CN102052814B - 一种交替制冷的流态化冰浆发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，包括有水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统，所述水或溶液循环系统由冰浆储箱、过滤器、泵、换热器A、三通阀A、换热器B或换热器C、起晶器依次串联组成，所述制冷工质循环系统由压缩机、冷凝器、换热器A、三通阀B、换热器B、换热器C、三通阀C串联组成，所述制冷循环系统由换热器B、换热器C、单向止回阀、膨胀阀、三通阀B、三通阀C串联组成。水或溶液循环系统和制冷工质循环系统以制冷和加热两种工作方式交替切换，解决了使用刮面换热器所产生辅助能耗的问题，制取流态化冰浆效率高，没有额外消耗能源，实现了操作连续自动化。

Description

一种交替制冷的流态化冰浆发生系统

技术领域

本发明涉及流态化冰浆发生系统技术领域，尤其涉及一种交替制冷的流态化冰浆发生系统。

背景技术

流态化冰浆是指在水溶液或水中冷却后形成冰晶，这种冰晶是细碎的，与水混合成为可泵的流态化冰浆。流态化冰浆比冰块有更高的换热效率，而且制取流态化冰浆所需的冷媒一般只需-5～-7°C，因此，流态化冰浆广泛应用于冷冻浓缩和制冰蓄冷技术等技术领域。

现有技术中制取流态化冰浆主要有以下三种方式：

1）用刮面换热器制取流态化冰浆，将冷却水或水溶液冷却至冰点以下，令其发生相面。该技术最早由冷冻浓缩技术的鼻祖Thijssen教授研发，并由Greenco Process Technology B.V.，The Netherlands 实现商业化应用，并取得3项美国专利4332140，4332599和4338109。

该方法由于冰晶总是倾向于粘附在制冷面上，使传热及能量效率下降，因此必须用刮刀清除制冷面上的冰淤塞，才能连续不断地产生冰浆。尤其是用水制取冰浆时，冰晶通常脆硬，对制冷面的附着力很强，相对较难刮落。这时驱动刮刀造成很大的辅助能耗。

2）用过冷水或水溶液制取流态化冰浆：通过换热器把水或水溶液冷却至冰点以下，成为亚稳态的过冷水或水溶液，过冷水（或水溶液）离开换热器后通过物理刺激产生成核结晶、消除过冷，从而产生流态

化的冰浆。中国发明专利“水溶液的冷冻浓缩”（公开号CN1366466A），中国发明专利“一种新型制冰方法及装置”（公开号CN101603752A），以及中国发明专利“一种冰浆及水合物浆的连续快速制备装置及其应用”（公开号CN1786626A）均涉及这样的方法。

该方法由于使水或水溶液在制冷换热器中处于过冷状态，总是倾向于成核结晶。一旦发生成核结冰，由于冰晶总是会粘附在制冷面上，最终将堵塞换热器。由于制冷换热面的温度是在冰点以下，通常在-5°C～-10°C，甚至更低。连续工作一段时间后冰淤塞就会发生，冰淤塞后必须停止制冰，切换到加热进行融冰操作，因此增加了辅助能耗，降低了设备的利用率。

3）用低于冰点的气体制取流态化冰浆：将低于冰点的气体直接通入水或水溶液中，使其冷却至冰点以下并产生冰晶。所用的气体可以是空气或其他惰性的气体，也可以是制冷工质。中国发明专利“气体直接接触式冰浆制取系统”（公开号CN101629771A）公开了一种用由制冷机组驱动的制冷工质与抗冻液间接换热，抗冻液与气体直接换热，气体再与水（或水溶液）水（或水溶液）直接换热制取冰浆的技术。中国发明专利“一种液化气冷能利用的冰浆蓄冷系统”（公开号CN101696837A）公开了一种系统结构相同的、但是用汽化的液化气与抗冻液间接换热，抗冻液与氮气直接换热，氮气再与水（或水溶液）直接换热制取冰浆的方法。

该方法用气体与水或水溶液直接接触换热虽然提高了换热效率，但是系统变得非常复杂。由于在向抗冻液和水或水溶液中鼓气时，会

发生气雾及泡沫夹带，导致抗冻液中的组分会渐渐污染冰浆液，冰浆

中的水及其它组分反过来也会渐渐污染抗冻液。因此这种系统只适用

于没有泡沫生成的水或水溶液中产生冰浆，更不适用于有泡沫的果汁、乳品等溶液的冷冻浓缩工艺。

因此，针对现有技术中的不足，亟需提供一种快速制冰、能耗低、连续自动化的交替制冷的流态化冰浆发生系统。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种快速制冰、能耗低、连续自动化的交替制冷的流态化冰浆发生系统。

本发明的目的通过以下技术措施实现：

提供一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，包括有水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统；

其中，所述水或水溶液循环系统包括有冰浆储箱、过滤器、泵、换热器A、换热器B、换热器C、三通阀A和起晶器；所述冰浆储箱的出水口经过滤器与所述泵的进水口连接，所述换热器A的进水口与泵的出水口连接，所述换热器A的出水口与所述三通阀A的第一接口连接，所述三通阀A的第二接口与换热器B的进水口连接，所述三通阀A的第三接口与换热器C的进水口连接，所述换热器B、换热器C的出水口与所述起晶器的进水口连接，所述起晶器的出水口与所述冰浆储箱的进水口连接，所述换热器B与所述换热器C并联连接；

具体的，当工作在第一状态时，所述冰浆储箱的出水口、所述过滤器、所述泵、所述换热器A的进水口和出水口、所述三通阀A的第一接口、所述三通阀A的第三接口、所述换热器C的进水口和出水口、所述起晶器、所述冰浆储箱的进水口依次串联连接；

具体的，当工作在第二状态时，所述冰浆储箱、所述过滤器、所述泵、所述换热器A的进水口和出水口、所述三通阀A的第一接口、所述三通阀A的第二接口、所述换热器B的进水口和出水口、所述起晶器、所述冰浆储箱的进水口依次串联连接；

其中，所述制冷工质循环系统包括有压缩机、冷凝器、换热器A、换热器B、换热器C、三通阀B、三通阀C、第一单向止回阀、第二单向止回阀、第一膨胀阀和第二膨胀阀；所述冷凝器的输入端与所述压缩机的输出端连接，所述冷凝器的输出端与所述换热器A的制冷工质输入端连接，所述换热器A的制冷工质输出端与所述三通阀B的第一接口连接，所述三通阀B的第二接口与换热器B的B1端口连接，所述三通阀B的第三接口与换热器C的C1端口连接，所述三通阀C的第一接口与所述压缩机的输出端连接，所述三通阀C的第二接口与所述换热器B的B1端口连接，所述三通阀C的第三接口与所述换热器C的C1端口连接；

具体的，当工作在第一状态时，所述压缩机的输出端、所述冷凝器、所述换热器A的制冷工质输入端和输出端、所述三通阀B的第一接口和第二接口、所述换热器B的B1端口和B2端口、所述第一单向止回阀、所述第一膨胀阀、所述换热器C的C2端口和C1端口、所述三通阀C的第三接口和第一接口、所述压缩机的输入端依次串联连接；

具体的，当工作在第二状态时，所述压缩机的输出端、所述冷凝器、所述换热器A的制冷工质输入端和输出端、所述三通阀B的第一接口和第三接口、所述换热器C的C1端口和C2端口、所述第二单向止回阀、所述第二膨胀阀、所述换热器B的B2端口和B1端口、所述三通阀C的第二接口和第一接口、所述压缩机的输入端依次串联连接。

其中，所述换热器B内流经水或水溶液一侧的管道设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器由控制器控制所述三通阀B的第一接口、第二接口和第三接口的打开和关闭。

其中，所述换热器C内流经水或水溶液一侧的管道设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器通过控制器控制所述三通阀C的第一接口、第二接口和第三接口的打开和关闭。

其中，所述冰浆储箱设置有第三温度传感器。

其中，所述冰浆储箱内靠近出水口附近设置有筛网。

其中，水或水溶液由所述冰浆储箱流出，进入所述换热器A，被加热升温0.5-1°C，加热的热源是经所述压缩机、冷凝器后进入所述换热器A的温热的制冷工质。

其中，所述换热器B、换热器C交替地作为融冰的加热器工作，加热的热源是温热的制冷工质。

其中，所述控制器根据所述换热器B、换热器C内流经水或水溶液一侧的温度的跃升作为发出指令的信号，使工作在所述第一状态和第二状态之间交替切换。

其中，所述换热器A与所述三通阀B之间的连接管路设置有干燥器。

其中，所述干燥器与所述换热器A之间的连接管路设置有制冷剂缓冲罐。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，包括有水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统，其中，水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统采用换热器B和换热器C交替作为蒸发器和加热器工作，通过多个三通阀、多个膨胀阀和多个单向阀的方式，使水或水溶液和制冷工质具有两种不同的流通循环方式，充分利用了系统自身的热量，提高了热效率。水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统通过控制器实现了两种工作方式的自动交替切换，在第一种工作方式下，当换热器B、换热器C中水或水溶液一侧刚开始发生结冰但尚未形成冰堵塞时，控制器向三通阀A、三通阀B和三通阀C发出指令，整个系统立即切换到第二种工作方式即融冰的操作。上述过程中，融冰的热源是制冷工质循环系统的经压缩机后的温热的制冷工质，无需额外的热源，解决了现有技术中采用刮面换热器除冰过程所产生辅助能耗的问题。这种制取流态化冰浆的发生系统，具有制冰效率高、能耗低、操作连续自动化的优点。 

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统的结构示意图。

在图1中包括有：

压缩机1、视镜2、冷凝器3；

换热器A 4、

换热器B 8、B1端口81、B2端口82；

换热器C 11、C1端口111、C2端口112；

制冷剂缓冲罐5、干燥器6；

三通阀A 20、三通阀B 7、 三通阀C 12；

第一单向止回阀9、第二单向止回阀13；

第一膨胀阀10、第二膨胀阀14；

冰浆储箱15，冰浆16；

筛网17、过滤器18、泵19；

起晶器21、风机22；

第一温度传感器23、第二温度传感器24、第三温度传感器25；

控制器26。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

本发明的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统的实施例1如图1所示，包括有水或水溶液循环系统和制冷循环系统。

水或水溶液循环系统包括有冰浆储箱15、过滤器18、泵19、换热器A4、换热器B8、换热器C11、三通阀A20和起晶器21。其中，换热器A4的进水口与泵19的出水口连接，换热器A4的出水口与三通阀A20的第一接口连接，三通阀A20的第二接口与换热器B8的进水口连接，三通阀A20的第三接口与换热器C11的进水口连接，换热器B8、换热器C11的出水口与起晶器21的进水口连接，起晶器21连接冰浆储箱15，具体的，换热器B8与所述换热器C11并联连接；

制冷工质循环系统包括有压缩机1、冷凝器3、换热器A4、换热器B8、换热器C11、三通阀B7、三通阀C12、第一单向止回阀9、第二单向止回阀13、第一膨胀阀10和第二膨胀阀14；其中，冷凝器3的输入端与压缩机1的输出端连接，冷凝器3的输出端与换热器A4的制冷工质输入端连接，换热器A4的制冷工质输出端与三通阀B7的第一接口连接，三通阀B7的第二接口与换热器B8的B1端口连接，三通阀B7的第三接口与换热器C11的C1端口连接，三通阀C12的第一接口与压缩机1的输出端连接，三通阀C12的第二接口与换热器B8的B1端口连接，三通阀C12的第三接口与换热器C11的C1端口连接；具体的，换热器A4与三通阀B7之间的连接管路设置有干燥器6。干燥器6与换热器A4之间的连接管路设置有制冷剂缓冲罐5。干燥器6与三通阀B7之间的连接管路设置有视镜2，压缩机1的输入端和输出端均连接有视镜2。

工作时，制冷工质循环系统完成一次循环：制冷工质由压缩机1出来，经视镜2，通过冷凝器3被冷凝成为液态制冷工质。液态制冷工质经换热器A4、制冷剂缓冲罐5、干燥器6、视镜2到达三通阀B7, 三通阀B7的第一接口与换热器A4连通。此时，控制器26发出指令，三通阀B7连通换热器B8的第二接口打开，制冷工质经换热器B7、单向止回阀9、膨胀阀10到达换热器C11。制冷工质与换热器C11内另一侧的水或水溶液进行热量交换。该过程中，换热器C11作为蒸发器工作，通过热量交换，制冷工质带走换热器C11另一侧的被冷却的水或水溶液的热量。被蒸发汽化后的制冷工质到达三通阀B12，控制器26发出指令，将三通阀B12连通压缩机1的第一接口打开，制冷工质回到压缩机1，完成制冷工质循环系统的一次循环。

同时，水或水溶液循环系统也完成一次循环：冰浆储箱15内被冷却的水或水溶液，经筛网17、过滤器18、泵19输送到达换热器A4。此时，水或水溶液与换热器A4内另一侧的制冷工质进行热量交换，制冷工质作为加热的热源。由于制冷工质经冷凝器3冷凝后进入换热器A4仍然是温热的，因此，水或水溶液与制冷工质进行第一次热量交换后，被轻度加热升温0.5～1°C，然后离开换热器A4，水或水溶液到达三通阀A20, 三通阀A20的第一接口与换热器A4是连通的。此时，控制器26发出指令，将三通阀A20连通换热器C11的第三接口打开，水或水溶液流经换热器C11并与换热器C11内另一侧的制冷工质进行热量交换。该过程中，换热器C11作为加热器工作，加热的热源是温热的制冷工质，从而使水或水溶液被冷却降温，再经起晶器21返回冰浆储箱15从而完成水或水溶液循环系统一次循环。

具体的，冰浆储箱15设置有第三温度传感器25，温度传感器25用于测量冰浆储箱15内的温度。水或水溶液经过多次循环，其温度最终降至冰点甚至冰点以下，该温度可由温度传感器25检测。由于水或水溶液在轻度过冷时，如在换热器C11内的热量交换，发生过冷2～3°C，并不会立即发生相变；当水或水溶液离开换热器C11后，由起晶器21通过物理刺激，如超声振动或投入冰晶作为晶种到过冷的水或水溶液中诱发产生大批二次晶核，同时过冷消除，从而冰浆储箱15中的水或水溶液与冰晶回复相平衡。

作为优选的实施方案，当冰浆储箱15中的水或水溶液经筛网17、过滤器18和泵19后，仍有可能带有少量的细晶、甚至是线体（clusters,指远小于晶核，其有序排列的分子数在几十至几百的分子团，是晶核的前身）。这些微粒一旦在换热器被冷却至冰点以下的过冷状态时，就会立即成为结晶，造成冰堵塞。因此，换热器A4的作用在于，利用经冷凝器3被冷凝的、仍然处于温热的制冷工质，与过冷的水或水溶液进行热交换，使过冷的水或水溶液被加热升温0.5～1°C以彻底消除细晶和线体。这样水或水溶液被冷却至过冷时，不易发生相变、析出冰晶。上述过程，不但没有额外消耗能源，而且使制冷工质自身温度进一步下降3～4°C，更有利于其制冷效果。

实施例2

如图1所示，本实施例2与实施例1不同之处在于，由控制器26控制的三通阀A20、三通阀B7、三通阀C12的连通接口发生改变，从而使水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统自动切换为另外一种工作方式。

本实施例中，换热器B8作为蒸发器工作，换热器C11作为加热器工作，用于融化实施例1的工作方式中换热器C11内水或水溶液在制冷面所生成的冰晶。具体的，换热器B8流经水或水溶液一侧的管道设置有第一温度传感器23，用于测量该管道的温度，换热器C11内流经水或水溶液一侧的管道设置有第二温度传感器24。控制器26通过温度传感器温度的变化，从而控制三通阀B7、三通阀C12、三通阀A20的接口的连通方向。在实施例1的工作方式中，作为蒸发器工作的换热器C内的水或水溶液水总是处于不稳定的过冷状态，热交换过程中会发生相变、析出冰晶，而相变一旦发生，第二温度传感器24将会测量到水或水溶液一侧的管道在短时间内的一个温度跃升，如每秒1～3°C，然后趋于平缓。此时，控制器26向三通阀B7、三通阀C12、三通阀A20的接口发出切换信号，水或水溶液循环系统和制冷循环系统切换为另外一种工作方式。

工作时，制冷工质循环系统中，三通阀B7连接换热器B8的第二接口关闭，连通换热器C11的第三接口打开；三通阀C12连接换热器C11的第三接口关闭，连接换热器B8的第二接口打开。此时，制冷工质转而流向换热器C11，换热器C11由蒸发器变为加热器工作，利用冷凝的制冷工质融化在实施例1中在换热器C11的另一侧所生成的冰晶，该冰晶通常是粘附在制冷面上的一层厚度约0.2～0.5mm的冰膜。制冷工质经换热器C11、单向止回阀13、膨胀阀14到达换热器B8，然后制冷工质在换热器B8蒸发汽化，再经三通阀C12，回流到压缩机1，制冷工质完成另外一种循环方式。

同时，水或水溶液循环系统中，三通阀A20连接换热器C11的第三接口关闭，连通换热器B8的第二接口打开，水或水溶液也完成另一种循环方式：水或水溶液经三通阀A20流向换热器B8。此时的换热器B8作为蒸发器，水或水溶液在换热器B8中被冷却至过冷状态,然后经过起晶器21通过产生晶核而消除过冷。如果冰浆储箱15中已存有冰晶时，起晶器21实际上是不需要的，过冷的水或水溶液一旦接触到冰晶就会由于发生结晶作用而消除过冷。

具体的，换热器B8内，水或水溶液由于处于不稳定的过冷状态随时会发生相变、析出冰晶。相变一旦发生，第一温度传感器23将会检测到换热器B8内水或水溶液一侧的管道在短时间内的一个温度跃升。如每秒1～3°C，然后趋于平缓。此时，控制器26再次向三通阀B7、三通阀C12、三通阀A20的连通接口发出切换信号，整个系统又返回实施1的工作方式。

实施例1与实施例2的工作方式交替切换，完成流态化冰浆16的制备。应用上述系统，换热器B8、换热器C11内水或水溶液处于不稳定的过冷状态，工作一段时间会发生相变、析出冰晶的过程，从温度跃升到趋于平缓的时间很短，一般不超过4秒，这么短的时间内，换热器B8、换热器C11不会因为冰晶析出而堵塞，解决了现有技术使用刮面换热器所产生的辅助能耗的问题。整个系统制冰效率高，没有额外消耗能源，实现了操作连续自动化。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而

非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：包括有水或水溶液循环系统和制冷工质循环系统；

所述水或水溶液循环系统包括有冰浆储箱、过滤器、泵、换热器A、换热器B、换热器C、三通阀A和起晶器；所述冰浆储箱的出水口经过滤器与所述泵的进水口连接，所述换热器A的进水口与泵的出水口连接，所述换热器A的出水口与所述三通阀A的第一接口连接，所述三通阀A的第二接口与换热器B的进水口连接，所述三通阀A的第三接口与换热器C的进水口连接，所述换热器B、换热器C的出水口与所述起晶器的进水口连接，所述起晶器的出水口与所述冰浆储箱的进水口连接，所述换热器B与所述换热器C并联连接；

当工作在第一状态时，所述冰浆储箱的出水口、所述过滤器、所述泵、所述换热器A的进水口和出水口、所述三通阀A的第一接口、所述三通阀A的第三接口、所述换热器C的进水口和出水口、所述起晶器、所述冰浆储箱的进水口依次串联连接；

当工作在第二状态时，所述冰浆储箱、所述过滤器、所述泵、所述换热器A的进水口和出水口、所述三通阀A的第一接口、所述三通阀A的第二接口、所述换热器B的进水口和出水口、所述起晶器、所述冰浆储箱的进水口依次串联连接；

所述制冷工质循环系统包括有压缩机、冷凝器、换热器A、换热器B、换热器C、三通阀B、三通阀C、第一单向止回阀、第二单向止回阀、第一膨胀阀和第二膨胀阀；所述冷凝器的输入端与所述压缩机的输出端连接，所述冷凝器的输出端与所述换热器A的制冷工质输入端连接，所述换热器A的制冷工质输出端与所述三通阀B的第一接口连接，所述三通阀B的第二接口与换热器B的B1端口连接，所述三通阀B的第三接口与换热器C的C1端口连接，所述三通阀C的第一接口与所述压缩机的输出端连接，所述三通阀C的第二接口与所述换热器B的B1端口连接，所述三通阀C的第三接口与所述换热器C的C1端口连接；

当工作在第一状态时，所述压缩机的输出端、所述冷凝器、所述换热器A的制冷工质输入端和输出端、所述三通阀B的第一接口和第二接口、所述换热器B的B1端口和B2端口、所述第一单向止回阀、所述第一膨胀阀、所述换热器C的C2端口和C1端口、所述三通阀C的第三接口和第一接口、所述压缩机的输入端依次串联连接；

当工作在第二状态时，所述压缩机的输出端、所述冷凝器、所述换热器A的制冷工质输入端和输出端、所述三通阀B的第一接口和第三接口、所述换热器C的C1端口和C2端口、所述第二单向止回阀、所述第二膨胀阀、所述换热器B的B2端口和B1端口、所述三通阀C的第二接口和第一接口、所述压缩机的输入端依次串联连接。

2.根据权利要求1所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述换热器B内流经水或水溶液一侧的管道设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器通过控制器控制所述三通阀B的第一接口、第二接口和第三接口的打开和关闭。

3.根据权利要求1所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述换热器C内流经水或水溶液一侧的管道设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器通过控制器控制所述三通阀C的第一接口、第二接口和第三接口的打开和关闭。

4.根据权利要求1所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述冰浆储箱设置有第三温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述冰浆储箱内靠近出水口附近设置有筛网。

6.根据权利要求1至3任一项所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：水或水溶液由所述冰浆储箱流出，进入所述换热器A，被加热升温0.5-1℃，加热的热源是经所述压缩机、冷凝器后进入所述换热器A的温热的制冷工质。

7.根据权利要求1至3任一项所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述换热器B、换热器C交替地作为融冰的加热器工作，加热的热源是温热的制冷工质。

8.根据权利要求2或3任一项所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述控制器根据所述换热器B、换热器C内流经水或水溶液一侧的温度的跃升作为发出指令的信号，使工作在所述第一状态和第二状态之间交替切换。

9.根据权利要求1所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述换热器A与所述三通阀B之间的连接管路设置有干燥器。

10.根据权利要求1所述的一种交替制冷的流态化冰浆发生系统，其特征在于：所述干燥器与所述换热器A之间的连接管路设置有制冷剂缓冲罐。

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