CN102901297A - 一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器 - Google Patents

Abstract

一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，本发明涉及一种提取冷水凝固潜热并制取流体冰的装置，具体涉及一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，本发明为了解决目前从水中提取凝固潜热并得到流体冰，采用传统制冰筒换热器空间浪费严重、传热系数低、而且仅能做到流体单程流动、使换热器尺寸畸形的问题，所述换热器包括换热器内部冷剂腔体、换热器外壳冷水腔体、机械刮刀动力器和刮刀机构，机械刮刀动力器设置在换热器外壳冷水腔体的一端，冷剂腔体外的每一个冷水板缝流道内设置一个水平机械刮刀，水平机械刮刀与垂直机械刮刀固接，垂直机械刮刀一侧设有两个轴，轴的端部设有机械刮刀平动滚轮，本发明用于实现凝固潜热型热泵的大规模推广中。

Description

一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器

技术领域

本发明涉及一种提取冷水凝固潜热并制取流体冰的装置，具体涉及一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器。

背景技术

近年来热泵供暖空调技术在我国得到了充分的重视和发展，是我国建筑节能的重要措施之一，我国拥有极大量的地表水资源，这些江河湖海等水资源与各城市在地理位置上是天然配合的，因此其可以为凝固潜热型热泵提供充足的低位热源，但是冬季江河湖海水水温很低，最低在2~4℃左右，可以利用的显热能量空间已经非常有限，而且还存在结冰冻结破坏堵塞换热设备和管道的危险，只有采取新的方法和换热设备，提取部分水量的凝固潜热才能满足工程负荷的要求，同时还可避免系统失效；提取凝固潜热的第二个原因是目前城市污水源热泵发展迅速，但是研究表明，即使最大量的利用污水显热，也满足不了每栋建筑所需要的热负荷要求。为了保证每栋建筑的排放污水热能供应能够自给自足，就必须提取污水中所蕴含的5~15%的凝固潜热，提取凝固潜热制取流体冰的第三个应用是食品保鲜和冰蓄冷空调，目前从水中提取凝固潜热并得到流体冰的方法是水在低温壁面上凝结生成粘附在壁面上的冰块，然后用某种方法从壁面上剥离冰晶，再让水带走，传统的冰桶内安装刮刀严重浪费了换热器空间，而且仅能做到流体单程流动，使换热器尺寸畸形。

发明内容

本发明为了解决目前从水中提取凝固潜热并得到流体冰，采用传统制冰筒换热器空间浪费严重、传热系数低、而且仅能做到流体单程流动、使换热器尺寸畸形的问题，进而提供了一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：本发明所述一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，所述换热器包括换热器内部冷剂腔体、换热器外壳冷水腔体、机械刮刀动力器和刮刀机构，机械刮刀动力器设置在换热器外壳冷水腔体的一端，

换热器内部冷剂腔体包括冷剂入口管、冷剂出口管、冷剂腔体、多个冷剂板缝流道、多个冷剂汇总流道、多个冷剂分隔板和多个冷剂汇总分隔板，换热器外壳冷水腔体包括冷水腔体外壳、冷水出口管、冷水进口管、四组刮刀轨道板、多个冷水流程分隔板和多个冷剂腔体外冷水板缝流道，刮刀机构包括两个垂直机械刮刀、四个机械刮刀平动滚轮和多个水平机械刮刀，每个垂直机械刮刀包括两个轴；

多个冷剂分隔板由上至下依次平行设置在冷剂腔体内，且多个冷剂分隔板将冷剂腔体分割成多个冷剂板缝流道，多个冷剂汇总分隔板分别设置在冷剂腔体的两端，并在冷剂腔体内的两端形成多个冷剂汇总流道，冷剂入口管和冷剂出口管分别穿过冷剂腔体的上端和下端，且冷剂入口管和冷剂出口管均与冷剂汇总流道连通，冷水腔体外壳的顶端上表面上设有冷水出口管，且冷水出口管与冷水腔体外壳的腔内连通，冷水腔体外壳底端下表面上设有冷水进口管，且冷水进口管与冷水腔体外壳的腔内连通，多个冷水流程分隔板的端部水平交错设置在冷水腔体外壳内的两端上，且冷水流程分隔板分别设置在冷剂分隔板上，冷水腔体外壳腔内两侧相对设置有四组刮刀轨道板，每组刮刀轨道板形成一个轨道，每个冷剂腔体外冷水板缝流道自上至下设置一个水平机械刮刀，且每个水平机械刮刀的两端分别与垂直机械刮刀固接，每个垂直机械刮刀靠近冷水腔体外壳一侧自上至下设有两个轴，每个轴的端部设有一个机械刮刀平动滚轮。

本发明的有益效果是：本发明具有以下特点：1.本发明针对现有技术减少了冷剂用量和冷水用量，同时获得流体冰。2.本发明针对现有技术的传热系数提高了30%-50%。3.本发明采用多层流动通道和多程往返运动，达到减少换热器的占地面积，保证换热面积与设备体积之间的合理性，避免了换热器尺寸畸形的问题，此外，该发明尚有以下优点：1.保证足够的空间用以安装刮刀设备；2.本发明将所有刮刀固接成一体易于实现联动，3.刮刀的往复运动可以清除换热表面的冰层或污垢，始终保证换热器流道通畅，本发明具有结构简单、满足设计的要求、便于操作、可适用性高的特点。

附图说明

图1是本发明整体结构主视剖视图，图2是图1去掉机械刮刀动力器后沿D-D的剖面图，图3是图1沿B-B的剖面图，图4是图1沿C-C的剖面图，图5是本发明冷剂腔体主视图，图6是本发明沿A-A的剖面图，图7是本发明冷剂腔体侧视图，图8第一种冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管、冷剂出口管、冷水出口管和冷水进口管的安装位置示意图，图9是第二种所述冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管、冷剂出口管、冷水出口管和冷水进口管的安装位置示意图，图10是第三种所述冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管、冷剂出口管、冷水出口管和冷水进口管的安装位置示意图，图11是第四种所述冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管、冷剂出口管、冷水出口管和冷水进口管的安装位置示意图，图12是使用双水平机械刮刀替换水平机械刮刀时调节冷剂腔体外冷水板缝流道内冷水流动的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，所述换热器包括换热器内部冷剂腔体18、换热器外壳冷水腔体19、机械刮刀动力器16和刮刀机构20，机械刮刀动力器16设置在换热器外壳冷水腔体19的一端，

换热器内部冷剂腔体18包括冷剂入口管1、冷剂出口管5、冷剂腔体15、多个冷剂板缝流道2、多个冷剂汇总流道3、多个冷剂分隔板4和多个冷剂汇总分隔板4-1，换热器外壳冷水腔体19包括冷水腔体外壳9、冷水出口管10、冷水进口管11、四组刮刀轨道板14、多个冷水流程分隔板12和多个冷剂腔体外冷水板缝流道8，刮刀机构20包括两个垂直机械刮刀7、四个机械刮刀平动滚轮13和多个水平机械刮刀6，每个垂直机械刮刀7包括两个轴7-1；

多个冷剂分隔板4由上至下依次平行设置在冷剂腔体15内，且多个冷剂分隔板4将冷剂腔体15分割成多个冷剂板缝流道2，多个冷剂汇总分隔板4-1分别设置在冷剂腔体15的两端，并在冷剂腔体15内的两端形成多个冷剂汇总流道3，冷剂入口管1和冷剂出口管5分别穿过冷剂腔体15的上端和下端，且冷剂入口管1和冷剂出口管5均与冷剂汇总流道3连通，冷水腔体外壳9的顶端上表面上设有冷水出口管10，且冷水出口管10与冷水腔体外壳9的腔内连通，冷水腔体外壳9底端下表面上设有冷水进口管11，且冷水进口管11与冷水腔体外壳9的腔内连通，多个冷水流程分隔板12的端部水平交错设置在冷水腔体外壳9内的两端上，且冷水流程分隔板12分别设置在冷剂分隔板4上，冷水腔体外壳9腔内两侧相对设置有四组刮刀轨道板14，每组刮刀轨道板14形成一个轨道14-1，每个冷剂腔体外冷水板缝流道8自上至下设置一个水平机械刮刀6，且每个水平机械刮刀6的两端分别与垂直机械刮刀7固接，每个垂直机械刮刀7靠近冷水腔体外壳9一侧自上至下设有两个轴7-1，每个轴7-1的端部设有一个机械刮刀平动滚轮13，说明书中实心箭头所指方向为冷剂的流动方向，空心箭头所指方向为冷水流动方向，

结合图8-图11，图8是第一种冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管1、冷剂出口管5、冷水出口管10和冷水进口管11的安装位置示意图，图9是第二种所述冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管1、冷剂出口管5、冷水出口管10和冷水进口管11的安装位置示意图，图10是第三种所述冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管1、冷剂出口管5、冷水出口管10和冷水进口管11的安装位置示意图，图11是第四种所述冷剂腔体外冷水流动方向、冷剂流动方向的冷剂入口管1、冷剂出口管5、冷水出口管10和冷水进口管11的安装位置示意图，

图12是使用双水平机械刮刀17替换水平机械刮刀6时调节冷剂腔体外冷水板缝流道8内冷水流动的示意图。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，机械刮刀动力器16包括两个正反转电机16-1、四个传动链16-2和四个滑轮16-3，每个轨道14-1的左端设有一个滑轮16-3，每个正反转电机16-1的输出轴均通过一个传动链16-2与一个轨道14-1内的滑轮16-3连接，传动链16-2与轴7-1固接，通过两个正反转电机16-1的同时正反转带动传动链16-2运动，传动链16-2带动刮刀机构20往复运动，达到刮削粘附在冷剂分隔板4的冰体的目的，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图7说明本实施方式，一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，水平机械刮刀6的上下两端与冷剂分隔板4之间具有1mm-2mm缝隙，既可以减小水平机械刮刀6往复运动的阻力，又可以达到刮削粘附在冷剂分隔板4的冰体，其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1-图7说明本实施方式，一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，每个水平机械刮刀6上设有多个排水孔6-1，通过排水孔6-1可增大冷剂腔体外冷水板缝流道8内的流通截面积同时减少水平机械刮刀6往复运动产生的阻力，其它与具体实施方式一或二或三相同。

实施例

以哈尔滨地区建筑面积为A_S=10000m²，单位面积热热负荷指标为q=60W/m²，总热负荷为Q=600000W=600kW。

假设冷剂为不发生相变的液体，例如乙二醇水溶液，其温度变化为Δt_m=4°C（-2°C~-6°C，冷剂平均温度为t_mm=-4°C）。一般而言，换热表面两侧水流都达到较高流速时，换热器的传热系数不会低于2000W/m²·°C，考虑未完全刮除的冰层热阻影响，保守的取一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器的传热系数为K=1000W/m²·°C。冷剂平均温度为t_mm=-4°C，冷水平均温度为t_sm=0°C，换热器两侧冷剂与冷水的传热温差为Δt_Em=4°C。所需换热面积 $A_E=\frac{600000}{1000\×4}=150m^2.$

设冷剂板缝流道宽度W_m=1000mm，长度为L_m=2500mm，由于一条冷剂流道的换热面积包括缝的两面，故单缝的换热面积为A_Es=2×1.0×2.5=5.0m²。因此整个换热器所需冷剂流道板缝的数目为

条。设板厚δ_b=2mm，冷剂板缝流道高δ_m=5mm，冷剂腔体外冷水板缝流道高δ_S=15mm，每条冷剂流道板缝对应的总高度为δ_t=2×2+5+15=24mm，故三十条流道的总高度为H_m=30δ_t=30×0.024=0.72m。加上换热器两侧的刮刀运动空间，该换热器的实际宽度可以控制在W=1400mm；加上换热器两端的冷剂和冷水的进出口空间，该换热器的实际长度可以控制在L=3000mm；加上换热器上下两侧的缝隙空间，该换热器的实际高度可以控制在H=800mm。即哈尔滨地区10000m²的建筑只需要体积为1400×3000×800mm的一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，这样的占地和造价是工程师和业主很容易接受的。

所需冷剂乙二醇水溶液流量为 $V_m=\frac{600}{4.18\×4\×1000}=0.035885m^3/s,$ 由于冷剂板缝流道内没有刮刀类的任何构件，非常通畅，故其冷剂板缝流道高可以较小，取为δ_m=5mm，流道宽度W_m=1000mm，则单缝的流通面积为A_ms=δ_mW_m=0.005×1.0=0.005m²。若冷剂侧采用六流程，则每程的流道板缝数目为五条，每流程的流通面积为A_m=5×0.005=0.025m²，于是可得冷剂的流速为 $u_m=\frac{V_m}{A_m}=\frac{0.035885}{0.025}=1.44m/s.$ 可见冷剂侧的流速是可以容易保证的。

若冷水流量设计等于冷剂流量，为V_S=0.035885m³/s，含冰率粗略计算（即冰的密度取直跟水一样）为

可以保证冰浆的流动性。由于冷水侧流道内设置刮刀类，需要一定的高度，取为δ_S=15mm，刮刀处缝高可取δ_SC=5mm，流道宽度W_S=W_m=1000mm，则单缝的流通面积为A_SS=δ_SW_S=0.015×1.0=0.015m²。若冷水侧同样采用10流程，则每程的流道板缝数目为三条，每流程的流通面积为A_m=3×0.015=0.045m²，于是可得冷剂的流速为

可见冷水侧的流速也是容易保证的。

减小换热器的宽度，增加换热器的长度，增加流程数目，这三种方法都可以非常容易的增大冷剂和冷水的流速。流速得到满足后，合理的运行流量、传热系数、设备体积也就都能随之得到满足。

工作原理

通过外部设备将冷水通过冷水进口管导入冷水腔体外壳内，冷水沿冷剂腔体外冷水板缝流道向上流动，同时将冷剂通过冷剂入口管导入冷剂腔体内，冷水通过冷剂分隔板将冷水中的热量传递给冷剂，当冷水失去热量凝固成冰体，冰体粘附在冷剂分隔板表面，当冰层厚度超过水平机械刮刀与冷剂分隔板之间的缝隙厚度时，启动机械刮刀动力器，机械刮刀动力器上的传动链带动刮刀机构往复运动，通过刮刀机构上的垂直机械刮刀和水平机械刮刀将粘附在冷剂分隔板表面上的冰层刮除，获得流体冰，同时流体冰（冰水混合物）通过冷水出口管流出，吸收热量后的冷剂通过出口管流出。

Claims (4)

1.一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，其特征在于：所述换热器包括换热器内部冷剂腔体（18）、换热器外壳冷水腔体（19）、机械刮刀动力器（16）和刮刀机构（20），机械刮刀动力器（16）设置在换热器外壳冷水腔体（19）的一端，

换热器内部冷剂腔体（18）包括冷剂入口管（1）、冷剂出口管（5）、冷剂腔体（15）、多个冷剂板缝流道（2）、多个冷剂汇总流道（3）、多个冷剂分隔板（4）和多个冷剂汇总分隔板（4-1），换热器外壳冷水腔体（19）包括冷水腔体外壳（9）、冷水出口管（10）、冷水进口管（11）、四组刮刀轨道板（14）、多个冷水流程分隔板（12）和多个冷剂腔体外冷水板缝流道（8），刮刀机构（20）包括两个垂直机械刮刀（7）、四个机械刮刀平动滚轮（13）和多个水平机械刮刀（6），每个垂直机械刮刀（7）包括两个轴（7-1）；

多个冷剂分隔板（4）由上至下依次平行设置在冷剂腔体（15）内，且多个冷剂分隔板（4）将冷剂腔体（15）分割成多个冷剂板缝流道（2），多个冷剂汇总分隔板（4-1）分别设置在冷剂腔体（15）的两端，并在冷剂腔体（15）内的两端形成多个冷剂汇总流道（3），冷剂入口管（1）和冷剂出口管（5）分别穿过冷剂腔体（15）的上端和下端，且冷剂入口管(1)和冷剂出口管(5)均与冷剂汇总流道(3)连通，冷水腔体外壳(9)的顶端上表面上设有冷水出口管(10)，且冷水出口管(10)与冷水腔体外壳(9)的腔内连通，冷水腔体外壳(9)底端下表面上设有冷水进口管(11)，且冷水进口管(11)与冷水腔体外壳(9)的腔内连通，多个冷水流程分隔板(12)的端部水平交错设置在冷水腔体外壳(9)内的两端上，且冷水流程分隔板(12)分别设置在冷剂分隔板(4)上，冷水腔体外壳(9)腔内两侧相对设置有四组刮刀轨道板(14)，每组刮刀轨道板(14)形成一个轨道(14-1)，每个冷剂腔体外冷水板缝流道(8)自上至下设置一个水平机械刮刀(6)，且每个水平机械刮刀(6)的两端分别与垂直机械刮刀(7)固接，每个垂直机械刮刀(7)靠近冷水腔体外壳(9)一侧自上至下设有两个轴(7-1)，每个轴(7-1)的端部设有一个机械刮刀平动滚轮(13)。

2.根据权利要求1所述一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，其特征在于：机械刮刀动力器(16)包括两个正反转电机(16-1)、四个传动链(16-2)和四个滑轮(16-3)，每个轨道(14-1)的左端设有一个滑轮(16-3)，每个正反转电机(16-1)的输出轴均通过一个传动链(16-2)与一个轨道(14-1)内的滑轮(16-3)链连接，传动链(16-2)与轴(7-1)固接。

3.根据权利要求2所述一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，其特征在于：水平机械刮刀(6)的上下两端与冷剂分隔板(4)之间具有1mm-2mm缝隙。

4.根据权利要求1或2或3所述一种板式平动刮冰冷水凝固潜热换热器，其特征在于：每个水平机械刮刀(6)上设有多个排水孔(6-1)。

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