一种真空升华蒸发冷热能分离供热或供冷设备的制作方法

本实用新型涉及供热或供冷领域，尤其是提供一种通过真空升华蒸发冷热能分离制备热源和冷源适用于夏季纳凉和冬季取暖的供热或供冷设备。

背景技术：

现有技术中，为地暖或集中空调提供能量的通常是通过燃烧燃料或电加热设备，令一种介质例如矿物油升温，然后通过换热使得水被加热，热水在地暖或集中空调管道中循环。夏天利用地冷纳凉，是通过制冷设备的压缩机作用于制冷剂，再通过制冷剂冷却水，被降温的冷水在地热管道或集中空调中循环。

目前的制冷与热泵的主流技术，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，现有的压缩机制冷设备的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)。现有的空气能热水器属于热泵系统，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。

技术实现要素：

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地地暖设备，通过本设备，可以大大降低供热或供冷设备的能耗水平，从而大幅度降低供热或供冷的运行成本。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种真空升华蒸发冷热能分离供热或供冷设备，包括一冷热能分离设备、一真空泵机组和一蒸汽换热器，

该冷热能分离设备具有一个密封容器，该密封容器上设有进水口和蒸汽出口；

该真空泵机组为一多级真空泵，第一级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；

该蒸汽换热器为一间壁式换热器，其中高温流体通道的入口连接所述真空泵机组最后一级的排气口，高温流体通道的出口放空或连接一冷凝水储罐；其中低温流体通道的入口和出口分别连接地暖采热盘管或集中空调的热源水箱的进水管和回水管构成供热设备。

通过本供热设备提供地暖或集中空调供热的过程是：

常温水通过密封容器上的进水口进入，真空泵机组同时或提前启动，对于密封容器抽真空，使其中形成高真空的状态，其中的压力最低可以达到水的三相图中三相点附近或以下。进入密封容器中的水，一部分在所述高真空的环境中不断蒸发，被真空泵机组抽出，真空泵机组逐级对该蒸汽增压，提高了压力的蒸汽温度也逐渐增高；通常的真空泵机组在级间会设置换热器以降低蒸汽的温度，而本设备中的真空泵机组取消级间换热器，这样从真空泵机组最后一级排出的蒸汽的温度较高，可以达到100℃；将该高温蒸汽输入到所述蒸汽换热器的高温流体通道中，对于低温流体通道中的水加热，经过加热的水从蒸汽换热器排出输送到地暖采热盘管或集中空调的热源水箱中使用；经过换热降温的蒸汽，一般都是成为冷凝水，从蒸汽换热器的高温流体通道的出口排放，或者收集起来。随着在密封容器中不断注入常温水，例如自来水，真空泵机组不断的运转，高温蒸汽就会源源不断进入蒸汽换热器，也就能够为地暖采热盘管或集中空调的热源水箱中的水不断加热满足地暖或集中空调供热的需求。

本实用新型还提供一种真空升华蒸发冷热能分离供热或供冷设备，该设备可以只是在夏季提供地冷应用，包括一冷热能分离设备、一真空泵机组和一冰水换热器及一冰浆储罐，

该冷热能分离设备具有一个密封容器，该密封容器上设有进水口、蒸汽出口和冰浆出口；

该真空泵机组为一多级真空泵，第一级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；

该冰浆储罐的进口连接所述冷热能分离设备中的密封容器上设置的冰浆出口；

该冰水换热器为一间壁式换热器，其中低温流体通道的入口连接所述冰浆储罐的出口，低温流体通道的出口连接所述冰浆储罐的回水口或者成为排放口；其中高温流体通道的入口和出口分别连接地暖采冷盘管或集中空调的冷源水箱的进水管和回水管构成供冷设备。

在前述两种设备中，优选地，在所述密封容器中设有搅拌装置，该搅拌装置中的搅拌桨叶设置在密封容器设定液位处以便将液面上结成的冰层打碎，并提高蒸发效率。

在前述第一种设备中，进一步地，本真空升华蒸发冷冻供热或供冷设备还包括一冰浆储罐和一冰水换热器，

该冰浆储罐的进口连接所述冷热能分离设备中的密封容器上设置的冰浆出口；

该冰水换热器为一间壁式换热器，其中低温流体通道的入口连接所述冰浆储罐的出口，低温流体通道的出口连接所述冰浆储罐的回水口或者成为排放口；其中高温流体通道的入口和出口分别连接地暖采冷盘管或集中空调的冷源水箱的进水管和回水管构成既可以供热又可以供冷的设备。

这种设备可以这样使用：随着真空泵机组不断对密封容器抽真空，密封容器中水的温度会不断降低，乃至于结冰，这部分水在地暖装置中加以利用，就可以提供一种夏天纳凉的地暖应用。因此，在优选的技术方案中，密封容器上设置冰浆出口，其上的连接管路连接一冰水储罐的进口，从密封容器中排出的冰浆在冰水储罐中熔化成冷水，然后，将该冷水输入到所述冰水换热器的低温流道的入口，另有常温水从冰水换热器的高温流道的入口进入，降低温度的常温水从高温流道的出口流出，输送到地暖采冷盘管或集中空调的冷源水箱中使用。在夏季，通过冷热能分离设备的真空泵机组抽出的高温蒸汽可以用于制造生活用热水，因此，在前述几个技术方案基础上，还可以提供一个优选方案，其中，在所述真空泵机组最后一级的排气口连接的管路上连接一个热水换热器的高温流道的进口，生活用水管线连接热水换热器的低温流道的进口和出口。

上述采热、采冷以及既可采热又可采冷以及再加上制备生活用热水，这几种应用，都是围绕着一个核心装置，即冷热能分离设备，在实际应用中，可以在冷热能分离设备上单独连接蒸汽换热器，在冬季为地暖采暖盘管或集中空调的热源水箱提供地暖或集中空调所需的热水，也可以单独连接冰水换热器，在夏季为地暖采冷盘管或集中空调的冷源水箱提供地暖或集中空调所需的冷水，还可以单独连接热水换热器，生产生活用热水。当然，也可以将其中至少两个方案组合在一起使用。

本实用新型提供的真空升华蒸发冷热能分离供热或供冷设备比起现有技术中的压缩制冷和加热式的地暖设备，具有节能的显著特点。

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，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，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。

下面通过附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

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地暖设备的一个实施例的结构示意图。

图2为本实用新型提供的真空升华蒸发冷热能分离地暖设备的另一个实施例的结构示意图。

图3为本实用新型提供的真空升华蒸发冷热能分离地暖设备的又一个实施例的结构示意图。

图4水的平衡相图。

图5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6为工况与cop关系图线，其中显示本实用新型在制冷或制热时的cop状况。

图7为另一种密封容器的结构示意图。

图7a为图7中供液盘的结构示意图。

图7b为图7中加热盘管的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的真空升华蒸发冷热能分离供热或供冷设备，其既能供热也能供冷，包括一冷热能分离设备、一真空泵机组2、一蒸汽换热器3、一冰浆储罐4和一冰水换热器5，冷热能分离设备具有一个密封容器1，该密封容器1上设有进水口11、蒸汽出口12和冰浆出口13；真空泵机组2为一多级真空泵，第一级的吸气口连接所述密封容器1上的蒸汽出口12，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；蒸汽换热器3为一间壁式换热器，其中高温流体通道的入口31连接真空泵机组2最后一级的排气口上的接管21，高温流体通道的出口32放空，也可以连接一冷凝水储罐(图中未示出)。蒸汽换热器3中低温流体通道的入口33和出口34分别连接地暖采热盘管的进水管6和回水管7。

冰浆储罐4的进口41通过管路连接冷热能分离设备中的密封容器上设置的冰浆出口13，在该管道上设置阀门，并可设置泥浆泵作为输送驱动动力；冰水换热器5为一间壁式换热器，其中低温流体通道的入口51连接冰浆储罐4的出口42，低温流体通道的出口52连接冰浆储罐4的回水口43或者成为排放口；其中高温流体通道的入口53和出口54分别连接地暖采冷盘管的进水管8和回水管9。

冷热能分离设备中的密封容器1上设置的冰浆出口13上的连接管路连接一冰水储罐4的进口，从密封容器1中排出的冰浆通过冰浆储罐4的入口41进入冰水储罐，在其中熔化成冷水，然后，从冰浆储罐4的出口42将该冷水输入到冰水换热器5的低温流道的入口51，再从低温流道的出口52返回冰浆储罐4的回水口43，也可以不回冰浆储罐4，而是排入另外的水池，用来作为密封容器的进水也是可以的。地暖采冷盘管中的常温水从回水管9流入冰水换热器5的高温流道的入口53，降低温度的常温水从高温流道的出口54流出，通过地暖采冷盘管的进水管8输送到地暖采冷盘管中使用。

通过本实施例提供的设备提供地暖的过程是：

在冬季，自来水通过密封容器1上的进水口11进入，真空泵机组2同时或提前启动，对于密封容器1抽真空，使其中形成高真空的状态，其中的压力最低可以达到水的三相图(如图4所示)中三相点0附近或以下。进入密封容器1中的水，一部分在所述高真空的环境中不断蒸发，被真空泵机组2抽出，真空泵机组2逐级对该蒸汽增压，提高了压力的蒸汽温度也逐渐增高；通常的真空泵机组在级间会设置换热器以降低蒸汽的温度，而本设备中的真空泵机组取消级间换热器，这样从真空泵机组最后一级排出的蒸汽的温度较高，可以达到100℃；将该高温蒸汽输入到蒸汽换热器3的高温流体通道中，对于低温流体通道中的水加热，经过加热的水从蒸汽换热器3排出输送到地暖采热盘管中使用；经过换热降温的蒸汽，一般都是成为冷凝水，从蒸汽换热器的高温流体通道的出口排放，或者收集起来。随着在密封容器1中不断注入自来水，真空泵机组2不断的运转，高温蒸汽就会源源不断进入蒸汽换热器4，也就能够为地暖采热盘管中的水不断加热满足地暖的需求。这时，密封容器上的冰浆出口13上的阀门关闭，地暖采冷盘管系统不工作。

如果将蒸汽换热器中被加热的水输送到集中空调的热源水箱，就形成真空升华蒸发冷热能分离供热集中空调设备了。

如果单纯利用地暖装置在冬季采暖，可以使用如图3所示的设备。在所述密封容器1上可以不设置冰浆出口。但在密封容器1的底部可设置一个放水口14。

在夏季，这种地暖设备可以这样使用：随着真空泵机组3不断对密封容器1抽真空，密封容器1中水的温度会不断降低，乃至于结冰，这部分水通过冰浆排出口13排到冰浆储罐4中融化成冷水，冷水再通过通入冰水换热器对于地暖采冷盘管中的水进行降温，就可以提供一种夏天纳凉的地暖应用。

如果将冰水换热器中被冷却的水输送到集中空调的冷源水箱，就形成真空升华蒸发冷热能分离供冷集中空调设备了。

还可以制作一种设备，不设置蒸汽换热器，只是用于夏季地暖纳凉之用，图中未示出。

在图1所示的设备上，还可以在增加一个用真空泵机组2中的高温蒸汽制备生活用热水的装置，如图2所示，增设一个热水换热器10，热水换热器10为一罐体，在罐体中设有一高温流体盘管101作为高温流道，该盘管101的进口101a和出口101b伸出罐体，真空泵机组2最后一级的排气口连接的管路21上连接一个支路22，该支路22连接热水换热器10的高温流体盘管101的进口101a，高温流体盘管101的出口101b可以是放空，也可以连接一冷凝水储槽(图中未示出)，生活用水管线100a连接热水换热器的低温流道的进口102和回水口103。

如果蒸汽量足够使用，在冬季，也可以制备生活用热水。

在所述密封容器中设有搅拌装置1a，搅拌装置1a中的搅拌桨叶1a设置在密封容器设定液位处以便将液面上结成的冰层打碎。在密封容器中还设有观察孔1b。

供热或供冷系统，具体到地暖系统或集中空调设备作为一种成熟的技术已得到广泛的应用和市场认可。目前很多集中供热的小区也都装有地暖。而地冷系统作为一种较新的技术，由于其地面传导冷能效果滞后，以及与现有空调技术相比优势不明显等原因，还未受到广泛的关注。由于本实用新型提供的地暖设备，可以将地暖采暖和采冷系统共用(只是供水温度的变化，温差仅在10度左右)。因此，共用系统将提高原地暖系统的使用效率，且改造成本较低，节能效果明显。如搞成集中供应冷能和热能，节能效果和系统改造的成本都会获得满意的效果。

本实用新型提供的供热或供冷设备，其中的冷热能分离设备的密封容器中的真空状态在如图4的三相点(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，本设备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4中a-b线)，压力：600pa-100pa(见图4中o-a)。从如图4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，冰浆通过设置在连接密封容器1的冰浆出口13的管路上的泥浆泵(图中未示出)抽出，送到冰浆储罐4。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

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；qo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qo+w＝qa，则得(q0+w)/ta＝qo/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4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5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5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密封容器1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，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6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5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：(效率更是大大低于冰浆机)

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：

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：首先在密封容器内制造真空蒸发工作环境所需的真空度600-100pa。使密封容器内的部分低温水发生蒸发，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，密封容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，利用密封容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。

本技术利用水的相变原理、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，是由于本技术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。

图7所示是一种密封容器的改进型。改进之处主要在于以下两点：其一是，在密封容器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。

如图7和图7b所示，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42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7和图7a所示，在密封容器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密封容器罐体上的原水进口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。

由实施例可知，本设备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)。制备的生活热水也可在一定范围内提供集中供暖和洗澡热水。

本实用新型节能效果非常明显，开发潜力巨大。可实现设备制冷的cop大于18甚至更高。另外，本设备成本较低，设备投资回收期将大幅度缩减。