CN103822420A - 水能汽化制冰装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水能汽化制冰装置，包括：冰晶发生器，该冰晶发生器内设有冰水喷淋头、汽化喷淋头及挡水栅，所述冰水喷淋头设置在冰晶发生器的下部，汽化喷淋头设置在冰晶发生器的上部，所述冰晶发生器上还设有排气口，用于将冰晶发生器内的水汽化后产生的水蒸气排出；所述冰晶发生器内的绝对压力为611Pa；冰水泵，该冰水泵分别与所述冰晶发生器的下部、冰水喷淋头及汽化喷淋头连接，用于将冰水压入冰晶发生器内；以及冰晶泵，该冰晶泵与所述冰晶发生器连接，用于将冰晶发生器内产生的冰晶和水的混合物抽出。本发明还提供了一种该水能汽化制冰装置的控制方法。本发明不但解决了冰堵现象，而且还消除了冰层热阻现象。

Description

水能汽化制冰装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及制冰领域，尤其涉及一种水能汽化制冰装置及其控制方法。 

背景技术

目前制取冰晶的方法有很多种，例如刮削法、直接接触法、过冷水法、流化床法等。但是上述的制取冰晶的方法都存在不少的缺点：刮削法制冰必须配置有外部电机驱动旋转叶片，其结构及制造工艺复杂，能耗大、故障率高。直接接触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。过冷水法控制精度高难以实现，制冰过程中存在频繁的冰堵现象。流化床法运行时必须控制水在壁面的温度和流速，以及冰晶的尺寸，同时要防止换热管发生冰堵，要同时达到这些要求，实现起来较为困难。 

综上，上述几种冰晶的制取方法都要求制冰机组蒸发温度低、系统运行COP(Coefficient of Performance，性能系数)不高。鉴于全世界当前的能源环境状况，选取合适的冰晶制备方法，并提高冰晶的生产效率与能效比也势在必行，如何节能、高效、稳定、安全的制取冰晶是当前的研发热点。 

发明内容

本发明技术方案的主要目的是提供一种水能汽化制冰装置及其控制方法，旨在提高冰晶的生产效率与能效。 

为了实现上述目的，本发明技术方案提出了一种水能汽化制冰装置，包括： 

冰晶发生器，该冰晶发生器内设有冰水喷淋头、汽化喷淋头及挡水栅，所述冰水喷淋头设置在冰晶发生器的下部，汽化喷淋头设置在冰晶发生器的上部，所述冰晶发生器上还设有排气口，用于将冰晶发生器内的水汽化后产生的水蒸气排出；所述冰晶发生器内的绝对压力为611Pa； 

冰水泵，该冰水泵分别与所述冰晶发生器的下部、冰水喷淋头及汽化喷淋头连接，用于将冰水压入冰晶发生器内；以及 

冰晶泵，该冰晶泵与所述冰晶发生器连接，用于将冰晶发生器内产生的冰晶和水的混合物抽出。 

优选地，还包括挡水栅，该挡水栅设置在汽化喷淋头的上方且靠近冰晶发生器的排气口处。 

优选地，所述水能汽化制冰装置还包括蒸汽压缩机、驱动所述蒸汽压缩机的电机、凝结器以及与所述凝结器连接的冷凝泵；所述蒸汽压缩机的入口与所述冰晶发生器的排气口连通，且所述蒸汽压缩机的出口与所述凝结器连接；所述凝结器内设有冷却喷淋头。 

优选地，所述水能汽化制冰装置还包括冷干器及集水器，所述冷干器与所述凝结器连接，所述集水器的一端与所述冷干器连接，另一端与所述冷凝泵连接。 

优选地，所述冷干器还连接有真空泵。 

优选地，所述水能汽化制冰装置还包括第一控制器，用于控制所述凝结器中进入的流量与排出的流量，以使凝结器中水的进入与排出达到平衡。 

优选地，所述水能汽化制冰装置还包括第二控制器，用于控制所述汽化喷淋头的进入流量及所述冰水喷淋头的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡。 

本发明还提供了一种水能汽化制冰装置的控制方法，所述水能汽化制冰装置为上述结构的水能汽化制冰装置，所述控制方法包括： 

控制冰晶发生器内的绝对压力为611Pa； 

启动冰水泵，以通过所述冰水泵将冰水压入冰晶发生器内，同时控制冰水喷淋头的进入流量与汽化喷淋头的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡； 

控制冰晶泵将冰晶发生器内产生的冰晶和水的混合物抽出。 

优选地，所述水能汽化制冰装置还包括蒸汽压缩机、驱动所述蒸汽压缩机的电机、凝结器以及与所述凝结器连接的冷凝泵；所述蒸汽压缩机的入口与所述冰晶发生器的排气口连通，且所述蒸汽压缩机的出口与所述凝结器连 接；所述凝结器内设有冷却喷淋头； 

所述控制方法还包括： 

启动蒸汽压缩机，以收集所述冰晶发生器内产生的水蒸汽，并将其传送至凝结器； 

控制所述凝结器中进入的流量与排出的流量，以使凝结器中水的进入与排出达到平衡。 

由于本发明的冰晶发生器内的水不断更新，所以该冰晶发生器内形成的冰晶将始终保持动态的悬浮状态，不但阻止了大块的冰晶的形成，而且该冰晶发生器内产生的冰晶中冰的质量分数为16％～20％，可以及时地通过冰晶泵抽出。另外，由于整个冰晶的形成过程是在冰晶发生器内完成，而且是采用直接接触式进行热交换，不需要换热设备，从而消除冰层热阻现象。因此，本发明提高了冰晶的生产效率与能效。 

附图说明

图1是水的三相状态的示意图； 

图2是本发明水能汽化制冰装置较佳实施例的结构示意图； 

图3是水溶液在蒸发过程中的T-S的对应关系的示意图； 

图4是本发明水能汽化制冰装置的控制方法第一实施例的流程示意图； 

图5是本发明水能汽化制冰装置的控制方法第二实施例的流程示意图。 

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本发明的主要思想是利用水的三相点原理而设计一种设备简单的水能汽化制冰装置，仅将水作为制冷剂，且整个冰晶的行程过程均在冰晶发生器内完成，采用直接接触式进行热交换，因此不存在热阻；而且产生的冰晶可以 及时被冰晶泵抽走，不存在冰堵现象。 

参照图1，图1是水的三相状态的示意图。由图1可知，水的饱和温度随其压力的改变而改变。在常压(例如，101.325kPa)下，水的沸点为100℃；而当压力下降至611Pa时，水的沸点将降至0.01℃。而ITS-90(Temperature ScaIe of1990，90国际温标)中定义水的三相点温度值为273.16K，也就是0.01℃。因此，0.01℃时的水为固、液、气三相共存。若平衡被破坏，则三相会趋于一相或两相。 

参照图2，提出本发明水能汽化制冰装置的优选实施例。该实施例中的水能汽化制冰装置包括： 

冰晶发生器10，该冰晶发生器10内设有冰水喷淋头11、汽化喷淋头12及挡水栅13，所述冰水喷淋头11设置在冰晶发生器10的下部，汽化喷淋头12设置在冰晶发生器10的上部，所述冰晶发生器上还设有排气口101，该排气口101用于将冰晶发生器10内的水汽化后产生的水蒸气排出；所述冰晶发生器10内的绝对压力为611Pa； 

冰水泵20，该冰水泵20分别与所述冰晶发生器10的下部、冰水喷淋头11及汽化喷淋头12连接，用于将冰水压入冰晶发生器10内；以及 

冰晶泵30，该冰晶泵30与所述冰晶发生器10连接，用于将冰晶发生器10内产生的冰晶和水的混合物抽出。 

具体地，冰晶发生器10内的绝对压力环境为611Pa，通过冰水泵20向冰晶发生器10内输送冰水，且该冰水将输送至冰水喷淋头11及汽化喷淋头12处，冰水喷淋头11将冰水喷出，汽化喷淋头12将水汽化喷出。汽化喷淋头12以及冰水喷淋头11喷淋的水将部分沸腾汽化而吸收热量，未得到汽化的水滴的温度将急速下降被冷却冻结形成冰晶，而且该冰晶将掉落在冰晶发生器10的下部，而该下部将通过冰水泵20不断地输送冰水。然后通过冰晶泵30及时地将冰晶和水的混合物抽出。而且，冰晶制备过程中产生的水蒸气将通过排气口101及时地排出。 

由于冰晶发生器10内的水不断更新，所以该冰晶发生器10内形成的冰晶将始终保持动态的悬浮状态，不但阻止了大块的冰晶的形成，而且该冰晶发生器10内产生的冰晶中冰的质量分数为16％～20％，可以及时地通过冰晶泵30抽出。另外，由于整个冰晶的形成过程是在冰晶发生器10内完成， 而且是采用直接接触式进行热交换，不需要换热设备，从而消除冰层热阻现象。 

本发明中的水能汽化制冰装置利用上述水的三相点原理，水在负压环境(611Pa)下将水汽化。参照图3，图3是水溶液蒸发的T-S图。由图2可知，水的凝固热为333.4kJ／kg，其远小于蒸发潜热(0.01℃时约2501.4kJ／kg)，因此在611Pa的负压环境下，水的结冰率跟汽化率的比大约是7.5。由于这个比率较大，因此在制取相同量的冰时，本发明需要水蒸发的量较小，大部分的水滴被冷却冻结形成冰晶。 

进一步地，上述水能汽化制冰装置的冰晶发生器10内还包括挡水栅13，该挡水栅13设置在汽化喷淋头12的上方且靠近冰晶发生器的排气口101处。该挡水栅13的作用是防止冰晶发生器10内的水滴被水蒸气带走，从而减少冰晶发生器10内水的消耗。 

进一步地，上述水能汽化制冰装置还包括蒸汽压缩机40、驱动所述蒸汽压缩机40的电机50、凝结器60以及与所述凝结器60连接的冷凝泵70；所述蒸汽压缩机40的入口401与所述冰晶发生器10的排气口101连通，且所述蒸汽压缩机10的出口402与所述凝结器60连接；所述凝结器60内设有冷却喷淋头61，且该冷却喷淋头61位于所述凝结器60的上部。具体地，该蒸汽压缩机40由电机50的驱动而高速旋转，将冰晶发生器10的排气口101排出的水蒸气吸入，并通过压缩作用提高水蒸汽的温度和压力后，将水蒸汽输出至凝结器60。蒸汽压缩机40产生的水蒸汽进入凝结器60后，与凝结器60内的冷却喷淋头61喷出的冷却水相遇，从而该水蒸气在凝结器60内充分放热液化凝结，释放出来的热量充分被冷却喷淋头61喷淋的冷却水带走，而喷淋的冷却水与冷凝水混合后被冷凝泵70带走，以用于循环不断地制取冰晶。通过蒸汽压缩机40收集冰晶发生器10内制备冰晶时产生的水蒸汽，然后经过凝结器60的冷却，最后被冷凝泵70带走，以供下次的冰晶制备。因此，本发明实施例使得冰晶制备时水资源的回收率提高，从而提高了冰晶制备的效率。 

进一步地，上述水能汽化制冰装置还包括冷干器80及集水器90，所述冷干器80与所述凝结器60连接，所述集水器90的一端与所述冷干器80连接，另一端与所述冷凝泵70连接。该冷干器80与凝结器60连接，用于吸收凝结 器60中残留的少量水蒸汽，然后使该水蒸汽再次放热液化，液化后的冷凝水将暂存至集水器90内。通过冷干器80及集水器90可以进一步将凝结器60内残留的水蒸汽进行液化，从而使得冰晶制备时水资源的回收率更高，进一步提高了冰晶制备的效率。 

进一步地，所述冷干器80还连接有真空泵100。该真空泵100用于将冷干器80处理水蒸汽后残留的微量水蒸汽及不溶气体排至大气中。 

进一步地，上述水能汽化制冰装置还包括第一控制器(图中未示出)，用于控制所述凝结器60中进入的流量与排出的流量，以使凝结器60中水的进入与排出达到平衡。具体地，可以在凝结器60内设置液位传感器，该液位传感器将对应实时检测凝结器60内的水位，当所述凝结器60内的液位超过第一预设阈值时，表示该凝结器60中水的进入与排出未达到平衡，第一控制器将控制冷凝泵70开启，以将集水器90及凝结器60内的冷凝水、冷却水抽走。当所述凝结器内的液位低于第二预设阈值时，则控制水进入凝结器60内。替代实施例中，该第一控制器也可以设置一定时器，从而周期性地控制控制冷凝泵70开启，以将集水器90及凝结器60内的冷凝水、冷却水抽走，或者周期性地控制水进入凝结器60内。 

进一步地，上述水能汽化制冰装置还包括第二控制器(图中未示出)，用于控制所述汽化喷淋头12的进入流量及所述冰水喷淋头11的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡，从而进一步提高了制冰的能效。 

综上所述，本发明相对于现有技术具有以下有益效果： 

(1)系统不存在冰层热阻现象 

由于整个冰晶的形成过程是在冰晶发生器10内完成，而且是采用直接接触式进行热交换，不需要换热设备，从而消除冰层热阻现象。 

(2)解决制冰过程中频繁的冰堵现象 

由于冰晶发生器内的水不断更新，冰晶始终保持在动态的悬浮之中，不但可以阻止冰结晶形成大块，而且该冰晶发生器10内产生的冰晶中冰的质量分数为16％～20％，可以被冰晶泵及时抽走，不存在冰堵现象。 

(3)提高制冰机组的效率，提高系统的COP 

直接接触热传递的传热系数比通过金属表面热传递的传热系数高2个数 量级，因此本发明减少了热传递的温度降，具有较高的能量效率，比采用非水制冷剂的制冰机效率提高了50％。 

(4)环保 

用水作为制冷剂本身无污染，比任何传统的制冷剂都便宜，无毒和不易燃烧，对环境友好。而且，制备过程中无CO₂和NO_x排放量，从而减少了全球温室化效应。 

(5)系统运行稳定可靠 

水能汽化制冰装置各个部件之间紧密相连，整个控制系统采用PLC全自动控制系统，控制精度高。系统中各个测控点的数据以电流或电压信号通过数据电缆传递至PLC系统中的输入模块，控制系统核心PLC中的CPU模块通过预置的控制软件可以比较出实测值与目标值之间的差异，通过PID比例积分运算和逻辑判断等自动控制算法得出各种执行机构应执行的动作以及动作的幅度，再通过输出模块将控制程序计算结果处理成各种执行机构(电动阀门、变频器、接触器等)可以接收的信号(同样为电流信号或电压信号)，通过数据电缆传递至执行机构，执行机构动作以修正当前值和系统目标值之间的偏差，最终实现控制目的，确保机组高效稳定运行。具体为：通过凝结器60中的液位传感器，用以检测凝结器60中的液位，以供PLC控制凝结器中水的进入量和排出量达到平衡；另外，还通过检测汽化喷淋头的进入量及冰水喷淋头的进入量，以供PLC控制冰水泵20，使得冰晶发生器10内水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡。 

基于上述实施例的水能汽化制冰装置，本发明还提出了一种该水能汽化制冰装置的控制方法，如图4所示，该控制方法包括以下步骤： 

步骤S110、控制冰晶发生器内的绝对压力为611Pa； 

步骤S120、启动冰水泵，以通过所述冰水泵不断地将冰水压入冰晶发生器内，同时控制冰水喷淋头的进入流量与汽化喷淋头的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡； 

步骤S130、控制冰晶泵将冰晶发生器内产生的冰晶和水的混合物抽出。 

本实施例中，利用水的三相点原理，水在负压环境下降水汽化。因为在611Pa的负压环境下，水的结冰率跟汽化率的比大约是7.5。在制取相同量 的冰时，本发明需要水蒸发的量较小，大部分的水滴被冷却冻结形成冰晶。因此，本发明不但通过冰晶发生器内的绝对压力控制为611Pa。而且，还使得整个冰晶的形成过程是在冰晶发生器10内完成，而且是采用直接接触式进行热交换，不需要换热设备，从而消除冰层热阻现象。同时，控制冰水泵20不停地向冰晶发生器10内压入冰水，所以该冰晶发生器10内形成的冰晶将始终保持动态的悬浮状态，不但阻止了大块的冰晶的形成，而且该冰晶发生器10内产生的冰晶中冰的质量分数为16％～20％，可以及时地通过冰晶泵30抽出。 

另外，通过调节所述汽化喷淋头12的进入流量及所述冰水喷淋头11的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡，从而进一步提高了制冰的能效。 

进一步地，参照图5，上述步骤120的同时还包括： 

步骤S140、启动蒸汽压缩机，以收集所述冰晶发生器内产生的水蒸汽，并将其传送至凝结器； 

步骤S150、调节所述凝结器中进入的流量与排出的流量，以使凝结器中水的进入与排出达到平衡。 

在冰晶发生器10内产生冰晶的同时，还将启动蒸汽压缩机40，以收集冰晶发生器10内产生的水蒸汽，并将其传送至凝结器60。同时调节凝结器60中进入的流量与排出的流量，以使凝结器60中水的进入与排出达到平衡。具体为：可以在凝结器60内设置液位传感器，该液位传感器将对应实时检测凝结器60内的水位，当所述凝结器60内的液位超过第一预设阈值时，表示该凝结器60中水的进入与排出未达到平衡，则将控制冷凝泵70开启，以将集水器90及凝结器60内的冷凝水、冷却水抽走。当所述凝结器内的液位低于第二预设阈值时，则控制水进入凝结器60内。 

本发明实施例通过对凝结器60的平衡控制，可以将冰晶发生器产生的水蒸汽进行有效地、及时地回收，以用于循环不断地制取冰晶，从而提高了冰晶制备的效率。 

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (9)

1.一种水能汽化制冰装置，其特征在于，包括：

冰晶发生器，该冰晶发生器内设有冰水喷淋头、汽化喷淋头及挡水栅，所述冰水喷淋头设置在冰晶发生器的下部，汽化喷淋头设置在冰晶发生器的上部，所述冰晶发生器上还设有排气口，用于将冰晶发生器内的水汽化后产生的水蒸气排出；所述冰晶发生器内的绝对压力为611Pa；

冰水泵，该冰水泵分别与所述冰晶发生器的下部、冰水喷淋头及汽化喷淋头连接，用于将冰水压入冰晶发生器内；以及

冰晶泵，该冰晶泵与所述冰晶发生器连接，用于将冰晶发生器内产生的冰晶和水的混合物抽出。

2.根据权利要求1所述的水能汽化制冰装置，其特征在于，还包括挡水栅，该挡水栅设置在汽化喷淋头的上方且靠近冰晶发生器的排气口处。

3.根据权利要求1或2所述的水能汽化制冰装置，其特征在于，所述水能汽化制冰装置还包括蒸汽压缩机、驱动所述蒸汽压缩机的电机、凝结器以及与所述凝结器连接的冷凝泵；所述蒸汽压缩机的入口与所述冰晶发生器的排气口连通，且所述蒸汽压缩机的出口与所述凝结器连接；所述凝结器内设有冷却喷淋头。

4.根据权利要求3所述的水能汽化制冰装置，其特征在于，所述水能汽化制冰装置还包括冷干器及集水器，所述冷干器与所述凝结器连接，所述集水器的一端与所述冷干器连接，另一端与所述冷凝泵连接。

5.根据权利要求4所述的水能汽化制冰装置，其特征在于，所述冷干器还连接有真空泵。

6.根据权利要求4所述的水能汽化制冰装置，其特征在于，所述水能汽化制冰装置还包括第一控制器，用于控制所述凝结器中进入的流量与排出的流量，以使凝结器中水的进入与排出达到平衡。

7.根据权利要求1所述的水能汽化制冰装置，其特征在于，所述水能汽化制冰装置还包括第二控制器，用于控制所述汽化喷淋头的进入流量及所述冰水喷淋头的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡。

8.一种水能汽化制冰装置的控制方法，其特征在于，所述水能汽化制冰装置为权利要求1所述的水能汽化制冰装置，所述控制方法包括：

控制冰晶发生器内的绝对压力为611Pa；

启动冰水泵，以通过所述冰水泵将冰水压入冰晶发生器内，同时控制冰水喷淋头的进入流量与汽化喷淋头的进入流量，以使水吸收的热量与凝结出冰晶所需放出的热量达到平衡；

控制冰晶泵将冰晶发生器内产生的冰晶和水的混合物抽出。

9.根据权利要求8所述的水能汽化制冰装置的控制方法，其特征在于，所述水能汽化制冰装置还包括蒸汽压缩机、驱动所述蒸汽压缩机的电机、凝结器以及与所述凝结器连接的冷凝泵；所述蒸汽压缩机的入口与所述冰晶发生器的排气口连通，且所述蒸汽压缩机的出口与所述凝结器连接；所述凝结器内设有冷却喷淋头；

所述控制方法还包括：

启动蒸汽压缩机，以收集所述冰晶发生器内产生的水蒸汽，并将其传送至凝结器；

控制所述凝结器中进入的流量与排出的流量，以使凝结器中水的进入与排出达到平衡。

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