1）‘托裏拆利真空’實驗室證明可以應用
（這是本人一生的業餘研究，現在因為年屆80，公開發表供後人參考開發）
1643年，意大利的托裏拆利與伽利略的另一個更年輕的學生維維安尼一起在佛羅倫薩做了著名的“托裏拆利實驗”。實驗證明存在大氣壓力，是76厘米水銀柱高。在實驗管的上部也出現真空，因為水銀蒸氣的氣壓極低（在20℃時隻有0.0012毫米水銀柱等於0.00016kpa），所以幾乎可看作是真空，這就是“托裏拆利真空”。如果把其中的介質換成水，也會有這種現象，不過水的比重是水銀的1/13.6，這個裝置就要有十多米高，在標準狀態時相應的水柱的高度大約是10.3米。管的上邊也會出現這種真空，不過裏麵水的蒸氣壓20℃時是2.3346kpa，真空度比水銀介質差的很多了，但是仍然比工業上的噴射泵的極限真空度好。
幾十年利用業餘時間，從高中到退休，一直在想，能不能使用這個真空呢？這種直立式肯定不行，後來更換思路把這種水介質的裝置，做成“虹吸式”，實驗證明也會有這種真空。見圖一。產生這種真空的原因，是介質在重力作用下位能轉換的。也許是孤陋寡聞吧，我還沒有見到有人利用這個真空在實驗室和工業上使用。
圖一 托裏拆利真空示意圖
在1958年，在那個“解放思想”的氛圍下，在大學的實驗室裏就試驗過“虹吸式”，當左邊加熱，右邊冷卻時，發現左邊的水可以在50℃以下就能沸騰，產生水蒸氣，右邊冷凝成水，逐步流入下邊的水槽。在沒有真空泵的情況下，產生了“真空（低壓）蒸發”。分析一下，當左邊的蒸發器的溫度是50℃，此時水的蒸氣壓是12.34kpa，如果右邊冷卻到20℃，水的蒸氣壓是2.3346kpa，這個壓力差可以使裏麵的水蒸氣流向低溫端。同時右邊冷凝的水（餾分）因為重力下降，位移空位就產生真空（低壓），會抽取水蒸氣。這兩個因素就產生了‘真空泵’效果。這種形狀‘把出口插入水麵以下，有大約10米落差產生的抽力’，效果上好像是一個‘真空泵’，大約十幾年前，網上討論時為了敘述方便，有的網友起名“Ding's pump”，簡稱“D泵”。實驗前為了模擬工業情況，水已經除去溶解的空氣（見下邊的操作方法）。
這個實驗曾經進行多次，比較正規的實驗是在煙台市經委節能辦監督下進行的。當時的記錄是：
1995/12/15,當地海拔高度4米，氣溫6℃，蒸發器截麵積41.8平方厘米，器內插入很多細玻璃毛細管，防止爆沸。加熱前在溫度25℃時靜態器內水的蒸氣壓是0.03pa。當蒸發器溫度48℃時，水就激烈沸騰！係統連續進行4小時，將蒸發器內300g水基本蒸發完，人為停止。換算蒸發速率是17.9kg/平方米小時。
為了對比，某廠噴射泵銘牌參數是：
型號W1500噴射泵 極限真空度25℃ 0.091pa 蒸發速率15kg/平方米小時 電機功率18.5千瓦。帶動高壓水泵壓力5kg/平方厘米，水量60噸/小時。見圖二
圖二 實驗室虹吸式裝置示意圖
‘真空（低壓）蒸發’是工業上廣泛應用的一個傳統技術，如化工的氯化銨濃縮，海藻水浸提取甘露醇的濃縮，中藥水浸提取，動物脂肪水解出的甘油脫水濃縮，食品業的豆粉奶粉製作，脫水蔬菜的製作等等很多，傳統工業上一般是將欲濃縮的溶液加熱到50℃左右（有些工藝本身產物就是這個溫度，溫度過高一些產物可能會分解變質），在低壓下蒸發出水進行濃縮。而低壓一般是由“噴射泵”“水環真空泵”等產生，“噴射泵”的動力有的使用高壓水蒸汽，有的使用高壓水（電動機帶動高壓水泵），“噴射泵”由於能量多次轉換，因此效率低，耗能大。查資料噴射泵的電動機功率接近20千瓦，在產品的成本中電費占很大比重，噴射泵的維修又常常造成停產。正因為如此，這種操作簡單的傳統的真空蒸發方法有被“膜”等方法取代。如果設法去掉“噴射泵”，這樣就可以大幅度節能了，不僅能夠大幅度降低產品的成本，也是這種傳統方法的新的發展階段。
實驗室裏驗證了，使用“托裏拆利”真空可以進行真空蒸發。不能停留在實驗室，必須實現工業化才有意義。
從實驗室試驗的情況看，工業化應該沒有問題，但是有兩個問題需要提醒試驗廠家考慮，一個是必須解決水中溶解的空氣幹擾，如果待濃縮的原料水溶液有過加熱過程，其中已經沒有溶解的空氣，最好趁熱濃縮，或者冷卻時密封，防止與空氣接觸，就沒有這個問題了（不考慮溶解空氣的方法見後）。其次，所謂“D泵”需要10米落差，有人嫌設備太高，如果蒸發出來的水不要，也可以不要太高的（將來會討論）。我曾經看過俄羅斯的蛋液蒸發成蛋粉的工廠，蒸發器是個30多米高的龐然大物，設備高不是問題。當然小規模試驗臨時把小型蒸發器提高10米更不是問題。
這個技術節能的原因是，我們從熱力學的角度分析，物料提升到蒸發器，產生的餾分的位能直接轉換成真空（低壓），（這樣可以去掉高耗能的真空泵，還能進行真空蒸發），這個真空可以降低水的沸點到50℃以下，將來工業化時還要將蒸發出來的餾分的冷凝熱回收去加熱原料（見圖三），可以使蒸發過程耗能最少（理論上這個蒸發過程可以不耗能），是所有蒸發濃縮方法中耗能最低的，僅僅是物料開始提升所用的能量。設備沒有轉動部件是最簡單的。
操作過程是，先打開閥門，啟動真空泵，短時間把係統抽空，到幾個kpa即可，此時水槽中的水沿管道會上升到5-9米（與當時大氣壓力相關），這種方法同時還會除去了水中溶解的空氣（會見氣泡出現），除去溶解的空氣和係統的密封非常重要，否則會無法工作。然後，關閉閥門，停止真空泵。啟動少許能量加熱，開始蒸發，理論上此時停止加熱也可以連續蒸發濃縮了，因為畢竟不是理想狀態，適當減少加熱也以了。
此文的前半部曾經發表在美國科技論壇上，引起熱烈討論，並有幾個國家有合作意向。
2）“托裏拆利真空”的工業化小試
“托裏拆利真空”代替真空泵進行真空蒸發實驗室已經驗證了，前已所述。一個技術不能停留在實驗室，隻有工業化才是目的。這個技術先考慮在蒸發脫水濃縮一類工藝進行“工業化小試”試驗，我設想的試驗裝置見圖三
圖三 節能蒸發濃縮設想圖
這個裝置非常簡單，利用廢舊器材就可以搭建。從示意圖中可見，它實際就是“虹吸式托裏拆利真空”一種變形，與實驗室驗證試驗裝置沒有什麽本質不同，隻不過把蒸發出來的水蒸氣通過熱交換器加熱原料，把冷凝熱回收而已。
從熱力學上分析，先打開抽氣閥門，啟動真空泵，水管中的水位會上升到～10米（與當時的大氣壓力有關）。這種方式啟動更重要是除去水中溶解的空氣，以免幹擾係統的運行。此時原料和水管裏的水會產生很多氣泡，溶解的空氣會逐漸釋放出來。短時間係統的真空度可以達到幾個kpa即可（與氣溫大氣壓和真空泵的水平有關）。關閉閥門，停止真空泵。然後啟動加熱，產生的蒸汽被“D泵”吸走，在蒸發器的下部冷凝，放出冷凝熱，去加熱原料。
假設係統是標準狀態，處於絕熱狀態，假設熱交換器效率是100%，意味著冷凝熱全部回收。隻要加熱到原料沸騰，設沸點是50℃（實際情況低於50℃已經沸騰），此時停止外部加熱，真空蒸發也是可以繼續進行的。這次蒸發的能量消耗僅僅是從25℃升到50℃所需能量，大約是常壓下蒸發同樣質量的耗能4%左右。當然，係統不能絕熱，效率也不能100%，就是去掉一些折扣，節能還是巨大的。與其他真空蒸發比較，是省去了各種真空泵的耗能。之所以這樣節能，是這個技術巧妙的利用了各種能量直接轉化，而且用到了極致，開始把原料提升到蒸發器的能量，也沒有浪費，它產生的位能，直接轉換成“托裏拆利真空”或者說形成了“D泵”，變成了沒有真空泵的真空蒸發係統，降低了水的沸點，有利蒸發。蒸發吸熱由蒸汽冷凝發出的熱量直接供給，蒸汽冷凝成水的位能又直接轉化成真空。顯然，這個熱交換器效率越高，外界補充的加熱能量就可以越少，甚至，可以使用太陽能加熱，這時更是大幅度節省人工能源了。
這個係統要求蒸發器裏的液麵與下麵水槽的液麵要有10米以上的落差，有人可能覺得裝置太高。如果蒸發出的水不要的話，可以用水井代替水槽，這樣整個係統就在地麵了，裝置就不會高大，基建造價會降低，物料提升也會減少耗能。因為蒸發出來的水是蒸餾水，純度應該很高，如果實際檢驗確實達到國家排放標準，使用水井代替水槽就是可行的，而且水井夏天溫度比較低，更有利於運行。
這個水管是負壓工作，可以使用橡膠或者是塑料材質，內襯螺旋鋼絲，以免被壓扁。它可以彎曲使用，隻要出水口一定在水麵以下，以防止空氣進入。由於地形的原因，這個水管也可以延長，隻要保證兩個水麵落差在10米以上，如果長度影響了流速可以適當加粗即可。
至於水管的口徑和冷凝熱交換器的尺寸，可以按“15公斤/平方米小時”的蒸發速率估算，按化工的流體力學設計即可。
這個裝置是原理性小型工業試驗，裝置盡量簡單。將來為了工作方便和效率更好，還會使用一些電磁閥等等小型配件，更適合工業生產，後續再說。
因為它和實驗室驗證裝置沒有什麽差別，隻是簡單的放大，因此一定成功是可以預期的。一旦成功，還沒有看見有人使用這種“沒有真空泵的真空蒸發”，是個首創。其學術意義上很大的。
3）考慮水中溶解空氣的方案
這個小試原理性試驗，是針對原料是經過加熱已經除去溶解空氣的原料，而且不是連續生產的，為了使用含有溶解空氣和連續生產，可以在係統中加入一個“增壓泵”，除了增加水蒸氣的冷凝效率，同時也增加了空氣的溶解度，原料中放出來的空氣因為加壓和冷卻又能重新吸收到冷凝水中，因而消除蒸發過程放出溶解的空氣。見圖四。
圖四 解決原料中溶解空氣影響到裝置
這個裝置是“壓縮蒸餾法”【1】與“D泵”結合的產物，但是原來泵的功率可以大大降低（粗略估算大約是原功率的1/10），更為節能。其中“D泵”部分需要灌滿水。
如果不用這個增壓泵，則需要使用“真空法”等方法先除掉原料中溶解的空氣。
4）海水淡化
這個原理可以低成本海水淡化，裝置類似蒸發濃縮，主要考慮如何除去溶解的空氣，一個方法是太陽能加熱海水，放出溶解的空氣，見圖五。
圖 五 小型無人海水淡化
利用海浪能、水錘效應或者風能，提升海水，太陽能加熱海水，放出溶解的空氣，通過控製閥門和蒸發器連接。這是小型無人無電的海水淡化裝置。也可以使用增壓泵方式，見圖六
圖 六 有增壓泵的海水淡化
增壓泵使冷凝和除氣效率更好，估計增壓泵的功率不會很大，可以使用太陽能電池供電，也是無人海水淡化裝置。
這裏隻能是原理性的梗概，其他技術細節，待將來的合作中進一步論述。
因為老年眼疾，不能長時間看屏幕，做圖沒有使用專業軟件很不規範，僅僅是個示意圖見諒！
【1】http://www.docin.com/p-1399525975.html
