CN101344353B

CN101344353B - 一种二元冰的制备方法及其装置

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Publication number: CN101344353B
Application number: CN2007100445166A
Authority: CN
Inventors: 章学来; 叶金; 葛轶群; 吕磊磊; 盛青青; 杨培莹
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: CN101344353A

Abstract

本发明涉及一种二元冰的制备方法，还涉及实现这种方法的装置。本发明所述的二元冰的制备方法，是将用于制备二元冰的水在所述真空室内喷射，形成的细小水滴在所述真空室内发声闪蒸现象；细小水滴的小部分闪蒸吸热形成水蒸气，同时，另外大部分水滴凝固成冰，形成二元冰积聚在所述真空室的底部；用捕水装置捕集闪蒸发形成的水蒸气；用真空泵抽出制冰过程中渗入真空室内的少量不凝气体。本发明热效率高，装置结构简单，操作方便，能耗低，不易发生冰堵；解决了传统制冰方式存在冰层热阻问题。

Description

一种二元冰的制备方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种二元冰的制备方法，还涉及实现这种方法的装置。

背景技术

二元冰是指某类水溶液和冰晶粒子的混合物，是呈泥浆状的悬浮液，其流动性很好，能够被泵输送，通常也称为“冰浆”。由于二元冰内含有冰晶颗粒，所以在冰晶融解时将吸收大量的融解热(冰的融解热约为335kJ/kg)，提高了流体的单位体积热容量。同时，有研究表明，在一定的含冰率下，二元冰能在某种程度上起到减阻剂的效果，其在单位长度管路中的阻力损失比水更小，从而减少水泵的电耗。因而二元冰是一种具有相当前途的供冷介质。

近些年来，二元冰(或称为冰浆，Ice Slurry)的制作研究与应用越来越引起制冰界的注重。由于在二元冰制备过程中固体传热面上无冰层产生或冰层厚度很小，因此制冰过程传热系数大，传热温差小，系统的COP提高较明显。由于二元冰冰晶颗粒很小，因此可以达到很高的冰表面积，若用二元冰进行冰蓄冷，无疑可使冰蓄冷技术更为经济有效，不但能够实现较高的制冰热力效率，而且还可以实现较小的融冰温差和很高的融冰速率。二元冰除适合于冰蓄冷空调外，还可以使许多化工或其它行业里略高于0℃的用冷场合也能够实现大规模冰蓄冷。

现有二元冰制备方式主要有过冷水制冰法、直接接触式制冰法、刮削式制冰法、流化床制冰法，但上述几种制备方式都存在不少缺点，体现在上述方式由于其制冰过程的特殊性，需要设计特殊的蒸发器。例如，过冷水制冰法对蒸发温度的控制要求非常精确，技术难度甚高，而且经过过冷器一次冷却后的IPF为2％，故达到一定的IPF，水泵的能耗较高，而且过冷器内结冰发生过于频繁，必要的融冰措施降低了系统的可靠性和能效。直接接触式制冰法要求相接触的两种介质不互相溶解，因此制冷剂的选择范围较窄，且运行一段时间后存在性能衰减问题。刮削式制冰法必须配置有外部电机驱动的旋转叶片，其结构及制造工艺复杂，能耗大，故障率高。流化床制冰法系统运行时必须控制水在壁面的温度和流速，以及冰晶的尺寸，同时需要防止换热管发生冰堵，要同时达到这些控制要求，实现起来较为困难。

发明内容

本发明的目的的第一方面在于提出一种制冰效率高、制冰效果好、使用装置简单、能耗低的二元冰制备方法，以解决现有二元冰制备方法存在的上述问题。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种二元冰的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用真空泵抽取真空室内的空气，将所述真空室内的压力降至预定压强；

2)将用于制备二元冰的水在所述真空室内喷射，形成的细小水滴在所述真空室内发生闪蒸现象；细小水滴的小部分闪蒸吸热形成水蒸气，同时，另外大部分水滴凝固成冰，形成二元冰积聚在所述真空室的底部；用捕水装置捕集闪蒸形成的水蒸气；用所述真空泵抽出制冰过程中渗入真空室内的少量不凝气体；

3)一段时间后，通过冰浆泵将二元冰泵送出真空室。

针对闪蒸过程中产生的大量水蒸气，若仅采用真空泵排出，则存在能耗较高的问题，本发明采用捕水装置捕集的手段，将水蒸气捕获形成二元冰，真空泵仅用于将真空室降至预定压力以及排出运行过程中可能进入真空室的少量不凝气体，这样既维持了真空，又降低了能耗。

在步骤1)前将所述用于制备二元冰的水和真空室本身的温度降低到预定温度。将用于制备二元冰的水和真空室本身降温，这样初始温度较低，更容易生成二元冰，所生成二元冰的含冰率也会有所提高。

将所述用于制备二元冰的水存放在设置有预冷盘管的供水水箱中；所述供水水箱与所述真空室的喷嘴通过连接管道连接，通过所述连接管道上的水泵将所述用于制备二元冰的水泵送到所述喷嘴进行喷射；所述预冷盘管与冷凝机组连接，通过所述冷凝机组、预冷盘管对所述用于制备二元冰的水进行降温。

所述捕水装置是捕水冷盘管，所述捕水冷盘管与冷凝机组连接；通过所述冷凝机组、捕水冷盘管对所述真空室进行降温。捕水冷盘管即能用于捕获水蒸气，也能用于制冰前对真空室进行降温。

所述用于制备二元冰的水是含有添加剂的水。在水中添加的添加剂，是防止二元冰重结晶的添加剂。由于添加剂的存在，不但使二元冰在制备、储存及输送过程中不会重结晶，也使附着在捕水装置上、由捕水装置捕获的水蒸气生成的二元冰不会重结晶，而在聚集到一顶程度后会掉落到真空室底部，这样保证了捕水装置能持续有效地捕获水蒸气。

考虑到水结冰时存在一定的过冷度，所述真空室内的压强维持在500Pa以下。

本发明通过冰浆泵将所述二元冰泵送进蓄冰装置。

本发明的目的的第二方面在于提出实现所述二元冰的制备方法的装置。

一种实现上述二元冰的制备方法的装置，其特征在于，包括：

真空室，所述真空室顶部设置有捕水冷盘管、喷嘴、不凝气体排出口；所述真空室底部设置有二元冰排出口；

冷凝机组，所述冷凝机组与所述捕水冷盘管连接；

将所述真空室抽真空的真空泵，所述真空泵的进口与所述真空室的不凝气体排出口之间通过连接管道连接；

将二元冰泵出真空室的冰浆泵，所述冰浆泵的进口与所述真空室的二元冰排出口连接；

将用于制备二元冰的水泵送到所述喷嘴进行喷射的水泵。

进一步，还包括供水水箱，所述供水水箱与所述真空室顶部的喷嘴之间通过连接管道连接；所述水泵设置在所述连接管道上；所述供水水箱内设置有预冷盘管；所述预冷盘管与所述冷凝机组连接。

为了防止用于制备二元冰的水中的杂质堵住喷嘴，本装置还包括过滤装置，所述过滤装置设置在所述水泵与所述真空室的喷嘴之间的连接管道上。

为了过滤进入管道的极少量冰晶，避免冰晶对连接在管道上真空泵造成破坏，本装置还包括滤网，所述滤网设置在所述真空室的不凝气体排除口与所述真空泵进口之间的连接管道上。

本装置还包括蓄冰装置，所述蓄冰装置的进口与所述冰浆泵的出口通过管道连接。

本发明根据水在周围环境压力降低至610Pa以下时，其沸点低于0℃的物理特性，当常温下的水经喷嘴喷入真空室(即制冰室)形成雾状细小水滴，于是这些喷嘴喷出的细小水滴在真空室内发生闪蒸现象，从而产生制冷效应。因水的凝固热(约335kJ/kg)远小于蒸发潜热(约2500kJ/kg)，所以其结果为细小水滴中一小部分闪蒸吸热，而使另外大部分凝固成二元冰。真空室闪蒸出的水蒸汽由捕水冷盘管进行捕集，制冰过程中渗入真空室内的少量不凝气体由小功率的真空泵排出，由此可使真空室维持所需要的低压，从而喷嘴喷出的细小水滴能够不断地进行闪蒸，保持连续的制冷效应。真空室底部积聚的二元冰通过冰浆泵输送至蓄冰装置，以供给用户使用。

本发明的优点是：(1)热效率高。传统制冰方式存在冰层热阻问题，而本制备方式是依据水的三相点原理，实现水的蒸发与结冰的同时进行，蒸发潜热与凝固潜热直接交换，热效率高。(2)结构简单，操作方便。整个装置运动部件少，运行及维护简便。(3)本制备方法供水采用喷雾方式，故换热迅速而充分，由于喷嘴出口处水的流速很高，不易发生冰堵。(4)本发明采用捕水冷盘管捕获水蒸气，这样无需一直开启真空泵，降低了能耗。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是发明的结构示意图。

图2是本发明所述的捕水冷盘管的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1。真空室1的顶部中央设置有喷嘴7。喷嘴7通过连接管道与水泵3的出口相连，水泵3的出口与喷嘴7之间的连接管道上装有过滤装置12，过滤装置为50目的T型过滤器。水泵3进口通过连接管道与供水水箱2的出口连接。供水水箱2的进口经补水管与水源(图中未示出)连接。供水水箱2内设置有预冷盘管6。预冷盘管6的进口经连接管道、外平衡式的热力膨胀阀16、电磁阀11与冷凝机组4的气液分离器相连；预冷盘管6的出口经连接管带与冷凝机组4的压缩器相连。

真空室1底部开有二元冰排出口，二元冰排出口通过连接管道与冰浆泵9的进口相连。冰浆泵9的出口通过连接管道与蓄冰装置15的进口连接。

真空室1顶部开有不凝气体排出口14，不凝气体排出口14通过连接管道与真空泵8的进口连接。不凝气体排出口14与真空泵8的进口之间的连接管道上安装有滤网13。滤网13可过滤进入连接管道的极少量冰晶，避免冰晶对连接在连接管道上真空泵造成破坏。

真空室1顶部设置有捕水冷盘管5。参见图2，捕水冷盘管5由不锈钢管或铜管环绕成盘状，安装在真空室1顶部中央，捕水冷盘管5的直径基本覆盖真空室1整个顶部。捕水冷盘管5放置在一个支架上，支架的构成如下，先加工两个同心圆，然后在两个同心圆之间加设辐条状的结构，材料均为不锈钢。支架周围焊接在真空室1室壁上。捕水冷盘管5通过架子焊接在真空室内壁上即可，也可以通过其他方式安装，只要能保证稳固均可。捕水冷盘管5的进口经连接管道、外平衡式的热力膨胀阀17、电磁阀10与冷凝机组4的气液分离器相连；捕水冷盘管5的出口经连接管道与冷凝机组4的压缩器相连9。

本发明运行时，先开启冷凝机组4，并开启电磁阀10、电磁阀11，使真空室1本身的温度和供水水箱2内含有添加剂的水的温度降低至预定温度。将含有添加剂的水、真空室1降温，是因为初始温度较低，更容易生成二元冰，所生成二元冰的含冰率也会有所提高。水中的添加剂可以是乙二醇、丙三醇或表面活性剂类物质。

再开启真空泵8，抽取真空室1内的空气，使真空室1内的压力降至预定的压力。考虑到水滴结冰时存在一定的过冷度，一般应使真空室内压强维持在500Pa以下。

然后开启供水水泵3，使供水水箱2中的水经供水水泵3输送至喷嘴7。于是，喷嘴7喷出的细小水滴在真空室1内发生闪蒸现象。细小水滴的小部分闪蒸吸热形成水蒸气，同时，另外大部分水滴凝固成冰，形成的二元冰积聚在真空室1的底部。真空室1闪蒸出的水蒸汽被捕水冷盘管5捕集，制冰过程中渗入真空室内的少量不凝气体由真空泵8排出，从而维持真空室1内的低压，捕水冷盘管5和预冷盘管6的低温由冷凝机组4来维持。工作一段时间后，开启冰浆泵9，将真空室1底部积聚的二元冰输送至蓄冰装置15，以供给用户使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种二元冰的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)将用于制备二元冰的水在所述真空室内喷射，形成的细小水滴在所述真空室内发生闪蒸现象；细小水滴的小部分闪蒸吸热形成水蒸气，同时，另外大部分水滴凝固成冰，形成二元冰积聚在所述真空室的底部；用捕水装置捕集闪蒸发形成的水蒸气；用所述真空泵抽出制冰过程中渗入真空室内的少量不凝气体；

3)一段时间后，通过冰浆泵将二元冰泵送出真空室。

2.根据权利要求1所述的一种二元冰的制备方法，其特征在于：在步骤1)前将所述用于制备二元冰的水和真空室本身的温度降低到预定温度。

3.根据权利要求2所述的一种二元冰的制备方法，其特征在于：将所述用于制备二元冰的水存放在设置有预冷盘管的供水水箱中；所述供水水箱与所述真空室的喷嘴通过连接管道连接，通过所述连接管道上的水泵将所述用于制备二元冰的水泵送到所述喷嘴进行喷射；所述预冷盘管与冷凝机组连接，通过所述冷凝机组、预冷盘管对所述用于制备二元冰的水进行降温。

4.根据权利要求2所述的一种二元冰的制备方法，其特征在于：所述捕水装置是捕水冷盘管，所述捕水冷盘管与冷凝机组连接；通过所述冷凝机组、捕水冷盘管对所述真空室进行降温。

5.根据权利要求1所述的一种二元冰的制备方法，其特征在于：所述真空室内的压强维持在500Pa以下。

6.根据权利要求1所述的一种二元冰的制备方法，其特征在于：通过冰浆泵将所述二元冰泵送进蓄冰装置。

7.根据权利要求1所述的一种二元冰的制备方法，其特征在于：所述用于制备二元冰的水是含有添加剂的水。

8.一种实现权利要求1所述的二元冰的制备方法的装置，其特征在于，包括：

冷凝机组，所述冷凝机组与所述捕水冷盘管连接；

将用于制备二元冰的水泵送到所述喷嘴进行喷射的水泵。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：还包括供水水箱，所述供水水箱与所述真空室顶部的喷嘴之间通过连接管道连接；所述水泵设置在所述连接管道上；所述供水水箱内设置有预冷盘管；所述预冷盘管与所述冷凝机组连接。

10. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于：还包括过滤装置，所述过滤装置设置在所述水泵与所述真空室的喷嘴之间的连接管道上。

11. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于：还包括滤网，所述滤网设置在所述真空室的不凝气体排除口与所述真空泵进口之间的连接管道上。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：还包括蓄冰装置，所述蓄冰装置的进口与所述冰浆泵的出口通过管道连接。