容器，其上设置进口和出口，所述进口连接所述冰浆池的出口，所述出口即为淡化单元的所述淡水出口，所述冰浆融化器的容器中设置加热装置。

10.根据权利要求1或2或3或4或5或8或9所述的真空升华蒸发冷冻海水淡化设备，其特征在于：所述淡化单元为n个，第1个淡化单元中的原水进口为海水进口，第n个淡化单元中的原水进口为n次原水进口，连接第n-1个淡化单元中的淡水出口。