CN101454060A - 采用压缩空气能量***的脱盐方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用冷冻结晶技术的海水脱盐方法和***，所述方法和***包括利用压缩空气能量作为使温度降低的来源。当压缩空气由涡轮膨胀机释放时，产生作为副产物的冷空气，其中的冷空气被引入结晶室内。同样海水液滴喷雾被注入室内，所述喷雾已通过与冷室壁进行热交换而被预先冷却，并随后被循环以及暴露到室内的冷空气中。液滴的尺寸可以改变，但优选与喷雾和冷空气的相对温度、流动和速度一起被预先确定，从而当液滴在冷空气中循环并沉降在室底部时，它们在稍高于低共熔温度下沉积。这样，在室底部形成的冰团/雪团将由冻结的冰晶和残留的盐水组成，所述残留的盐水可以沿着侧面或通过可能在冰团内形成的任何空隙或通道而从冰团流走。

Description

采用压缩空气能量***的脱盐方法和***

技术领域

本发明涉及脱盐***领域，并且尤其是涉及利用能够被释放和膨胀的压缩空气能量伴随产生冷空气的脱盐***，所产生的冷空气接着能用于使水凝固并产生新鲜的饮用水。

背景技术

在美国具有很宽的气候带范围，并且在许多区域雨水丰富，通常是在该国家的大多数区域存在足够多可供利用的新鲜饮用水源。即使在供水不足的地区，人们也已经努力将水从有可利用水的地方输送到需要水的地方。例如，相当大量的水现在正从科罗拉多河(ColoradoRiver)经加利福尼亚输水道(Califoria Aqueduct)输送到人口众多但干旱的加利福尼亚南部(Southern California)地区，从而有充足的水可供利用，这些水不但用于饮用目的，而且也用于农业和灌溉。也存在其它供应和输送水的方式，诸如通过公共设施和管道网，所述水包括来自于湖泊、水库、河流、冰川等的那些水。

然而，也存在许多这样的地理区域，在那里不方便或不可能在成本高效的基础上将水输送到需要水的地方。这些地区包括山里的边远区域、边远的农村地区以及海洋中的岛屿，在那里，可能由于安装长管道或输水道以将水输送到那些需要水的区域的成本太高而受到抑制。船上也需要新鲜的饮用水，诸如那些长期行驶的船，即巡航船、远洋邮轮、货船、海军舰船等。也存在诸如气候较干燥或者人口远多于能支援的可利用新鲜饮用水的其它地区。有趣的是，这些区域中有许多都位于海洋或者其它含盐的水体附近，在那里海水可被利用，但可供利用的新鲜饮用水量可能不足以满足需要。

因此，过去已经研发了用于从海水产生新鲜饮用水的脱盐***和方法。任何脱盐***的关键在于能够从基础水中分离出包含盐和其它杂质的污染物，从而能够产生新鲜的饮用水。

为简单起见，从此时开始，术语“海水”将用于指任何需要净化的污水，而不管水实际上是来自于海洋或含盐水，还是来自于任何其它源头的任何其它的水。

当前正在使用至少三种不同类型的脱盐***并获得了不同程度的成功，现在将对这些***进行讨论。

热方法：热方法是利用热或其它方式将海水转化为水蒸汽的方法，诸如通过沸腾将污染物留在残留的基础水中。例如，普遍的热方法的一种类型被称为蒸馏法，其中，海水在随后的容器中在较低的压力下逐渐被加热以产生净化的水蒸汽。

被称为多级闪蒸法的热方法是当前在全世界范围内应用的最普遍的脱盐方法。该方法涉及将海水加热到高温并使其通过一系列压力渐减的容器以产生水蒸汽。加热后的水被输送到已知为“级”的另一容器中，在那里，周围的压力低于加热器内的压力。将溶质和水突然引入较低压力“级”中导致溶液很快沸腾，这使它闪蒸为蒸汽(水蒸汽)。水蒸汽在本质上由不含溶质的纯净新鲜水组成，随后可以被凝结、收集并用作饮用水。被称为多效蒸馏法的类似处理过程利用了与多级闪蒸法相同的原理，除了该方法在较低的温度下操作之外。在较低的压力下需要较低的温度来蒸发给定重量的水。也存在被称为蒸汽压缩蒸馏法的另一种蒸馏方法，该方法通常与其它处理过程一起使用，其中的热来自于压缩蒸汽，而非直接的热交换。

尽管这些方法能够非常成功并且有效地从海水中除去污染物，但这些方法最显著的缺点之一是操作成本高，包括加热海水和/或降低压力以使之沸腾所需的能量成本高。由于这些成本原因，这些方法经常仅在新鲜的饮用水不可利用时，或者不能以较低成本制成可利用水时而使用。

膜处理过程：膜处理过程是一种利用相对薄的可渗透材料层的过程，该层允许水或盐通过，帮助引起两种不同浓度间的分离。带污染物的水通常置于膜的一侧，并且已被净化的水通常置于膜的另一侧。

膜处理过程的最普遍类型之一是逆渗透，逆渗透是一种压力驱动的处理过程，该处理过程迫使盐水通过膜并把盐留下在另一侧上。尽管逆渗透已显示出在其相对低的能耗率方面是经济的，但与大多数热方法相比，该处理过程通常具有显著较高的前期投资成本。由于膜的使用寿命有限，也存在与膜材料的置换成本有关的相对高的成本。

另一种通用的膜处理过程被称为电渗析，电渗析是一种电压驱动的处理过程，该过程利用电势使盐选择性地移动通过膜并将新鲜水留下。该处理过程具有一些与逆渗透相同的缺点，这是由于前期基本投资可能受到限制。

冷冻结晶：冷冻结晶是利用冻结过程和海水的相图产生新鲜饮用水的处理过程。实质上，海水诸如通过制冷剂而承受冷却温度，该温度导致发生海水冻结，其中，冻结用于帮助形成由纯水制成的固态冰晶，冰晶能够随后与包含在残留的基础水中的盐污染物分离。由于当与逆渗透相比时该处理过程具有较高的效率，所以已经调查研究了该处理过程及其潜能，但用于脱盐目的的冻结过程从未成功地大规模实施过。

冷冻结晶处理过程不同于其它处理过程，并且该处理过程通常涉及通过冻结海水而形成冰晶，其中，纯水冰晶能够从基础水中分离出来。在该处理过程中，当通过暴露到冻结温度而形成纯冰晶时，它们通常被允许在浮力的作用下移到罐顶部，而杂质则由于密度较高被允许分离和下沉。这样，有可能分离纯冰水和杂质，诸如含盐的海水和其它矿物，在该过程中能够产生新鲜的饮用水。

另外，在该方面能够以两种不同的方式实现冰晶形成：1)通过直接冷却，以及2)通过间接冷却。

直接冷却涉及使用惰性的冷却流体或制冷剂，所述冷却流体或制冷剂通过物理方式注入海水中，即通过它使海水起泡，这导致海水在理想的温度下蒸发。这是制冷剂自溶液中吸取热而蒸发的结果，导致海水冷却到低共熔温度。尽管制冷剂与海水的混合使该方法有效，但重要的缺点是制冷剂不良地结束与冰混合。也就是，理想地是该处理过程将形成明显的纯水冰粒，但在该冷却方法中，存在于整个装置内的一些制冷剂被截留在冰粒中结束，并因此不能产生纯净的无制冷剂的新鲜饮用水。因此，直接冷却方法尚未被用于生产新鲜的饮用水。

更普遍的冻结脱盐处理过程被称为间接冷却。在该处理过程中，制冷剂不是直接被注入海水中，而是被引入一系列贯穿海水的管道或护套内。管道和护套通常由如铝的材料制成，具有良好的导热性能，并帮助保持制冷剂和海水在该处理过程中分离。制冷剂优选仅通过管道和护套内部；另一方面，海水仅被暴露到管道和护套外部，并非是制冷剂本身。这样，海水通过直接接触管道和护套被冷却，并且不直接接触制冷剂。尽管使用管道和护套引入了对从海水向制冷剂传热的附加水平的阻碍，这使该方法效率较低，但这避免了与直接冷却方法相关的问题。

一旦管道和护套被冷却并且当海水在它们上方通过时，在外表面上形成冰晶，并因此变得有必要从表面物理除冰，诸如通过使用刮刀。一旦冰被物理移除，释放的密度较低的冰晶趋向于漂浮到密度较高的盐水溶液上面。这样，能够从上面移除冰晶以及清洗掉杂质并随后允许冰晶解冻和融化，从中产生净化的饮用水。之后，能够除去含盐的海水混合物。

进行间接冷却所需的总接触表面积和热传递系数是该处理过程的关键参数。这些参数涉及制冷剂在能环绕含制冷剂的管道或护套冷却并冻结海水溶液方面的有效性。

当前使用的间接冷却方法的例子被称为刮表面结晶器，该结晶器由带小刀或刮刀装置的冷却圆筒(蒸发器)组成，能够从冷却表面上刮下冰晶。刮刀在冷却表面上移动或者冷却表面移动通过刮刀能够使冰被刮下并移除。在任一种情况下，为避免摩擦和损伤表面，***通常被设计成在表面间存在空隙或间隙，最终在冷却表面上留下一层冰。冷却表面上的该另外冰层导致整个***在能够使热远离冷却表面传递以允许在表面上形成更多冰方面无效，并导致流经圆筒的热急剧降低，而且其容量下降。在刮刀和冷却表面之间也存在粘结力，这需要耗费能量来克服，即需要另外的能量来刮冰以成功地移除它们，并且必须在延长的时间段内持续完成。

也存在涉及冻结废水以确定如何在液滴内形成冰晶的研究。在WaGao博士的研究中，在标题为“Partial Freezing by Spraying as aTreatment Alternative of Selected Industrial Wastes(通过喷射局部冻结作为处理所选工业废水的方法)”论文中研究了冻结温度对单个废水液滴的影响，其中，单个液滴(处于低于新鲜水的凝固温度下，即大约-5摄氏度)被暴露到冷空气的竖直风道中，处于次冻结空气温度，即温度介于-5.5摄氏度和-17.7摄氏度之间的上升气流中。对于相同的液滴尺寸和液滴条件重复进行测试以获得统计学信息。她观察到每个液滴冻结始于液滴的底部边缘并随后在0.23秒后包住液滴的外表面积区域。当冰壳加厚时废水向内冻结。全部的2,800微米液滴在7秒的平均时间段内完全冻结。在所有的情况下，在20秒后完成冻结。液滴的固态冰部分由纯水形成，并且其周围的残留液态盐水由浓缩的废水组成。由于冰中存在内应力，当内应力挤压不可压缩的液体并且当冰内的液态盐水被挤压到冰部时，冰球体在冻结过程中破碎。在另一项研究中，在寒冷的北极冬季在户外喷射废水，以便直接在地面上产生大堆冰粒。尽管最初的冻结发生在液滴“飞”的期间，但进一步的冻结和分离发生在液滴停靠到地面上后。一旦形成冰堆，它能够随后在春天融化并用于灌溉目的。

由于上面讨论的现有脱盐方法和***具有缺点，因此需要高效且成本有效的脱盐方法来允许从海水中产生新鲜的饮用水。

发明内容

本发明涉及将压缩空气能量用于水脱盐***中，其中，由风力或任何其它能源产生的能量可用于产生压缩空气，并且其中，当压缩空气被释放并诸如通过使用涡轮膨胀机膨胀时，它能够显著地产生作为副产物的冷空气，冷空气接着可用于冻结和脱盐海水。也就是，不是如同上述冷冻结晶方法的情况一样利用制冷剂来降低海水的温度以进行脱盐，本发明采用得自释放和膨胀压缩空气能量的清洁冷空气直接与海水液滴混合以产生新鲜的冻结冰粒。

总之，本发明的方法将放弃逆渗透脱盐方法，并利用冷冻结晶过程，该过程在大气压和低冰融化热下工作，而不是如同多级闪蒸法一样在大气压和高蒸发热下工作。

本发明的方法通常包括如下步骤：

1、产生在低至-175华氏度的温度且稍高于一个大气压下冷空气的体积流动，并将该冷空气引入绝缘的混合室内。可以通过使由压缩机产生的压缩空气通过涡轮膨胀机膨胀以直接产生冷空气而获得该冷空气，或者是通过涡轮膨胀机和发电以及作为副产物的冷空气的发电机。

2、产生海水的体积流动，海水能作为液滴云喷入室内并与冷空气混合以导致海水液滴的温度降低到或稍高于低共熔温度，对于常规海水，该低共熔温度为大约-6.2华氏度。

3、当海水液滴开始和冷空气混合并由于热交换而冻结时，纯水冰晶开始形成，并开始与盐水溶液分离。随着时间的过去，即在小于几秒种内，冻结的冰粒开始下落到室底部，在那里由于热交换的原因空气温度较高，并且其中，空气和逐渐沉积在底部的冰粒最终达到平衡温度，该平衡温度优选刚刚高于低共熔温度。随后，密度较低的冰粒开始漂浮并结合到聚集在底部的密度较高的盐水溶液上面，以及形成冰团/雪团，所述冰团/雪团继续变大并漂浮在盐水溶液上面，其中，任何密度较高的盐水继续从冰粒中分离，并沿着侧面以及通过冰团/雪团内存在的通道和空隙流走。包含喷射水的新鲜水清洗柱可用于帮助促进盐水从冰团/雪团流走，以帮助进一步清洁冰团。注意：盐水的密度可以介于浓缩时的1.35gm/cc以及海水中的1.025gm/cc之间；尽管纯水的密度是1gm/cc；新鲜水冰的密度是0.917gm/cc；并且雪的密度小于0.1gm/cc。因此，高密度的盐水在冰团/雪团中的孔间流动，并在碎冰间的缝隙上流动。

4、在循环结束时，即当形成冰团/雪团后，冰团/雪团优选被移除并允许随后被解冻和融化，从中能够产生纯净的饮用水。随着时间流逝，盐水溶液变得更浓更咸并与形成的任何盐固体一起从室中移除，从而使过程能够再次开始。沉积的盐和其它矿物能够被保留下来用于稍后的工业应用，或者当被处置时必须适当地处理。

本发明优选考虑利用压缩空气的膨胀作为冻结温度来源以冻结并脱盐海水。考虑存在至少三种不同的方法来产生冷空气，这些方法如下：(1)压缩空气能量储存***，该***具有压缩机和高压大储存罐，其中，当需要时，涡轮膨胀机被用于释放并膨胀压缩空气，其中产生的能量被转化为冷空气和/或电能，(2)涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机具有产生电和冷空气的双重能力，其中，产生电的能力优选被增补压缩机的能力取代，利用涡轮膨胀机工作来补充排放到相连缓冲罐中的压缩空气，以及(3)涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机具有产生冷空气且无需首先储存能量的能力。在每种情况下，冷空气被注入混合室内以提供对注入室内的海水的冷却。

本发明优选包括一种能够在混合室内成批脱盐的脱盐***，其中，形成由新鲜水制成冰团/雪团并随后从室内移除，以及允许融化以形成纯水。为形成每一批冰，室内的海水和冷空气必须适当地混合，并因此海水优选被加压并通过一排喷嘴以形成液滴喷雾或云。通过将冷空气注入混合室内从而使喷射的海水液滴被暴露到冷空气中并与冷空气循环，将在每个液滴内开始形成冰晶。优选谨慎地预先确定每个海水液滴的体积大小和供给到室内的海水及冷空气的温度以及室的整个尺寸和构造。也优选预先确定海水喷雾和冷空气被注入室内以及被混合的方式，以确保最终的混合物快速达到用于冻结和脱盐的最佳温度。

通常，关于海水液滴由外向内发生冻结，但随着时间的流逝，形成的冰结构迫使盐水流到外面即盐水排斥。也已观察到环绕浓缩盐水核的冰壳形成内应力并且冰壳破碎以及迫使浓缩的液态盐水流到冰壳外面。迫使盐水离开的冰晶凝聚最终形成具有单块冰晶的整体结构，并因此被盐水覆盖。当这些被覆盖的冰晶相互撞击时，盐水溶液被迫环绕新形成的冰晶成分。该过程继续直到完全分离被盐水环绕的冰宏观结构。在室底部的形成的最终冰团看起来像多孔的雪，允许由于重力而排出盐水。如将要讨论的，可以加入另外的新鲜水以进一步释放附着到冰的任何盐水。而且，可执行冻结并释放更多盐水功能的新鲜水能够再次回收以再利用。

海水喷雾和冷空气被引入室内的方向能够影响到适当地形成冰晶并因此形成冰团。在该方面，本发明考虑采用1)逆流和2)共流设置。确定究竟采用哪种方式的因素取决于需要多快冻结海水，这取决于在海水进入室内前有多凉、冷空气有多冷、室尺寸、海水液滴如何被暴露到冷空气中并与冷空气循环以及引入室内的每种物质的量等。

在逆流实施例中，***优选具有室，海水液滴向下喷入该室内，并且能够使来自涡轮膨胀机的冷空气逆着下落的液滴向上吹，从而导致海水液滴循环和冻结并随后下落到室底部。由于海水喷雾和冷空气在相反方向流动以增加液滴在室内的保留时间，该过程被称为逆流过程。在另一种实施例中，***优选具有至少一个喷嘴，所述喷嘴将海水液滴向下喷入室内，而且能够使来自涡轮膨胀机的冷空气在与下落的液滴相同的方向向下吹。由于海水喷雾和冷空气在相同的方向上流动以允许最冷的空气以最大的热传递速率作用到进入的液滴上，该过程被称为共流过程。

在另一方面，优选利用吸入的热海水和/或来自压缩空气的热加热室壁以防止冰聚集到壁上并防止冰团粘结至此。当吸入的海水通过室壁时，发生的热交换优选有助于在海水被喷入室内前预先冷却海水。海水优选通过绕结晶室缠绕的管或空腔输送，从而使海水被预先冷却到接近冻结温度，甚至在它进入室之前。也就是，引入室内的超冷空气将具有冷却室壁的作用，从而通过绕壁缠绕管或空腔并使海水流过管或空腔，它们将作为热交换器而发挥作用，能够使海水变得被预先冷却。这样，一旦海水进入结晶室中，海水将更快冻结并将下落到底部，在那里它将继续冻结并凝固。优选地，这样，即使在海水进入室之前，海水温度将接近冻结或甚至稍低于蒸馏水的凝固点(0摄氏度或32华氏度)。

为获得相似的效果，也可以使用来自压缩机的废热。也就是，环绕结晶室，需要防止冰粒粘结并聚集到室壁上，并因此利用废热的一种方式是将受热的压缩空气或由废热产生的热水分配在环绕结晶室延伸的管或空腔内。在该方面，优选管或空腔可以绕室的冰粒有可能积聚的地方缠绕。由于作为热交换器发挥作用，当来自压缩机的热空气通过室壁时，在压缩空气被送到涡轮膨胀机并膨胀以产生冷空气之前，优选预先冷却压缩空气。因此，由涡轮膨胀机所释放的空气能够被制得更冷。

由于海水被冷却到接近其低共熔温度(大约-6华氏度)并分离成固态冰(冻结的新鲜水)和液态盐水(在水溶剂中具有高度浓缩的盐溶质)，而发生海水脱盐，在那里，冰晶的形成迫使盐水离开冰结构并随后由于室底部的强密度差而引起进一步的分离。在该方面，冻结海水优选发生在三个阶段：(1)冷却通过环绕冷结晶壁的管或空腔泵入的过滤的海水(强冷却作用)，(2)在海水液滴“飞”过室内的冷空气期间冷却海水液滴(在短暂的保留时间内冷却液滴)，以及(3)在液滴已沉积到室底部形成冰团后冷却半冻结的液滴(保留时间最长)。

在液滴向下“飞”过冷空气期间，液滴开始逐渐朝向其中央向内变冷，并且最终将开始在液滴外表内形成冰晶。在一个例子中，直径大于4,000微米的液滴可以具有仍未冻结的内核部分，并且直径小于200微米的液滴可以完全冻结至其中央。

已观察到即使所有液滴具有相同的尺寸，一些将冻结得迟并且一些将冻结得早，这是因为在相同尺寸的每个液滴内如何环绕微核形成冰的过程随数量和尺寸改变。注意直径大于8,000微米的液滴趋向于在相对的风中散开并***为小液滴。因此，大液滴周围的冰层(定义成直径为4,000微米或更大)将在围绕液体核心的冰层增厚期间断裂。在试验中利用了-17摄氏度的冷空气以及+5摄氏度的冷海水液滴，并且悬浮的脏废水液滴直径为4,200、3,400和2,800微米，发现当pH＝7.1时(中性的)在平均7秒的时间内全部的液滴几乎被冻结，并且当pH＝11时(碱性限制是pH＝14)平均时间为7.5秒，尽管在“飞”中有大约2.5秒的保留时间。因此，大量的冻结可能发生在液滴沉积在结晶室底部之后。液滴的表面外壳在更短的时间内冻结，即短至0.23秒内。

重要的是液滴冻结形成固态冰粒和液态盐水的两相溶液，因此需要液滴在“飞”中达到或接近低共熔温度。另一方面，如果液滴变得太冷(低于低共熔温度)，当它们通过室下落时，每个液滴内的新鲜水将与固态盐晶体和固态盐水冻结在一起，在该情况下，可能不能从新鲜水中分离出盐。这可能发生在例如当海水喷雾包括各种液滴尺寸时，其中，较小的液滴可以达到低于低共熔温度并在它们到达室底部时完全冻结。在该方面，考虑到被设计成分配平均尺寸接近直径4,000微米云团的喷嘴也将产生较少部分的冰团流动，但直径400微米的液滴数量巨大。这些较小的微粒具有小十倍的沉降速度，并将具有长十倍的保留时间。而且，当这些较小微粒与离开共流构型喷嘴的-135华氏度或-175华氏度的局部空气流发生相互作用时，这些微粒将更快冷却至远低于低共熔温度的温度。

因此，向下“飞”过该极冷温度区域的小液滴将实际上导致不良的液滴结晶为固态微粒，所述固态微粒包括(1)新鲜水的固态冰，(2)固态盐，每个盐分子结合两个水分子，具有连接的水分子，以及(3)固态盐晶体。微粒在冷空气中“飞”的期间，盐水与新鲜水不分离。然而，如将要讨论的，当液滴沉积到堆积的冰粒团上时将发生分离，冰粒团由室底部的大液滴产生，具有的平衡温度优选高于低共熔温度。

当直径为几百微米数量级的小微粒接近喷嘴区域被暴露到远低于低共熔温度的空气温度时，可能完全冻结至其中央。当这些小液滴沉积在结晶室底部的较热冰团/雪团上时，它们优选被加热到稍高于低共熔点的平衡温度左右。因此，如果小液滴冷却到低于低共熔温度，它们能够解冻回到高于低共熔温度。在该点将发生固态多孔雪/冰结构和液态盐溶液(盐水)的通常的分离。即使通常的喷嘴喷射直径较大的微粒，但将始终存在较小的微粒，包括尺寸在某范围内分布的微粒。较小的微粒有可能数量大，但将不会影响非常大的整个冰团。

在该方面，已经发现需要室底部的冰团维持在稍高于(较热)低共熔温度，从而使环绕每个冰粒的任何残留盐水将排出并沿着冰团侧面流走，或者通过在冰团/雪团内形成的空隙或通道流走，而不是被冻结并截留在冰里面。因此，重要的是控制室内的冷空气温度以获得最佳结果，并允许在从室中移除冰团之前盐水有足够的时间流走。在一些情况下，可能有一些液滴在循环的最后几秒内沉积，这些情况将不具有足够的时间允许盐水流走。这是将在最终可饮用水中影响非常少量杂质的一小部分。

海水的冻结优选能够形成有浮力的纯水冰粒，具有附着至此的痕量盐水，目标是将盐和盐水中的其它杂质在室底部留下。脱盐***优选从比冰粒浓的盐水中移除冰粒，从而重力能帮助使冰粒与盐水分离，并以至少两种方式之一清洁冰粒。

首先，通过允许冰粒堆积在室底部即当冰粒相互落在彼此上方时，冰粒可以形成冰团/雪团。随着时间的流逝，当冰粒落下并粘在一起时，它们将共同形成冰团，在液态盐水比固态冰浓密的地方，冰团将趋向于漂浮在盐水上方。在该方面，优选采用所述***，通过将海水液滴引入室中央使冰粒形成锥形形状的冰团，其中，形成的冰粒从而也将堆积在室中央。优选朝向室中心线引导海水喷雾，从而使冰粒不聚集在壁上，并从而使在室底部形成的冰团趋向于在室中央形成，即形成倒锥形形状。一方面，这有利地使被包裹的或附着到每个纯水冰粒的盐水能够沿侧面流下，而不是被截留在冰团内，即当水凝固时可能在冰团上形成的凹穴或缝隙内。通过形成锥形形状的冰团，附着到每个冰粒的盐水将沿侧面简单地流下，而不是被截留，从而根据需要能够使盐水与冰团有效地分离。另一方面，研究已表明形成的冰团能够形成贯通的通道和空隙，从而使任何累积的盐水能够简单地经由通道和空隙通过冰团，而不是被截留。在该方面，冰团看起来更像雪并且是多孔的，以允许盐水通过。

除在“飞”中形成冰之外，尤其是在极冷的温度下，存在另一在结晶室底部产生多孔冰团的机构。考虑在聚集在室底部硬球形液滴的理想情况。在最密集的堆积构型中，最高密度是球体体积与环绕球体的空气立方之比，或者[4/3*pi*r³]/[8r³]或0.52gm/cc。期望真实密度将落在该理想值和雪密度之间，雪密度为0.10gm/cc。这为液态盐水提供了充分的孔隙度，以发现通往聚集冰团底部的敞开放。一旦浓液态盐水开始流动，冰粒进一步分离浮起，并且较快排出盐水。

实施例也优选具有用于采用新鲜水冲洗冰团的装置，新鲜水冻结到堆积的冻结冰/雪团上，并且当越来越多的液滴沉积时释放附着的盐水层。为进一步移除本身附着到每个冰粒表面的盐水，优选将新鲜水注入到沉积在室底部的冰/盐水层，以帮助利用重力逐层排出盐水。当新鲜水附着到每一层时冻结，并且进一步从冰粒间的缝隙中移走非常薄的粘性盐水层。冻结到冰粒上的新鲜水稍后被解冻并优选回收再用，而不用使用另外的新鲜水。如果需要更高纯度的水，可以增加下游清洗柱。在该方面，处于室温下诸如60华氏度的另外新鲜水能够被向下喷射到冰团上，以帮助当形成冰团时从冰团移除盐水。大多数盐水通过重力流动从冰粒间的空间移走。盐水优选经室底部的排放口排出。

室底部优选包括多孔篮，该多孔篮能接获落下的冰粒，以便在其上形成冰团，但多孔篮允许冷空气循环到室外。在该方面，室的侧壁优选具有出口，过量的冷空气能够通过该出口流到室外，其中，冷空气能够随后被分配到空气调节***并用作冷空气。用于移除冰团/雪团的其它装置(除多孔篮之外)诸如活塞和钳子也是可行的。在篮底部形成的冰粒优选来自于大冰团，或者在一些情况下来自于浆液，其中，篮中的孔允许盐水通过，并留下纯水冰粒在篮内。随后，通过移除篮子，能够从室内移除纯水冰团和/或浆液。

被移除的冰粒团能够随后被融化，以便在保持罐底部产生新鲜水。处于相对高的温度下，在该情况下为+60华氏度的新鲜水，能够像清洗柱一样被向下喷射到冰粒上，以冲洗冰并使之融化。可选择地，或者与冲洗水一起，局部的热空气可以进入保持罐内，以进一步帮助融化冰粒。当冰融化时，新鲜水滴能通过篮中的孔，并以冷新鲜饮用水的形式聚集在保持罐底部。可以使用不止一个的篮子，从而无需中断脱盐和融化过程，同时从室中移除每一个篮子。也可设置移除及融化冰团的其它装置，诸如利用下降门，其允许冰团降落到传送器上，从而使冰团能够被移动到其较容易融化的地方。

由于冰团由冰组成并因此是凉的，所述当冰团融化时产生的新鲜水将是冷却水。新鲜的冷却水能够从那里被分配以饮用或用于其它目的，诸如被储存以便稍后被空气调节***利用，或者再循环回到结晶室以被用作清洗柱的喷雾或保持罐内的喷雾。

附图说明

图1显示了本发明的脱盐***的压缩空气能量储存罐的方案的示意图，其中，风力或其它能源被用于伴随产生用于脱盐目的的冷空气。

图2显示了本发明的压缩空气能量***的缓冲罐的方案的示意图。

图3显示了本发明的压缩空气能量***的无罐的方案的示意图。

图3a和3b涉及用于保持冷空气冷却的第二压缩机和热交换器的数据表。

图3c和3d是显示不同涡轮膨胀机排放的曲线图。

图4a是流程图，显示了提供电量最多的结构模式。

图4b是流程图，显示了提供电量和冷空气组合的结构模式。

图4c是流程图，显示了提供冷空气最多但不提供电的结构模式。

图5显示了500kW涡轮膨胀机的热力学数据。

图6显示的雪孔隙度图表，显示了与空气温度相当的雪密度。

图7显示了海水的标准成分，包括每种成分的重量百分数和低共熔温度。

图8显示了作为清洁饮用水的必要条件。

图9显示了用于水液滴相的温度状况。

图10显示了喷嘴的特性。

图11显示了喷嘴可能喷射的液滴尺寸范围。

图12显示了水滴(1000微米和2000微米)的温度和在冷空气流中的保留时间图表。

图13显示了水滴在空气中的最终速度。

图14显示了主混合室的截面图，该主混合室具有环绕其壁延伸的管道和/或空腔，用于使海水和/或热压缩空气或水循环通过室壁。

图15显示了主混合室的截面图，从主室顶部注入冷空气，该过程被称为“共流”。

图16显示了主室的截面图，注入的冷空气逆着下落的海水液滴向上流动，该过程被称为“逆流”。

图17显示了具有逆流布置的主室截面图，显示出冷空气的注入高度“H”。

图18显示了具有逆流布置的主室截面图，显示出冷空气的注入高度“H”以及环绕锥形冰团的环形间隙。

图19显示了在冷却和加热循环盐水溶液期间液态成分的一种可能演变。

图20显示了盐水溶液在低于23.3％的低共熔浓度时的平衡相图。

图21显示了中心线的水滴(1000和4000微米)温度图表，保留时间为0.2秒。

图22显示了中心线的水滴(1000和4000微米)温度图表，保留时间为2.0秒。

图23显示出水和冰的密度变化作为温度的函数。

图24显示出盐水的密度变化作为氯化钠的百分比函数。

图25显示的主室截面图，显示了一种逆流***，将冷空气引入主室中，从而使其在室内逆着下落的海水液滴向上移动，其中，设置一个液压升降机，以便当循环结束时移除冰团。

图26显示的主室截面图，显示了图25的逆流***，将冷空气引入主室中，从而使它在室内逆着下落的海水液滴向上移动，其中，在室底部聚集浓缩盐海水的地方开始形成冰团。

图27显示的主室截面图，显示了图25的逆流***，将冷空气引入主室中，从而使它在室内逆着下落的海水液滴向上移动，其中，在室底部形成冰团，并且浓缩的盐水聚集而且形成固态盐沉积。

图28显示了主室的截面图，一实施例具有抓具，该抓具在已形成冰团并且循环结束后抓取冰团。

图29显示了循环结束后的主室截面图，其中，室底部的残留冷盐水被导入热交换器内，这有助于预先冷却引入室内的进入的海水。

图30显示了循环结束后的主室截面图，其中，利用液压升降机移除残留的固态盐沉积。

图31显示了具有结晶室的脱盐***示意图，该***利用冷空气冻结作为薄雾或喷雾注入室内的海水微粒，其中，从上方引入冷空气，该过程被称为共流。

图32为图31所示的脱盐***示意图，显示了冰粒如何在室底部积聚以形成冰团，其中利用多孔篮移除冰。

图33为图31所示的脱盐***示意图，显示了如何从室内移除冰粒，以及如何利用保持罐内的清洗柱使冰粒融化。

图34为图31所示的脱盐***示意图，显示了如何从室内移除冰粒，以及如何利用局部热空气使冰粒融化，其中利用多孔篮移除冰。

图35显示了中心线的水滴(200和4000微米)温度表，保留时间为2.0秒。

具体实施方式

上面讨论的用于使水脱盐的冷冻结晶法需要使海水冻结的冷却***，该冷却***是将海水中的纯水与杂质分离所必需的。本发明独特地包含了采用压缩空气能量技术作为伴随产生作为副产物的冷空气的方法，其中，涡轮膨胀机能够用于释放和膨胀压缩空气能量，以便为脱盐目的产生适量的冷空气。

A、压缩空气能量***：

本发明优选考虑采用至少三种用于产生冷空气的不同手段中的一种，这些手段包括(1)采用具有压缩机和高压大储存罐的压缩空气能量储存***，其中，涡轮膨胀机用于在需要时释放并膨胀压缩空气能量，其中，所述能量能够被转化为冷空气和/或电能，(2)采用具有产生电和冷空气的双重性能的涡轮膨胀机，其中，产生电的性能优选由增补压缩机的性能代替，利用涡轮膨胀机做功来补充排放到相连缓冲罐中的压缩空气，以及(3)采用涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机具有产生冷空气的性能，无需首先储存能量。现在将描述这些***中的每一个。

1、压缩空气能量储存罐***：

图1所示的实施例优选包括压缩空气能量储存***1，该***具有电动机3、初级压缩机7、储存罐5、控制阀9、涡轮膨胀机11和用于产生电的涡轮发电机13。在图1中，“A”代表从能源2输送电能到电动机3的路线，所述能源可以是风力涡轮机4、风力农场、柴油机、发电机或任何传统的能源，诸如地热发电厂、核电站、矿物燃料发电厂或连接至电动机3的输电网。这些电源中的一些经常产生超过所需能量的电能。过量的电能将以压缩空气的形式被储存。当从压缩空气回收电能以满足能量需求时，伴随产生的超冷空气将用于脱盐。发动机3优选驱动初级压缩机7来压缩空气，所述压缩空气随后被储存在储存罐5中。

压缩空气能量可优选在罐5中储存一段时间，直至需要能量时。随后，在适当的时间，控制阀9可用于释放压缩空气，从而使它能够被涡轮膨胀机11膨胀。此时，如果需要的话，并且尤其是当需要电能时，由初级压缩机7产生的废热能够被循环到涡轮膨胀机11，以减小并弥补超低温的影响。然而，当需要使用冷空气时，如同任何时候需要脱盐时的情况一样，由于热将仅增加冷空气的温度，因此不利用任何废热将是有利的。同时，如果需要得到精确温度，废热可用于调节冷空气的温度。

当压缩空气被涡轮膨胀机11从罐5中释放以产生高速空气流时，该***1能产生的输出形式之一是电，所述电可由涡轮发电机13直接产生。该***产生的另一输出形式是冷空气，当来自罐5的压缩空气被涡轮膨胀机11释放和膨胀时，伴随产生作为副产物的冷空气。在任一种情况下都优选采用当前的***1，从而能够同时产生这些输出，即压缩空气能够1)利用涡轮发电机13产生电，2)利用涡轮膨胀机11产生冷空气，或者3)同时产生电和冷空气，如由***的需求所示。

优选设置一个高压储存罐5，并且该罐被设计成可承受初级压缩机7产生的高压，并且被绝缘以维持罐内的温度恒定。罐5也可以是管道或其它用于保持加压空气的容器形式。术语“罐”将用于包括管道和其它的压缩空气储存介质。罐5也优选位于压缩机7和涡轮膨胀机11附近，从而使压缩空气能够被输送到罐5内并随后循环到涡轮膨胀机11中，而无明显的压力损失。尽管本发明考虑可使用具有各种尺寸的罐，但当前的***优选考虑罐的尺寸应当基于对***、设备尺寸的需要或者***的成本等必要需求来提供足量的压缩空气能量进行储存。当没有用于罐的充足空间时，或者当认为特定应用时，可以使用将要讨论的缓冲罐或无罐方案。

本发明考虑能够采用任何传统的手段来释放空气并将压缩空气转化为电能和/或冷空气。在优选的实施例中，一个或多个涡轮膨胀机11被用于释放压缩空气并产生可用于使涡轮发电机13提供动力以产生电能的高速气流。该电能可随后根据需要用于补充由能源直接供应的电能，或用于驱动增补压缩机，所述压缩机能够产生另外的压缩空气，这些压缩空气能够被循环并储存在罐5中。在这些实施例中，涡轮膨胀机11优选将能量供给交流发电机，该交流发电机连接到AC/DC转化器，之后是DC/AC转化器，并且随后连接到功率调节器，以匹配用户电路的阻抗。这种装置链确保变频输入产生所需的恒频输出。

可选地，当不需要脱盐时，用于将热提供到压缩空气能量***1的一个或多个装置可以被设置以促进涡轮发电机13发电。本发明考虑采用至少三种不同类型的加热***作为供热装置，所述加热***包括1)太阳能收集器，以利用来自太阳的能量，2)废热收集器，以循环由压缩机产生的废热，以及3)独立的加热单元，诸如矿物燃料燃烧器，以便将热量导入***中。在该***中，由于通常需要产生作为副产物的冷空气以用于冷却或脱盐目的，所以只有当由涡轮发电机13发电并且为进行冷却或脱盐目的而需要或利用少量冷空气或者不需要或利用冷空气时，通常使用废热和其它加热***。

本发明优选将利用由涡轮膨胀机11产生的冷空气用于另外的次要目的，诸如水脱盐和空气调节，这会增加***的效率。例如，除利用冷空气以产生用于空调的直接冷却空气和/或通过管道改道到压缩机以保持压缩机冷却之外，在优选的实施例中，冷空气被用于为脱盐***提供冷却。离开脱盐***的冷空气也能用于空调***等。

逻辑电路6优选包括控制***，以控制储存罐5、压缩机7、涡轮膨胀机11、涡轮发电机13、加热单元、制冷部件等的操作。控制***的一个主要功能是向用户***立即提供动力，并且如果需要可绕过压缩机。在这种情况下，只有当有过量的来自电源的可用动力且用户不能利用时，才将动力输送到压缩机。另一方面，当没有来自发电厂的可利用的动力但用户***又需要动力时，可以释放压缩空气以提供所需的动力短缺。在所需动力短缺的那些情况下，并且当储存罐存储的动力低于所需的最小动力时，可能有必要打开应急能源。控制***优选被设计成能够通过调节进出罐5的压缩空气流而将罐5内的压缩空气能量水平维持在适当的水平。控制***优选具有预先编程的微处理器，从而使***能够自动运行。

通常的500千瓦涡轮膨胀机11或其它传统膨胀机能够和储存罐5一起使用，所述罐储存有压缩机7产生的压缩空气。与通过使罐5内的压缩空气膨胀而做的功有关的废气能够产生随后用于脱盐目的的极冷空气。在该实施例中，涡轮膨胀机11优选能够使压缩空气的输入压力为大约200psia并且温度为70华氏度(输入熵＝1.4552BTU/#-°R)以及输出压力为14.67psia，这将使空气等熵膨胀到大约-210华氏度(输出熵＝1.4552BTU/#-°R)。如果由于穿过涡轮膨胀机的压降过大而使膨胀的热力学效率仅为79％，则排放温度将为约-152.7华氏度。

类似地，压缩空气的输入压力为200psia并且温度为70华氏度(输入熵＝1.4552BTU/#-°R)以及输出压力处于较高压力30psia的500千瓦涡轮膨胀机将使空气等熵膨胀到-153.2华氏度(输出熵＝1.4552BTU/#-°R)。如果在较小压力比下的膨胀热力学效率为85％，则排放温度将为约-120.6华氏度。

在任一种情况下，要考虑储存罐的热力学及其对空气温度的影响。当从储存罐收回空气时，储存罐内的空气压力将下降。期望储存罐内的空气温度将几乎绝热地下降到不可接受的温度水平，作为有效地操作涡轮膨胀机的输入。然而，由于储存罐的厚的钢壁需要适应高气压，储存罐也作为储热器发挥作用，其中，即使在70华氏度的最初温度下，钢罐壁仍保持充足的热量，以保持罐内的残留空气温度不明显下降。因此，当罐内的空气温度开始下降时，可感觉到的罐壁内的热开始在钢壁和内部空气之间的负温度梯度方向上流动。最终结果是罐内的残留空气显示仅有适度的温度下降，该温度下降是涡轮膨胀机可接受的。

510kW的热力学动力(热)将可能产生450kW(电)，这是由于在发电机转换期间存在2％的齿轮摩擦损失和10％的能量损失。图5显示出500kW涡轮膨胀机的热力学。

在任一种情况下都可看到来自涡轮膨胀机11的废气展现适合脱盐目的的极低温度。当利用下面讨论的低共熔冷冻结晶(EFC)方法的一种改进形式时，这种低温具有非常高的冷却/冻结潜能，能够非常有效地用于海水脱盐。

2、缓冲罐压缩空气能量***：

图2显示了另一种压缩空气能量***。图2显示出一实施例的压缩机15和涡轮膨胀机17的细节，其中仅具有小缓冲罐19，而非大储存罐。在该***中，来自能源的能量能够用于驱动压缩机15，其中，压缩空气被引导入缓冲罐19内，并且控制阀21被设置成控制压缩空气释放到涡轮膨胀机17的程度。如在图2中可看到的，优选来自涡轮膨胀机17的被加压和膨胀的输出空气以两种不同的方式被引入。首先，来自涡轮膨胀机17的共生冷空气能够通过管道20引入，并随后分配到脱盐***中，其将被讨论，或用于其它冷却功能。其次，来自涡轮膨胀机17的另外能量可以经轴18循环返回到齿轮箱16，这因此能够使多级往复式压缩机23产生另外的压缩空气能量，所述压缩空气能够被循环回到缓冲罐19内以补充在那里排放的压缩空气。这样，当由涡轮膨胀机17产生的任何另外能量若不能以冷空气的方式被使用时，能够被循环回来以产生更多的压缩空气，其依次可用于产生更多的冷空气和/或电。

优选采用往复式压缩机23，以便以与储存在缓冲罐19内的空气背压一致的流速压缩局部大气。因此，优选来自第一压缩机15的空气正向流入与来自往复式压缩机23的空气正向流入汇合，这与供给涡轮膨胀机17的空气负向流出匹配。这种平衡发生在平衡压力下，该平衡压力取决于用于压缩机15、23和涡轮膨胀机17的标准立方英尺/分钟/HP(SCFM/HP)曲线。用于一套特定商业硬件的压力可能稍高于200psig。

注意如果需要用该***联合发电，则齿轮箱16可以被构造成使涡轮膨胀机17的旋转轴18能够连接到发电机以产生电，并与往复式压缩机23断开。该选项允许轴18被连接到叶轮驱动的往复式压缩机23以及与之断开，所述压缩机可用于将压缩空气再循环到缓冲罐19内。

3、无罐式压缩空气能量***：

图3显示出一实施例的“无罐的”压缩空气能量***的细节，包括压缩机31和涡轮膨胀机33，该***中不需要储存罐。在该***中，通过采用电动机32、第二压缩机34和涡轮压缩机31，来自能源的能量可用于压缩空气，其中，能够利用涡轮膨胀机33释放压缩空气，无需首先储存能量。电动机32能够被能源3产生的电直接驱动。压缩空气也可以由能源3直接产生，并且如果需要，可供送压缩空气以驱动涡轮压缩机31。

如在图3中可看到的，电动机32优选用于驱动第二压缩机34，其中，来自第二压缩机34的加压输出空气被沿线路36延伸的热交换器35冷却，来自压缩机34的空气随后在线路中路过到涡轮压缩机31内。涡轮压缩机31优选与涡轮膨胀机33共用轴39，从而使驱动其中的一个也将驱动另一个，如将要讨论的，其中，***能够到达稳态操作。

优选沿涡轮压缩机31和涡轮膨胀机33之间的线路38设置第二热交换器37，从而当压缩空气从涡轮压缩机31进入涡轮膨胀机33时，通过第二热交换器37再次冷却空气。这样，进入涡轮膨胀机33的空气相对较冷。如果需要，如同图2所示的小缓冲罐可以被设置在第二热交换器37和涡轮膨胀机33之间。采用的热交换***能够结合到混合室壁中，如管道和/或空腔，其将被讨论。

由于涡轮压缩机31和涡轮膨胀机33被相同轴39驱动，操作其中的一个将操作另一个，这有助于降低驱动机构的总成本。实际上，因为电动机32能够最初压缩空气以在***内部产生压力，且加压空气被引导入压缩机31中并随后引导入涡轮膨胀机33中，涡轮膨胀机33的驱动力可用于最初驱动压缩机31，从而消除了需要利用另外的能量来驱动任一机构。

例如，当来自第二压缩机34的最初加压空气从涡轮压缩机31传送到涡轮膨胀机33时，涡轮膨胀机33开始旋转，其依次导致公共轴39上的涡轮压缩机31也旋转。随后，当涡轮压缩机31的转速加大时，进一步加压来自第二压缩机34的输入空气并且使空气进入涡轮膨胀机33，导致涡轮膨胀机33进一步加速。利用来自第二压缩机34的能量，加速具有公共轴39的涡轮膨胀机33和涡轮压缩机31***的循环能够随后最终达到稳态，其中，通过第二压缩机34、涡轮压缩机31和涡轮膨胀机33的流动匹配。穿过涡轮压缩机31和涡轮膨胀机33的旋转动力也能够匹配。由能源产生的压缩空气也能够直接供给到涡轮压缩机31，以实现与利用第二压缩机34时相同的效果。控制器用于控制和操作热交换器，该热交换器用于帮助控制通过涡轮膨胀机33的空气温度。控制器确定将在任何给定的时间使用哪个热交换器以及它们应当提供多大效果。

图3a显示出以下内容：首先，该图显示出第二压缩机34(被称为往复式压缩机)在14.67psia和90psia之间操作期间的热力学的描述。压缩过程被视为等熵，从而使人们能够获取从14.67psia和70华氏度到90psia和426.44华氏度的空气(熵＝1.6366BTU/(#R))。然而，应当注意，压缩过程的效率可低至84％或更小，其结果是消耗更多的能量以实现90psia，从而使最终的温度实际上较高，即可以是492华氏度或更高。水冷却压缩机以及水冷却上游的热交换器35优选使输出温度为大约70华氏度。热水能随后被送到热水***中，如果需要作为废热回收，或者被送到结晶室壁，如将被讨论。也考虑到在第二压缩机34和涡轮压缩机31之间可能存在压降，诸如存在大约5psi的压力损失。

优选采用涡轮压缩机31(被称为离心压缩机)以84％的效率重复类似处理过程。结果是通过利用大约43.36BTU/#的流动空气使85psia和70华氏度的空气被压缩到大约205psia和250华氏度。同样，水冷却涡轮压缩机31以及水冷却下游的热交换器37优选使输出温度为大约70华氏度。热水能随后被输送到热水***，如果需要作为废热回收，或者输送到结晶室壁，如将被讨论。也考虑到涡轮压缩机31和涡轮膨胀机33之间存在大约5psi的压降。涡轮膨胀机33接收200psia和70华氏度的输入空气，并能够排放大约31.5psia和-114.8华氏度的冷空气。这会释放出43.416BTU/#的流动空气，稍高于涡轮压缩机31所需的43.36BTU/#的流动空气。

图3b中给出了样例，其中，2,000hp***能够提供10,857.6标准立方英尺/分钟的温度为-114.78华氏度的空气，用于冷却目的。注意，这通过以102.79BTU/#或5.5标准立方英尺/分钟/HP的效率仅为2,000HP往复式第二压缩机34提供动力而实现。在图3a中，有2,000hp的电输入和844.3hp的热输出。这代表效率为42.2％。

这些数字和数量是估计的，并仅为示例提供。在实际的使用中，本发明的脱盐***优选采用处于从-135华氏度至-175华氏度的温度范围内的冷空气操作，并因此诸如通过增加被释放的压力量而具有较大冷却潜能的***是本发明所考虑的。可以改变实际的数字和数量。

通过考虑200psia的输入压力和两种排放压力(1)30psia的压力用于一级涡轮膨胀机，以及(2)14.67psia的压力用于二级涡轮膨胀机的示例，能够概括得出从涡轮膨胀机可利用的冷却温度。在第一种情况下，30psia的排放压力考虑到下游的处理过程，其中，冷空气将需要被充分加压以通过长距离的管道和阀及与其相关的压力损失。第二种情况即14.67psia的排放压力考虑到不存在任何重要的下游管件，并给出穿过涡轮膨胀机的最大压降(温度降)。

图3c显示出为上述两种特定情况产生单位动力(标准立方英尺/分钟/hp)所需气流间的强烈差异。图3c显示出输入温度越高，产生单位动力所需的气流越少。因此，较高的输入温度将需要较少的压缩空气能量，包括采用较小的储存罐，以为相同的动力排放时间产生给定量的动力。另一方面，图3d显示出较低的输入温度将产生较低的排放温度。而且，图3d显示出对于较低的输入温度，排放从200psia到14.67psia(大气压)产生了极低的温度。因此，如果目标是脱盐或空气调节，则有必要考虑更大的压降和更低的输入温度。

B、本发明脱盐***的应用：

本发明的脱盐***能用在实质上需要脱盐的任何应用中。例如，可能需要将新鲜水供应到位于海岸点附近的处于干旱季节的市镇，或者可能在沙漠中存在可利用的充足含盐井水。在下面的部分中将考虑两种独特的应用：(1)船上应用，以及(2)岛屿或岸上应用。在船上应用中，目标是牺牲电能以最大化生产新鲜水(参见显示模式#3的图4c)。所产生的电能将被循环返回以操作空气压缩机，诸如通过利用上述缓冲罐压缩空气能量***。在岛屿应用中，理想是能够灵活地从一种模式转换为另一种模式，要么电能最大化、脱盐最大化，要么维持二者平衡(参见显示模式#1、#2和#3的图4a、4b和4c)。

1、船上应用：

如在图4c的模式#3中所看到的，在船上可利用的柴油机燃料能够用于操作#1压缩机55。压缩机55优选将压缩空气供给到非常小的缓冲罐57内。缓冲罐57具有一个通入涡轮膨胀机61的出口，涡轮依次，膨胀机61排出极冷空气。涡轮膨胀机61的轴优选连接到涡轮压缩机轮上，#2压缩机59吸入局部大气并进行压缩，从而能够将压缩空气供给回到缓冲罐57内。因此，净***利用柴油机燃料驱动#1压缩机55，并随后产生作为副产物的超冷空气。如将讨论的，该超冷空气能够与海水相互作用，并利用本文描述的脱盐***产生纯水。与在船上使用的诸如利用逆渗透法的其它现有***相比，该装置能够被制作成相对小型化并能产生显著量的新鲜水。

在该实施例的变形中，船上***也可以被安装在船上的风力涡轮机51驱动，以利用风力产生的能量驱动压缩机55。风力涡轮机51可以被安装成使之能旋转，并且在任何时候都瞄准风力，从而能够使风力与船上发动机的动力结合，或代替船上发动机的动力，用于产生驱动压缩机的动力。压缩机55优选是齿轮驱动，从而使来自风力涡轮机的动力在未被首先转化为电的前提下直接使用，这会增加效率。

2、岛屿和近海岸应用：

岛屿应用优选利用上述任何压缩空气能量方法共同产生电和/或冷空气。首先，在仅需要电的时段期间，加热器或废热可用于预热输入涡轮膨胀机61的压缩空气(到大约350华氏度)以最佳地产生电，这会减少压缩空气的消耗，并且本质上没有来自涡轮膨胀机的冷空气。然而，在需要电和冷空气(为脱盐和空气调节的目的)的时段期间，优选切断热输入。在这种情况下，涡轮膨胀机产生电会增加压缩空气的消耗，并且冷空气作为副产物从涡轮膨胀机排放以供给脱盐和/或冷却***中。通过脱盐***的冷空气也能用于为空调提供冷却。

在(a)不需要电并且(b)需要冷空气为脱盐和/或空气调节目的的时段期间，优选切断加热器输入。优选地，可以实施上述缓冲罐“循环返回”***。在这种情况下，涡轮膨胀机61优选产生减少的电力或者根本不产生电力，并且冷空气从涡轮膨胀机61排放到脱盐***和/或冷却***中。而且，所产生的电力被循环返回以操作#2往复式压缩机59。在该操作模式中，缓冲罐的体积不相关。在罐57中达到稳定压力，从而使输入压缩机的给定动力输出冷空气的固定的流动。#1和#2压缩机优选连续地操作。

3、***模式：

在如图4a所示的模式#1中，感兴趣的是产生最大水平的电力，同时以最小的流速排空储存罐57。这能够通过利用来自附近装置(或太阳辐射)或压缩机55的废热加热供给到涡轮膨胀机61的加压空气而实现。就是说大约300华氏度的较高最初温度将产生来自涡轮膨胀机61的稍低于室温的废气温度。因此，尽管产生了电，但没有用于伴随产生冷空气。在旋转叶轮的高叶尖速度下，涡轮膨胀机61的叶轮材料应当是钛。

在如图4b所示的模式#2中，感兴趣的是产生电力并同时产生来自涡轮膨胀机61的极冷的废冷空气。因此，伴随产生的冷空气能够用于空气调节***、冰箱、食品柜，并且在优选的实施例中用于脱盐***。涡轮膨胀机61能够在低于70华氏度的温度下操作，从而可以接受在旋转叶轮的高叶尖速度下叶轮材料由高强度铝制成。

在如图4c所示的模式#3中，对于产生电力不感兴趣，但感兴趣的是产生来自涡轮膨胀机61的冷空气。因此，伴随产生的冷空气能够用于空气调节***、食品柜、冰箱，并在优选的实施例中用于脱盐***。涡轮膨胀机能够在低于70华氏度的温度下操作，从而可以接受在旋转叶轮的高叶尖速度下叶轮材料由高强度铝制成。

C、低共熔冻结处理过程：

近年来，被称为低共熔冷冻结晶法的现有技术引起了人们的关注。在对含盐海水进行脱盐时，低共熔冷冻结晶处理过程利用了冻结处理过程以及盐水溶液相图，如图20中所示。

在0摄氏度(32华氏度)时纯水将开始冻结，而含3.5％盐浓度的盐水溶液将在大约-1.9摄氏度时才开始冻结，其中所形成的冰在本质上是不含盐的，冰具有的密度大约等于新鲜水的冰的密度。盐水溶液将维持液态时的最低温度是-21.1摄氏度或大约-6.2华氏度。在达到该温度之前，盐水溶液中的新鲜水成分通过形成冰晶开始冻结，但在该温度时，不仅新鲜水冻结，而且盐也和冰一起作为纯NaCl晶体和水合物NaCl·2H₂O开始结晶出溶液，直到溶液中的液体完全冻结为固体。冻结的溶液是分离的NaCl晶体和水合物NaCl·2H₂O晶体以及原始冻结的由新鲜水的冰晶的混合物。温度较高的两相混合物和温度较低的单相异质混合物之间的边界被称为低共熔混合物。

当水中仅存在一种盐溶质时，低共熔混合物处于与溶液平衡的点形成极好的温标校准点。每种溶质具有其自身的低共熔温度和浓度。这是因为两相(冰的新鲜水和盐水)和一个固相的混合物可在一个温度下稳定，并且仅每个特定溶质处于一个温度。如果存在从两相转变到一个固相，则温度必须处于-21.1摄氏度(或-6.2华氏度)。

低共熔冷冻结晶处理过程的步骤顺序可基于通常水-盐相图来解释，如图20中所示。如果盐水溶液被冷却到低于如液相边界线所示的冻结温度，则冰晶将开始形成。该液相边界线具有一个角度，以表明盐水溶液的冻结温度依赖于其中的盐浓度水平。例如，当存在0％的盐浓度时，冻结温度为32华氏度。然而，当盐浓度水平增加时，沿液相边界线向下移动，冰晶将形成的温度降低。例如，当溶液中存在10％的盐浓度时，冻结温度变得较低，即大概为15-20华氏度。随后，随着继续冷却并且当形成较多冰时，盐水溶液变为更浓缩的盐。因此，盐水溶液的组成沿液相边界线移动并最终到达被称为低共熔点的点，处于该点的盐水溶液被盐饱和(盐浓度为23.3％)。在该浓度下，当温度处于大约-6.2华氏度的低共熔温度时冰晶将形成。进一步冷却到低于-6.2华氏度将导致形成三种固体的混合物：1)固态的纯水冰晶，2)固态的纯盐晶体，以及3)固态的纯水合盐晶体，三者处于不允许分离的单个固相中。NaCl的低共熔点为-6.2华氏度，并且低共熔成分为23.3％。

在本发明中，优选在稍高于该低共熔温度的温度下操作冰团，以避免盐结晶。因此，优选使用仅高于固相边界的区域(低于23％的盐浓度)，其代表高于EFC温度的相图区域。相图左侧的极远区域(0％盐)代表纯冰/雪形成，并且中央区域代表盐水。相图右侧的极远区域以及低于固相边界的区域包括纯固态冰晶、纯固态“盐和水合水”晶体以及处于不允许分离的单固相中且不用在本***中的纯固态盐晶体。

由太平洋西北实验室的Herman Cho博士进行的核磁共振(NMR)测试表明在盐水溶液被冷却到低于低共熔温度时，当盐水溶液被解冻到高于低共熔温度时，它“立即”返回其两相态。这是用于描述非常小的液滴在结晶室内的行为的重要数据点。

也应当考虑到来自海洋的标准海水除包含盐之外还包含其它矿物和杂质，如图7中所示。图7显示了海水的标准组成。该图给出了每种组分的重量百分数和低共熔温度。另一方面，图8代表清洁的饮用水的必要条件。在海水中的盐浓度通常为3％，当海水的盐浓度变为0.03％时被认为可饮用。新鲜水被认为具有低于0.05％的任何盐浓度，然而，术语“含盐水”一般指具有的盐浓度介于0.05％和3.0％之间的水。术语“盐水”一般指具有的盐浓度介于3.0％和5.0％之间的水，并且术语“浓盐水”一般指具有的盐浓度大于5.0％的水。同样，术语“海水”将贯穿全文使用，用于指任何需要被净化的水，不管其是否来自于海洋。

注意到通过利用-21.2摄氏度(或-6.2华氏度)的低共熔温度提取氯化钠(NaCl)时，结晶处理过程将留下以下矿物质：氯化钙(引入1.36g/升)和氯化镁(引入4.66g/升)。这是两种为获得进一步的经济利益而能够被利用的产品。如果感兴趣进一步去除其它矿物，诸如氯化钾、硫酸镁和碳酸氢钠，较仔细地控制半融化温度能够确保这些化合物不冻结到冰内，而是将保持在盐水溶液中，以便稍后在其它过程中回收。当获得新鲜的饮用水是最终目标时，本发明考虑在海水被用在脱盐处理过程之前利用过滤器尽可能多地去除来自海水的杂质。本发明考虑利用任何其它矿物质来获得进一步的经济利益。

EFC方法公开了非常少的信息，可能是由于与有竞争性的传统技术诸如蒸发和冷却结晶相比，该方法具有所谓的EFC复杂性。随着当前在清洗柱技术以及融化结晶的大规模应用作为一种超净化技术方面的进展，能够克服排在EFC缺点中最前面的涉及到投资成本和规模限制的缺点，并且是已到考虑其商业应用的时候了。

如上所讨论的，本发明的EFC处理过程与其它处理过程的不同之处在于，本发明的过程涉及形成纯水的冰晶，该冰晶能够与基础水中的杂质分离。这对于液滴冻结形成固态冰粒和液态盐水的两相溶液是重要的，因此希望液滴在“飞”的期间达到或接近低共熔温度。另一方面，如果当液滴通过室下落时变得太冷(低于低共熔温度)，每个液滴内的新鲜水将与固态盐晶体和固态盐水冻结在一起，在这种情况下，不可能从新鲜水中分离出盐。

这可能发生在例如当海水喷雾包括各种液滴尺寸时，其中，较小的液滴能够达到低于低共熔温度并在它们到达室底部时完全冻结。在该方面，考虑到被设计成用于分配平均尺寸接近直径4,000微米的云雾的喷嘴也将产生较小部分的质量流动，但大量的液滴处于直径为400微米的范围内。这些更小的微粒具有小十倍的沉降速度，并将具有长十倍的保留时间。而且，在共流结构中当这些更小的微粒与离开喷嘴的-135华氏度或-175华氏度的局部气流发生相互作用时，它们将更快冻结到远低于低共熔温度的温度。即使通常的喷嘴能喷射较大直径的微粒，但将总是有较小微粒，包括特定范围内的微粒尺寸分布。较小的微粒有可能数量很大，但将不影响非常大的总质量。

因此，向下“飞”过该极冷温度区的小液滴将实际上导致不希望有的液滴结晶进入固体微粒内，包括(1)新鲜水的固态冰，(2)固态盐，每个盐分子结合两个水分子，即盐分子具有水合分子，以及(3)固态盐晶体。小微粒在冷空气中“飞”的期间未分离新鲜水与盐水。然而，如将要讨论的，当液滴沉积到堆积的冰粒团上时将发生分离，冰粒由室底部的大液滴产生，优选具有的平衡温度高于低共熔温度。

在接近喷嘴的区域中，当直径为几百微米数量级的小微粒被暴露到温度远低于低共熔温度的空气温度中时，能够完全冻结至其中心。当这些小液滴沉积到结晶室底部的较热冰团/雪团上时，它们优选升温到稍高于低共熔点的大约的平衡温度。因此，如果小液滴被冷却到低于低共熔温度，它们能够解冻回到高于低共熔温度。在该点将发生平常的固态多孔雪/冰结构和液态盐水溶液(盐水)分离。因此，在本发明的过程中，至少在室底部，结晶温度优选维持在稍高于低共熔冷冻结晶温度的水平，以避免盐结晶。最终的结果是形成纯冰/雪以及残留的液态盐水。

在低共熔温度下操作结晶室导致以最高85.7％的可能转化率将海水转化为淡水。然而，冰团/雪团的多孔性可能在稍高的温度下较高，从而牺牲小于85.7％的转化效率以获得较高纯度的最终新鲜水。

本发明代表EFC***的一种新变型，其中，清洁的冷空气被用作制冷剂并与海水液滴云雾混合，导致海水达到低共熔点附近，从而能够形成纯水冰晶，该冰晶能够在冰冻结后从残留的含盐水溶液中移除。在本发明中，想要***主要在高于低共熔点时操作，尤其是当冰晶开始沉降时操作，从而能够避免形成固态盐晶体。

本发明的目的之一是通过将海水暴露到引入混合室内的冷空气中并相互混合而确保海水被适当地冻结。为此，本发明考虑将极冷空气引入混合室内，诸如被冷却到优选介于-135华氏度至-175华氏度的空气，以及随后对海水加压并以微小海水液滴形式通过喷嘴注入混合室内，其能够更容易与冷空气混合、被冷却并受冷空气影响。而且，为确保能够发生充足的冻结和分离，有意义的是要确定液滴的尺寸、速度和压力以及它们如何被形成并被引入冷气流中，以及冷空气的温度、体积流速和相对方向，以及混合室的尺寸。

图9显示了水滴的各相温度区。在其发现者Tor Bergeron之后被命名的Bergeron过程涉及超冷却的水滴。术语“超冷却的”指在低于0摄氏度或32华氏度的凝固点的温度下仍为液态的水。研究已表明很小的点滴水，诸如云滴尺寸，能够在低于冻结温度的温度(低至-40摄氏度或-40华氏度)下良好存在。

本发明优选利用诸如图14-18和25-31中所示的那些混合室使冷空气与海水液滴混合。混合室本质上是一种容器，优选具有绝缘壁，海水液滴和冷空气能够被引入混合室中并相互混合，直到它们共同达到接近(稍高于)低共熔温度，如上所表示，对盐水而言该温度是-21.1摄氏度。可以根据需要而改变室的尺寸和构造以及所需要的容量，如将被讨论的。

为帮助确保发生适当地混合，海水优选被加压并通过一个或多个喷嘴以形成喷雾，该喷雾形成海水液滴云或薄雾，优选被导入室内。任何不同的喷嘴构造是可能的，这取决于要实现的理想结果。

全锥形喷嘴形成完全喷射覆盖圆形、卵形或正方形区域。通常，液体在喷嘴内打旋并与绕过内叶片的非旋转液体混合。液体随后通过形成锥形的开口离开。液体的喷射角和在锥形体内的分配取决于叶片的设计以及相对于离开开口的位置。离开开口的设计和有关的几何比例也影响喷射角和分配。全锥形喷嘴提供了均匀喷射分配中等到大尺寸液滴，这源于其叶片设计，该设计具有大流动通道和控制特性。图10显示了喷嘴的几种特性。全锥形构造可能最适合于本应用。在每种类型的喷射模式中，由穿过开口(其中的开口直径很小)的最低压降限定的最小容量将产生最小的喷射点滴，最大的容量产生最大的喷射点滴。尽管对于大多数喷嘴将不可避免地形成不同尺寸范围的液滴(分配)。例如，体积中值直径(VMD)为4,000微米直径的喷嘴将具有最大的4,000微米液滴团流动。然而，在直径为400微米的较小尺寸处也将存在小得多的微粒团流动。体积中值直径是基于喷射的液体体积；因此，它是一种被广泛接受的量度。图11显示了不同类型的喷嘴可能产生的点滴尺寸范围。

注意在本发明的一个实施例中，将存在输入的海水和冷空气之间的混合，其中，利用预定量的冷空气能够处理大约250磅/分钟(250#/min)的海水，该预定量的冷空气已被计算为大约7,151标准立方英尺/分钟(7,151SCFM)。在这种情况下，理想地是将回收大约214#/min的冰(新鲜水)。基于涡轮膨胀机的效率为9.9标准立方英尺/分钟/hp且压缩机的效率为2.2标准立方英尺/分钟/hp，7.1kW的输入电能可产生1磅/分钟的新鲜水。

为在120分钟内输送11,000磅盐水，选择的喷嘴必须通过最小10.76加仑盐水/分钟。因此，容量为12加仑/分钟且VMD为4,300微米的全锥形喷嘴可应用到该样本实施例中。注意大雨滴是由VMD为2,000到5,000微米的微粒组成。当雨滴和相对的风力发生作用时，直径超过8,000微米的雨滴将破碎。在该实施例中，体积流速能够规定装置的设计，包括喷嘴的尺寸及其操作压力，并因此在必需生产理想流速的新鲜水的情况下规定海水液滴的尺寸。在其它实施例中，喷嘴的尺寸和海水液滴的尺寸能够基于希望获得的最佳特性来确定，以便在生产新鲜水时使装置的效率最大。

优选尽可能地控制并预先确定海水液滴的尺寸，以确保发生适当的混合和充足的热传递，以帮助确保发生适当的冻结。优选地，液滴将仅需非常短的时间就完成从液滴外表面到液滴核心的冻结，在图12中可看到其中的一例子。这可以是液滴的尺寸和温度以及冷空气的体积流速和方向的函数，也是室尺寸以及液滴被暴露到冷空气中多长时间即保留时间的函数。液滴必须足够小以快速冻结，但也必须足够大，从而使它们最终落到室底部，不管冷空气的流速有多大。

一般而言，液滴尺寸可能受到用于迫使海水通过喷嘴的压力量的影响。当使用较大的压力时，液滴直径将趋于较小，并且当使用较小的压力时，液滴直径将趋于较大。例如，当使用大约28psia的压力时，液滴将趋于相对小，导致液滴以大约26英尺/秒的速度向下进入14.67psia的大气中。另一方面，在较低压力如大约16psia时，液滴将趋于较大，导致液滴以大约8.3英尺/秒的速度向下进入14.67psia的大气中。然而，对于大多数喷嘴，始终不可能完全控制形成的每个海水液滴的尺寸，因此本发明必须考虑当喷射时将形成具有尺寸范围的液滴的可能性。然而，喷嘴被设计成特定的标准液滴尺寸。在统计学上，标准液滴尺寸将是中值(VMD)，具有通常的钟形分布。对于同等制造的喷嘴，正态分布将相对狭窄且高度成峰化，从而使大部分微粒尺寸将接近中值。高于和低于平均值的外部尺寸区域将不明显地影响脱盐***的性能。

另一考虑是冷空气在室内的流速。结合液滴的尺寸来考虑，液滴将被暴露并悬浮在冷空气中多长时间并将如何在混合室内循环将取决于液滴和冷空气的相对速度。换言之，能通过调节冷空气在室内的方向和流速而改变液滴下落到室底部的速度，如将被讨论的。在该方面，被引入室内的海水喷雾和冷空气的相对方向能影响于冰晶的适当形成。在该方面，本发明考虑采用1)逆流和2)共流设置。

D、逆流：

为实现逆流设置，将冷空气和海水喷雾以相反的方向引入室内。例如，当将冷空气向上引入室内时，通过将海水向下喷入室内而实现逆流设置。在图16-18和25-30中显示了这种设置。采用利用向下喷射的海水和向上流动的冷空气形成的逆流，重要的是要考虑反向流动对液滴在室内循环、冻结和沉降方式的影响。在任一情况下，考虑到重力和液滴尺寸以及冷气流的温度和体积流速以及室尺寸的影响，两种流速之间的差异能帮助确定海水液滴能够充分地被循环的程度，从而能够实现液滴充足的冷却和冻结以及沉降。液滴也必须下落到室底部，以便在相当短的时间内即在小于几秒钟内开始形成冰团。

因此，当考虑逆流时，由于海水液滴遇到向上的冷气流，人们必须考虑海水液滴的最终下落速度。图13显示了水滴在空气中的最终下落速度的相关性。直径较小的微粒(显示为线下面的)在许多情况下将被向上吹并能被吹出***，因此，用于喷射的喷嘴结构优选被构造成使它不产生太小的液滴。然而，对于大多数喷嘴，某种数量的海水液滴将不可避免地被形成为将趋于被向上吹的薄雾状微小液滴喷雾，尽管这优选地表示非常小部分的海水输出。

已考虑利用大约7,151标准立方英尺/分钟的冷空气和具有25平方英尺横截面面积的竖直圆柱的室，其中，冷空气的向上垂直速度已被确定为大约4.77英尺/秒。在这种情况下，通过考虑支持图13的数据，已经确定大于325微米的海水液滴将有可能适当地缓慢沉降通过处于该速度的向上冷气流。然而，通过察看图13中的图表，已考虑到直径尺寸为4,000微米且冷空气沉降速度为44英尺/秒的海水液滴将更可接受。Wa Gao博士报道了在她的竖直风道中利用-4华氏度的冷空气在大约7秒的平均时间内冻结2,800和4,200微米尺寸的脏废水液滴。然而，在本发明中，海水液滴优选在较短的时间内如短至大约0.2秒内从室温即+40华氏度冷却到接近-6.2华氏度(低共熔温度)，这是由于使用了温度介于-135华氏度到-175华氏度之间的冷空气。

对于直径4,000微米数量级的更大液滴尺寸，假定使用相同温度的冷空气，将花费多于0.2秒的时间使液滴冻结到核心。开始时，当液滴处于+40华氏度且空气可能处于-175华氏度和-135华氏度之间的温度时，看起来有可能存在强烈的热传递并且仅需0.2秒。然而，这种计算不完全准确，这是因为当液滴温度下降并且局部空气温度升高时发生热交换。而且，假定液滴与所有空气发生相互作用，这是为确保适当的热交换所需要的。然而，由Gao博士报道的液滴冻结数据支持这种短暂的冻结时间用于较热空气流中的各个液滴。考虑到逆流时在室内的保留时间的例子，其中，向下的沉降速度为44英尺/秒的直径4,000微米的液滴与室内更缓慢向上的速度为4英尺/秒的冷空气相遇。液滴将在10英尺/(44英尺/秒-4英尺/秒)＝0.25秒内下落通过10英尺的垂直高度。因此，希望较大的液滴将不完成所需的热交换，直到它们沉积到冰团/雪团上时才完成它们的热交换，以达到-6华氏度的平衡温度。

也能够看到液滴的尺寸越大，可用在逆流室中的冷空气的向上速度越大，同时仍能使液滴在相对短暂的时间内下落到室底部，在被考虑的例子之一中该时间是大约2.5秒。并且，假定使用相同温度的冷空气，采用的液滴尺寸越大，冻结液滴到核心所花费的时间越长，其中，希望冷空气的温度相对较低且冷空气的流速相对较高，以便高速传递到液滴。

如图16-18所示，尽管喷嘴将趋于通过位于室壁上的开口被向下导入室内，通过维持***在室顶部排气，冷空气将趋于向上流动。通过在顶部排气，被引入室内的冷空气只能向上流动通过室，其中，该流动可用于逆着下落的液滴产生逆流。这种轨线给出最长的保留时间并允许碰撞的液滴结合。冷空气的入口位于室侧上，从而使液滴将不粘住注射机构。在冻结液滴上所做的研究工作中，以向上的速度注射向上流动的冷空气，从而匹配液滴的沉降速度，并且液滴维持静止，以观察冻结期间的液滴性能。

液滴的沉降速度以及快速冻结过程也确定沉降室高度。采用逆流设置时，混合室越高，液滴下降到底部所花费的时间将越长，并因此液滴被暴露到冷空气中直至冻结所花费的时间将越长。而且，相图为平衡图，假定有足够的时间可利用，以允许分离不同相。因此，沉降室的最终结构优选基于***的相分离效率确定。如果太乐观的话，可能有必要减少海水通过喷嘴的流速，或增加沉降室的高度，或冷空气的体积流速等。

也希望确保冰粒维持在空气中分离，从而使它们在到达并在室底部结合以形成冰团之前将适当地冻结。如果允许两个或更多的冰粒在“飞”中融合在一起并结合，它们将趋于形成更大的液滴，这将需要较多的时间冷却到凝固。因此，利用逆流设置时，希望形成离得足够远的海水液滴，从而当它们被喷射时，将不会在空气中融合在一起。

先前的研究人员已经观察到由于两个雨滴之间存在引力而相互碰撞。他们考虑直径为20微米的液滴并假定最初分离是大约10倍的直径，而不是通常假定的50倍直径。10倍直径分离产生更密集的液滴分布，这将更有可能导致结合、液滴生长并形成雨。

基于这些比率，如果微粒之间的分离是25倍直径，并且直径是4,000微米，则优选的分离距离将是100,000微米。这将意味着在10cm×10cm×10cm的立方体中将有1个微粒或者1个微粒/升。上述计算将意味着分配该云雾将需要在高1,026英尺高并且横截面面积为25平方英尺的室内实现，其中，该静态云雾将具有1个微粒/升空气的密度。如果这是液滴在高海拔云中的分布，则液滴将下落到地面上，并且在其下落期间不互相碰撞。

如果微粒之间的分离是10倍直径，并且如果直径是4,000微米，则分离距离将是40,000微米。基于上述计算，分配该云雾将需要在高260英尺并且横截面面积为25平方英尺的室内实现。如果这是液滴在高海拔云中的分布，则液滴将下落到地面上，并且在它们沿轨线下降期间可能发生碰撞。

然而，当液滴经喷嘴引入时，喷嘴连续产生海水液滴云雾，并利用缓慢上移的空气团流动诸如以4英尺/秒的速度向上流动，引起云雾发生连续沉降，已经确定沉降室的高度可以更小。此外，当使用直径为4,000微米的液滴时，它们将不明显受到空气向上流动方向的影响，并因此将趋于沉积在结晶室底部，在那里，它将在几秒钟内完成其热交换和某些排出。然而，当使用直径为200微米或更小的液滴时，它们将趋于以大约2英尺/秒的向下速度非常缓慢地沉降，并因此液滴甚至可能不沉积在结晶室底部。因此，在这种情况下，有必要确保液滴直径至少大于400微米。然而，在尺寸谱的下端，这些尺寸较小的液滴将具有较长的保留时间，即有可能高于2.5秒。而且，如稍后将讨论的，当液滴在较低的温度下沉积时，液滴将形成较多孔的冰团，该较低温度与在结晶室底部引入的空气有关。

这些是与逆流设置有关的固有缺点，这是由于向上的冷空气流导致液滴被迫向上并循环更长时间，其中，如果室不足够大和/或液滴密度太高的话，它们可能更容易碰撞并融合在一起。

图16显示出逆流和成批取冰***的例子，其中，从主室141中间注入冷空气并向上流动。图16显示出主室141的截面图，该主室具有环绕室壁145延伸的管道143和/或空腔，用于使海水和/或受热的压缩空气循环通过室壁以进行热交换，如将要被讨论的。该实施例显示出压缩空气能够由涡轮压缩机148产生，并且压缩空气能够由涡轮膨胀机150释放和膨胀，其中，产生的冷空气可以在中部140附近被引入室141内。如之前所讨论的，也可以提供其它的压缩机和热交换器等。

作为在室141顶部排出冷空气的结果，来自涡轮膨胀机150的冷空气优选被向上引导，即冷空气在室141的中间点140附近开始流动并在顶部排气。优选预先确定冷空气的温度、压力和流速，并且它们是在此所讨论的因素的函数。

如将要讨论的，已被过滤并循环通过室壁的预先冷却海水优选经一套一个或多个喷嘴142导入室141内，以形成海水液滴喷雾，诸如以液滴云雾的形式。优选从上方从室141顶部147向下方向注入室内。优选预先确定海水液滴的温度、压力和流速，并且它们是在此所讨论的因素的函数。

该构造能够使冷空气和海水液滴以相反的方向引入室141内并循环，其中，液滴能通过室内的热交换进一步被冷空气冷却。喷嘴142优选被设计成朝向中央分配液滴，从而使冰粒保持远离室壁，并从而使冰团趋于在室中央形成，诸如倒锥形形式的冰团。在该实施例中，允许废冷空气通过顶部147的排放口而离开室141，其中，废冷空气能随后被用于其它冷却目的，诸如空气调节。

吸入的温度较高的海水和/或来自涡轮压缩机148的热空气优选在室壁145内循环，以帮助防止在室141内形成的液滴冰聚集到壁145上并调节室141内温度，即帮助维持较一致的内部温度。

例如，已被过滤的海水能通过泵被引入靠近中点152的管道143和/或空腔，从而使海水向上循环通过室壁145的上半部，并能够在顶部附近在点153处排出，在那里，预先冷却的海水能够被喷嘴142分配以引入室141内。海水优选循环通过环绕室141延伸的上部管道143，其中，当海水循环时，在经喷嘴142释放到主室141内之前，通过与冷室壁145的热传递而被预先冷却。在该方面，海水优选(1)当它循环通过环绕主室141的入口管道143时被冷却，(2)当海水液滴经主室141内的喷嘴被喷射时被冷却，以及(3)当冻结的海水液滴沉积在冰丘上以便在室141底部形成冰团时进一步被冷却。

来自涡轮压缩机148的热空气可以在低点154处被引入管道155和/或空腔内，从而使它向下循环通过室壁145的下部，并能够在底部156排出，其中，被冷却的压缩空气能随后被分配回到涡轮膨胀机150，以帮助保持压缩空气冷却。在该方面，管道155优选适合于将压缩空气维持在其被压缩状态，这允许由涡轮膨胀机150膨胀的现行空气预先被冷却，从而使最终的冷空气能够被制得更冷。实际上，来自涡轮压缩机148的受热压缩空气能够被循环，以防止冰团粘结到室壁，并且当空气循环时被来自冷室壁的热传递冷却，其中，预先冷却的空气随后被循环回到涡轮膨胀机150，在那里，空气被超冷却并被引入主室141内以冻结海水液滴。

能够改变管道和/或空腔的位置，即海水能够循环通过整个室或室下部，和/或热空气能够循环通过整个室或室上半部，这要根据***的需要而定。优选当其处于管道和/或空腔内时发生海水和受热空气的大量预先冷却，并从而存在在室壁内传递热的极好方式。

室底部优选适合于允许浓缩的盐水聚集并随后经通风孔158被移除，在那里，由于冰的密度较低并且盐水的密度较高，将在盐水上面形成冰团并漂浮于盐水上。可以在室底部设置篮子159，从而使冰团能够很容易被移除，而不用必须停止***。在该方面，室141底部优选适配有一个开口，该开口允许移除篮子159，其中，冰团能够随后被解冻以产生新鲜的饮用水。可选择地，室141底部能够被设计成具有下降门，诸如具有铰链，从而不用必须停止操作***就能降低门，以允许从室141中移除冰团以及聚集的任何残留盐水。在这种情况下，优选在室141下面有传送***，该***允许冰团被输送到它们能够被解冻和融化以产生新鲜饮用水的地方。

图17和18也显示出一种逆流***，具有类似的室80，冷空气在中点82附近被引入室内，其中，喷嘴84适合于从上方引入海水。这些图较清楚地显示出在底部形成的冰团86的形状，多数是倒锥形状，其作为将喷嘴84朝向室80中央引导的结果。该实施例也显示出活塞的实施例，该活塞可用于当需要移除冰团时使冰团从室中下降。该图也显示出冷空气的进入点82应当高于冰团的最高可能点。这由附图标记“H”表示，“H”是从室底部到冷空气进入点之间的距离。必须确保注入的冷空气不撞击到冰团上，并将其冷却性能转入冰团，而不是转入沉降室80中的空气。注入的空气必须进入沉降室80并立即上升到室顶部，而且与下落的海水液滴发生相互作用。图18也显示出能够在靠近底部处结合在室壁上的分离加热单元，以帮助防止冰团以及任何下落的冰粒冻结到室壁上。

在沉降室底部存在低于冷空气注入点的区域，该区域将含有死空气区，空气在那里以漩涡状循环。这些漩涡将排出一些进入的冷空气，并将一些漩涡空气返回到向上的主空气流中。因为涡流可能会不理想地将冰团和盐水维持在低于低共熔温度下，导致一些盐结晶并沉积在盐水溶液底部，应当确定H的数值以确保冰团将维持在适当的温度下，在优选的实施例中，该温度稍高于低共熔点。注意形成中的冰团形状优选为锥形，尽管考虑可采用任何允许盐水沿侧面流走或通过孔下流的形状，如将要讨论的。这方便冰晶沉积以及与每个冰晶相关的盐水溶液流走。

当冰团形成时，也希望维持环绕冰团周边的液体环形间隙，并且也方便在移除冰团期间位移。当液滴沉积到冰团上时，冰团分为两相，即冰晶和盐水溶液。由于冰团具有锥形表面，液体能够向下流动并朝向沉降室壁向外流动。因此，需要在冰团和沉降室之间具有间隙，以便排出的液体能从冰团流出并流入下面的盐水溶液中。除了设置热交换***之外，如上所述，利用室壁内的管道和/或空腔能够在在室底部在沉降室的壁设置局部加热器，该加热器能够被打开以提供刚好足量的局部加热来维持所需的间隙。

图17和18显示出可用于降低冰团的活塞，从而使冰团能够从室80内移除，其中，该环形间隙能够方便冰团移动通过沉降室。沉降室的高度优选被设计成提供保留时间，以方便在几秒钟内将冷却能量从空气传递到海水液滴。然而，冰与盐水溶液的主要分离发生在冰团上，在那里维持更长的时间，包括从几分钟到几小时不等。

E、共流设置：

除逆着下落的液滴向上吹冷空气即“逆流”之外，如在上面讨论的***中那样，也已经研发了其它实施例，其中，在与海水液滴相同的方向上吹冷空气，这被称为“共流”。在图14-15和31-34中显示了共流设置。这里讨论二者的优点和缺点。

冷空气向下流入室内的优点是因为当空气接触海水时即当空气从室顶部向下喷射时处于其最低温度。这使液滴暴露到大致低于低共熔温度的温度下，并有助于快速开始海水的闪冻过程，帮助更快地形成冰。如果并且当液滴碰撞时这也能够有助于防止液滴粘结在一起，如果液滴的密度太高或者室尺寸太小，液滴将粘结。

当液滴下落时，下落时间是室高度的函数，并且液滴开始吸收冷空气，并因此使液滴冻结，空气开始变热，从而当液滴到达底部时，空气不象当它们被引入室内时那样凉，其优点是因为可防止冰粒变得太冷，而冰粒变得太冷可能会导致全部盐水冻结。通过将室底部混合物的温度保持在稍高于低共熔点，可防止盐水完全冻结，如将讨论的，这将允许围绕冰粒的较多液体盐水溶液流走并与冰粒分离。

冷空气向下流动也防止液滴在中间空气中悬浮太长时间，如果如在逆流设置的情况下逆着下落的液滴吹冷空气，可能会发生液滴在中间空气中悬浮太长时间的情况。液滴暴露到冷空气中太久可能使它难以控制以及正确地调节室内的精确温度以及液滴温度，必须维持底部适当的一致性。例如，在许多情况下，海水的冻结状态不可能从室内的一个位置到另一位置而相同，即，一些冰粒可能结束被暴露到冷空气中太长时间，在那种情况下它们可能太冷，而其它的可能没有暴露足够长的时间，在那种情况下它们将不足够冷。当从喷嘴喷出的液滴尺寸不同时，这个问题可能被扩大，从而导致液滴以不同的速度冻结。

采用向下的共流过程，这些问题中的许多能够被避免。然而，一种潜在的不利方面是通过将海水液滴暴露到一股与下落的液滴方向相同的冷空气中，液滴可能行进太快到达室底部，这就意味着将有较少的保留时间来冻结液滴。对该问题的一个解决方案是利用超冷空气，其能够迅速作用到液滴上，以确保当液滴到达室底部时，它们处于适当的温度下。另一种方案是利用预先冷却的海水来形成液滴云雾，从而使海水液滴需要较少的时间来冻结和/或到达低共熔点，并因此需要较短的暴露时间。

另一种方案是调节海水液滴的尺寸和流速以及冷空气流，从而使液滴不会快速行进下降到底部。例如，在一个实施例中，能够以减小的速度如以大约4英尺/秒的速度将共流冷空气向下引入室内，从而当液滴被引入室内时，并且如果液滴足够小时，它们能够实际在“飞”中减速。这能够发生，因为即使以相对高的速度喷射液滴，如果它们足够小的话，它们可能会受到较缓慢向下移动的空气团的明显影响，其中，即使它们以假定为大约26英尺/秒的速度出发进入14.67psia的空气中，它们可能响应于更较缓慢的空气流而慢下来。

然而，以该流速液滴在室内“飞”的保留时间将有可能相对较短，即液滴从室顶部下落到液滴沉积到位于室底部的冰团上所用的时间将有可能相对较短。不管液滴相对较大(等于5,000微米)并具有55英尺/秒的沉降速度，还是相对较小(小至200微米)并具有2英尺/秒的沉降速度，对于5,000微米液滴，4英尺/秒的向下空气流将导致在高10英尺的室内的保留时间为0.16秒(10英尺/(55英尺/秒+4英尺/秒)＝0.16)，或者对于200微米液滴，保留时间为1.6秒(10英尺/(2英尺/秒+4英尺/秒)＝1.6)。因此，仍需要利用超冷空气和/或预先冷却的海水，如所讨论的。

如上面提到的，保留时间(流动时间，在此期间内在海水液滴和周围冷空气流之间发生热相互作用和热交换)是许多关键参数中的一个，这些关键参数控制海水液滴的纯水组分冻结并促进最终的冰晶微粒从残留的盐水中分离。保留时间取决于海水液滴下降到脱盐室的速度以及脱盐室的高度。因此，要基于完成微粒水冻结并完成其从残留的盐水中分离的需要而设立室的高度。

考虑涡轮膨胀机供应5,297标准立方英尺/分钟的空气流并在结晶室中采用4英尺/秒的垂直速度的例子，从而使室具有所需的5.3英尺直径。考虑室高度为10英尺。以下计算假定保留时间为2.5秒。对于其它的保留时间也必须进行相同的计算。

5,297标准立方英尺/分钟空气流

在室内的垂直速度为4英尺/秒

在室内的垂直速度为240英尺/分钟

22.1 平方英尺

直径为5.3英尺

保留时间为2.5秒

通道长度(室高度)为10英尺

也有必要确保液滴具有足够的间隔以确保避免碰撞。在我们已经使用的例子中要求空气直径与液滴直径的比率为16：1，下表显示出对大小液滴在结晶室内部的云雾参数：

下面的上部的表显示出对于4英尺/秒的传输速度(向下的冷空气流)，5,297标准立方英尺/分钟需要室直径为5.3英尺。对于4,000微米的液滴尺寸和5,297标准立方英尺/分钟的空气流，液滴之间的间距是16个液滴直径。这相应于采用独立的“飞”的通道对云雾的合理描述。下面的下部的表显示出对于直径为200微米的液滴同样如此，除了有更多液滴之外。

 

4,917 #/hr海水64 #/cu ft 海水76.8cu ft/hr 海水1.28cu ft/min 海水5,297scfm 空气16.1标准空气直径/海水直径5.3ft 室直径4.0ft/sec 空气

4,000微米0.4cm1.57E-01 直径1.18E-06cu ft 液滴体积6.40E+01 #/cu ft7.57E-0 5#/液滴1.08E+06 液滴/分钟5297 scfm 空气4.90E-03scf空气/液滴

 

4,917 #/hr海水64 #/cu ft 海水76.8 cu ft/hr 海水1.28 cu ft/min 海水5,297 scfm 空气16.1 标准空气直径/海水直径5.3 ft 室直径4.0 ft/sec 空气

200微米0.02cm7.87E-03  直径1.48E-10 cu ft 液滴体积6.40E+01 #/cu ft9.47E-09 #/液滴8.66E+09 液滴/分钟5297 scfm 空气6.12E-07 scf 空气/液滴

对于共流***，10psid的压差将使液滴以22.8英尺/秒的速度喷入室内。直径为4000微米的液滴具有44英尺/秒的沉降速度。因此，大液滴将以比4英尺/秒的局部空气速度高得多的速度喷入室内，并趋于即刻从22.8英尺/秒加速到44英尺/秒。对于空气中10英尺的通道长度，保留时间将随后为大约0.25秒。因此，4,000微米的大液滴能够很快沉积，以完成在液滴和冷空气之间发生的热交换，尽管如果应用相对较高的热传递效率，大多数的热交换将已发生。但冷空气在沉积的冰团上连续流动将完成其余的热交换。

对于共流空气***，40psid的压差将液滴以45英尺/秒的速度喷入室内。直径为200微米的液滴具有2英尺/秒的沉降速度。因此，小液滴将以比4英尺/秒的局部空气速度小得多的速度喷入室内，并趋于即刻从45英尺/秒减速到4英尺/秒。对于空气中10英尺的通道长度，保留时间将是大约2.5秒。因此，小液滴将沉积到结晶室底部上，全部的热交换发生在大约-6华氏度。

在设立***时应当进行的另一个考虑是可能难以精确地控制由喷嘴喷射的海水液滴的准确尺寸的事实。尽管流速和速度能够被精确地控制，但海水液滴的实际尺寸不那么容易被调节。因此，设置***时应当将其考虑进去。换言之，不管液滴是大是小，应当控制空气团的速度以及液滴的压力和速度，从而使最终结果与实际一致。当液滴较小时，它们将趋于受空气团的影响较大，并且受原始喷射速度的影响较小，并因此必须考虑这个因素，即事实上它们将趋于以比相对大的液滴以更慢的速度下降。同时，当液滴较大时，它们将趋于受空气团的影响较小，并受喷射速度和重力的影响较大，并因此必须考虑到事实上它们将趋于以相对较高的流速下降。

在该方面，本发明优选考虑即使直径达到大约4,000到5,000微米量级的相对较大液滴也能够充分地受空气流影响，并因此保留时间能够被控制到足够的水平。尽管每个不同尺寸的液滴下落到室底部的流速将有所不同，但这取决于液滴的尺寸和质量，并因此每个不同尺寸液滴的暴露时间可能不同，本发明考虑装置能够适合于确保液滴被充分地暴露到冷空气中，并且当冰粒到达底部时，它们将接近低共熔温度，其中，液滴将形成冰晶、结合并形成冰团，而且盐水溶液将适当地流走，如将要讨论的。该***也允许根据经验控制流动，这是因为人们能够控制冷空气的流动，从而使最终的条件如所需要的一样。

***的目标之一是当液滴沉积到室底部后，最终的平衡温度始终稍高于低共熔温度。这就意味着与液滴的尺寸无关，室内的循环条件应当使它将导致冷空气流的质量流速最终与海水液滴流的质量流速相匹配，以实现可能最佳的热交换，从而使最终结果将是室内的废气和堆积的冰粒处于理想的温度，即接近于低共熔温度。然而，假定不可能有完美的热交换，更有可能的模式是排放的冷空气温度将低于低共熔温度，并且底部的冰团温度将高于低共熔温度，这是可接受的结果。

当然，适当的热交换必须考虑海水液滴的热传递系数，给定每个液滴尺寸可能不同，难以确定该系数。而且，当液滴在室本身内下落时，每个液滴变冷，而空气变热，从而在该过程期间在每个随后的情况中，热传递系数在改变。在海水液滴和周围冷空气流之间的热传递系数是控制海水液滴的纯水组分冻结及其与残留的盐水分离的关键参数。热传递系数是海水液滴直径及其密度、冷空气的密度、冷空气和水滴的温度、海水液滴和周围冷空气流之间的相对速度以及海水液滴在周围空气流中的保留时间的函数。这些参数值将随液滴流动通道改变，并因此将改变最终的热传递系数。

图35中的表显示出4,000微米的大液滴在0.2秒的“飞”的期间具有的核心温度将介于-56.6华氏度和+8.59华氏度之间，这取决于热传递系数。热传递系数有可能接近于50BTU/(HR SQFT F)值。200微米的小液滴在0.2秒的“飞”的期间具有的核心温度将介于-120.8华氏度和+39.9华氏度之间，这取决于热传递系数。热传递系数有可能接近于50BTU/(HR SQFT F)值。因此，希望大小液滴的温度将介于-56.6华氏度和-120.8华氏度之间，但由于室内温度在靠近底部处较高，但这是不可能发生的，从而假定-121华氏度的恒定空气温度是错误的。然而，计算要表明的是在结晶室内在4秒的“飞”的期间应当允许空气和液滴完全混合，从而使最终的空气平衡温度将接近稍低于-6华氏度，并且当液滴沉积到结晶室底部时温度将接近稍高于-6华氏度。因此，脱盐过程的最终结果是进入室内的液滴温度将平稳地降低到稍高于-6华氏度，并且空气温度被平稳地升高到小于-6华氏度。

应当清楚的是最小的液滴将有可能相对快速地在其整个体积上冻结，给定在室顶部冷空气的温度最低，其中，不可能延迟将液体海水转化为固体。尽管不希望液滴变得太冷，可接受给定当冻结的液滴到达室底部的时间，空气和冰团的温度将使液滴再次升温退回到稍高于低共熔点，从而避免冷却盐晶体并允许盐水溶液充足地流走，而不是被截留在冰团内。

然而，在液滴较大的情况下，液滴将更大地受到从顶部到底部的温差影响。而且，利用较大液滴时，在液滴本身将如何冻结方面存在较大的变化。换言之，就暴露到低温而言，较大的液滴将被从外面暴露到最低温度下，即液滴外面将比液滴里面变冷更快。一方面，这能说明盐将趋于被迫朝向中央，而外面上的新鲜水可能开始冻结。另一方面，研究已表明当水滴的整个体积都到达某温度时，液滴内的新鲜水实际上首先在中央冻结，并且较浓的盐水溶液将其本身附着到冰晶的外表面上。

其它的研究表明大液滴将从外面冻结，形成外冰壳。当由于进一步冻结使壳厚度向内生长时，会增加中央液体核内的压力，因此导致易碎的冰壳破裂和断裂。液态盐水随后流到冰壳外面，同时冻结使冰继续向内增加。内部的液体核随后覆盖在冻结的新鲜水滴的外面。净结果是对于大液滴，含有盐的内部液体核将流动到新鲜水冻结成的冰粒外面，并将沉积到液态盐水覆盖的冰粒的其它相似构造上。这些冻结球体的连接产生一种多孔结构，其允许液态盐水从沉积的冰团向下排出，并通过多孔表面排到收集盘。

尽管纯水在0摄氏度时凝固，但通过将盐溶解到水中能降低凝固点。随后，如果混合物被冷却到低于新凝固点，将开始形成水的结晶体。因此，剩余的盐溶液变得更加浓缩，直至达到盐饱和点。凝固点线和饱和点线之间的交叉点被称为低共熔点，如图6所示。低于低共熔点时，除冰晶体之外将形成盐晶体，尽管在形成最终的冰团时，本发明优选高于低共熔点操作，以避免形成盐晶体。

当溶液冻结时，如果不存在外来微粒，水分子趋向于形成最稳定的晶体结构。当含有矿物的溶液被冷却到凝固点时，水分子开始形成冰晶，其趋向于排斥不象水分子的微粒。例如，当盐水冻结时，盐被排斥，这是因为盐具有不同于水的晶体结构。这种现象有时被称为盐水排异。盐形成立方晶体(具有四个侧面)，而冰是六方晶体或具有六个侧面。在冷盐水体积的所有分子中，存在水分子相互靠近但远离任何Na⁺或Cl^-离子的情况。这些水分子趋向于粘在一起，而那些具有Na⁺或Cl^-离子的分子将更不可能粘结或保持粘结。这就产生了与含盐液态水分离的新鲜水冰晶。凝固的水有13种不同的晶体形式，这取决于低温的程度。一些晶体形式是具有很多孔的，并将允许液体流动通过形成的敞开通道。

在室温时，当温度下降时，液态水变得较浓，正如其它物质一样。但在刚高于凝固点的4摄氏度下，水达到其最大密度，并且随后当水进一步朝向其凝固点冷却时，在标准条件下，液态水膨胀以变得不太浓。这种现象的物理原因与普通冰的晶体结构有关，公知的是六方晶体的冰。水的该特殊性被良好地用在本发明的处理过程中。当接近低共熔点形成盐晶体时，它们下沉到溶液底部，而冰晶体上升到表面。该过程的结果是通过物理方式分离，允许溶液的两种组分很容易被分离。

在图14和15所示的向下共流过程中，冷空气优选被维持在极低的温度下，诸如在大约-168华氏度下，具有大约14.67psia的排放压力。优选的温度范围介于-135华氏度和-175华氏度之间。一级涡轮膨胀机将产生-135华氏度的温度，而二级涡轮膨胀机将产生-175华氏度的温度。该冷空气优选接触海水液滴，海水液滴也在降低的温度下诸如大约30华氏度到40华氏度在结晶室101的顶部被注入。当冷空气和海水液滴的混合物在室101内向下移动时，冷空气被海水液滴加热，并且海水液滴被共流的周围空气冷却。冷空气的质量流速和海水液滴的质量流速被设计成导致最终的平衡温度稍高于-6.2华氏度，即盐水的低共熔温度。然而，因为完美的热交换不可能发生，出于上面讨论的原因，有可能循环出室的冷空气低于低共熔温度，并且液滴稍高于低共熔温度，这是所需要的。

在冻结到来之前可能存在时间延迟。假定***将适合于使注入的海水在小于2.5秒的保留时间内到达底部时能够被降低到接近-6华氏度。一些海水将很快冻结，并且其它的可能需要全部2.5秒，但所述***优选适合于当液滴收集在底部时，液滴和最终冰团的残留温度将稍高于-6华氏度。在液滴形成物能够完全冻结之前，将已发生大部分的热交换过程。共流***的另一优点是结晶室能够被制作得较小，这是由于液滴将很快冻结。

在图14和15中显示出本发明的共流脱盐***的例子。图14显示了主室101的截面图，该主室具有环绕其壁105延伸的管道103和/或空腔，用于使海水和/或受热的压缩空气循环通过室壁。海水和/或来自压缩机的热空气的较高温度有助于防止冰聚集到室壁上，并有助于调节室内温度，以帮助维持较一致的室内温度。例如，已被过滤的海水可以在底部110被引入管道103和/或空腔内，从而使其循环向上并环绕通过室壁的下半部，并能够在中间点112附近排出，在那里，预先冷却的海水能够被向上分配到喷嘴108，用于引入室101内。来自涡轮压缩机的受热空气可以在中间点114附近被引入管道103和/或空腔内，从而使它循环向上并环绕通过室壁的上半部，并能够在顶部116排出，其中，冷空气能够被分配回到涡轮膨胀机，以帮助保持压缩空气冷却。

从室内低温处到环绕室的管道和/或空腔的热传递有助于冷却海水和/或受热的空气，这有助于在海水被喷入室之前预先冷却海水，和/或在受热空气被涡轮膨胀机冷却并被引入室之前预先冷却受热空气。优选地，当海水和受热空气处于管道和/或空腔中时，海水和受热空气的大部分的预先冷却发生，并从而存在极好的热传递方式。能够改变海水和/或受热空气管道和/或空腔的位置，即海水能够被循环通过整个室或室上半部，和/或受热空气能够循环通过整个室或通过室下半部，其根据***的需要而定。

来自涡轮膨胀机的冷空气优选被向下引导并从上方在室101的顶部107处引入室101内。优选预先确定冷空气的温度、压力和流速，并且它们是在此所讨论的那些因素的函数。已被过滤并循环通过室壁的预先冷却海水优选通过一套一个或多个喷嘴108被引入室内，以形成海水液滴喷雾，诸如以液滴云雾的形式。海水优选从上方从室的顶部109注入室内。优选预先确定海水液滴的温度、压力和流速，并且它们是在此处讨论的那些因素的函数。

这种构造能够使冷空气和海水液滴在相同的方向引入室101内并被循环，其中，液滴能够通过室内的热交换被冷空气冷却。喷嘴108优选被设计成朝向中央分配液滴，从而使冰粒保持远离室壁，并从而使冰团趋向于在室中央形成，诸如以倒锥形形状的形式。在图14的实施例中，允许废冷空气通过下部离开点111离开室101进入侧室113内，其允许冷空气向下循环通过室101，其中，废冷空气能够随后被用于其它冷却目的，诸如空气调节。该实施例打算和连续挤压旋转螺旋钻一起使用，螺旋钻帮助从室底部移除冰团。室底部适合允许浓缩的盐水被收集并随后移除，其中，冰团将形成在盐水上方并漂浮于其上，这是由于冰的密度较低且盐水的密度较高。

图15显示了共流和分批移除冰***的截面图，其中，从主室顶部注入冷空气。图15显示了主室121的截面图，该主室带有环绕其壁125延伸的管道123和/或空腔，用于使海水和/或受热的压缩空气循环通过室壁。该实施例显示出由涡轮压缩机118产生的压缩空气以及用于释放并膨胀压缩空气的涡轮膨胀机120，其中，冷空气在顶部被引入室121。也可以设置另外的压缩机和热交换器等，如前面所讨论的。

海水和/或来自压缩机的受热空气的较高温度有助于防止冰聚集到室壁上并调节室内温度，以维持室内温度一致。例如，已被过滤的海水能够在中间点130处由泵引入管道和/或空腔内，从而使它向上循环并环绕通过室壁的上半部，并能够在顶部附近在点132处排出，在那里，预先冷却的海水能够被分配到喷嘴122，以便引入室121内。在主室顶部上，海水优选循环通过环绕室121延伸的上部管道123，其中，相对热的海水有助于防止冰聚集到室壁125上。同样，当海水循环时，在它经由喷嘴122被释放入主室121内之前，通过与冷室壁125的热传递被预先冷却。

尽管利用与冷空气的相互作用海水液滴可被冷却并冻结，但通过使海水通过环绕室121的管道123能够实现海水的相当多的部分的温度降低。

来自涡轮压缩机118的受热空气可以在低点134处被引入管道133和/或空腔内，从而使它向下循环并环绕通过室壁的下部，在室壁下部冰团聚集并能够在底部136处排出，其中，被冷却的压缩空气能够被分配回到涡轮膨胀机120，以帮助保持压缩空气较冷。在该方面，管道133优选适合于将压缩空气维持在其被压缩状态，这允许由涡轮膨胀机120膨胀的现行空气被预先冷却，从而使最终的冷空气能够被制成更冷。来自涡轮压缩机118的热压缩空气帮助防止冰团粘结到室壁上。当空气循环时，其被来自冷室壁的热传递冷却，其中，预先冷却的空气随后被循环到涡轮膨胀机120，其中，空气被超冷却并引入主室121内以冻结海水液滴。

从室内低温到环绕室的管道和/或空腔的热传递有助于冷却海水和/或受热空气，这有助于在海水被喷入室内之前预先冷却海水，和/或在压缩空气由涡轮膨胀机释放以及冷却并被引入室内之前预先冷却压缩空气。优选地，当海水和受热空气处于管道和/或空腔内时，发生海水和受热空气的大部分的预先冷却，并从而存在一种极好的从海水和受热空气到室壁和室内空气中的热传递方式。能够改变海水和/或受热空气管道和/或空腔的位置，即海水能够循环通过整个室或室下部，和/或受热空气能够循环通过整个室或室上半部，这根据***的需要而定。

来自涡轮膨胀机的冷空气优选被向下引导并从上方在室121的顶部127处引入室121内。优选预先确定冷空气的温度、压力和流速，并且它们是在此处所讨论的因素的函数。已被过滤并循环通过室壁的预先冷却海水优选通过一套一个或多个喷嘴122引入室内，以形成海水液滴喷雾，诸如以液滴云雾的形式。其优选被从上方从室121的顶部127注入室内。优选预先确定海水液滴的温度、压力和流速，并且它们是在此处所讨论的因素的函数。

该构造能够使冷空气和海水液滴在相同的方向被引入室121内并循环，其中，液滴能够通过在室内的热交换被冷空气进一步冷却。喷嘴122优选被设计成朝向中央分配液滴，从而使冰粒保持远离室壁，并从而使冰团趋向于在室中央形成，诸如以倒锥形形状的形式。在该实施例中，废冷空气被允许通过一个或多个空气口137离开室121，这允许冷空气向下循环通过室121，其中，排出的冷空气能够随后被用于其它冷却目的，诸如空气调节。室底部适合于允许浓缩的盐水被收集并随后通过通风孔139被移除，其中，将在盐水上面形成冰团并且冰团漂浮于盐水上面，这是由于冰的密度较低且盐水的密度较高。

可以在底部设置篮子138，从而使冰团能够很容易从室中移除，不用必须停止***。在该方面，室121的底部优选适配有开口，从而能够移除篮子138，其中，冰团能够随后被解冻以产生新鲜的饮用水。可选择地，室121的底部可以被设计成具有下降门，诸如带有铰链，从而不用必须停止操作所述***，门就能够下降以允许从室121中移除冰团以及任何残留的收集盐水。在这种情况下，优选在室121下面有传送***，该***允许冰团被输送到冰团能够被解冻和融化以产生新鲜饮用水的地方。

在图31-34中，本发明的脱盐***40优选适合于从海水60中移除盐和其它杂质。在该实施例中，脱盐***40优选包括可用于移除盐和其它杂质的结晶室41，从而其中能够产生净化水。结晶室41优选是绝缘容器，尤其适合于维持内部的低温，并允许海水60和冷空气50被引入并在那里混合，以及允许冰和浓缩的盐水在底部形成。结晶室41类似于在2006年4月5日提交的美国临时申请60/789,415、2006年4月21日提交的美国临时申请60/794,190以及于2006年7月24提交的美国临时申请60/832,777中公开的那些，它们的全部内容被结合在此，作为参考。

脱盐***40优选将海水60注入结晶室41内，优选以薄雾或喷雾62的形式，其中，来自涡轮膨胀机的冷空气50优选被引入室41内，从而使薄雾或喷雾62暴露到非常冷的空气中。这导致海水液滴62被超冷却并且闪冻，从而形成下降到室底部64的超冷却冰粒63。优选(但不必须)在室顶部65引入海水液滴62，并且冷空气501)在室中部附近被引入并被向上引导，或者2)从上引入室内，这产生向下通风，迫使海水液滴62更快下降到底部。确定利用哪种因素取决于海水需要多快冻结，这取决于在海水60进入室41内之前有多冷，冷空气50有多冷，室41的尺寸、海水液滴如何被暴露到冷空气中并与冷空气循环，以及每次被引入的量等。

海水60的冻结优选能够形成有浮力的纯水冰粒63，痕量盐水67粘结至冰粒上，目标是将盐水67中的盐和其它杂质在室41的底部64留下。脱盐***40优选从盐水67中移除冰粒63，盐水比冰粒63密度大，从而重力能够帮助从冰粒63中分离盐水67并以至少两种方式之一清洁冰粒63。

首先，通过允许冰粒63堆积在室41的底部使冰粒63可以形成大冰团66，即冰粒落到彼此顶部。随着时间流逝，当冰粒63落下并粘在一起时，它们将共同形成趋向于漂浮在盐水67上方的冰团66，盐水比冰团66密度大。在该方面，优选所述***适合于通过将海水液滴62引入到室41中央而使冰粒63将形成锥形形状的冰团66，从而形成的冰粒63也将堆积在室中央。这能够有利地使被包裹的或粘接到每个纯水冰粒63的盐水67沿侧面下流，而不是被截留在冰团66内，即否则当盐水凝固时可能在冰团66上形成的凹穴或缝隙。通过形成锥形形状的冰团66，粘接到每个冰粒63的盐水67将简单地沿侧面流走，而不是被截留在冰团66内，从而根据需要使盐水67能够从冰团66中有效地分离。另一方面，研究已表明所形成的冰团能够形成贯通冰团的通道和空隙，从而使任何堆积的盐水67能经由通道和空隙简单地通过冰团，而不被截留在冰团内。在该方面，冰团看起来更像雪，并形成允许盐水通过的多孔冰团。形成并落到冰团上的冰粒通常处于大约-6华氏度下。

实施例还优选具有采用新鲜水冲洗冰团66的装置，并通过允许冰团66融化产生新鲜水。在该方面，如图31所示，在室温诸如60华氏度下的另外的新鲜水可以从喷嘴68向下喷射到冰团66上，以被用作清洗柱，这有助于当冰团形成时从冰团66中移除盐水67。大多数的盐水67通过重力流而从冰粒63间的空间移走。为进一步移除自身连接到每个冰粒63表面上的盐水，优选将新鲜水注射到沉积在结晶室41底部的冰/盐水层上，以帮助利用重力逐层排出盐水67。当新鲜水附着到每层时新鲜水冻结，并且进一步从冰粒63间的间隙中移走非常薄的粘盐水层。冻结在冰粒上的新鲜水稍后被解冻并优选被回收再用，而不利用另外的新鲜水。如果需要更高纯度的水，可以增加下游清洗柱。

注意能够引入水喷雾以帮助增强盐水67的重力排出，作为一种预清洗方式。由于表面张力，有许多不良的溶解矿物和杂质吸附到冰晶表面，并因此变得必须用新鲜水清洗冰团，从而当从冰团的外表面和内表面释放矿物和其它杂质时，使它冻结到冰团上并处于冰团内的内通道和空隙中。水优选凝固到盐水覆盖的冻结冰粒63层上，并且当冰粒聚集在冰团66上时，它们将高粘度盐水从冰粒63表面移走并允许盐水67流到冰团66的外表面。盐水67优选通过排液管69排出室41底部，如图31和32所示。

室41的底部64优选包括多孔篮71，其能够接获下落的冰粒63，以便在其上形成冰团66，但其允许冷空气循环出室41。在该方面，室41的侧壁72优选具有过量的冷空气能够流动通过的通道或空间73，其中，过量的冷空气优选通过出口74离开，如图32所示，其中，冷空气能够随后被分配到空气调节***并被用作冷气。

图32的右手侧显示了如何在篮子71的底部形成冰粒63，以形成较大的冰团66，或在一些情况下形成浆液74，其中，篮中的孔允许盐水67通过，在篮子71中留下纯水冰粒63。随后，通过移除篮子71，能够从室41中移除纯水冰团66和/或浆液74。

和篮子71一起被移除的冰粒63的冰团66随后能够融化，以便在保持罐76的底部产生新鲜水，如图33所示。如所示，处于相对高温度在这种情况下为+60华氏度的新鲜水75能够像清洗柱一样被向下喷射到冰粒63上以冲洗冰并导致冰融化。如图34中所示，局部热空气81也能够被带入保持罐76内，以进一步帮助融化冰粒63。当冰融化时，新鲜的水滴78通过篮子71中的孔并以冷却过的新鲜饮用水形式收集在保持罐76的底部77。能使用不止一个篮子71，从而不需要中断脱盐和融化过程，同时从室41中移除每一个篮子71。

因为冰团66由冰制成并因此是冷的，所以当冰团融化时产生的新鲜水也将是冷却水。冰优选处于大约-6华氏度下，并通过将大约60华氏度的水在冰上通过，最终的新鲜水优选处于大约40华氏度下。来自那里的新鲜冷却水能够被分配为饮用目的或通过出口79到分离罐，并储存在那里以便稍后由空气调节***利用，或通过出口80再循环回到结晶室41，以被用作用于清洗柱的喷雾68或者保持罐76中的喷雾75。在任一种情况下，水可用于二次目的，包括提供空气调节***的冷却，或者在水被循环回以作为新鲜饮用水52被分配之前清洗结晶室41内的冰粒63。

因此，脱盐***具有用于使冰粒63与盐水67分离的装置，以确保从冰粒移除任何残留的盐或其它杂质。例如，优选被冷却到大约-6华氏度以确保形成固态冰相和液态盐水相的冰粒63优选被分配到保持罐76或其它容器内，并被喷射或者与另外的新鲜水75，诸如先前已被***净化过的水(其可以处于室温)混合并随后允许融化。通过将超冷却冰粒63与另外的在室温下的水75混合，***能够产生非常冷的新鲜饮用水，即处于或接近凝固温度。

F、在室壁内设立热交换：

在优选的实施例中，优选用吸入的热海水和/或来自压缩机的热压缩空气使室壁变热，以防止冰聚集在壁上以及冰团粘结至此。这样，当冰团具有足够的尺寸时，能够很容易从室中移除冰团并允许在温暖的周围环境中融化以产生纯水，即分批取冰过程。

在优选的实施例中，室壁优选适配有管道和/或空腔，从而使吸入的海水和/或来自压缩机的热空气能够通过室壁。这有效地用作热交换器，其不但保持室壁相对温暖以致于1)防止冰聚集在壁上，2)防止冰团粘结至此，而且3)帮助调节室内温度，而且也有助于在海水被引入室内之前降低海水温度并冷却压缩机。这种双重热交换作用能够使室和海水的温度均被调节，不用必须利用任何另外的能量。管道优选环绕室延伸，以便一方面增加海水和/或受热空气之间的能量传递效率，并且另一方面增加与室的能量传递效率。也可以使用本质上是内壁和外壁间的空间的空腔，即室能够被制成具有双壁，从而使海水和/或受热空气能通过壁内部。这种改进能够和分批取冰过程一起使用，并涉及利用环绕室壁的管道和/或空腔，这有助于调节室内的温度以及通过管道的海水和/或空气的温度。

G、冰团形成：

当冰粒形成并下降到室底部时，它们优选开始结合并在聚集的盐水上面形成冰团，其比冰块具有更像雪的外形。由于冰团中存在许多空气通道和空隙以及其形成物具有多孔性，所以冰团具有相对较低的密度。冰团的密度通常处于0.5-0.6g/cc的范围内(回想新落下的雪具有<0.1g/cc的密度)，该密度几乎是纯冰密度的一半。仔细检查冰团表明冰团看起来更像雪，并具有允许聚集在冰粒上的任何过量盐水轻易流走并排出通过冰团以及进入盐水收集器的通道和空隙网。而且，通过将冰团以及空气团周围的冷空气流保持在稍高于低共熔温度的温度下，能够很容易冲走附着到冰晶体上的盐水，即，它们将不形成固态盐晶体。

当冰团增大时，盐水溶液的一致流动将继续，并经通道、空隙和孔向下排出，以便能够进一步移除盐水，并且进一步净化冰团。在该方面，值得注意的是由于相变产生相当大的热量，新鲜水本身的实际冰团将维持在大约0摄氏度或32华氏度下。

起初，由于室底部的冻结海水液滴和海水之间存在密度差异，冰粒将开始漂浮。如图23所示，当液态水形成冰时，密度下降大约9％，并且当处于低共熔条件附近的液体海水的较高盐浓度导致形成冰时，密度下降71％，并且冰变为有强大的浮力以便较快分离。注意浓度为24％的盐水溶液为80磅/立方英尺。在这种情况下，冰很容易从盐水溶液中分离。图24显示出盐水的密度变化作为氯化钠的百分比函数。

当经过足够长的时间后，冰粒积聚并且形成冰团，在考虑的一个实施例中，该时间是两小时，但也能够短至10分钟或更少，非常小的冰晶开始漂浮到浓盐水液体上方并结合以形成冰团。但是，当新到的液滴重复停靠在冰团上时，冰团可以形成粗糙的上表面，具有小的“山”和“谷”。这能够导致其它液滴下落到块的中部，以便在“谷”内分离为盐水液滴和冰晶。如果冰团为固态，将导致一些液态盐水液滴悬浮并留在冰团中，这是因为冰团通常形成为其中有通道和空隙，盐水溶液趋向于通过冰团向下渗并进入盐水收集器中。

然而，为确保较多的冰粒趋向于在中央形成，可以采用密集丛式井模式定位喷嘴，更接近沉降室的中心线，如图17和18所示。随后将优选朝向室中央出现冰堆积，形成倒锥形形状或锥形形状的冰团。因此，当每个新结合的盐水液滴附着到冰晶体外部时，它们将附着到冰团的锥形表面上，并且液态盐水液滴将在其容纳表面上流动，并且如果有，沿锥形斜面流下到在底部的溶液。另一种选择是利用上面的喷嘴放置模式，而且也控制通过喷嘴的流动，从而使沉积在沉降室中心线处的喷雾具有最高的流速和最长的流动时间。

当移除冰团时，必须还被清洗，以扫除界面处的任何盐和其它矿物以及杂质。当将冰团从室区域移到温带区时，它将融化以形成纯水。

用于将盐水的浓缩溶液附着到冻结水的基本机理是表面张力。因此，处于冰团内的打开通道中央的所有浓缩溶液将像大多数液体一样表现并排出。另一方面，附着到冰上的少数盐水溶液分子由于表面张力而粘着到冰上。当新鲜水接触该粘性层时，表面张力松驰，新鲜水冻结到冰上并迫使粘性层被排斥并冲走。在所提出的结晶室中，当冻结的微粒(覆盖有高密度的液态盐水)聚集到锥形堆的前面层上部时，优选将低流速的新鲜水喷射在最近沉积的层上。该新鲜水沉积到冰团上并从冰/雪表面释放非常薄的盐水层。因此，存在从锥形形状的冰团流出的盐水以及清洗的(冲洗的)盐水的重力流。

当沉积每一层冰时，喷射到冰/雪团上的冷却新鲜水被冻结到冰/雪团上。冻结的新鲜水使附着到冰/雪表面的盐水移动并释放盐水以便通过缝隙排走。当清洗过的冰团/雪团被回收并解冻时，喷射的新鲜水被回收再用，而清洁的新鲜水被用作产品。

在所提出的处理过程中，冰粒和冰团的孔隙度是重要参数。幸运地是，冰粒具有高孔隙度是自然现象。冰结构内的多孔通道和空隙允许残留的盐水排出，尤其是在该过程的清洗阶段。干净水中的残留污染因此最小化，并减少到可接受饮用的水平。

考虑到冰具有的密度为0.92gm/cc且水具有的密度为1.0gm/cc，从而冰漂浮在水上。但更重要的是，存在古老的假设，即雪的密度是水密度的大约10％或者0.10gm/cc。已经通过测量表明在较低温度下雪形成更多孔的结构。参见图6，该图显示了雪密度与空气温度的对比。

H、样品计算：

以下计算显示出空气流需要从13,793加仑/天的海水处理过程中产生12,000加仑/天的新鲜水。在该实施例中，使用了535HP的以85％热力学效率操作的两级涡轮膨胀机，其将输出24,155磅的处于-168华氏度下的冷空气。如果该冷空气被加热到-6华氏度，即盐水的低共熔温度，将吸收939,146BTU/HR的热量。

冷空气

535.07 HP

9.9 标准立方英尺/分钟/HP

流   5,297.15标准立方英尺/分钟

流   24，155.00#/HR

比热   0.24BTU/(#F)

温度输入  -168华氏度

温度输出  -6华氏度

(939,146.40)BTU/HR

为表明为什么可能有必要将海水预先冷却到大约30-40华氏度，将通过利用60华氏度下64磅/立方英尺的盐水开始进行下面的分析，基于近似计算将盐水冷却到-6华氏度：

海水

流             4917#/HR

比热           1BTU/(#F)

温度输入       60华氏度

温度输出       32华氏度

融合           144BTU/#

比热           0.5BTU/(#F)

温度输入       32华氏度

温度输出       -6华氏度

939,147.00   BTU/HR

在该实施例中使用了直径为4英尺的相对小的结晶室，其中，将5,297标准立方英尺/分钟的冷空气流以7英尺/秒的速度垂直向下注入室内。例举的尺寸为4,000微米的球形液滴在静止的空气中具有的垂直沉降速度为44英尺/秒。因此，液滴以7英尺/秒+44英尺/秒＝51英尺/秒的速度垂直向下传送。如果室高8英尺，则在“飞”中的保留时间小于8/51秒。注意室、液滴等的以上尺寸和空气流的速度、液滴的下落速度等是近似的，并可以通过考虑在此处讨论的因素而偏离到必要的程度。因此，有必要考虑在盐水被注入室内之前使流入的盐水从60华氏度预先冷却到大约30华氏度，诸如通过迫使流入的水围绕结晶室循环，如将要讨论的。

认识到海水液滴将必须被超冷却到-26华氏度，而不是-6华氏度，以便实际上开始冰(新鲜水)的形成。当空气温度比-26华氏度低得多时，会缩短开始冰的形成的时间间隔。为此，本***优选采用温度为-135华氏度至-175华氏度的冷空气开始工作，允许有小误差，或者是考虑了给定的在此处讨论的因素的任何工作温度。当冰(新鲜水)开始形成时，在小于几秒钟内形成冰。因此，当作为液滴下落时，必须在结晶室中开始液滴的冻结过程，利用大的亚冷却温度差开始凝固过程，但是当液滴沉积到在室底部生长的冰丘上后完成冻结过程。

在一些情况下，直径为4,000微米的液滴外表面温度可能下降到远低于低共熔温度，并形成新鲜水冰、盐晶体和每个NaCl分子连接到两个水分子的盐晶体。在那种固体混合物中也将存在亚稳液体。然而，当加热到稍高于低共熔温度时，按照平衡图来建立新鲜水冰和分离的高密度高浓度盐水溶液的热力学混合物。

期望液滴在向下的垂直“飞”中将经历时间为1秒钟到仅几秒钟的若干分之几的冻结环境，并且在结晶室底部的堆积冰团中经历从10秒钟到10分钟或更长时间的冻结环境。对于假定为6-10分钟的分批取冰过程，一旦冰团开始形成，优选存在较充足的时间来达到混合物中的平衡条件，该平衡条件本身是根据相图而构成。

当盐水温度维持在稍高于-21.12摄氏度(251.8开尔文)或-6.02华氏度时，全部的盐水分离为两相：(1)纯冰，当稍后解冻后变成纯水，以及(2)浓缩的液态盐水溶液。冰(密度较低)漂浮在高密度的浓缩盐水上方。这是理想的状态。图20显示出氯化钠(NaCl)和水组成的混合物的平衡相图。氯化钠被称为溶质并且水是溶剂。当两相区进入低温时，发展为两相(1)纯固态冰以及(2)液态盐水，以盐晶体作为溶质并且液态水作为溶剂。

当盐水温度维持在低于-21.12摄氏度或-6.02华氏度时，盐水分离为三相：(1)纯冰，当稍后解冻后变为纯水，(2)盐晶体，其中两个水分子连接到每个盐晶体(NaCl·2H₂O)以及(3)纯盐晶体。尽管平衡图仅显示出这三种在低于-6华氏度的温度下组态，但在该小于-6华氏度的区域内存在其它亚稳液态。对于我们的操作，这是不良的状态。

也显示出海水样品数据(样品中的[Na⁺]为0.46M)；对于该样品在低于低共熔点时液体部分含量高大概是由于存在其它盐，这些盐具有比NaCl更低的低共熔点(尤其是MgSO₄和MgCl₂)。对于0.5M的样品(海水)，多于99％的NaCl作为NaCl·2H₂O在低共熔点沉淀，但对于更稀的样品，当低至228K时，通常是最初的Na⁺中有一多半维持在自由离子状态。

根据对NaCl和水的Gibbs相律和相图的理想解释，对于所有的最初盐浓度，NaCl(aq)溶液在低于低共熔点的温度(252开尔文或-6华氏度)下完全凝固为(1)纯水冰(2)NaCl(固体)和(3)NaCl·2H₂O(固体)的混合物。这种有关液态盐水相在高于20开尔文但低于低共熔点的温度下能够与大量冰和固态钠盐共存的发现将因此代表明显的偏离理想的平衡行为。为区分该非冻结盐水相和先前在针对大量纯水冰的研究中发现的“准液体层”(QLL)，我们将溶液相称为“准盐水层”或QBL。

在由Thurmond和Brass¹⁷以及Koop等¹⁸报道的试验中显示出液态盐水相与纯冰在低于低共熔点的温度下共存。采用微分扫描量热法(DSC)，Koop等在冷却稀NaCl溶液期间观察到两个独立的放热过程，它们归属于超冷却液体到固相的转化，与(1)形成纯冰(纯固态水)和(2)NaCl·2H₂O沉淀有关。当NaCl浓度增加并变为基本上等于高出16wt％的NaCl浓度时，这两相转化温度会聚。

当盐水溶液逐渐被冷却到纯水的凝固点，接着冷却到NaCl的低共熔温度，并随后冷却到更低温度时，形成以上被描述为QLL和QBL的其它亚稳化合物。因此，希望当来自喷嘴的液滴遇到超冷空气时，形成的纯冰(纯水凝固而成)将具有一系列其它的NaCl晶体和水结构。然而，当液滴受热回到稍高于低共熔温度时，形成固态冰和浓缩NaCl溶液的平衡，这与盐溶液的普通平衡图有关。

图19显示了该滞后回线并返回到最初条件。时间在由箭头所示的方向前进；由垂直虚线显示冻结温度(Tf)和低共熔温度(Te)。当液态盐水最初被冷却(C1)时未观察到相变，并因此在低于T_f时液体为亚稳态。在冷却C2期间，纯冰突然沉淀散发热，并且液态成分降低但不到零。剩余的MBL在C3期间被冷却，直到发生二次相变(C4)，导致发生二次放热事件，并且液态成分降低。如NMR试验所揭示的，仍然维持液体相、QBL，并能够在C5期间被冷却。当加热时(W1)，液态成分逐渐增加直到达到Te，于是开始快速融化并且液态成分上涨。当最终的盐水达到如凝固点下降曲线所指示的近似浓度时，该突然融化停止，并且当温度升高(W3)并且融化继续，液态成分平稳地上升。注意这些讨论取自Cho、Shepson、Barrie、Cowin和Zaveri的“NMR研究冰/盐水混合物中的准盐水层”。

这种讨论表明能够在管道和/或空腔内在来自涡轮膨胀机的冷空气和流入管道和/或空腔内的海水之间存在充分的热传递，以便在将海水通过喷嘴注入结晶室内前使两种流体都达到它们的-6华氏度(或接近它)的平衡温度。当然，有必要沿共同表面将管道和/或空腔连接在一起以进行最佳的热交换。管道和/或空腔和室壁优选由具有极好热交换性能的材料即铝、铜等制成。在管道和/或空腔内的流动需要使液态盐水的超冷却状态被维持直到它被喷入结晶室内。液滴形成的唯一原因是允许固态盐水形成液态盐水并被迫到达冰液滴的外面。该方法的成功实施将导致向空间狭窄的用户提供最小尺寸的结晶室。

相变发生在小于几秒钟的时间内，从而使液滴在冷空气中和沉积冰丘上的停留时间仅需小于几秒钟(图19)。当温度下降到低于相变点时，通过快速扫描液体水的1H NMR线并监测其消失，可以在短暂的时间间隔后进行冻结。在当前的研究中发现直到温度下降到低于257开尔文(或+3.2华氏度)时，大多数溶液才开始凝固。回想低共熔温度为-6华氏度。一旦开始冻结，该过程就很快，NMR信号中的最大变化在几秒钟内完成。

将来自海洋的盐水在海水温度(假定为60华氏度)下过滤并泵送通过环绕结晶室的底部表面和侧壁的管道和/或空腔。在海水通过喷嘴喷入结晶室内之前，热海水在最初加热室底部表面并最后加热室侧壁的方向上循环流入的热海水。因此具有两种重要影响：(1)在盐水开始接触结晶室内的冷空气前，将喷入结晶室内的盐水预先冷却到30-40华氏度，以及(2)结晶室的底部表面和侧壁充分地被加热以防止任何冰的形成。

喷嘴喷射的最外边界在径向上受到限制，从而使很少或无盐水液滴撞击侧壁，即使当沉积的冰高度随时间增加时。来自喷嘴的液滴产生一定范围尺寸的海水液滴，优选几乎所有的液滴都集中在直径为4,000微米附近。这是由于喷头中的开口尺寸和压差而产生的。也可选择直径为1,000微米的海水液滴，并且甚至是直径为250微米的或其它尺寸的海水液滴。

液滴优选开始时处于30华氏度和40华氏度之间，并优选在-121华氏度或更低温度下与冷空气发生接触。图21显示出当液滴暴露到-121华氏度的冷空气中0.2秒后的核心温度。液滴表面将立即达到稍高于-121华氏度的温度。对于自然对流，假定空气/水界面的热传递系数为1-5BTU/(Hr Sq-Ft F)。如果这种流动较符合强制对流，则热传递系数将较高且核心温度将更低。

然而，对于h＝5BTU/(Hr Sq-Ft F)和1BTU/(Hr Sq-Ft F)的热传递速度，直径为4,000微米的大液滴在0.2秒的“飞”的期间的核心温度将分别是+24华氏度和+32华氏度(图21的前两列)。在该短时间内不存在冻结。然而，仍然存在的情况是可靠的较高热传递系数刚好能够使这些核心温度变为更低值。如果放弃这里使用的块团模式，期望实际冻结过程将由外到内发生，从而形成凝固的冰壳。图22的前两列显示出整个液滴的冻结将在沉积后大约2秒发生。冷空气在向下“飞”的期间仅具有短暂的保留时间，并在液滴已经沉积后将需要大约2秒多的时间完全交出其储存的冷却能量。

然而，对于h＝5BTU/(Hr Sq Ft F)和1BTU/(Hr Sq Ft F)的热传递速度，直径为1,000微米的液滴在0.2秒的“飞”的期间的核心温度将是-56.6华氏度和+7.8华氏度(图21的第三和第四列)。因此，整个液滴的冻结将在沉积后大约2秒发生。因此，冷空气在向下“飞”的期间仅具有短暂的保留时间，并在液滴已经沉积后将需要大约2秒多的时间完全交出其储存的冷却能量(参见图22的第三和第四列)。

很明显，如果使用250微米的液滴，则液滴在结晶室内在更短的“飞”的时间内将完全冻结。

重要的是注意这些计算假定在整个向下“飞”的期间维持-121华氏度。回想与进入管道和/或空腔内的海水已经发生热交换，并且在热交换期间海水液滴处于其向下“飞”的期间。当空气和两相混合物到达-6华氏度时，热交换完成。

如果使用非常小的液滴尺寸，大多数冻结仍将在沉积后发生。部分液滴将在每个液滴的外径处被超冷却，并且这些超冷却区域将含有亚稳结构。但在沉积后处于平衡时，冰粒将挤在一起并漂浮到浓盐水上面。当从冰团排出盐水时将形成空隙。因此，推进器将朝向出口平面移动有洞的冰团。

I、所提出***的例子：

通过显示***构造处于操作中的六个关键阶段的快照描述了所提出***的例子。

1、第一阶段：

图25所示逆流设置中的第一阶段显示出喷嘴将流入的海水喷射为70华氏度、中值直径为4,000微米的液滴，并且以7,151标准立方英尺/分钟的速度引入温度为-157华氏度的冷空气。由于重力的原因，来自喷嘴的液滴的向上速度最终达到最小的相对速度，并随后向下朝向柱底部沉降。(1)海水液滴和(2)冷空气的最终混合物引起-6华氏度的温度，即混合物的低共熔温度。人们能够控制最终混合物的温度，从而通过调节引入的海水和冷空气的流动使混合物温度高于或低于低共熔温度。

2、第二阶段：

如图26所示，发生海水液滴和冷空气的混合，一些液滴(1)穿过冷空气下落，冷却的冰和海水作为一体，但冰与盐水溶液分离(2)与附近的液滴碰撞并结合，并随着分离过程在新的较大液滴内发展，以及(3)液滴到达流体的底部池，从而使液滴的盐水溶液与流体的较大池合流，并且被释放的冰晶浮到上面，在那里它可以与其它先前的冰晶结合。

当新到的液滴重复地停靠在冰团上时，冰团可以形成具有小“山”和“谷”的粗糙上表面。这能引起其它液滴下落到冰团的中部上，以便在“谷”内分离为盐水液滴和冰晶。这能导致一些液态盐水液滴悬浮并截留在冰团中，尽管研究表明在冰团中形成了通道和空隙，盐水能够通过上述通道和空隙向下进入收集的溶液内。

为避免发生这种情况并能使盐水液体从边缘流走，喷嘴能够被设置成更接近沉降室中心线的密集丛式井模式。随后将发生冰累积，优选朝向室中央形成倒锥形(参见图17和18)。因此，当每个新组合的盐水液滴从外部加入冰的晶体时，它们将附着到冰锥形的表面，并且液态盐水液滴将在其容纳表面上流动，并且如果有，将沿锥形斜面流下到底部的溶液中。另一选项是利用以上的喷嘴布置模式，而且也控制通过喷嘴的流动，从而使沉积在沉降室中心线的喷雾具有最高的流速和最长的流动时间。

冷空气的注入高度应当高于冰团，如上结合图17所讨论的，并且优选设置用于在冰团和室壁之间产生环形间隙的装置，如结合图18所讨论的。

3、第三阶段：

如果喷入沉降室中的海水太少，室底部的混合物将下降到低于低共熔温度，并且不但存在将固态冰从溶液中析出，而且盐也将从溶液中析出并自身沉积为盐晶体。这显示在图27中。参见图17和18的优选实施例的锥形冰团。

4、第四阶段：

两个小时的连续操作已经结束，并且到了该移除冰团的时间。喷嘴结构被移动到侧面，并且溶液被升高到它不溢出室壁边缘的水平。

在这两小时内，冰晶体聚集在较浓盐水溶液上面并融入冰团中。此时，整个沉降室的内部容纳物被液压活塞向上移动直到盐水溶液的上表面到达沉降室的顶部边缘。随后用钳子接近冰团，钳子钩住冰团并将其移动到下一位置，在该位置其被刮下和清洗，如图28所示。将节省冷却溶液以用在随后的操作步骤中。冷冰团表面需要被刮擦并用新鲜水冲洗，以除去其界面中的任何盐水溶液。随后将冰团留在罐中进行室温解冻并稍后作为纯饮用水使用。

可选择地，当冰丘已达到其计划高度并漂浮在浓盐水溶液上时，打开位于结晶室底部的盐水排放口以排出盐水。当盐水溶液完全被排出后，关闭排放口。底部向下降并围绕铰链从水平位置摆动到竖直位置。铰链支撑结晶室的底表面。环绕室底表面的任何管道或管材优选被构造成适合绕铰链枢转。随后，冰丘能够沿枢转的底表面下滑并落到传送带上。传送带将冰丘送到包含有先前解冻的冰丘的罐***。

由于通过重力实现来自室的冰的传递，进入的冷空气可以被调节到大约14.67psia(1个大气压)。涡轮膨胀机的出口压力为14.67psia并且涡轮膨胀机的入口压力为200psia，允许在涡轮膨胀机排气到结晶室内处实现极冷的温度。然而，该大压降将需要两级涡轮膨胀机实现。

5、第五阶段：

进入的热海水将通过热交换器与流出的冷海水逆流，如图29所示。对于相同的冷空气流，节约的能量将允许实现较高的脱盐率。

6、第六阶段：

在稍高于低共熔温度的温度下操作***是方便的，这是由于浓盐水溶液使冰漂浮，并且特氟纶可以被设置到室壁的内表面上，以防止冰团粘结到容器上。在最后的阶段，当移除冰团后，很方便降低到低于低共熔温度的温度，以便沉积能够被移除的作为晶体的冰。该过程将有可能早于最后阶段开始。

如图30所示，为移除盐，将液压升降机下降到其最初位置。随后存在两种情况。(1)热电偶指示盐水溶液稍高于低共熔温度。在该情况下，当移除盐水溶液时，所有盐随盐水溶液一起被移除。该冷却盐水溶液返回到热交换器以预先冷却引入的海水。(2)热电偶指示盐水溶液比低共熔温度稍低。如同在第一种情况中描述的那样排出盐水溶液并进行处理。之后，液压活塞下降到低于沉降室的底部水平，并且从活塞表面刮走凝结的盐。盐可以被丢弃或为其找到一种用途。

J、与其它方法的对比：

提供以下讨论来表明本方法比现有的脱盐方法能够以更低的成本，即磅/分钟，产生新鲜的饮用水。下面的分析描述了用于评价该海水脱盐方法的实用性和效率的方法和假定。以下分析包括两个基本步骤：

(1)定义过程的热力学，涉及使冷空气的冷却/冻结容量与从该批海水中所需移取的能量匹配，以引起该批海水中的盐和纯水结晶。

(2)定义计划并指定在过程中所需要的步骤，以实现物理分离盐和冰晶并实现该批海水的脱盐。

如下列出，在该批海水的处理过程中，海水量被确定为11,000磅，并且该批海水的脱盐处理过程持续时间被假定为2小时。海水的最初温度被假定为70华氏度。NaCl的低共熔点为-6.2华氏度，并且低共熔成分为23.3％。该批海水所需的冷却总量是2,211,000BTU。这包括形成冰相(163BTU/#融合)。

形成冰包括：

120分钟

11,000#盐水

1BTU/(#F)

70华氏度

32华氏度

163BTU/#融合@-6.2华氏度

2,211,000.00BTU冷却所需

如果不包括形成冰相，获得了超冷却水，并且可利用的冷却容量可适合30,000#的盐水。

未形成冰(超冷却的水)：

120分钟

30,000#盐水

1BTU/(#F)

70华氏度

-6.2华氏度

0BTU/#无冰

2,286,000.00BTU冷却所需

250#盐水/分钟

0.857小部分新鲜水

214#新鲜水/分钟

500kW涡轮膨胀机处理7,151标准立方英尺/分钟的空气，并输送在-153华氏度下的大气压空气进行脱盐。-6.2华氏度的温度为形成冰并与盐晶体分离的低共熔温度。因此，我们将利用处于从-153华氏度到-6.2华氏度的温度范围内的空气脱盐。下面显示的计算给出如果我们操作流动过程120分钟，可利用的冷却能量为2,297,508BTU。引入11,000磅70华氏度的海水并将其变为-6.2华氏度需要2,211,000BTU。

500kW(热)

670hp

10.67标准立方英尺/分钟/hp

7,151标准立方英尺/分钟

120分钟

858,177标准立方英尺

0.076#/立方英尺

65,221#空气

0.24BTU/(#F)

-6.16华氏度

-153华氏度

(2,298,508.17)BTU冷却可利用的

对500kW***用迭代法对上述进行计算显示出被提出的冷冻结晶将理想地产生79.75#新鲜水/分钟。因此，需要6.27kW以产生1磅新鲜水/分钟。将其与刮表面结晶器相比较，该结晶器需要11.4kW以产生1磅新鲜水/分钟；并将其与逆渗透膜海水淡化器相比较，该淡化器需要68.2kW以产生1磅新鲜水/分钟。

在此处讨论并显示的实施例仅仅是示例性的，并且绝不用于进行限制。本发明考虑有多种方法和***可适合于实现本发明的意图和目的，它们可以是在此处公开的实施例的变型。

Claims (21)

1.一种用于海水脱盐的***，所述***包括：

压缩机，所述压缩机用于压缩空气；

膨胀机，所述膨胀机用于使压缩空气膨胀以便伴随产生冷空气；

具有至少一个喷嘴的室，海水能通过所述喷嘴喷入所述室内，并且来自所述膨胀机的冷空气能被引入所述室内，其中，将海水暴露到冷空气中能够在所述室内形成由纯水组成的冰粒；

用于帮助从所述室中移除所述冰粒的装置，从而有助于使所述冰粒中的纯水与海水中的杂质分离。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述***包括下面的至少一个：

1)储存罐，所述储存罐被设置成能使所述压缩空气储存于储存罐内，并且其中，所述膨胀机适合于释放所述罐内的压缩空气并使之膨胀以产生冷空气；

2)发电机，所述发电机被设置成适合于当所述压缩空气被所述膨胀机释放时发电，其中，产生作为发电的副产物的冷空气；

3)缓冲罐，其中，当所述压缩空气被所述膨胀机膨胀时，由此产生的能量用于驱动第二压缩机，所述第二压缩机产生另外的压缩空气能量，所述压缩空气能量能被引入缓冲罐内；

4)至少一个热交换器，所述热交换器用于在所述压缩空气被所述膨胀机膨胀前帮助降低所述压缩空气的温度；或者

5)至少一个公共轴，所述公共轴位于所述压缩机和所述膨胀机之间，以允许它们相互关联地运行。

3.根据权利要求1所述的***，其中，所述引入室内的冷空气温度低于海水的低共熔温度，并且其中，允许所述冰粒以团的形式沉积到所述室底部，其中，所述室底部的团的温度高于海水的低共熔温度。

4.根据权利要求3所述的***，其中，所述冷空气的温度介于-135华氏度和-175华氏度之间，并且所述冰粒的团的温度高于-6.2华氏度，从而使包含海水中杂质的液态盐水能够从所述团流走。

5.根据权利要求1所述的***，其中，所述***包括下面的至少一个：

1)所述***适合于使海水能够从上向下喷入所述室内，并能够引入所述冷空气，以使所述冷空气在所述室内向上流动；

2)所述***适合于使海水能够从上向下喷入所述室内，并能够引入所述冷空气，以使所述冷空气以与海水相同的方向在所述室内向下流动。

6.根据权利要求1所述的***，其中，引入的冷空气处于-135华氏度和-175华氏度之间的温度。

7.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个喷嘴适合于并被构造成产生海水集于中央的喷射，所述集于中央的喷射趋向于保持由所述喷射形成的液滴远离所述室的外壁并朝向所述室的中央，其中，当所述冰粒下落时，它们趋向于停靠在所述室的中央附近以形成冰团，该冰团允许海水沿所述冰团侧面流下，而没有被截留在所述冰粒结合并冻结时形成的冰团内。

8.根据权利要求1所述的***，其中，所述室的壁适配有管道或通道，所述管道或通道允许海水在其中循环，以帮助调节所述室内的壁的温度。

9.根据权利要求8所述的***，其中，海水通过所述室的壁中的管道或通道以帮助所述室的壁变热，并因此当海水被喷入所述室内之前循环时，所述室内的低温可帮助预先冷却海水，其中，引入室内的海水被预先冷却到低于40华氏度。

10.根据权利要求1所述的***，其中，所述室的壁适配有管道或通道，所述管道或通道允许来自压缩机的热空气用于调节所述室内的壁的温度。

11.根据权利要求10所述的***，其中，所述热空气通过所述室的壁中的管道或通道，以帮助所述室的壁变热，其中，当所述热空气向所述膨胀机循环时，所述室内的低温能帮助预先冷却所述热空气。

12.根据权利要求1所述的***，其中，所述冷空气被引入所述室内的位置在期望的通过形成冰团达到的高度之上，当所述冰粒在所述室底部结合并冻结在一起时，在所述室内形成冰团。

13.根据权利要求1所述的***，其中，在靠近冰粒聚集的地方设置与所述室的壁有关的加热器，其中，所述室的壁可以被加热以防止所述冰粒冻结在所述壁上，和/或允许容易地移除当所述冰粒结合并冻结在所述室内时产生的任何冰团。

14.一种海水脱盐方法，所述方法包括：

压缩空气以产生压缩空气能量；

采用膨胀机释放所述压缩空气以伴随产生冷空气；

将所述冷空气引入室内；

将海水以液滴形式喷入所述室内；

将所述海水液滴暴露到所述室内的冷空气中，从而形成由所述液滴内的纯水组成的冰粒；以及

在所述室内以所述冰粒形成冰团，从而有助于使所述冰粒中的纯水与海水中的杂质分离。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，该方法包括下述步骤的至少一个：

1)在释放所述压缩空气能量前，将所述压缩空气能量储存在储存罐中；

2)当所述压缩空气被膨胀机释放时，利用发电机联合发电，其中，产生作为发电的副产物的冷空气；

3)利用所述压缩空气能量驱动增补压缩机，该增补压缩机产生能被引入缓冲罐的另外的压缩空气能量；

4)在所述压缩空气被所述膨胀机膨胀之前，利用至少一个热交换器降低所述压缩空气的温度；或者

5)利用位于所述压缩机和所述膨胀机之间的至少一个公共轴来允许它们相互关联地运行。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，引入所述冷空气的步骤包括在低于海水的低共熔温度下引入冷空气，并且其中，形成所述冰粒的团的步骤包括保持所述室底部的团的温度高于海水的低共熔温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述冷空气的温度介于-135华氏度和-175华氏度之间，并且所述冰粒的团的温度高于-6.2华氏度，从而使包含海水中杂质的液态盐水能够从所述团流走。

18.根据权利要求14所述的方法，包括下述步骤的至少一个：

1)将海水从上向下喷入所述室内，并引入所述冷空气，使所述冷空气在所述室内向上流动；

2)将海水从上向下喷入所述室内，并引入所述冷空气，使所述冷空气在与海水被喷入所述室的方向相同的方向向下流动。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个喷嘴适合于并被构造成产生海水的集于中央的喷射，所述集于中央的喷射趋向于保持由所述喷射形成的液滴远离所述室的外壁并朝向所述室的中央，其中，当所述冰粒下落时，它们趋向于停靠在所述室的中央附近以形成冰团，该冰团允许海水沿所述冰团侧面向下流动，而未被截留在当所述冰粒结合并冻结时形成的所述冰团内。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括使海水循环通过所述室的壁内的至少一个管道或通道以帮助所述室的壁变热，并因此使所述室内的低温帮助海水在被喷入所述室内之前被预先冷却，其中，被引入所述室内的海水被预先冷却到低于40华氏度。

21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括使来自所述压缩机的热空气循环通过所述室的壁中的至少一个管道或通道以帮助所述室的壁变热，其中，当所述热空气向所述膨胀机循环时，所述室内的低温能够帮助预先冷却所述热空气。

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