专利名称：压缩云室液化法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高纯度液化方法和装置，尤其涉及一种将空气中的水蒸气液化并
收集以制取蒸馏水供应饮用的方法和装置。
背景技术：
现有的高纯度液化方法和装置，还有很多需要解决的问题。其中较为突出的问题之一是"液化纯度、液化速度、液化比例、液化能耗、液化成本"五者之间的矛盾问题。尤其是现有的将空气中的水蒸气液化并收集以制取蒸馏水供应饮用的方法和装置——"空气制水机"，由于相对比较普及的缘故，这些问题更经常为人所诟病。其核心技术都只不过是在模仿"空压机"或"冷气机"——空气被压縮或冷却时，其中的水蒸气由"未饱和汽"变为"过饱和汽"于是凝结出液态水。比如美国Air Water公司和Island Sky公司现有的这类产
PI
PR o 我的中学物理课本里，《气体的液化》这篇，也只提到了"增大压强"、"降低温度"这两点。但实际上同样的气体，在被增压或降温到同样程度时，还会因为很多其它因素的不同而导致液化纯度、速度、比例、能耗和成本的大不相同。比如"凝结核"、"接触面"等。
大气中的水蒸气，想要形成云-变成雨-落下来，还必需经过一系列复杂、漫长而曲折的微物理过程。简单来说，其中至少包括 1.凝结核化过程1897年，C. T. R. Wilson在试验中发现，如果空气中没有尘埃，相对湿度要到800%以上，才会出现自发凝结现象。水汽分子的随机碰撞偶尔会生成微小的初始云滴。它们因分子热运动的起伏，而不断生成和消失，消失速度随温度升高而增大。微小的初始云滴只有在相对湿度达百分之几百的环境中才不致蒸发，但实际大气中的水汽含量很少能够超过饱和值的百分之一。所以，在没有杂质的纯净空气中是难以直接形成云滴的。好在对流层中通常总是存在着各种悬浮颗粒。在有悬浮颗粒的大气中，湿度达到90%就开始凝结了。这些颗粒可分为两类①含有可溶性盐的气溶胶微粒。它能吸收水汽成为盐溶液滴，属吸湿性核。如海盐的饱和水溶液，只要相对湿度高于78%，就可以凝结长大；②亲水性物质的大颗粒。它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一层水膜，相当于一个较大的纯水滴。 2.凝结增长过程空气冷却_水汽凝结时，云滴半径的增长速度与云中水汽的过饱和度成正比，与云滴本身的大小成反比。于是，云滴凝结增长的速度越来越慢(在O. 05%的过饱和条件下， 一个由质量为十亿分之一克的食盐生成的初始云滴，从半径为0. 75微米开始，增长到1微米要0. 15秒、增长到10微米要30分钟、增长到30微米要4小时以上)。虽然水汽在少数大吸湿核上凝结后，可产生较大的云滴，但要继续增长到半径100微米的毛毛雨，需要更长的时间。而积云本身的生命只有约一小时，在上述情况下不可能形成雨滴；在层状云中，气流上升的速度为几厘米每秒，较大的云滴在不断下落的过程中，还来不及长成雨滴，就越出云底而蒸发掉。所以，在实际大气中，单靠水汽凝结是不能产生雨滴的。
3.碰并增长过程云滴相互接近，发生碰撞并合而形成更大云滴的现象，称为云
3滴碰并增长。受重力作用而下降的云滴，大的速度较快，可赶上小的而发生碰撞并合，这称 为重力碰并。大云滴半径越大，碰并增长就越快。小云滴的碰并增长则主要靠气流的湍流 混合作用和电场的相互吸引作用。 汽中没有尘埃且过饱和度不高时，只有离子才能担当凝结核的角色使过饱和汽凝
结。C. T. R. Wilson根据这个原理，在J. Aitken用于研究云雾的云室——"记尘计"的基础上
发明了 "膨胀云室"，为早期核物理的研究提供了一种直观的工具，获1927年诺贝尔物理学
奖。"膨胀云室"的底部是可以上下移动的活塞，在底部的黑绒布上洒适量酒精(或乙醚)，
使云室内充满酒精的饱和蒸气。然后活塞迅速下移，云室内气体由于迅速膨胀而降低温度，
于是酒精蒸气达到"过饱和"。这时如果有射线粒子从中穿过，使沿途的气体分子电离，则过
饱和的酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成一条雾迹，显示出粒子的径迹。 为了弥补"膨胀云室"灵敏时间短、循环周期长等不足，现代的物理学家们又发明
了"扩散云室"。其不同之处在于"扩散云室"不是利用绝热膨胀来降低温度形成过饱和汽；
而是让云室顶部和底部之间保持稳定的高度差和温度差，顶部高温端的蒸气在不断向底部
低温端扩散的过程中逐渐冷却，在接近底部低温端的区域形成过饱和汽。
发明内容
现有的高纯度液化方法和装置，特别是将空气中的水蒸气液化并收集以制取蒸馏 水供应饮用的方法和装置，存在着以下问题 1.液化手段单一除了增压或降温几乎就没别的了。这是其它一系列问题的根 源。 2.液化纯度不高充当凝结核的悬浮颗粒，主要是大地尘土、海洋盐粒、工业烟尘 (所以在燃煤量大的工业区上空常形成局部地区的浓雾或暴雨，比如以前著名的"雾都"伦 敦和重庆)。它们的化学成分有碳酸钙、氯化钠、氯化镁、硫酸钠、硫酸镁、硫酸铵及氮氧化 物等。其中，溶于水的会腐蚀设备；不溶于水的会造成摩擦和沉积，并逐渐形成微环境-加 速腐蚀。当然，最重要的问题在于，纯度没达到要求=产品不合格。(一般性商用气体，比如 各种民用燃气等，液化时不故意往里面掺东西就不错了，不在此讨论的范围之内。)
3.液化速度不快温度低于凝固点以后，充当凝结核进入液体的不溶性颗粒又要 作为晶核进入晶体了——低温+液体+颗粒物=凝固，也就是冻结。 一旦冷凝管开始结霜， 效率就会快速并加速地下降，甚至可能损坏冷凝管。而略低于凝固点，又正是液化速度最快 的温度区域。 4.液化比例不高系统中，随着液化量的增加，可溶性颗粒形成的溶液滴的浓度 越来越低，要求的饱和汽压也就越来越高。但同时，还是由于液化量的增加，汽压却已经越 来越低了。
5.质与速相矛盾如果液化之前清除悬浮颗粒，液化将因缺乏凝结核而很困难；
如果液化之前不清除悬浮颗粒，不仅会降低液化纯度，而且还会损害液化设备。
6.质与量相矛盾和上面一样，还是液化之前是否清除悬浮颗粒的问题。
7.高与低相矛盾没有悬浮颗粒充当凝结核时，过饱和汽的分子会因分子热运动
而偶尔碰撞在一起产生极小的液滴，进而可能形成凝结核。这时，如果温度高了，这些极小
的液滴就又会因分子热运动剧烈而重新分开，凝结核无法形成。但是，如果温度低了，这种本来就极少的机会又会因分子热运动微弱而变得更少。 8.粗与细相矛盾飞机穿过含有过冷水滴的云时，突出部位会有结冰。积冰将改变飞机的气动外形、增加飞行阻力-加大油耗、使一些仪器设备失灵，严重时甚至使飞机坠落。但就算飞机都掉下去了 ，周围那些没有被飞机碰撞到的过冷水滴却还没掉下去。冷凝器里也有类似的现象——没接触到器壁的小液滴不会聚集下落，大部分会随着气流跑出去。要知道，每一个小液滴可都是用能耗换来的。冷凝管越粗，同体积空气的单位接触面积就越小，而且管心位置的气体就越难被降温。縮小冷凝管直径可以解决这两个问题，但越细的冷凝管制造和使用成本又越高。直径粗些_效率低些、直径细些_成本高些，这不是一个容易的选择。毕竟，效率低也就等于成本高。 为解决上述问题，在对影响液化速度快慢的五大因素"压强、温度、浓度、催化剂、接触面积"和决定"液化_汽化"平衡移动方向的三个条件"压强、温度、浓度"进行了全面的综合理论分析和系统实验验证之后，总结归纳出了一种新的液化方法和装置，包括以下步骤 1.净化气体没有尘埃作为晶核，纯净的液体即使过冷也不会凝固。只要做好外部隔热，就可以大幅降低温度-提高效率了。而且，气体纯度的提高又会提高液体纯度、降低后期提纯成本、延长设备使用寿命。 2.增大气体压强并同时降低气体温度虽然空压机或冷气机工作时都会伴生液化，但仅用增压或降温中的一种手段来进行专门的液化工作，无疑会顾此失彼、效率低下。这是因为汽化和液化是一对不可分割的互逆变化，两者一直是同时在进行的。低压高温时液化慢于汽化；高压低温时液化快于汽化。宏观上的汽化或液化，实质上是两者在微观上的速度差。宏观上汽化或液化的速度快慢，实质上是两者在微观上速度差的大小。在密闭空间中汽化和液化趋向动态平衡。在这个平衡系统中，压强和温度同样是不可分割的——升高压强，温度就会升高；降低压强，温度就会降低；降低温度，压强就会降低；升高温度，压强就会升高(在高原上煮饭的人通过高压锅和液化罐对此深有体会)。"这块金砖好大呀"、"这块金砖好重呀"，一个说体积、一个说重量，说的好像是两回事，其实是一回事——"这块金砖包含的金原子好多呀"。在这个动态平衡系统中也是这样——汽化、液化、压强、温度其实只是同一个情况(分子热运动)的四种描述而已。所以，无论是从"勒沙特列原理"(亦即"平衡移动原理")的宏观角度还是从分子热运动的微观角度来进行理论分析和实验验证，其结论都是降低压强并同时升高温度是双管齐下加强汽化的好办法、增大压强并同时降低温度是加强液化的好办法，而单一手段则会按下葫芦浮起瓢(日常生活中的屋里烧水或气象预报都很容易用来验证这个结论)。 3.用略低于凝固点温度的洁净气体把同样温度的纯净液体雾化喷射进入被增压和降温的气体 ①略低于凝固点温度的气液混合物的射入，使密闭空间内的压强进一步增大了 ；并使密闭空间内温度相对较高的中心部分被彻底降温了 。 ②用洁净气体和液体雾化形成的小液滴，其洁净程度远远高于尘埃。所以，液化纯度提高了、设备损害降低了。 ③只有能形成小液滴的微粒才能被称为凝结核。射入小液滴，不但凝结核有了 ，而且跳过了其它微粒形成小液滴这个时间不短的过程，使凝结更直接、更快速地发生了 。
5
④特意射入的小液滴数量远远多于普通气体中自然分布的尘埃数量，更多的数量 导致更多的碰撞。所以，液化速度和比例提高了。 ⑤重新设计建造大型公共建筑或交通工具时，如果想把人流吞吐速度比原来提高 十倍，把人的行走速度提高十倍不太现实；把进出通道的宽度扩大十倍就现实多了。就汽化 或液化而言，扩大气液接触面，正如刚才提到的扩宽通道。大液珠的弥漫使气液接触的面积 远远地扩大了 ，更大的气液接触面积会导致更多的碰撞。所以，液化速度和比例提高了 。
⑥雾化喷射流在密闭空间内造成的扰动，将小液滴带向到处都是的气液接触面， 漏网概率下降到近乎为零。所以，速度和比例提高了、能耗降低了。 ⑦由于无需制造和使用成本都很昂贵的毛细冷凝管，所以制造和使用成本都大大 降低。 要想实施这种新的液化方法，还需要设计一种新的液化装置来进行关键步骤，主 要包括 1.压縮活塞，它主要用于对气体进行增压；
2.内胆，它主要用于对气体进行降温；
3.外套，它用于防止外部热量进入；
4.喷雾管，它是低温雾化物的射入通道。 也许有人会说反应速度和平衡移动是化学理论，不适用于分析本发明所要控制物 理变化。同意这种说法的人，不仅知识水平还停留在很久以前，而且完全低估了本发明所涉 及之领域的复杂性。本发明实施起来这么简单，是因为科学本质的简单性和一致性，但这并 不代表其探索过程是简单的。事实上，对液化详细过程和机理的认识，目前我们还很肤浅。 而且，所有自然科学门类都是建立在同一个基础上的，所以，所有基础理论在所有门类中都 是通用的，所有关于"有效碰撞"的理论都适用于液化研究和本发明。自然科学发展到上上 个世纪中期时，物理和化学之间的界限，已经比青年和中年之间的界限模糊了，于是两门新 的学科产生了——以1887年创办《物理化学杂志》为形成标志的"物理化学"和以1933年 创办的《化学物理杂志》为形成标志的"化学物理"。 本发明所采用的方法与现有方法相比，手段齐全了 ；矛盾消除了 ；过程縮短了 ；纯 度、速度和比例都提高了 ；设备寿命延长了 ；能耗和成本降低了。很显然，在同等条件下，本 发明能够比现有的液化方法和装置，特别是将空气中的水蒸气液化并收集以制取蒸馏水供 应饮用的方法和装置，更优质、更快速、更高效、更节能、更便宜地完成同样的工作。由于没 有标准来评价现有方法或设备中哪些是最好的，加上实验数据过于繁杂和大量，所以没有 用数据来说明本发明的进步到底有多大。不过，对本技术领域的专业人士来说，其进步之 大，远远超过了普通锅和高压锅的差距。如果再加上一种与本发明相配套的方法——"压 縮云室阵列法"(专利申请中)，本发明将会有更高的速度和效率、更低的能耗和成本。所 以，本发明完全称得上是实质性特点突出、全面优于同类传统技术，具有显著的进步和创 造性。 本发明和大气物理、高能物理试验用的云室都受曾到过云雾生成过程的启发，并 都有在密闭空间内液化过程的发生，故而命名中有"云室"两个字。但本发明与试验云室至 少有以下几个根本性的不同之处 1.需要不同。本发明要的是液化产物，需要液化过程更快速、更大量地完成；而试验云室要的则是液化过程，需要液化过程更清晰、更精确(也就是更缓慢、更少量)地发生。
2.目的不同。本发明的目的是促进液化过程的完成；而试验云室的目的则是观测液化过程的发生。 3.因素增减不同。本发明尽量增加促进液化过程的因素，以提高液化效率；而试验云室则尽量减少促进液化过程的因素，以便于精确分析。 4.容积变化不同。本发明是压縮云室容积；而试验云室则是膨胀云室容积或保持云室容积不变。 如果把这几处根本性的不同导致的无数细节性的不同全部列举出来，写和看的人都会很累很烦，就不再罗嗦了。但就是这几处根本性的不同，也完全足以说明本发明的"压縮云室"是以前从来没有出现过的、也从未在其它公开文件或出版物刊登过的，具有显著的新颖性。
图1.以一种简单直观的结构为例的装置示意 图2.以液化空气中的水蒸气为例的方法示意图。 需要特别指出的是本申请阐述的是一种方法和装置，而不仅仅是局限于相关文件所绘制或描述的某个具体装置。该装置可以是很多不同的形状或结构，但无论怎样改变
(比如变换整体或部分结构、添加过滤消毒装置、实施电脑控制等)，只要是按本申请所阐述的方法和装置来设计的，都包含在本发明的范围之内。本申请中的附图和举例是用于对本发明进行解释说明的，而不是用于对本发明进行不当限定的。
具体实施例方式
下面，以一种简单直观的结构为例，介绍具体实施本发明的关键装置"Ol压縮云室" "01压縮云室"的中心是隔热材料的"YSOl压縮活塞"和导热材料的"YS02内胆"封闭而成的"YS03云室腔"，两层胆壁之间夹着"YS04内胆夹层"，隔热材料"YS05上盖"和"YS06外套"包覆着内胆。 一圈"YS07进气管"和一圈"YS08喷雾管"从侧面、"YS09出水管"夹着"YSIO出水活塞"从下面，插到"YS03云室腔"。 一圈"YSll进冷却液管"和一圈"YS12出冷却液管"从侧面，插到"YS04内胆夹层"。 通过本发明的关键装置和其它辅助装置的配合，本发明的方法得以实施。下面，以液化空气中的水蒸气为例，介绍具体实施方式
的主要流程 空气被"03空气净化装置"净化后，由"04空气输送装置"经"YS07进气管"送入"YS03云室腔"。"YS01压縮活塞"从"YS03云室腔"顶部开始下降，使"YS03云室腔"中洁净空气的压强增大。同时，"02制冷装置"通过"YS04内胆夹层"中的冷却液，使"YS03云室腔"中洁净空气的温度降低。同时，"05雾化喷射器"切换开关，使经"YS08喷雾管"喷射进入"YS03云室腔"的物质，由低温洁净空气变成低温水气混合物。"YS03云室腔"中发生凝结。 "YS10出水活塞"从"YS03云室腔"底部开始下降。同时，"05雾化喷射器"切换开关，使经"YS08喷雾管"喷射进入"YS03云室腔"的物质，由低温水气混合物变成低温洁净空气。于是，"YS03云室腔"中的水通过"YS09出水管"离开(残留的少量蒸馏水正好用来 给活塞进行冷却、润滑和密封)。 "YS01压縮活塞"到达"YS03云室腔"底部后，和"YS10出水活塞"上升回到起始 位置(附图所画位置)。"01压縮云室"完成一次往复。不断地重复这种往复，就能不断地 将洁净空气分为冷蒸馏水和冷干燥洁净空气。 冷蒸馏水和冷干燥洁净空气离开"01压縮云室"后，在管道中自然减速-分离。
" 06生成物调配装置"将冷蒸馏水、冷干燥洁净空气、洁净空气、冷、热，按按各种需 求进行合理混合，调配生成各种鸡尾酒式的产品。 人工观察控制、设备感应控制、电脑程序控制，都能使整个系统流程顺利完成。 之所以没有堆砌大量枯燥的数据，并非因无法精确描述而含糊其辞，而是因为本
发明就像各种各样的发电机一样——虽然原理相同，但由于用途不同，综合权衡之后，在设
计时就会产生很多差异。简单来说如果本发明用来造家用饮水_除湿机，"最佳"基本上 可以理解为，在价格差异不大的前提下，产水量除以用电量的最高值；如果本发明用于后勤
保障，"最佳"也许应该是产水速度除以重量或体积的最高值；如果是企业在赶订单，利用本 发明设计建造的生产设施，只有最高的液化速度才是"最佳"… 综上所述，不难发现本发明的效果远远好于原有技术，并且很容易用工业方法生 产，具有很强的实用性。
8
权利要求
一种高纯度的液化方法，其特征在于，包括以下步骤a.净化气体；b.增大气体压强并同时降低气体温度；c.用温度略低于凝固点的洁净气体把同温度的纯净液体雾化喷射进入被增压和降温的洁净气体。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，低温气液混合物的雾化喷射进入，使得a. 气体压强进一步增高；b. 气体温度进一步降低；c. 凝结核数量暴涨；d. 凝结过程和时间大大縮短；e. 气液接触面剧增；f. 碰并增长剧烈。
3. —种液化装置，其特征在于，权利要求1所述的步骤B和步骤C在该装置中进行；且液化过程在该装置中发生，主要包括a. 压縮活塞，它主要用于对气体进行增压；b. 内胆，它主要用于对气体进行降温；c. 外套，它用于防止外部热量进入；d. 喷雾管，它是低温雾化喷射物的进入通道。
全文摘要
本发明涉及一种高纯度的液化方法和装置，尤其涉及一种将空气中的水蒸气液化并收集以制取蒸馏水供应饮用的方法和装置。为了解决“液化纯度、液化速度、液化比例、液化能耗、液化成本”五者之间的矛盾等问题，本方法通过一个以“压缩云室”装置为核心的系统，将净化后的气体增大压强并同时降低温度，然后用略低于凝固点温度的洁净气体把同样温度的纯净液体雾化喷射进入被增压和降温的气体，使液化过程中的矛盾消除；过程缩短；纯度、速度和比例提高；设备寿命延长；能耗和成本降低。
文档编号E03B3/00GK101725166SQ20091019133
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者张逸林 申请人:张逸林