CN210543460U - 一种真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，包括冷热能分离装置和低温发电装置，冷热能分离装置包括分离设备和真空泵机组，冷热能分离设备包括密封容器，其上设进水口和蒸汽出口；真空泵机组的吸气口连接密封容器上的蒸汽出口，还设高温蒸汽和/或热水排出口；低温发电装置包括低温发电机组，其包括低温发电机、发电介质蒸发器及发电介质冷凝器；发电介质冷凝器与发电介质蒸发器中的发电介质流道相连接并与低温发电机连接，构成一循环系统；低温发电装置中的发电介质蒸发器上的高温蒸汽进口通过管路连接冷热能分离设备中的真空泵机组的高温蒸汽和/或热水排出口。本供应站高效经济绿色地提供电能热能和冷能。

Description

一种真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站

技术领域

本实用新型涉及制冷及低温发电技术领域，提供一种真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站。

背景技术

低温发电技术多用于地热发电、发电厂发电后的乏蒸汽再利用，以及工业废热的利用，但是实际应用中，低成本的废热、乏蒸汽来源并不广泛，因此，低温发电的应用并不普及，尤其是在电力发展水平较低的偏远地区，通常没有发展低温发电的条件。真空升华蒸发冷热能分离法在有水源的区域即可高效且低成本地提供满足低温发电使用的稳定蒸汽源。

现有技术中利用废热发电可采用的是空气能热水器，属于热泵系统，而现有的热泵主流技术都是基于压缩机技术来实现冷、热能量的转移和使用。由于受设备原理和工作环境上的限制，现有的压缩机设备的COP值长期徘徊于6以下(国家一级能耗的家用空调COP仅在3.4 左右，热泵系统COP也在6以下)。空气能热水器虽然可以同时供暖和供冷，但其受压缩机热泵设备的限制，系统COP仍在6以下。

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热能分离法分布式能量供应站，以一种高效、经济、绿色的形式提供电能、热能和冷能。其中一改现有技术中使用压缩机设备的惯常方式，采用真空升华蒸发冷热能分离法，能够为低温发电提供廉价的热能源耗比很高的低温蒸汽和/或热水，从而可以用很低的成本提供电能、热能和冷能。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，包括一组冷热能分离装置和一低温发电装置，

所述冷热能分离装置包括一组分离设备和一真空泵机组，

所述冷热能分离设备包括一密封容器，该密封容器上至少设有进水口和蒸汽出口；

所述真空泵机组的吸气口连接所述密封容器上的蒸汽出口，其上还设有高温蒸汽和/ 或热水排出口；

所述低温发电装置包括一低温发电机组，该发电机组包括：

一低温发电机；

一向低温发电机输送发电介质蒸汽的发电介质蒸发器，及

一接收低温发电机排出的发电介质的发电介质冷凝器，

发电介质冷凝器与发电介质蒸发器均为间壁式换热器，两者中的发电介质流道相连接，并与低温发电机连接，构成一循环系统；

这些均为现有技术，具体地可以是：所述发电介质蒸发器中的发电介质流道上设置低温发电介质进口和高温发电介质蒸汽出口，加热介质流道上设置高温蒸汽进口和低温乏蒸汽出口；所述发电介质冷凝器中的发电介质流道上设置高温发电介质进口和低温发电介质出口，冷却介质流道上设置低温介质进口和高温介质出口；所述发电介质蒸发器上的高温发电介质蒸汽出口通过管路连接低温发电机的发电介质蒸汽入口，低温发电机的发电介质乏蒸汽出口通过管路连接发电介质冷凝器的高温发电介质进口，发电介质冷凝器的低温发电介质出口直接或通过一储罐连接发电介质蒸发器上的低温发电介质进口；

特征是：

所述低温发电装置中的发电介质蒸发器上的高温蒸汽进口通过管路连接所述冷热能分离装置中的所述真空泵机组的所述高温蒸汽和/或热水排出口。

本实用新型的机理是：利用冷热能分离装置中分离出来的大约100℃的蒸汽或转换成的 90度以上的热水，加热低温发电装置中发电介质令其汽化，然后用汽化的发电介质推动螺杆膨胀机以带动发电机运转而发电；而用于加热发电介质的热源，是由冷热能分离装置提供，是通过其中的真空泵机组对密封容器抽气降压，在密封容器内制造真空的工作环境，使密封容器内部的液体，例如水发生蒸发，水蒸气带走热量，由真空泵机组抽出的蒸汽经过逐级升压而级间不设置冷却装置，最后一级排出的蒸汽温度可达到100℃左右，用这样的低温蒸汽或转换成的90度以上的热水作为热源加热发电所用的介质使之汽化，并驱动低温发电机发电。

冷热能分离装置工作过程是：随真空度按工艺要求的提高，密封容器工作空间内的压力继续按工艺参数要求下降，可以控制真空度使得密封容器中的水保持液态，也可以提高真空度，使得其中的水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，利用密封容器内的排冰器，在密封容器上设置冰浆排出口，通过冰浆排出口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。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，密封容器内升华、蒸发同时进行，不断有水蒸气溢出被真空泵机组抽出并带走大量热量，并使低温新原料水不断在密封容器内冻结成冰。再通过分离设备排出成品冰，完成整个制冰和蒸汽生产流程。

上述冷热能分离设备可以是包括低温冷热能分离装置和/或其中密封容器中设定温度相对较高的高温冷热能分离装置，所述低温冷热能分离装置中的所述密封容器上还设有冰浆出口；所述高温冷热能分离装置中的所述密封容器上至少设置进水口和蒸汽出口。

低温冷热能分离装置和高温冷热能分离装置形式相近，但工作压力和温度区域不同。低温冷热能分离装置用于分离水的结冰潜热，故而密封容器上设冰浆出口，高温冷热能分离装置用于高效低耗分离出水蒸气。低温冷热能分离装置工作温度可以在0℃以下，高温机组工作温度可以在10℃以上。

由于在温度较低或达到冰点时，水的蒸发效率会大大减低，为保证有足够的水蒸气生成效率，本技术采用了搅拌，冷沸腾，加大蒸发面积，以及在后级真空泵出口处增加热交换器或冷阱的技术手段，以实现冷热能量的高效分离。

具体地：

在所述密封容器中，可以设置搅拌装置。

制造冷沸腾，优选地，所述密封容器中设置一供液盘，该供液盘设置在所述密封容器内的下部，低于所述密封容器中的设定液面高度，该供液盘为一花洒，喷液孔朝上地设置，底部的进液孔通过管路连接所述进水口。

使用中，供液盘，位于液面以下，水从供液盘朝上的喷液孔喷出，由此在密封容器内构成冷沸腾。

为了提高水在密封容器中的蒸发效率，还有一个有效措施，是提高进水的温度。为了提高进水温度，可以有如下几个措施：

措施一是：通过预热方式提高进水温度，即：

在所述密封容器的进水口的管路上，可以设置一预热器，使得进入密封容器的水预先加热。

而使用什么作为预热器的加热介质呢？可以有以下方案：

方案一是采用低温发电介质作预热剂：

优选地，所述低温发电装置中的低温发电机的发电介质排出口上可连接一根支管的一端，该支管的另一端连接所述密封容器进水口上设置的所述预热器的加热介质进口，用于间壁加热进入密封容器的水，所述预热器上加热介质出口连接一发电介质回流管的一端，发电介质回流管的另一端连接低温发电装置中发电介质蒸发器的发电介质进口，或者连接发电介质储罐。由此使用发电介质的热量提升进入密封容器水的温度。

方案二是采用密封容器连接的真空泵机组排出的高温蒸汽作预热剂：

优选地，所述预热器的加热介质的进口连接一支管路的一端，该支管路的另一端连接所述真空泵机组的高温蒸汽排出管路上的一个支路口，所述预热器的加热介质出口可以放空或连接所述低温发电装置中的发电介质蒸发器上的加热蒸汽入口。

方案三是采用低温发电装置中冷却发电介质的冷却水作预热剂：

优选地，所述预热器的加热介质的进口连接一支管路的一端，该支管路的另一端连接所述低温发电装置中的所述发电介质冷凝器的冷却水出口，所述预热器的加热介质出口可以放空或通过管路连接一储罐。

方案四是采用低温发电装置中加热发电介质的乏蒸汽作预热剂：

优选地，所述预热器的加热介质的进口连接一支管路的一端，该支管路的另一端连接所述低温发电装置中的所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口，所述预热器的加热介质出口可以放空或通过管路连接一储罐。

进一步地，预热器的加热介质的出口可以连接下水道，也可以与进水口连通，将水或蒸汽通入密封容器使用。

措施二是：直接前面用在预热器中的加热介质的具有一定温度的热水输入密封容器中，即：

所述密封容器的进水口上连接一管路的一端，该管路的另一端可至少连接下列设备之一：

所述发电介质冷凝器的冷却水出口；

所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；

所述真空泵机组的高温蒸汽排出管路上的一个支路口。

措施三是：再设置一个冷热能分离装置，新的冷热能分离装置的进水口进入的水来自元冷热能分离装置抽出的高温蒸汽冷凝下来的热水，或者进入的水来自低温发电装置中发电介质蒸发器排出的乏蒸汽形成的热水或发电介质冷凝器中排出的冷却水，即：

所述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一级冷热能分离装置，在其中的所述密封容器上还设置冰浆出口，在该一级冷热能分离装置的所述高温蒸汽排出口上连接储罐；在该一级冷热能分离装置和所述低温发电装置之间还包括一高温冷热能分离装置，称为二级冷热能分离装置，包括一二级冷热能分离设备和二级真空泵机组，所述二级冷热能分离设备中包括二级密封容器，该二级密封容器上至少设有一高温进水口和一高温蒸汽出口，该高温进水口连接所述一级冷热能分离装置的所述高温蒸汽排出口上连接的储罐，该高温蒸汽出口上连接一二级真空泵机组，该二级真空泵机组的末级蒸汽排出口通过管路连接所述低温发电装置中的发电介质蒸发器上的加热蒸汽入口；或者是，

所述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一次冷热能分离装置，还包括一高温冷热能分离装置，称为二次冷热能分离装置，该二次冷热能分离装置包括一二级冷热能分离设备和二级真空泵机组，所述二级冷热能分离设备中包括二次密封容器，该二次密封容器上至少设有一二次进水口和一二次蒸汽出口，该二次进水口通过管路连接所述低温发电装置中的所述发电介质蒸发器的废蒸汽出口，或者连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口；该二次蒸汽出口连接一二次真空泵机组，该二次真空泵机组的末级蒸汽排出口通过管路连接所述低温发电装置中的发电介质蒸发器上的加热蒸汽入口，和/或，连接另一个低温发电装置中的发电介质蒸发器上的加热蒸汽入口；或者是：

所述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一次冷热能分离装置，还包括一高温冷热能分离装置，称为二次冷热能分离装置，该二次冷热能分离装置包括一二次密封容器，该二次密封容器上至少设有一二次进水口和一二次蒸汽出口，另外，还包括一间壁式换热器，其中设有加热剂流道和水流道，所述一次冷热能分离装置中的真空泵机组末级的蒸汽排出口通过管路与所述换热器的加热剂流道的进口连接，所述二次冷热能分离装置中的密封容器上进水口通过管路连接所述换热器的水流道的出口，所述二次冷热能分离装置的二次蒸汽出口连接低温发电装置上的发电介质蒸发器的高温蒸汽进口。

对在发电后的乏蒸汽和发电介质蒸发器中加热蒸汽冷凝后的热水，可再次使用冷热能分离设备，将水中热能分离出来，生成新的水蒸气。由于水在较高温度时的蒸发效率会数倍于在较低温度时水的蒸发效率，因此，获取等量热能水蒸气所支出的能量仅为低温时的几分之一。这部分蒸汽能量可得到二次利用。因此，

前述的冷热能分离装置中，所述密封容器的进水口上连接一管路的一端，该管路的另一端可至少连接下列设备之一：

所述发电介质冷凝器的冷却水出口；

所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；

所述真空泵机组的高温蒸汽排出管路上的一个支路管口。

还可以采取一个利于密封容器中水的蒸发的措施：在密封容器内的上部设置加热器，其位于所述密封容器中的设定液面上方。

优选地，所述加热器为加热盘管，加热盘管的两端管口密封地伸出所述密封容器以连接加热介质供给设备。

优选地，加热盘管连接的加热介质供给设备可以是所述真空泵机组，所述真空泵机组的蒸汽出口引出一根支管连接所述加热盘管。

也可以是：所述加热盘管连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口；

所述加热盘管连接所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；

所述加热盘管连接所述低温发电机的乏蒸汽出口。

设置加热盘管有利于减压升温的蒸汽产出效率。冷热能分离装置中产生的热蒸汽加热汽化的发电介质，在经过一次发电后还留有80％以上的能量没有得到利用，通过热能分离机组可再次使用进行二次发电或多次发电，使得通过冷热能分离技术分离出的能量得到充分利用。

为此，在所述低温发电机组中包括至少两个所述低温发电机，其串联连接，即前一个低温发电机的发电介质乏蒸汽的排出口通过管路连接后一个低温发电机的发电介质蒸汽进口，最后一个低温发电机的发电介质乏蒸汽的排出口通过管路连接所述发电介质冷凝器的发电介质乏蒸汽入口。

在所述密封容器的液面上方设置进水口，该进水口上设置喷水装置，使得进水喷射状进入密封容器。

在所述密封容器内的液面上方设置进水口上连接一接管的一端，该接管的另一端连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口和/或所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口。

也就是，在液面之上的进水口，可以喷入原水，也可以不以喷射方式输入原水，优选喷入热水，以提高蒸汽产出率。因此，所述喷水口至少连接如下装置之一：

连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口；

连接所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口。

优选地，喷水装置的喷水口采用水平方向或向下倾斜方向设置。

所述真空泵机组为多级真空泵，其中第一级真空泵的吸气口连接所述密封容器上的蒸汽出口，后一级的吸气口连接前一级的排气口，从前向后各级真空泵的抽气量逐渐减小，使得抽出的蒸汽压力逐级提高至大气压，在最后一级设有所述高温蒸汽和/或热水排出口。

优选地，所述多级真空泵，其中的第一级真空泵和第二级真空泵为罗茨真空泵，最后一级真空泵为螺杆式真空泵。

本实用新型提供的能量供应站的特点是：

本能量供应站是利用冷热能分离技术产生的稳定蒸汽流作为低温发电的能源供应。由于产生水蒸气的效率高，耗能少，故可用很低的成本提供电能和热能，甚至还可以提供冷能。同时，由于使用了冷热能分离装置的变型机组一热能分离装置，使得原来低温发电都无法使用的更低品质的热能也能得以很好的利用，使能源利用效率大大提高。

本实用新型的发电机所用的发电介质通过冷热能分离装置提供蒸汽，而密封容器是一个真空升华蒸发冷热能分离装置的关键部分，即其内具有较高的真空度，其中的水在较低温度下即可蒸发汽化，由真空泵机组抽出得到较高温度的蒸汽，用其加热低温发电机组中的发电介质。真空升华蒸发冷热能分离技术是利用真空技术和水的物理性质，实现冷能和热能分离、储存并使用的技术。

由于采用与压缩机技术不同的高效真空升华蒸发技术，在不使用其他制冷介质和配套的制冷介质循环系统前提下，减少了能量传递的环节，提高了系统效率，效能大辐提高，从而使得系统整体效率大大提高，COP值至少可达18以上。同时，利用水的相变形态物(蒸汽和冰)作为能量的载体和应用的介质，使得冷热能量分离和使用更为方便。本实用新型寻求到了一种低耗能的技术来部分替代传统的压缩机技术，实现了节能降耗。真空升华蒸发冷热能分离技术可提供新的解决方案。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，是基于热力学第二定律基础上的新技术应用。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，由于使用以顺应自然规律的方式，使冰和液态水在真空度较高，温度较低的环境中升华、蒸发，并随即将水蒸气抽走。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。对于能量供应站，密封容器中的真空度也可以设定的较低，即密封容器中的水不一定结成冰，只是达到低温蒸发即可。

更进一步地，对在发电后的乏蒸汽和冷凝后的热水，再次使用，进入原来的或二次的冷热能分离设备的密封容器进水口，将水中热能分离出来，生成新的水蒸气。由于水在较高温度时的蒸发效率会数倍于在较低温度时水的蒸发效率，因此，获取等量高品质热能(水蒸气) 所支出的能量仅为低温时的几分之一。这部分新蒸汽能量可得到二次利用。利用发电后的热水，如果使用两套冷热能分离装置，在两个密封容器中设定不同的真空度，前一个进入常温水的密封容器，设定较高真空度，而后一个二次密封容器因为进入热水，可以设定较低真空度。

而在前述的冷热能分离装置中再增加二级的另一个冷热能分离装置，将一级的冷热能分离装置设定成较高真空度，利用水的结晶热分离出热能，而二级冷热能分离装置设定成较低真空度，主要提高蒸发效率，得到大量高品质热能蒸汽用于低温发电装置，又能够提高发电效能。

下面通过附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型提供的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站的结构示意图。

图2为在图1的基础上，增加了二级冷热能分离装置的能量供应站的结构示意图。

图3为在图1基础上，增加了二次冷热能分离装置的能量供应站的结构示意图。

图3a为图3的一个变型实施例。

图4为在图1的基础上，增加了用真空泵机组从密封容器中抽出的蒸汽对于原水进行预热结构的能量供应站的结构示意图。

图5为在图1的基础上，增加了用发电装置中用于冷却发电介质蒸汽的冷却水对于原水进行预热结构的能量供应站的结构示意图。

图6为在图1的基础上，增加了用发电装置中用于加热汽化发电介质之后的蒸汽对于原水进行预热结构的能量供应站的结构示意图。

图7为水在不同温度和压力是蒸发量的曲线图。

图8为水的平衡相图。

图9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10为工况与COP关系图线，其中显示本实用新型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热能分离法分布式能量供应站的一个实施例，包括一低温发电装置和一冷热能分离装置，

所述低温发电装置为现有技术，包括一低温发电机组，该发电机组包括一低温发电机1 和一发电介质蒸发器2及一发电介质冷凝器3，

低温发电机1为低温蒸汽发电机，具体的为螺杆膨胀发电机，其具有一个壳体，在壳体中设置螺杆，壳体上设有发电介质蒸汽入口11和发电介质乏蒸汽出口12。

发电介质蒸发器2为间壁式换热器，其上设置发电介质入口21和发电介质蒸汽出口22 连通发电介质蒸发通道，该发电介质蒸汽出口22连接低温发电机1的发电介质蒸汽入口11，发电介质蒸发器2上还设置加热蒸汽入口23和废蒸汽出口24连通加热蒸汽通道。

发电介质冷凝器3为间壁式换热器，其上设置发电介质乏蒸汽入口31和发电介质冷凝液出口32连通发电介质冷凝通道，该发电介质乏蒸汽入口31连接低温发电机1的发电介质乏蒸汽出口12，发电介质冷凝器3上还设置冷却水入口33和冷却水出口34连通冷却水通道。

低温发电机1的发电介质蒸汽出口12连接发电介质冷凝器3的发电介质乏蒸汽入口31。

所述冷热能分离装置包括一分离设备4和一真空泵机组5，

所述分离设备4包括一个密封容器，在图1中，密封容器包括一个密封的罐体4-1，在该罐体4-1上设有原水进口44，在罐体4-1顶部设置蒸汽出口42，在蒸汽出口42上连接真空泵机组5，在罐体4-1底部设废水排放口；在罐体4-1内设置供液盘4-3、搅拌器43和加热器4-2；供液盘4-3设置在罐体4-1的下部，位于设定液面以下。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罐体4-1上的原水进口44；加热器4-2 为加热盘管，位于设定液面以上。加热盘管4-2的两端管口密封地伸出罐体4-1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。设置加热盘管4-2有利于减压升温的蒸汽较多的产生。

加热盘管4-2也可以连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口，或者连接所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口，或者连接所述低温发电机的乏蒸汽出口。

真空泵机组5为一多级真空泵，第一级的吸气口51连接所述密封容器上的蒸汽出口，后一级的吸气口连接前一级的排气口，从前向后各级真空泵的抽气量逐渐减小，使得抽出的蒸汽压力逐级提高至大气压，在最后一级设有高温蒸汽排出口52。

真空泵机组5的高温蒸汽排出口52通过管路连接所述发电装置中的发电介质蒸发器2上的加热蒸汽入口23，用从密封容器中抽出并通过真空泵机组5逐级增压至大气压的高温蒸汽对于发电介质蒸发器2中介质蒸发通道里的发电介质R245fa加热令其汽化。

本实用新型提供的如图1所示的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站可以这样运行：

启动真空泵机组5，使得密封容器的罐体4-1内产生设定的真空度，同时向罐体4-1内加入原水，原水在罐体4-1中因为真空环境而低温汽化，汽化的水蒸气随着真空泵机组5抽出，并随着多级真空泵从前向后各级真空泵的抽气量逐渐减小，使得抽出的水蒸气的蒸汽压力逐级提高至大气压，同时蒸汽的温度提高到例如100℃左右，将该蒸汽通入低温发电装置中的发电介质蒸发器，作为加热介质加热发电介质使之汽化，汽化的发电介质输入低温发电机推动螺杆转动继而带动发电机发电。发电介质的乏蒸汽排出低温发电机后进入发电介质冷凝器被降温液化，然后进入储罐或直接在进入发电介质蒸发器汽化重新回低温发电机。在能量供应站中，低温发电机所用的加热汽化发电介质的蒸汽使用的是通过真空升华蒸发冷热能量分离设备产生的水蒸气，而该水蒸气的生产，由于采用一种特殊的冷热能分离方法，因此其能量消耗很小。

本能量供应站使用真空升华蒸发冷热能分离技术，将水中的能量分离成为可以方便使用的能源加以利用。即将常温及以下温度的水中的结冰潜热和显热能量分离为热能(水蒸气) 和冷能(冰)，将常温以上，100℃以下水中的显热分离为高品质热能(水蒸气)。本供能站使用低温发电技术利用水蒸气的能量发电，用冰-水混合物作为冷源，以提高低温发电机的发电效率。

下面具体分析本实用新型提供的冷热能分离装置高效能的机理：

本实用新型是使用高效真空升华蒸发机组对冷能和热能进行分离并在低温发电中加以利用的技术。是基于热力学第二定律基础上的新技术应用。

从图8中可看出，将人造环境，也就是水所在的密封容器的罐体空间压力从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，本实用新型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8中a-b线)，压力：600Pa-100Pa(见图8中o-a)。从如图8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，冰浆通过冰浆泵抽出。实现了冷热能量的分离和输送。

表1：水的温度和饱和水蒸气压对照表

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

本实用新型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，成倍提高。原因分析如下：自然界的水是含有热能的，即含有显热和结冰潜热。如把1吨20℃水所含的热能(显热和结冰潜热)分离出来用于加热1吨0℃的水，可使水温提升到100℃。真空升华蒸发冷热能分离技术将常温状态水中的能源分离成热能(水蒸气)和冷能(冰)，并对这两种能源形式做进一步的利用。蒸汽可作为低温发电的能源供应(类似于地热源)，也可作为冬季取暖的热能供应。对解决大型楼宇和居民小区的集中供热提供了廉价的热源。冰是储存冷能最廉价和最高效的形式，可用于集中空调场所和居民小区的集中供冷的冷源供应，可部分取代高耗能的大中型冷水机组。同时，利用水的物理性质，使海水在通过冷热能分离过程中的结冰过程，完成海水的淡化，实现第二水源的廉价开发。因此，真空升华蒸发冷热能分离技术的出现将为实现解决能源和水源的问题提供新的途径和高效廉价的方法。

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。

如图9所示，为环境温度Ta与目标体温度Tc之差与COP制的关系图：随温差的减小，COP值增大，当温差小于10后，COP值加速上升。

从式中可以看出，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9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。

以本实用新型的实施例为例，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)。由于在本实用新型中，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，而本实用新型提供的方法，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，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10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10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实用新型的优越性。

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

实验结果每产1Kg蒸汽可冻结6.66Kg冰，与汽化热/结冰潜热的比值结果基本相符。

表3：水在不同温度时的汽化热表

温度/℃	汽化热/(kJ·kg-1)
		0	2501
50	2383
		100	2257
150	2114

由此可知，1Kg水(0℃)完全结成冰将释放结冰潜热334.4KJ，计算可知每蒸发1Kg蒸汽吸走的热量可冻结7Kg左右的冰。

表4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4

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

本实用新型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5：

表5

某厂生产的冰块机参数见表6：(效率更是大大低于冰浆机)

表6

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，计算结果见表7：

表7

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，水蒸气带走热量，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，不断有水蒸气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。

本实用新型利用水的相变原理、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，是由于本实用新型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。

为了更进一步地提高密封容器中水蒸气的产出效率，通过搅拌器43对罐体中的水进行搅拌是一个很好的措施。除此之外，还可以通过如图1中所示的花洒式的进水方式，使得罐体中的水产生冷沸腾。具体的，提供一供液盘4-3，设置，罐体4-1内的下部，低于所述密封容器中的设定液面高度，该供液盘4-3为一花洒，喷液孔朝上地设置，底部的进液孔通过管路连接进水口44。

如图7所示为水在不同温度下的蒸发量曲线图，从该图可知，水的蒸发速率是随温度的增加而增加。而且，在不同的温度区间，随温度的升高，水的蒸发速率呈现加速增长态势，其增长速度是非等比例增长的线性关系。

由此可知，为了进一步提高密封容器中水蒸气的抽出速率，对密封容器中的水面上空间进行加热是有利的。为此，在前面所述的实施例中在密封容器的水面上方的空间设置加热器 4-2是一个有效措施。

蒸汽在经过一次发电后还留有有80％以上的能量，其存在于发电机中排出的乏蒸汽中，因此，可再次使用该乏蒸汽通入另一个发电机进行二次发电或多次发电，使得通过冷热能分离技术分离出的能量得到充分利用。

为此，可以这样设计：在所述低温发电机组中包括至少两个所述低温发电机，其串联连接，即前一个低温发电机的发电介质乏蒸汽的排出口通过管路连接后一个低温发电机的发电介质蒸汽进口，最后一个低温发电机的发电介质乏蒸汽的排出口通过管路连接所述发电介质冷凝器的发电介质乏蒸汽入口。

以低温发电机一次发电效率8％-12％计算，经过二次或多次发电的能量利用率将达24％以上。如从能量守恒的角度看，一吨水蒸气冷凝成100℃水释放的能量为2260000KJ，等于 630KWH，考虑发电系统的损耗，发电效率可达到50％。

再有，如图7所示，根据静止的水在不同温度下的蒸发速度图可以看出，当水温超过25℃时，蒸发速度开始呈现加速增长的态势。根据此性质，冷热能分离技术可分为低温冷热能分离技术和高温热能分离技术。使用低温冷热能分离技术分离能量的目标是水的结晶潜热，该部分热能等于将20℃的水加热到100℃所需的热能。而高温热能分离技术是将20℃到 100℃水中的热能高效分离出来，生成高品质能量蒸汽。上述不同温度区间的能量分离产物都有水蒸气，只是不同温度区间产生的水蒸气效率不同。真空升华蒸发冷热能分离技术是将常温以下水中的结冰潜热高效分离出来，即用少量的能量消耗，分离出数倍于输入的能量。而高温能量分离是可使用低温能量分离技术分离出的结晶潜热来加热原水，并使热能(水蒸气)以少量能耗(＜10KWH/吨蒸汽)即可获得的技术。由于1吨100℃的水蒸气凝结成100℃水所释放热量为2260000KJ，等于630KWH。如按发电效率10％计算，可产电量63KWH，大大高于用于分离所消耗的10KWH/吨水蒸气的能量，这就为充分利用分离出的结晶潜热提供了条件，经多次热量分离并使用，使发电的效能大大提高。

根据这样的理论，可以对于加入密封容器的罐体4-1中的水进行加热，即在密封容器的原水进口44上连接一预热器，该预热器通过热水或热蒸汽对进入密封容器的水加热。预热器的热源可以是外加的热源，更可以使用本供能站自身的热能。

如图4所示，预热热源可以用真空泵机组抽出的蒸汽，即在输送加热蒸汽到发电介质蒸发器2的管路上设一支管，连接到预热器。从预热器排出的水可以从原水进口44加入密封容器中。当然，也可以放空或排放。

如图5所示，预热热源可以是发电介质冷凝器3中给发电介质降温的冷却水，即在发电介质冷凝器3的冷却水出口34上连接一个支管，该支管与预热器连接。从预热器排出的水可以从原水进口44加入密封容器中。当然，也可以放空或排放。

如图6所示，预热热源也可以是加热了发电介质之后的蒸汽或热水，即在发电介质蒸发器2的废蒸汽出口24上连接一根支管，该支管与预热器连接。从预热器排出的水可以从原水进口44加入密封容器中。当然，也可以放空或排放。

这样，可以不需要额外消耗能源，通过提高原水的温度，大大提高水蒸气的产出率，进一步地提高本供能站的节能效能。发电介质冷凝器3还连接一储液器，图中未示出，该储液器上设有液体进口和液体出口，该液体进口连接所述发电介质冷凝器3上的介质冷凝器出口 32，液体出口连接发电介质蒸发器2上的介质蒸发器入口21，在其间的管路上设置液体泵6。

在低温发电机1的介质蒸汽出口12的管路上设置油分离器7，将发电介质和润滑油进行分离，分离出来的发电介质通过管路送入发电介质冷凝器3中，分离出来的润滑油则通过油泵8送回发电机1中。参照图5，如果将原水的温度提高到40-70℃，每小时产出蒸汽量可以增加2-3倍。

由此又可以产生两个优选实施例：

其一是：在密封容器的进水口上设置管路连接低温发电机组中发电介质冷凝器3的冷却水出口34。其二是：在密封容器的进水口44上设置管路连接所述低温发电机组中发电介质蒸发器2的乏蒸汽出口24。这两个方案中，直接将发电装置中高温的冷却水或还含有热能的乏蒸汽直接通入密封容器进行冷热能分离。

进一步地，由图7可知，真空升华蒸发冷热能分离的技术和设备可以细分为以下两种：

①低温冷热能分离技术，其分离能量的目标是水的结晶潜热。

②高温热能分离技术，其分离能量的目标是热水中的显热。是使用分离出的结晶潜热来加热常温以上温度的原料水，并使加热后的原料水中的热能仅用少量能量(＜10KWH/ 吨蒸汽)即可把水蒸气分离出来，以适应低温发电的使用需要。

为此，可以在能量供应站中增设一个冷热能分离装置：

如图2所示，前述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一级冷热能分离装置，在其中的分离设备4中的所述密封容器的罐体4-1上还设置冰浆出口4-4，在该一级冷热能分离装置的所述高温蒸汽排出口上连接储罐53；在该一级冷热能分离装置和所述低温发电装置之间还包括一高温冷热能分离装置，称为二级冷热能分离装置，包括一二级密封容器4’，该二级密封容器4’上至少设有一高温进水口44’和一高温蒸汽出口42’，该高温进水口 44’连接所述一级冷热能分离装置的所述高温蒸汽排出口52上连接的储罐，二级密封容器 4’上的高温蒸汽出口42’上连接一二级真空泵机组5’，该二级真空泵机组5‘’的末级蒸汽排出口通过管路连接所述低温发电装置中的发电介质蒸发器2上的加热蒸汽入口24。

该实施例中，一级冷热能分离装置中可以设置较高的真空度，原水一部分结冰，冰浆从冰浆出口排出，而结冰放出的潜热转换为蒸汽有真空泵机组抽出。再将该蒸汽，也可能是热水作为原水通入二级冷热能分离装置中的密封容器中，其中的真空度设定的较低，热水在其中能够快速大量形成蒸汽，从真空泵机组得到较高温度的蒸汽，用于通入低温发电装置中加热发电介质。

由于使用了高温能量分离技术，可使现有技术难以用于发电的低品质能量源(如60℃以下的热水)仅施加少量能量即可成为适合低温发电使用的热能水蒸气。这使能量的多次使用成为可能，发电效率将数倍于现有的能量利用技术。同时，为其他领域的低品质废热能量的使用开辟了一条新路。即可以将温度较低的热水通入冷热能分离装置中，设定较高的真空度，从而获得较高温度的蒸汽而用于低温发电。

高温能量分离技术所用设备与真空升华蒸发冷热能分离技术所用设备基本相同，仅在蒸发罐内水面上方增设2-3个进水口，该进水口上设置喷水装置，使得进水喷射状进入密封容器，喷水装置的喷水口采用水平方向或向下倾斜方向设置，从喷水装置，进入的最好的热水，例如，在进水口上连接的接管连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口，也可以连接所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口。热水采用水平方向或向下倾斜喷射，可以提高水温下降时的蒸发效率。对在发电后发电介质蒸发器中排出的乏蒸汽和发电介质冷能器经冷凝后的热水，可再次使用，该热水通入冷热能分离设备，将水中热能分离出来，生成新的水蒸气。

如图3所示为一个具体实施例：

前述的冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一次冷热能分离装置，还包括一高温冷热能分离装置，称为二次冷热能分离装置，该二次冷热能分离装置包括一二次密封容器 4”，该二次密封容器4”上至少设有一二次进水口44”和一二次蒸汽出口42”，该二次进水口44”通过管路连接所述低温发电装置中的发电介质蒸发器2的废蒸汽出口 24，或者连接发电介质冷凝器3的冷却水出口34；该二次蒸汽出口42”连接一二次真空泵机组5”，该二次真空泵机组5”的末级蒸汽排出口通过管路连接连接另一个低温发电装置中的发电介质蒸发器上的加热蒸汽入口。当然，也可以连接原有的低温发电装置的发电介质蒸发器的加热蒸汽入口。由于水在较高温度时的蒸发效率会数倍于在较低温度时水的蒸发效率，因此，获取等量热能所支出的能量仅为低温时的几分之一。这部分新蒸汽能量可得到二次利用。

从水的蒸发量与温度的关系的图7中可看出，当水面静止且达60度，饱和蒸汽压达19920Pa，设备抽气量达36000m³/h时，水的蒸发速度为6374Kg/h。而相同的设备条件下，水面静止，温度达0度，饱和蒸汽压达610Pa时，水的蒸发速度仅为238Kg/h，仅为60度时的二十七分之一。实践中，由于真空设备抽取水蒸气的效率主要取决于两方面的因素，即真空泵机组的设备抽气能力，以及对应所抽气空间内的原料水的蒸发能力。在设备及工艺参数不变的条件下，所抽气空间内的蒸发能力就是影响蒸汽产量的决定性因素。根据上述条件下所得到数据中可以看出，60度水的蒸发速度相当于0度水的27倍(水面静止条件下)，因此，在使用同样的真空机组条件下，使用加热后的水会大大提高单位时间内的蒸汽产量。即可以仅用几十分之一的能量输出就可获得使用低温水所蒸发的蒸汽。根据能量守恒定律，这部分抽出的蒸汽的能量仍然等于输入的加热水的能量，仅是以非常低的能耗将水蒸气分离出来，成为可利用的较优质热能。由此可见，真空升华蒸发冷热能分离技术的优势是非常明显的。

同样，利用此技术，我们可以在海洋、夏季或中国南方四季进行能量分离，效率应大大高于温差发电技术。

在上面诸多实施例之外，还可以有如下一些实施方案：

1，使用多套如图1所示的冷热能分离装置，多套密封容器4和其各自对应的真空泵机组5或者多套密封容器4对应一套真空泵机组，实现将水中的结冰潜热分离出来的目的(1吨水结冰放出的结冰潜热可使1吨水从常温加热到100度)。

2，如图3a所示，一次冷热能分离装置4得到的高温蒸汽有加热剂入口A1通入换热器A 的加热剂通道，从加热剂出口A2排出，去往下一个或下几个换热器，在常温水从换热器的常温水入口A3进入换热器的水通道被加热，热水从出口A4排出，通过接管引入二次冷热能分离装置4”的进水口，这样，就可以集中使用第一步分离出的热能利用热交换器加热原料水，使之在较高的温度下，再用二次冷热能分离装置高效分离出优质水蒸气并将其压力提高到大气压力以上加以利用，例如进行低温发电，也可以用在别处。根据能量守恒定律，二次分离出的蒸汽热能与一次分离出的能量相等，只是能源的质量更加优异，即蒸汽的温度可以更高。因此，使用这样的蒸汽可大大提高低温发电机组的发电效率。

3，可对使用后的低品质热能进行重复利用，大大提高分离出的能源利用效率。如发电后的冷凝热水，以及保有余热的回水或废水等。

由于实现了高效的冷热能分离，使得制冰和制热都非常高效。可用现有技术能耗几分之一的能量即可同时获得冷能和热能，并把热能品质提高，并加以高效利用。

上述使用两级或两次冷热能量分离技术的效率提高定位于一级或一次冷热能分离装置是获得较高温度的水和水的结冰潜热。使用常温水，对其的能量分离，由于温度距离0度较近，能量较少。而二级或二次冷热能分离装置，使用热水，重点在于获得高质量的蒸汽和提高蒸汽产出效率。

冷热能分离法分布式能量供应站是使用冷热能分离新技术对原有技术和设备进行整合、改进，充分利用现有技术和设备优势，以降低建造成本，组合而成的全新的集冷能，热能，电能集中供应的分布式能源供应系统。本实用新型创造了一种高效的、适应性强、投资回收期短的能源供应的新形式。表8示出了几种发电类型的投资及回收期估算数据。

表8

由此可以看出本实用新型提供的能量供应站的运营成本是最低的，回收期也是最短的，投资也是最小的。综合性能是最好的。

更进一步分析各种能源的使用成本：

以1吨20℃的水加热到60℃所消耗能源的成本为例，列表9.如下：

表9

如将常温水(20℃)加热到100℃，能源费用加倍。

表10

由表9及表10中数据可知，加热1吨热水需燃烧标准煤16.8Kg，费用8，07元。或燃烧天然气16.8m³，费用42元。在COP＝18的条件下，冷热能分离技术耗能仅6.45KWH，费用 3.6元。

使用冷热能分离技术可使1吨常温水释放出相当于燃烧16.8Kg标准煤或16.8立方米天然气产生的热能。而江河湖海的水量是惊人的。提供着源源不断的巨大能量。

用低温发电技术，一台能量分离机组不同产汽量和不同发电效率的机组可发电量表11：

表11

能量供应站使用分离出的热能实现分布式能量供应站的功能。能量供应站效率高，投资少，使用门槛低。

现有技术中，只有在有废热的场合，例如炼钢厂、发电厂周边，才能上马低温发电机项目，而使用本实用新型，只要在水源边上，不论是淡水还是咸水，都可以进行低温发电，当然，如果有废热，利用前述的高温冷热能分离装置，能够产出更加优质的蒸汽用于低温发电。因此，该供应站对解决偏远地区、海岛及需要分布式能源供应的区域和单位，有着非常重要的作用。节能减排效果非常显著。由于分离的热能部分被利用并部分转化为电能，对应的冷能则相对增多，对环境没有升温作用。按目前的低温发电技术，输入60度以上温度的热水做为能源，即可发出输入有效能源6％-12％电力。随着技术的发展，低温发电技术的效率还有可能提高，能量利用效率还会更高。

本实用新型在制热的同时制冷，在海边及南方的江河沿岸可四季运行。在北方冬季供暖时，可采用冬季储存冰块，夏季使用或出售的方式解决冬季生产时的产冰问题。

本实用新型利用蕴藏在海水中的热能(显热和结冰潜热)发电，提供电能。从表1和表 2提供的数据可知，将1吨常温水中的显热和结冰潜热分离出来，相当于燃烧16.8Kg的标准煤产生的热量，按发电效率20％计算可发电18.6KWH，而分离1吨常温水的显热和结冰潜热所消耗的能量仅为5.6KWH(COP＝18)。

可用于夏季低成本供冷服务，特别是大型楼宇、医院、写字楼集中空调的改造和居民小区的部分空调的节能替代改造(采用地冷技术)，由于国家一级能效空调的能耗比仅为COP＝3.4，对比新技术下限的COP＝18能耗高5倍以上，因此，新技术优势非常明显。

可用于冬季低成本供热服务。根据能量是守恒原理，分离的热能和冷能量是相等的，新技术机组在制冰的同时生产等能量的水蒸气可供使用。以能耗比18计算，产热的效率仍然很高，如不用于将冰块融化，完全用于建筑物供热，供热面积基本与夏季供冷面积相当。

分离出的水蒸气可视作地热源，冷热能分离系统可提供稳定的蒸汽流，为低温螺杆发电机提供热源发电。由于低温发电效率在8％到12％之间，蒸汽源经发电利用后仍将保有85％以上的低温热能(90度以上热水)可以利用，而此温度的热水完全满足供暖，洗澡热水(4050 度)的使用需要。

本实用新型可用于海岛的供电，淡水供应，冬季供热，夏季供冷。

本实用新型可以在原有的低温发电设备基础上改造，增加一套冷热能分离装置即可。因此，在现有设备改造方面，本实用新型同样具有设备成本较低，占地面积小，对原有设备系统改造方便，改造投资低，投资回收期短，收效快的优点。

Claims (8)

1.一种真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：包括一冷热能分离装置和一低温发电装置，

所述冷热能分离装置包括一分离设备和一真空泵机组，

所述冷热能分离设备包括一密封容器，该密封容器上至少设有一进水口和蒸汽出口；

所述真空泵机组的吸气口连接所述密封容器上的蒸汽出口，其上还设有高温蒸汽和/或热水排出口；

所述低温发电装置包括一低温发电机组，该低温发电机组包括：

一低温发电机，

一发电介质蒸发器；及

一发电介质冷凝器；

所述发电介质冷凝器与所述发电介质蒸发器均为间壁式换热器，两者中的发电介质流道相连接，并与低温发电机连接，构成一循环系统；

所述低温发电装置中的所述发电介质蒸发器上的高温蒸汽进口通过管路连接所述冷热能分离装置中的所述真空泵机组的所述高温蒸汽和/或热水排出口。

2.根据权利要求1所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：所述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一级冷热能分离装置，在其中的所述密封容器上还设置冰浆出口，在该一级冷热能分离装置的所述高温蒸汽排出口上连接储罐；在该一级冷热能分离装置和所述低温发电装置之间还包括一高温冷热能分离装置，称为二级冷热能分离装置，包括一二级冷热能分离设备和二级真空泵机组，所述二级冷热能分离设备中包括二级密封容器，该二级密封容器上至少设有一高温进水口和一高温蒸汽出口，该高温进水口连接所述一级冷热能分离装置的所述高温蒸汽排出口上连接的所述储罐，该高温蒸汽出口上连接该二级真空泵机组，该二级真空泵机组的高温蒸汽和/或热水排出口通过管路连接所述低温发电装置中的发电介质蒸发器上的高温蒸汽进口；或者，

所述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一次冷热能分离装置，在其中的所述密封容器上还设置冰浆出口，还包括一高温冷热能分离装置，称为二次冷热能分离装置，该二次冷热能分离装置包括一二级冷热能分离设备和二级真空泵机组，所述二级冷热能分离设备中包括二次密封容器，该二次密封容器上至少设有一二次进水口和一二次蒸汽出口，该二次进水口通过管路连接所述低温发电装置中的所述发电介质蒸发器的废蒸汽出口，或者连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口；该二次蒸汽出口连接该二次真空泵机组的吸气口，该二次真空泵机组的所述高温蒸汽和/或热水排出口通过管路连接与所述一次冷热能分离装置连接的所述低温发电装置中的发电介质蒸发器上的加热蒸汽入口，和/或，连接另一个低温发电装置中的发电介质蒸发器上的高温蒸汽进口；或者，

所述冷热能分离装置为低温冷热能分离装置，称为一次冷热能分离装置，还包括一高温冷热能分离装置，称为二次冷热能分离装置，该二次冷热能分离装置包括一二次密封容器，该二次密封容器上至少设有一二次进水口和一二次蒸汽出口，另外，还包括一间壁式换热器，其中设有加热剂流道和水流道，所述一次冷热能分离装置中的真空泵机组的所述高温蒸汽和/或热水排出口通过管路与所述换热器的加热剂流道的进口连接，所述二次冷热能分离装置中的二次密封容器上进水口通过管路连接所述换热器的水流道的出口，所述二次冷热能分离装置中的真空泵机组的高温蒸汽和/或热水排出口连接所述低温发电装置上的发电介质蒸发器的高温蒸汽进口；或者，

所述分离设备包括低温冷热能分离装置和/或高温冷热能分离装置，所述低温冷热能分离装置中的所述密封容器上还设有冰浆出口；所述高温冷热能分离装置中的所述密封容器上至少设置进水口和蒸汽出口。

3.根据权利要求1所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：

所述密封容器的进水口上连接一管路的一端，该管路的另一端至少连接下列设备之一：

所述发电介质冷凝器的冷却水出口；

所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；

所述真空泵机组的高温蒸汽排出管路上的一个支路管口。

4.根据权利要求1或2或3所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：

所述密封容器中，设置搅拌装置；和/或，

所述密封容器中设置一供液盘，该供液盘设置在所述密封容器内的下部，低于所述密封容器中的设定液面高度，该供液盘为一花洒，喷液孔朝上地设置，底部的进液孔通过管路连接所述进水口；和/或，

所述密封容器中的上部腔室中设置加热器，其位于所述密封容器中的设定液面上方；和/或，

在所述低温发电机组中包括至少两个所述低温发电机，其串联连接，即前一个低温发电机的发电介质乏蒸汽的排出口通过管路连接后一个低温发电机的发电介质蒸汽进口，最后一个低温发电机的发电介质乏蒸汽的排出口通过管路连接所述发电介质冷凝器的发电介质乏蒸汽入口；和/或，

在所述密封容器的液面上方设置进水口，该进水口上设置喷水装置，使得进水喷射状进入密封容器；和/或，

在所述密封容器内的液面上方设置进水口上连接一接管的一端，该接管的另一端连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口和/或所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；和/或，

所述真空泵机组为多级真空泵，其中第一级真空泵的吸气口连接所述密封容器上的蒸汽出口，后一级的吸气口连接前一级的排气口，从前向后各级真空泵的抽气量逐渐减小，使得抽出的蒸汽压力逐级提高至大气压，在最后一级设有所述高温蒸汽和/或热水排出口。

5.根据权利要求1或2所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：在所述冷热能分离装置中的所述密封容器的进水口的管路上，设置一预热器，使得进入密封容器的水被预热。

6.根据权利要求5所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：

所述预热器为间壁式换热装置，

预热介质来源于低温发电装置的发电介质：所述低温发电装置中的低温发电机的发电介质排出口上连接一根支管的一端，该支管的另一端连接所述密封容器进水口上设置的所述预热器的加热介质进口，用于间壁加热进入密封容器的水，所述预热器上加热介质出口连接一发电介质回流管的一端，发电介质回流管的另一端连接低温发电装置中发电介质蒸发器的发电介质进口，或者连接发电介质储罐，由此使用发电介质的热量提升进入密封容器水的温度；和/或，

预热介质来源于所述密封容器上连接的所述真空泵机组排出的蒸汽：所述预热器的加热介质的进口连接一支管路的一端，该支管路的另一端连接所述真空泵机组的高温蒸汽和/或热水排出口连接的管路上的一个支路口；和/或，

预热介质来源于低温发电装置中冷却发电介质的冷却水：所述预热器的加热介质的进口连接一支管路的一端，该支管路的另一端连接所述低温发电装置中的所述发电介质冷凝器的冷却水出口；和/或，

预热介质来源于低温发电装置中加热发电介质后排出的乏蒸汽：所述预热器的加热介质的进口连接一支管路的一端，该支管路的另一端连接所述低温发电装置中的所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口。

7.根据权利要求4所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：所述加热器为加热盘管，加热盘管的两端管口密封地伸出所述密封容器以连接加热介质供给设备；和/或，

喷水装置的喷水口采用水平方向或向下倾斜方向设置；和/或，

所述喷水口至少连接如下装置之一：

连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口；

连接所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；和/或，

所述多级真空泵，其中的第一级真空泵和第二级真空泵为罗茨真空泵，最后一级真空泵为螺杆式真空泵。

8.根据权利要求7所述的真空升华蒸发冷热能分离法分布式能量供应站，其特征在于：所述加热盘管连接所述真空泵机组的蒸汽排出口；和/或，

所述加热盘管连接所述发电介质冷凝器的冷却水出口；和/或，

所述加热盘管连接所述发电介质蒸发器的乏蒸汽出口；和/或，

所述加热盘管连接所述低温发电机的乏蒸汽出口。

Images