‘托里拆利真空’的应用-巨节能前景

    1643年，意大利的托里拆利与伽利略的另一个更年轻的学生维维安尼一起在佛罗伦萨做了著名的“托里拆利实验”。实验证明存在大气压力，是76厘米水银柱高。在实验管的上部也出现真空，因为水银蒸气的气压极低（在20℃时只有0.0012毫米水银柱等于0.00016kpa），所以几乎可看作是真空，这就是“托里拆利真空”。如果把其中的介质换成水，也会有这种现象，不过水的比重是水银的1/13.6，这个装置就要有十多米高，在标准状态时相应的水柱的高度大约是10.3米。管的上边也会出现这种真空，不过里面水的蒸气压20℃时是2.3346kpa，真空度比水银介质差的很多了，但是仍然比工业上的喷射泵的极限真空度好。

    几十年一直在想，能不能应用这个真空呢？这种直立式肯定不行，后来更换思路把这种水介质的装置，做成“虹吸式”，实验证明也会有这种真空。见图一。产生这种真空的原因，是介质在重力作用下位能转换的。据了解，还没有见到有人利用这个真空在实验室和工业上使用【1】。

          图一 托里拆利真空示意图

     在1958年，在实验室里就试验过“虹吸式”，当左边加热，右边冷却时，发现左边的水可以在50℃以下就能沸腾，产生水蒸气，右边冷凝成水，逐步流入下边的水槽。在没有真空泵的情况下，产生了“真空（低压）蒸发”。分析一下，当左边的蒸发器的温度是50℃，此时水的蒸气压是12.34kpa，如果右边冷却到20℃，水的蒸气压是2.3346kpa，这个压力差可以使里面的水蒸气流向低温端。同时右边冷凝的水（馏分）因为重力下降，位移空位就产生真空（低压），会抽取水蒸气。这两个因素就产生了‘真空泵’效果。这种‘把出口插入水面以下，有大约10米落差产生抽力’，效果上好像是一个‘真空泵’，为了叙述方便，简称“D泵”。实验前为了模拟工业情况，水已经除去溶解的空气。

     这个实验曾经进行多次，比较正规的实验是在某地经委节能办监督下进行的。当时的记录是：

     1995/12/15,当地海拔高度4米，气温6℃，蒸发器截面积41.8平方厘米，器内插入很多细玻璃毛细管，防止爆沸。加热前在温度25℃时静态器内水的蒸气压是0.03pa。当蒸发器温度48℃时，水就激烈沸腾！系统连续进行4小时，

将蒸发器内300g水基本蒸发完，人为停止。换算蒸发速率是17.9kg/平方米小

时。

     为了对比，某厂喷射泵铭牌参数是：

     型号W1500喷射泵 极限真空度25℃ 0.091pa 蒸发速率15kg/平方米小时 电机功率18.5千瓦。带动高压水泵压力5kg/平方厘米，水量60吨/小时。见图二

                      图二 虹吸式装置示意图

     ‘真空（低压）蒸发’是工业上广泛应用的一个技术，如化工的氯化铵浓缩，海藻水浸提取甘露醇的浓缩，中药水浸提取，动物脂肪水解出的甘油脱水浓缩，食品业的豆粉奶粉制作，脱水蔬菜的制作等等很多，工业上一般是将欲浓缩的溶液加热到50℃左右（有些工艺本身产物就是这个温度，温度过高一些产物可能会分解变质），在低压下蒸发出水进行浓缩。而低压一般是由“喷射泵”产生，“喷射泵”的动力有的使用高压水蒸汽，有的使用高压水（电动机带动高压水泵），“喷射泵”由于能量多次转换，因此效率低，耗能大。据甘露醇厂厂长讲，喷射泵的电动机功率接近20千瓦，在产品的成本中电费占很大比重，喷射泵的维修又常常造成停产。如果设法去掉“喷射泵”，这样就可以大幅度节能了，能够大幅度降低产品的成本。

     建议，这个技术先在蒸发脱水一类如甘露醇厂试验，以“D泵”代替喷射泵。如果放大成功，去掉喷射泵，不仅可以减少设备投资，还可以大幅度节能，降低成本。

     我国很多的小型造纸厂，其废水污染环境，问题很大，好在这个废水温度很高，如果直接连接“D泵”，出口插入地下水井中，以便形成10米落差，如果采取空气冷却，利用废水的余热几乎不耗能就可以将废水蒸发冷凝成净水。见图三

                   图三 工业废水处理
          

    上述实验室试验仅仅是验证‘托里拆利真空’是可以利用的，发展前景应该在海水淡化方面进一步考虑。如果把水蒸气的冷凝热回收来加热原料水，海水淡化也可以大幅度节能的。见图四，由现在的海水淡化方案改编【1】，只要简单的把“D泵”连接到原来设备的淡水出口，就可以去掉原来的增压泵变成真空蒸发淡化海水了。

      图四 冷凝热回收加热原料

使用这个思路，如果设法利用其它自然能量，比如太阳能加热原料海水（在美国休斯敦曾经观察到简单太阳能热水装置，可以把水加热到75℃），利用“海浪能”和水锤泵提高原料，这样海水淡化耗能可以很低了。设想的海水淡化，见图五

               图五 利用自然能源的海水淡化

 也设想太阳能加热的海水从上边喷雾下来，蒸发器内设立淋板，增加蒸发面积。内部和外部都进行热交换，以便尽量回收冷凝热，提高海水温度。见图六

                 图六 上边喷雾海水淡化

这种方案结构紧凑，热交换效率高。考虑到提高冷凝效率，增加了一个增压泵，是否有效和必要，需要进一步验证。

这个‘托里拆里真空’可以利用，实验室已经验证，放大到‘水溶液浓缩’和‘废水净化’不过照猫画虎，而且设备简单。更有前景是发展到低成本海水淡化，因为对原料海水要求比膜透析法简单，具有一定的优势，希望引起国内有关，海水淡化部分没有在国外论坛上发表，希望国内先试验。这只是给专业工作者一点启发，谬误在所难免，欢迎指点斧正。

（作者现在住在国外，耄耋之年，年老体衰。有兴趣者直接联系：fwxz@hotmail.com）

【1】王晔琪http://www.docin.com/p-1399525975.html（毕业论文）