本发明提供一种高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统，其中的分离系统包括一个密封的容器，在该容器上设有液体进口、气体出口和固体或固液混合物出口；在该气体出口上连接一真空升华蒸发机组，为密封容器提供设定的蒸发压力；所述真空升华蒸发机组为一压气机组，其包括至少一台压气机，该压气机上设有吸气口和排气口，所述吸气口与所述容器的气体出口连接。本发明还提供分离方法，其中给出真空升华蒸发机组的压气机的各种压比设计，本发明通过分离系统和相应的分离方法可以大流量抽吸容器中真空蒸发所产生的水蒸汽以提高冷热能的分离效率；本发明还提供所述分离系统用于发电的发电方法和发电系统。
高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统和分离方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于绿色能源技术领域，涉及一种真空升华蒸发冷热能分离系统，尤其提供一种高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统，还提供使用该分离系统的分离方法。另外，还提供该分离系统在海洋温差发电中的应用。
背景技术
[0002] 真空升华蒸发冷热能分离技术是一种利用真空蒸发和升华分离水中能量的技术。水中含有大量的能量，用一吨0℃水结成冰所释放出来的结晶潜热可将一吨20℃的常温水加热到100℃，能量可达93KWH。而对比筑水坝发电，一吨水在超百米高度落差条件下，势能仅能发电0.3KWH左右，仅为一吨水中结晶潜热能量的0.32％，即等量水中的结晶潜热是水百米落差势能的290倍左右。以长江为例，三峡大坝每年发电1000亿度左右，长江流量近
10000亿吨/年。(我国全年发电量72255亿度，民用电10248亿度。计算可知三峡发电量为全国总发电量的1.38％)。而该流域水量所含结晶潜热930000亿度左右。发电量仅为所含结晶潜热的千分之一左右。
[0003] 水也是很好的储能载体，很好实现了对地球温度的调节。与现有储能电池作比较，见下表1：
[0004] 表1
[0005]
[0006] 从表1可见，仅从储能的角度看，1吨常温水储存的热能(显热和结晶潜热)是铅电池的近三倍，是最热门的锂电池的1/2，可见储能能力巨大。
[0007] 分离出的能量可使热能以热水或蒸汽的形式保存，冷能以冰浆或冰块的形式保存，并加以利用。35‑40℃的热水即可用于冬季采暖，农用温室大棚的种植、养殖等生产活动。即使在我国北方冬季，河流冰层下的流水，依然保存着巨大的能量。分离出热能后的冰可在适当的季节或条件下自然融化。可为无霜期短的广大地区提供新的生产模式。分离出的冷能则可以用于制冰、夏季的空调(地冷，16‑18℃冷水即可实现)以及为农产品保鲜提供冷源等生产活动。运用冷冻法也可用于海水、苦咸水淡化，开辟新的水源。该冷热能分离技术是一种用途非常广泛且非常具有发展前景的绿色能源技术。
[0008] 海洋温差发电的提出，是基于海水表面和深部有大约20℃温差的现象提出的，其原理如图11和图12所示，但百年已过，却一直没有商业化，且原因之一就在于只是利用海水中的显热做功发电，使得吨水使用热能不足，造成发电效率低，需要海水量大，深部海水的抽取还要消耗大量的能源。冷热能分离是将液体的潜热利用起来，这样势必比起只利用液体显热可以大大提高发电效率、减小水的输送量，现有技术中没有这样的方案。
[0009] 如图1所示，在该冷热能分离系统中包括一个密封的容器1，还包括一抽真空系统2，对容器1抽真空，以形成一个使得水能够在其中真空蒸发的人造环境。要使得容器1中能够保持一个设定的真空工况，使其中的水能够不断地蒸发，以获得高效率的分离冷热能的效果，将水蒸气从人造真空环境中高效抽出是最为关键的步骤。在500Pa的真空环境下，水蒸气的密度大大降低，是大气压力条件下的二百分之一左右。在此条件下完全使用现有的真空泵系统，质量流量将会很小，由此使得分离效率不高。
[0010] 为了提高冷热能分离的效率，就需要配置一个大质量流量的抽真空系统。如何才能使得抽真空系统具有大质量流量，从而使得冷热能分离高效率地进行，是本发明要解决的技术问题。
发明内容
[0011] 本发明的目的在于提供一种高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统，其中的抽真空系统可以大流量抽吸容器中真空蒸发所产生的水蒸汽以提高冷热能的分离效率。
[0012] 本发明的另一个目的是提供使用该分离系统的分离方法。
[0013] 本发明的再一个目的是提供一种利用前述高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统进行发电的系统和方法。
[0014] 本发明的目的是这样实现的：
[0015] 一种高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统，包括一个密封的容器，在该容器上设有液体进口、气体出口和固体或固液混合物出口；在该气体出口上连接一抽真空系统，其为一真空升华蒸发机组，连续高效地抽出所述容器中的蒸汽，为密封容器提供设定的蒸发压力；
[0016] 所述真空升华蒸发机组为一压气机组，其包括至少一台压气机，该压气机上设有吸气口和排气口，该压气机的吸气口与所述容器的气体出口连接。
[0017] 进一步地，所述压气机组包括至少两台压气机，各台压气机串联连接。
[0018] 优选地，所述压气机可以是轴流式压气机，也可以是离心式压缩机。
[0019] 优选地，所述轴流式压气机为多级轴流式压气机。
[0020] 具体地，一个关于多级轴流式压气机的优选方案是：所述多级轴流式压气机包括一个机壳，在该机壳中设置该压气机的电机，该电机为其两端各设置一输出轴且两根输出轴同轴线的双轴电机，在两根输出轴上分别固设有若干转子叶片，在相邻的转子叶片之间设置静子叶片，该静子叶片固定在所述机壳上。
[0021] 优选地，在两根输出轴上对称地设置数量相同的转子叶片。
[0022] 优选地，在每根所述输出轴上设置2‑4个所述转子叶片。
[0023] 优选地，在所述电机两侧与所述电机相邻的转子叶片的轮毂的端部内凹，电机机身两端的至少一部分容纳在内凹的空间中，在两个与电机相邻的转子叶片之间的电机机身上设置静叶片。
[0024] 优选地，在所述电机机身上设置所述静子叶片处设有冷却装置，以利于电机散热。
[0025] 该静子叶片成为所述电机在所述机壳中的支架。在该支架上设置电源输入端口和冷却装置的输入输出端口。
[0026] 优选地，所述多级轴流式压气机机壳由一段圆锥形筒和一段圆柱形筒组成，该圆锥形筒的大直径一端为该压气机的进口端。
[0027] 进一步地，所述多级轴流式压气机为对旋式压气机，即包括两个多级轴流压气机，两个压气机的机壳密封连接，两个多级轴流压气机中的叶轮的旋向相反，电机转向相反，形成对旋效应。
[0028] 优选地，所述真空升华蒸发机组中还包括换热器，作为冷却器和/或冷凝器，其中设置蒸汽通道和冷却剂通道，该蒸汽通道的进口与在前的所述压气机的排气口连接，以对所述压气机抽出的蒸汽冷却或冷凝。
[0029] 优选地，所述真空升华蒸发机组中还包括一真空泵，该真空泵的出口与大气连通，其入口连接在前的所述压气机换热器。
[0030] 下面是几个所述真空升华蒸发机组的优选方案：
[0031] 方案1：包括一台多级轴流式压气机和一台真空泵，其串联连接，所述多级轴流式压气机的进气口连接所述容器的气体出口，所述真空泵的出气口与大气连通。
[0032] 方案2：包括一台对旋结构的多级轴流式压气机、一台冷凝器和一台真空泵，其顺序串联连接，所述多级轴流式压气机的进气口连接所述容器的气体出口，所述真空泵的出气口与大气连通。
[0033] 方案3：包括一台对旋结构的多级轴流式压气机和一台离心式压缩机，其串联连接。
[0034] 方案4：包括一台对旋结构的多级轴流式压气机、一台冷却器、一台压气机、一台冷凝器和一台真空泵，其顺序串联连接，其中的压气机为对旋结构的多级轴流式压气机或离心式压缩机。
[0035] 优选地，所述真空升华蒸发机组为两台以上轴流压气机，还包括一组气‑液换热器，即冷凝器，所述气‑液换热器上设有进气口、出气口和排液口，所述进气口连接第一台所述压气机的所述排气口，所述出气口连接第二台所述压气机的进气口，第二台所述压气机上的排气口与大气连通；所述排液口连接管路系统以收集热水加以利用。
[0036] 为了提高分离效率，就必须引入大流量的高效真空系统。轴流压气机或离心压缩机作为真空环境出口处的水蒸气抽出设备，抽出的水蒸气经压缩升压并随后通入串联的换热器。这样的换热器的功能要求也从简单冷却降温变为可实现对抽出的水蒸气实现70％‑90％左右的冷凝，直接产生一定温度的冷凝水。以获得较好的热能分离效果。
[0037] 为提高系统运行的可靠性并降低成本，优选该改进型初级压气机和离心压缩机组成压气机组。
[0038] 优选地，所述真空升华蒸发机组还包括一组气‑液换热器即冷凝器和一真空泵，所述冷凝器包括一个壳体，在该壳上设有进气口、出气口和排液口，所述进气口连接所述压气机的所述排气口，所述出气口连接所述真空泵的进气口，所述真空泵上的排气口与大气连通。
[0039] 通过多台压气机组与多台气‑液换热器的多种形式组合，以实现高效分离水中潜热和显热达到规模使用的目的。
[0040] 优选地，所述真空泵为螺杆式真空泵。
[0041] 本发明提供的使用上述分离系统的真空升华蒸发冷热能分离方法，其中包括使用所述真空升华蒸发机组从所述容器中抽取蒸汽的步骤。
[0042] 进一步地，在该步骤中，在前一个压气机抽出的蒸汽在进入下一个压气机之前先引入一换热器，作为冷却器或冷凝器，在该冷却器中，将由前面的压气机抽出的蒸汽降温，在该冷凝器中，将其中70‑90％的蒸汽冷凝下来。
[0043] 在抽取蒸汽步骤中，所述真空升华蒸发机组中各个压气机的压比范围在2‑20。
[0044] 如下是几个抽取蒸汽步骤中的优选方案：
[0045] 方案1：抽取蒸汽步骤中，通过二级压气机直接抽出水蒸气：第一级压气机压比：15，串联第二级压气机压比：15，总压比：225。
[0046] 方案2：不直接抽出水蒸气，而是通过换热器将水蒸汽冷凝。
[0047] 抽取蒸汽步骤中，第一级压气机压比：15‑16，对应气液平衡压力7500Pa‑8000Pa，温度40.5℃，随后，蒸汽进入串联的换热器，将70％‑90％的水蒸汽冷凝为温水，之后，进入第二级压气机，其压比：15，抽出剩余的水蒸气。
[0048] 方案3：不直接抽出水蒸气，而是通过换热器将水蒸汽冷凝。
[0049] 抽取蒸汽步骤中，第一级压气机压比：15‑16，对应气液平衡压力7500Pa‑8000Pa，温度40.5℃，随后，蒸汽进入串联换热器，将70％‑90％的水蒸汽冷凝为温水，剩余的水蒸气从冷凝器出口被后面串联的螺杆真空泵抽出。
[0050] 方案4：不直接抽出水蒸气，而是通过换热器将水蒸汽冷凝。
[0051] 抽取蒸汽步骤中，第一级压气机压比：4，随后串联换热器降温，再串联一台离心压缩机，其压比：4，总压比为16，对应气液平衡压力7500Pa‑8000Pa，温度40.5℃，随后，蒸汽进入串联换热器将70％‑90％的水蒸汽冷凝为温水，剩余的水蒸气从冷凝器出口被后面串联的螺杆真空泵抽出。
[0052] 方案5：不直接抽出水蒸气，而是通过换热器将水蒸汽冷凝。
[0053] 第一级压气机压比：3‑4，对应气液平衡压力1500Pa‑2000Pa，温度13°‑17℃，随后蒸汽进入串联冷凝器，输入的冷却介质温度2℃以下，将40％‑90％的水蒸汽冷凝为温水，剩余的水蒸气从冷凝器出口被后面串联的压气机和/或螺杆真空泵抽出。
[0054] 该方法适用于海水淡化生产为主的应用。
[0055] 在抽取蒸汽步骤中，所述冷却器和/或冷凝器中的冷却剂为常温空气或水，例如20‑30℃的空气或水。
[0056] 在抽取蒸汽过程中，所述冷却器和/或冷凝器中的冷却剂可以为在后的所述冷凝器中排出的冷凝水。
[0057] 利用不同的工艺条件设计，在未达到大气压前，利用冷凝器将压气机抽出的水蒸气70％‑90％冷凝成结晶水(50℃以上)，作为热能量输出。由于不同压比的压气机组输出的蒸汽压力不同，冷凝温度也不同，本发明提供了完善工艺设计，获得高效能量分离的多种可能。
[0058] 利用前述高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统进行发电方法，其中包括一发电系统，该发电系统包括一螺杆膨胀机或汽轮机、一发电机，所述螺杆膨胀机或汽轮机上设有一新蒸汽进口和一乏蒸汽出口，该螺杆膨胀机或汽轮机的机轴上连接所述发电机的转子，其特征是：将所述真空升华蒸发机组中的蒸汽通入所述螺杆膨胀机或汽轮机。
[0059] 进一步地，所述发电系统包括一螺杆膨胀机或汽轮机、一发电机，所述螺杆膨胀机或汽轮机上设有一工质新蒸汽进口和一工质乏蒸汽出口，该螺杆膨胀机或汽轮机的机轴上连接所述发电机的转子，还包括一工质蒸发器和一工质泠凝器，所述工质蒸发器中设有相变工质流道和加热剂流道，工质蒸发器中的相变工质流道的两端分别是液态工质进口和气态工质蒸汽出口，所述工质冷凝器中设有相变工质流道和冷却剂流道，工质冷凝器中的相变工质流道的两端分别是工质乏蒸汽进口和液态工质出口，所述工质蒸发器的气态工质蒸汽出口连接所述螺杆膨胀机或汽轮机的工质新蒸汽进口，所述螺杆膨胀机或汽轮机的乏蒸汽出口连接所述工质冷凝器的工质乏蒸汽进口，所述工质冷凝器的液态工质出口连接所述工质蒸发器的液态工质进口；其特征是：
[0060] 在所述工质蒸发器的加热剂流道中通入所述真空升华蒸发机组中的蒸汽或热水，用以将工质加热成蒸汽通入所述螺杆膨胀机或汽轮机。
[0061] 具体地，
[0062] 可以是将所述工质蒸发器中所述加热剂流道的进口连接到所述真空升华蒸发机组中所述压气机组上的排气口；
[0063] 或者连接所述真空升华蒸发机组中所述压气机组后面连接的所述冷凝器或冷却器的出口；
[0064] 或者将所述工质蒸发器和所述真空升华蒸发机组中的冷凝器或冷却器合二为一，压气机排出的蒸汽或热水对工质进行加热，然后再排放。
[0065] 所述工质冷凝器中所述冷却剂流道直接或间接地引入所述容器中排出的冰浆。
[0066] 上述发电系统为：
[0067] 包括一螺杆膨胀机或汽轮机、一发电机，所述螺杆膨胀机或汽轮机上设有一新蒸汽进口和一乏蒸汽出口，该螺杆膨胀机或汽轮机的机轴上连接所述发电机的转子，所述真空升华蒸发机组中的所述压气机组的蒸汽出口连接所述螺杆膨胀机或汽轮机的所述新蒸汽进口。或者，
[0068] 包括一螺杆膨胀机或汽轮机、一发电机，所述螺杆膨胀机或汽轮机上设有一新蒸汽进口和一乏蒸汽出口，该螺杆膨胀机或汽轮机的机轴上连接所述发电机的转子，还包括一工质蒸发器和一工质冷凝器，所述工质蒸发器中设有相变工质流道和加热剂流道，工质蒸发器中的相变工质流道的两端分别是液态工质进口和新气态工质蒸汽出口，所述工质冷凝器中设有相变工质流道和冷却剂流道，工质冷凝器中的相变工质流道的两端分别是工质乏蒸汽进口和新液态工质出口，所述工质蒸发器的新气态工质蒸汽出口连接所述汽轮机的蒸汽进口，所述汽轮机的乏蒸汽出口连接所述工质冷凝器的工质乏蒸汽进口，所述工质冷凝器的新液态工质出口连接所述工质蒸发器的液态工质进口；
[0069] 所述工质蒸发器的加热剂流道的进口连接所述真空升华蒸发冷热能分离系统的如下位置至少其中之一：
[0070] 所述真空升华蒸发机组中所述压气机组上的排气口；
[0071] 所述真空升华蒸发机组中所述压气机组中的所述冷凝器或冷却器的出口；
[0072] 所述真空升华蒸发机组中所述压气机的出口；
[0073] 所述工质蒸发器即为所述真空升华蒸发机组中所述压气机组中的所述冷凝器或冷却器。
[0074] 所述工质冷凝器的冷却剂流道的进口直接或间接连接所述容器的冰浆出口。
[0075] 本发明提供的高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统和分离方法，其中的真空升华蒸发机组为压气机，其可以是多级轴流式压气机，甚至是对旋结构的多级轴流压气机，这样的压气机由于其质量流量较大，通过对于真空升华蒸发机组中压气机结构和压比的设计，冷凝器、冷却器的设置，可以大的质量流量抽出蒸汽，因此，可以实现高效率地从容器中抽出从液态通过真空升华蒸发而产生的蒸汽，维持容器内的真空条件的目的，可以快速地完成冷热能的分离。使得利用冷热能分离系统在诸如海水淡化等方面的节能应用上起到积极影响。而将发电的工质利用真空升华蒸发冷热能分离系统中的真空升华蒸发机组抽出的蒸汽或经冷却或冷凝后的热水进行加热汽化，以至于用冷热分离系统中容器排出的冰浆作为冷凝器的冷却剂将工质液化，很好地解决了海水温差发电单靠海水表面的热能温差太小和需要输送大量海水的问题。下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
[0076] 图1为本发明提供的真空升华蒸发冷热能分离系统的结构示意图。
[0077] 图2为实施例1的分离系统中真空升华蒸发机组的结构示意图。
[0078] 图3为实施例2的分离系统中真空升华蒸发机组的结构示意图。
[0079] 图4为实施例3的分离系统中真空升华蒸发机组的结构示意图。
[0080] 图5为实施例4的分离系统中真空升华蒸发机组的结构示意图。
[0081] 图6为一种多级轴流式压气机的结构示意图。
[0082] 图7为在图6所示压气机中增加对于电机冷却的装置的结构示意图。
[0083] 图8为在图7所示压气机中改圆筒形机壳改为包含一端圆锥筒机壳压气机的结构示意图。
[0084] 图9为一种对旋结构压气机的结构示意图。
[0085] 图10为另一种对旋结构压气机的结构示意图。
[0086] 图11为利用海水温差发电的开式循环示意图。
[0087] 图12为利用海水温差发电的闭式循环示意图。
[0088] 图13为利用真空升华蒸发冷热能分离系统进行发电的方案1的示意图。
[0089] 图14为利用真空升华蒸发冷热能分离系统进行发电的方案2的示意图。
[0090] 图15为利用真空升华蒸发冷热能分离系统进行发电的方案3的示意图。
具体实施方式
[0091] 如图1所示，本发明提供的高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统，包括一个密封的容器，也可以称为是结晶器1，结晶器1内构成一人造环境，结晶器1中设有液体进口11、蒸汽出口12和固液混合物出口13，在该蒸汽出口12上连接一真空升华蒸发机组2，在结晶器1中还设有搅拌器14。
[0092] 在结晶器1中通过真空升华蒸发机组2抽真空，构成前述人造环境的真空环境，液体，例如水由液体进口11输入，水在结晶器1内的真空环境中真空蒸发升华，气化的蒸汽不断地由蒸汽出口12被真空升华蒸发机组2抽出，抽出的蒸汽经压气机压缩使蒸汽压力温度升高，留在结晶器1内的水由于失去热量即结冰，冰浆固液混合物从出口13排出，由此完成冷热能分离。
[0093] 实现将水的能量进行分离，需要在绝对压力500Pa以下的环境中进行能量分离。在出口为大气压力条件下(绝对压力为101320Pa)，压比可达203。如使用轴流压气机真空系统，将500帕环境中的水蒸气抽出并排入大气，压缩比需200以上。以此条件并根据如下公式可计算出轴流压机真空系统的功率，计算公式及结果列表如下：
[0094] 1.不同压比压气机的电机功率估算公式：
[0095] P＝qm*Cp*T1*(π^((k‑1)/k)‑1)/eta/1000，
[0096] 其中：
[0097] P：电机功率，qm：质量流量，Cp：定压比热，Cp＝k/(k‑1)*R＝2002J/kgk，[0098] eta：绝热效率：eta＝0.8，π：压比，COP：能耗比，T1：入口温度，K：比热比，K＝1.3，气体常数：R(J/KgK)＝462。
[0099] 2.不同压比下出口温度计算公式：
[0100] 温差＝T1*(π^((k‑1)/k)‑1)/eta
[0101] 表2中列出了各种压比下压缩机功率值。
[0102] 表2
[0103]
[0104]
[0105] 表2中，P1为真空升华蒸发机组的入口压力，即结晶器1中的压力，P2为真空升华蒸发机组的出口压力，T1为结晶器1中的温度，T2为真空升华蒸发机组排出口的温度，P为真空升华蒸发机组的电机功率。
[0106] 从上表可看出，随压比的上升，所需功率消耗也随之大幅增加，蒸汽的出口温度也大幅上升。
[0107] 在本发明中，真空升华蒸发机组使用大流量的压气机。
[0108] 为实现节能高效的目的，由此产生多个方案，以下为主要的几个方案。如下实施例只是作为举例，本发明的保护范围以权利要求书为准。
[0109] 实施例1：
[0110] 真空升华蒸发机组2采用两台多级轴流式压气机串联构成轴流压气机组，如图2所示。当采用第一台多级轴流式压气机21的压比为20(压力可从500Pa达到10,000Pa)，第二台多级轴流式压气机22的压比为10以上时(压力可从10000Pa达到大气压101320Pa以上)，可实现直接分离出100℃以上常压水蒸气，实现热能分离。从表1中可得到两台压气机所消耗的功率为：1122KW+790KW＝1912KW。出口蒸汽温度400℃以上，分离出的水蒸气热能量大于：1335+3762＝5097，COP＞2.67。
[0111] 从表1中可看到，随压比的增加，耗能增加，COP值减小。直接将水蒸气从500Pa条件下抽出达到大气压力，COP仅为2.67左右。
[0112] 如将实施例1分离出的水蒸气用于发电，按低温发动机8～12％的效率，可产生500千瓦左右的电力。方案1的COP也可达到3.6左右。发电后剩余的80％热量4000KWH仍可继续使用。该实施例存在的问题是如此高的压比的压气机制造有一定难度，造价也较高。
[0113] 实施例2：
[0114] 为保证有良好效率，需采取相应措施，以提高能耗比。具体措施为，如图3所示，真空升华蒸发机组2还是采用两台多级轴流式压气机，但区别在于：在第一台多级轴流式压气机21出气口处连接冷凝器23，将压气机21抽出的大部分水蒸气凝结为水，以热水的形式获得分离的热能量，水温确定为50‑70℃(后续还可间接以较小的能量消耗将该热水转换为水蒸气)。冷凝器23的出气口连接第二台多级轴流式压气机22。这样的真空升华蒸发机组，如第一台压气机21的压比在15‑16，抽出的水蒸气在冷凝器23中有70％到90％被凝结为水，第二台多级轴流式压气机的功率将减少为原有功率的1/7以下，功率的初步计算结果为：1122KW+790/7＝1235KW，分离出的水蒸气热能量大于：788+3762＝4550。COP＝3.68，由此可以看出，在两级压气机之间增冷凝器23，可以使得效率大大提高。
[0115] 实施例3：
[0116] 如图4所示，真空升华蒸发机组2包括一台多级轴流式压气机21，一台冷凝器23和一台螺杆真空泵系统24。结晶器1的蒸汽出口12连接多级轴流式压气机21的进口，压气机21的出口连接冷凝器23的蒸汽进口，冷凝器23的蒸汽出口连接螺杆真空泵系统24，真空泵24的出口放空。
[0117] 下面的表3列出压气机21的出口温度和对应的平衡压力P2的数据。
[0118] 表3
[0119] P2(Pa) 气‑液平衡温度℃ K661 0 273
800 4 277
1000 7 280
1500 13 286
2000 17 290
2500 21 294
3000 24 297
3500 27 300
4000 29 302
5000 33 306
7500 40.5 313.5
10000 46 319
20000 60 333
30000 69 342
[0120] 当压气机21‑1出口压力为7500Pa时，压比＝15，对应气‑液平衡温度为40.5℃，在此压力下，轴流压气机21从结晶器1中抽出的水蒸气温度是40.5℃以上，进入冷凝器23中，与自然状态中常温水换热，自然状态中常温水一般为20℃左右，水蒸气便放出热量，凝结为结晶水。温差可达20℃左右，完全可以满足热交换冷凝70％‑90％水蒸气的条件。螺杆真空泵24将冷凝器23中的少量剩余的水蒸气抽出利用或放空。
[0121] 从表1中可看到，当末端压力为7500Pa，压比为15，功率为978KW，螺杆真空泵功率75KW，合计所需功率1053KW。分离热能量800+3762＝4562KWH，分离热能计算COP＝4.33。
[0122] 实施例2中在第二台多级轴流式压气机22之后，也可以连接一台真空泵。
[0123] 实施例4：
[0124] 如图5所示，真空升华蒸发机组2包括一台多级轴流式压气机21，一台冷却器25、一台离心式压气机26、一台冷凝器23和一台螺杆真空泵24。其顺序串联连接。结晶器1的蒸汽出口12连接多级轴流式压气机21的进口，压气机21的出口连接冷却器26的蒸汽进口，冷却器26的蒸汽出口连接离心式压缩机26的进口，离心式压气机26的出口连接冷凝器23的蒸汽进口，冷凝器23的蒸汽出口连接螺杆真空泵系统24，真空泵24的出口放空。
[0125] 在这个实施例中，冷却器25只是将进入的蒸汽进行冷却但不令其析出冷凝水，冷却后的蒸汽再进入离心式压气机26再次加压，可以达到10000Pa，然后该蒸汽进入冷凝器将大部分蒸汽冷凝成水，少量的水蒸气由螺杆式真空泵24排出放空。
[0126] 在两台压气机之间设置一冷却器，降低蒸汽的温度，也可以提高效率。
[0127] 根据以上的压气机在不同压比条件下的电机功率配置表，以及在不同压力下水的气液平衡温度表，可根据具体设备情况，设计多种工艺路径，以保证设备投入最少，能耗比最高，以取得最好的经济效益。
[0128] 表4是各种燃料获取热能成本对比(以加热1吨常温水至60℃为例)。
[0129] 表4
[0130]
[0131] 经计算真空蒸发技术获取热能的成本，在COP＝5，电价0.56元/度的条件下为112.7元/MWH，与烧煤108元/MWH基本相同。如利用峰谷电价和新能源技术，电价可降至0.45元左右，90元/MWH的热能成本将明显低于烧煤成本，是空气能热水器的一半。而二氧化碳排放量也为空气能热水器的近一半。
[0132] 以上各个分离系统方案，计算的仅为分离的热能效率，同时，结晶器1中还生成冰，排出冰浆，还应包含制冰的冷能(40吨冰)，如融化为0℃水，释放冷能40*93KW＝3720KWH。冷热能合计：4322KWH+3720KWH＝8042KWH，综合能耗比COP＝11.7左右。
[0133] 本发明使用的压气机可以是如图6所示的多级轴流式压气机，其上设有吸气口201和排气口202，吸气口201与结晶器1的气体出口12或者和前面的压气机的出口连接，或者和前面的冷却器或冷凝器的排出口连接，排气口202连接后一级的压气机或冷却器或冷凝器的进口。如图6所示，在前面的各个实施例中所使用的压气机可以是这样的结构：多级轴流压气机包括一个机壳203，在机壳203中设置该压气机的电机204，电机204为其两端各设置一输出轴且两根输出轴同轴线的双轴电机，在两根输出轴上分别固设有若干转子叶片，在相邻的转子叶片之间设置静子叶片，静子叶片固定在机壳203上。在两根输出轴上对称地设置数量相同的动叶片。如图6所示，在电机204的左侧的输出轴上设置三个转子叶片A，在电机204右侧的输出轴上设置三个转子叶片B。在各转子叶片之间设置静子叶片C。在多级轴流式压气机中，在电机204的两侧对称地设置数量相等的动叶片，使得两边动力平衡，而且电机设置在中间，在电机所在位置的机壳中设置静叶片，这样可以使得压气机的结构更加紧凑。另外，电机轴和靠近电机204的两个转子叶片，轮毂的端部内凹，电机机身两端的一部分容纳在该内凹的空间中，即叶片与电机轴连接的轮毂部分在输出轴上，但叶片延设到电机的壳体外面，这样的设计也能够使得压气机结构紧凑。电机机壳和相邻的转子叶片之间设有间隙。
[0134] 在电机204的外壳的中间，设置一静子叶片，该静子叶片还可以起到支撑电机的支架作用，该静子叶片可以做的轴向长度比其他静子叶片更长一些，这样可以使得电机在压气机的机壳中固定的更加稳定。
[0135] 一个更好的实例中，电机两侧的输出轴上分别对称地固设四个转子叶片。
[0136] 另外，如图7所示，在电机外壳的中间的静子叶片C1的内侧可设置一个容置腔，在其中设有一盘管C2，该盘管C2的两端沿静子叶片从压气机的壳体伸出(图中未示出)，连通冷却剂，对电机进行冷却降温。
[0137] 为了使得多级轴流式压气机的压气效果更好，如图8所示，多级轴流式压气机机壳由一段圆锥形筒203‑1和一段圆柱形筒203‑2组成，该圆锥形筒的大直径一端为该压气机的进口端201。
[0138] 为了获得更高的压比，多级轴流式压气机可以是采用对旋结构。如图9所示，将两个如图6和如图7所示的多级轴流式压气机头尾相接，但是，后一个压气机中叶轮的旋向与前一个压气机相反，运行过程中，电机的转向相反。这样的对旋结构的多级轴流式压气机，多级串联可以达到压比16‑20。
[0139] 如图10所示，也可以将进口段为扩口的锥筒的压气机两个头尾相接，构成对旋结构的多级轴流式压气机。在上述各个实施例中，使用所述分离系统的分离方法，其中包括使用所述真空升华蒸发机组从所述容器中抽取蒸汽的步骤，在该步骤中，在前一个压气机抽出的蒸汽在进入下一个压气机之前先引入一换热器即冷凝器，在该换热器中将70‑90％的蒸汽冷凝下来。
[0140] 增加了换热器，在抽取蒸汽过程中，所述真空升华蒸发机组中各个压气机的压比在2‑20；例如压比可以降低到2，使用几级压气机或几个串联的压气机，可以使得每级或每台压气机的压比较低，而整个真空升华蒸发机组的能耗却得到降低，大大提高COP值。
[0141] 在抽取蒸汽过程中，所述换热器中的冷却剂为常温空气或水。合理地安排压气机的级数或台数，还可以使得抽出的蒸汽的温度高于室温下水或空气的温度，而这个温差能够用室温下的水或空气冷却，使得本过程可以很方便且低成本地进行。
[0142] 在抽取蒸汽过程中，所述换热器中的冷却剂为后面的换热器抽出的冷凝水。通过合理设计各级压气机的压比，还可以直接采用后面换热器的冷凝水做前面换热器的冷却剂。这样还可以提高冷却剂的温度，从而可以使得这些冷凝水具有再利用，例如低温发电等使用。
[0143] 也可以在两台压气机之间设置冷却器，即在冷却器中，不需要将蒸汽冷凝，只是对其降温，这样，也可以提高抽真空的效率。
[0144] 本发明提供的高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统也可以用于发电。
[0145] 如图11所示为海水温差发电的开放式系统，发电系统包括一汽轮机31、一发电机32，汽轮机31上设有一新蒸汽进口和一乏蒸汽出口，汽轮机32的机轴上连接所述发电机的转子，现有技术中，设有一闪蒸器033，将通过温海水泵036将温海水导入真空状态的闪蒸器
033，使其部分蒸发，其蒸气压力约为3kPa(25℃)，相当于0.03大气压力。水蒸气在低压汽轮机31内进行绝热膨胀，做完功之后排出，由冷海水泵037抽冷海水将水蒸气冷凝成液体。冷凝的方法有两种：一种是水蒸汽直接混入冷海水中，称为直接接触冷凝；另外一种是使用表面冷凝器034，水蒸汽不直接与冷海水接触。后者即是附带制备淡水的方法(见图11)。
[0146] 在本发明中，将闪蒸器033换成所述真空升华蒸发机组，将从容器1中抽出并通过压气机压缩形成的蒸汽通入所述螺杆膨胀机或汽轮机。
[0147] 方法1，如图13所示，运用开式循环系统的温差发电系统，结合上述实施例1，用两台多级轴流式压气机21和22组成的真空升华蒸发机组2将从容器1中抽出的蒸汽经过压缩后直接通过螺杆膨胀机或汽轮机发电。由于蒸汽出口压力7500Pa，温度在200℃以上，大大优于原有运行方案，也应有较高的发电效率。开放式循环系统不使用工作介质(工质)。
[0148] 如图12所示，现有技术中海水温差发电还有一种闭式循环系统，封闭式循环系统系利用低沸点的工作流体作为工质。其主要组件包括蒸发器33、冷凝器34、涡轮机31、和发电机32，还包括工质泵035以及温海水泵036与冷海水泵037。当温海水泵将温海水抽起，并将其热源传导给蒸发器内的工质，而使其蒸发。蒸发后的工质在涡轮机内绝热膨胀，并推动涡轮机的叶片而达到发电的目的。发电后的工质被导入冷凝器，并将其热量传给抽自深层的冷海水，因而冷却并且再恢复成液体，然后经循环泵打至蒸发器，形成一个循环。工质可以反覆循环使用，其种类有氨、丁烷、氟氯烷等密度大、蒸气压力高的气体冷冻剂。以氨及氟氯烷22为最有可能的工作流体。封闭式循环系统之能源转换效率在3.3％～3.5％。若扣除泵的能源消耗，则净效率在2.1％～2.3％。
[0149] 在本发明中，对加热工质的蒸发器33进行改进，将真空升华蒸发机组2中的蒸汽或冷凝水引入蒸发器33替代温海水，或者将真空升华蒸发机组2中的冷凝器23替代工质蒸发器。
[0150] 方法2：如图14所示，直接将上述实施例4中的真空升华蒸发冷热能分离系统中的真空升华蒸发机组力的冷凝器23中排出的50°‑70°热水引入海水温差发电系统，热水通入闭式循环系统中的蒸发器33，加热工质使其获得能量去做功。发电效率应在8％‑10％。
[0151] 方法3，如图15所示，将海水温差发电闭式循环系统中的蒸发器33与上述实施例4中的真空升华蒸发冷热能分离系统中的真空升华蒸发机组力的冷凝器23合并设计，用冷凝器23替代蒸发器33，在压比为15时，压力7500Pa，蒸汽出口温度200℃以上，气液平衡温度41℃。该工作参数大大优于海水温差发电系统3300Pa压力，25℃蒸汽出口温度的条件。温差大大增加，发电效率应在15％左右，可满足商业化需求。
[0152] 在上述的方法2和方法3中，工质还是通过工质泵035循环。工质的冷凝可以使用容器1中排出的冰浆。即冷凝器34中冷却剂流道直接或间接地引入容器1中排出的冰浆。
[0153] 运用真空升华蒸发冷热能分离技术生产50‑70°的热水(在COP＝5的条件下，成本为0.1元/KWH)。以此为能源进行发电，冷热温差可达50°以上。发电效率将达到10％。由于夏季对热能需求小，真空升华蒸发冷热能分离装置夏季分离出的热量用处不多。因而造成了近5‑6月的热水能量可以很低的价格购入，用于发电。所产的电力可自用(可提高COP值，降低冷热能分离成本)也可利用峰谷电价出售，以实现效益最大化。在本发明的描述中，需要理解的是：
[0154] 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0155] 此外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，“连接”还可以是通过管路连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
