CN104197749B - 一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置 - Google Patents

Abstract

一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置，它涉及一种提取冷水凝固热装置。本发明为了解决现有的换热设备无法实现解决水的连续冻冰，并将已释放出凝固潜热的冰连续从换热设备中被剥离排走的问题。本发明的左管板和右管板竖直安装在换热器壳体内，多个换热管由右至左依次水平穿过右管板、相应的支撑板和左管板，多根螺旋传动杆由右至左依次穿过换热器壳体、右管板、相应的若干支撑板和左管板，第二腔体B内的左管板或右管板与支撑板之间，以及每两个支撑板之间可移动设置有一个或多个刮冰板。本发明用于以江、河、湖地表水以及城市污水等为低位热源的热泵系统中。

Description

一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置

技术领域

本发明涉及一种提取冷水凝固热的装置，具体涉及一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置，应用在水源热泵系统中。

背景技术

水源热泵系统是一种高效节能且环保的利用低位热源对建筑物进行供暖与空调的设备，具有广阔的应用前景。在当今我国节能减排政策的推动下，浅表地下水、城市污水以及工业废水等作为热泵的冷、热源技术已经取得了长足的进步。然而在开发水源的过程中，经常会遇到两个问题：第一，在我国中原及其以北广大地区，在欲使用江、河、湖等地表水源进行冬季供暖时，水体表层或已封冻，整个水体的温度接近冰点，提取其显热的降温空间非常小；第二，在上述地区欲使用城市污水作为建筑物进行冬季供暖时，经常会遇到污水量供应不足的情况，一般而言，7-10栋建筑物排放的生活污水所含可开采的显热只能供1栋建筑物进行污水源热泵的冬季供暖使用，因此很多想采用污水源热泵系统的人员因附近找不到足量的污水水源而抱憾放弃。实际上，无论是水温过低还是水量不足，由于受到水的冰点限制，人们无法获取剩余的热能。这些情况引发了如何突破冰点进而提取充足的冷水凝固热的需求。由于1kg水结冰释放凝固热为80千卡，而1kg水降温1℃仅仅获取1千卡热量，若能开发出提取冷水凝固热的热泵系统，我国北方的广大地区在严寒的冬季就有了取之不尽，用之不竭的水源热源；此外，在采用城市污水作为热源时，将不再有建筑物附近污水量不足的问题。但现有的换热设备无法实现解决水的连续冻冰，并将已释放出凝固潜热的冰连续从换热设备中剥离排走的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的换热设备无法实现解决水的连续冻冰，并将已释放出凝固潜热的冰连续从换热设备中剥离排走的问题。进而提供一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置。

本发明的技术方案是：一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置包括换热器壳体、左管板、右管板、N个管侧分程隔板、M个支撑板和多个换热管，左管板和右管板竖直安装在换热器壳体内，且左管板和右管板将换热器壳体的内腔由左至右依次分割成第一腔体、第二腔体和第三腔体，M个支撑板安装在第二腔体内，将换热器壳体划分为M+1个流程，换热器壳体上的第二腔体上端左侧开设有第一管道开口，当M为奇数时，第四管道开口开设在远离第一管道开口的第二腔体上端右侧，当M为偶数时，第四管道开口开设在远离第一管道开口的第二腔体下端右侧，多个换热管由右至左依次水平穿过右管板、相应的支撑板和左管板，且多个换热管与左管板和右管板的交汇处密封连接，N个管侧分程隔板由上至下依次密封固定在第一腔体或第三腔体内，管侧分程隔板将换热器的管程划分为N+1个流程，第一腔体或第三腔体上方的换热器壳体上开有第二管道开口，当N为偶数时，第三管道开口开设在与第二管道开口相反一侧的换热器壳体的第一腔体或第三腔体下方，当N为奇数时，第三管道开口开设在与第二管道开口同侧的换热器壳体的第一腔体或第三腔体下方，

一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置还包括多个刮冰板、多根螺旋传动杆、多个前端传动套管、多个轴承、多个后端传动套管和多个密封圈，

所述多根螺旋传动杆由右至左依次穿过换热器壳体、右管板、相应的若干支撑板、左管板，每根螺旋传动杆与换热管平行，每根螺旋传动杆的左端通过一个轴承套在一个前端传动套管内；每根螺旋传动杆的右端通过一个轴承套在一个后端传动套管内；每个前端传动套管内固定安装一个轴承，每个前端传动套管的右端固定在左管板上，每个前端传动套管的左端用盲板封死；每个后端传动套管内固定安装一个轴承，每个后端传动套管的左端固定在右管板上，每个后端传动套管的右端固定在换热器壳体上；后端传动套管内的轴承的两侧均设置一个密封圈，

第二腔体内的左管板或右管板与支撑板之间，以及每两个支撑板之间可移动设置有一个或多个刮冰板，

每个所述刮冰板均包括刮板和若干个刮冰套管，刮板上开设多个通孔，每个通孔的直径均大于换热管的直径1-2mm，每个刮冰套管内均设置有内螺纹，螺旋传动杆上设置有外螺纹，刮冰套管的内螺纹与螺旋传动杆的外螺纹啮合，多个刮冰套管均安装在刮板上，刮板通过多个刮冰套管和多个通孔同时安装在多根螺旋传动杆和多个换热管上，套装在同一个刮冰板上的多根螺旋传动杆作相同的旋转运动，螺旋传动杆与刮冰套管通过螺纹啮合传动而带动刮冰板作平行移动。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

一、本发明通过螺旋传动杆的转动带动多个刮冰板做往复运动，能够充分并连续地提取冷水的潜热，扩大了能量的利用空间，解决了我国北方地区的地表水源以及污水源由于水温较低以及水量不足等原因而无法有效进行热泵供暖的难题。

二、本发明通过连续的机械刮冰的作用，使得本发明内已释放出凝固潜热的薄冰层及时地从换热管壁面上剥离并被带走，从而能够保持在一个较高的传热系数(约为4000W/(m²℃)～6000W/(m²℃))下连续运行。

三、本发明通过刮冰板之间的错开运行布置，解决了冷水侧的流动畅通问题，而且增强扰动和强化对流换热，保证冷水与换热管壁进行充分的热交换，换热效率提高了70-95％。

四、本发明由于刮冰套管可运动进入两端的传动套管内，直至刮冰板与左管板或右管板相接触，这样能够保证整根换热管都能受到刮冰板的机械刮冰作用，而不留死角。

五、本发明通过多个刮冰板的联动设计能够减少单个刮冰板的刮冰行程，进而更快速地完成机械刮冰过程。

六、本发明的折流板的其作用就是支撑换热管，防止塌弯，并强制限制流体流向，增强绕动和传热效果。

附图说明

图1是本发明去掉折流板的整体结构主剖视图，图2是带有折流板的整体结构剖视图，图3是刮冰板的正面图，图4是图3在A-A处的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置包括换热器壳体1、左管板1-5、右管板1-7、N个管侧分程隔板1-6、M个支撑板1-8和多个换热管2，左管板1-5和右管板1-7竖直安装在换热器壳体1内，且左管板1-5和右管板1-7将换热器壳体1的内腔由左至右依次分割成第一腔体A、第二腔体B和第三腔体C，M个支撑板1-8安装在第二腔体B内，将换热器壳体1划分为M+1个流程，换热器壳体1上的第二腔体B上端左侧开设有第一管道开口1-1，当M为奇数时，第四管道开口1-4开设在远离第一管道开口1-1的第二腔体B上端右侧，当M为偶数时，第四管道开口1-4开设在远离第一管道开口1-1的第二腔体B下端右侧，多个换热管2由右至左依次水平穿过右管板1-7、相应的支撑板1-8和左管板1-5，且多个换热管2与左管板1-5和右管板1-7的交汇处密封连接，N个管侧分程隔板1-6由上至下依次密封固定在第一腔体A或第三腔体C内，管侧分程隔板1-6将换热器的管程划分为N+1个流程，第一腔体A或第三腔体C上方的换热器壳体1上开有第二管道开口1-2，当N为偶数时，第三管道开口1-3开设在与第二管道开口1-2相反一侧的换热器壳体1的第一腔体A或第三腔体C下方，当N为奇数时，第三管道开口1-3开设在与第二管道开口1-2同侧的换热器壳体1的第一腔体A或第三腔体C下方，

一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置还包括多个刮冰板3、多根螺旋传动杆4、多个前端传动套管5、多个轴承6、多个后端传动套管7和多个密封圈8，

所述多根螺旋传动杆4由右至左依次穿过换热器壳体1、右管板1-7、相应的若干支撑板1-8、左管板1-5，每根螺旋传动杆4与换热管2平行，每根螺旋传动杆4的左端通过一个轴承6套在一个前端传动套管5内；每根螺旋传动杆4的右端通过一个轴承6套在一个后端传动套管7内；每个前端传动套管5内固定安装一个轴承6，每个前端传动套管5的右端固定在左管板1-5上，每个前端传动套管5的左端用盲板封死；每个后端传动套管7内固定安装一个轴承6，每个后端传动套管7的左端固定在右管板1-7上，每个后端传动套管7的右端固定在换热器壳体1上；后端传动套管7内的轴承6的两侧均设置一个密封圈8，

第二腔体B内的左管板1-5或右管板1-7与支撑板1-8之间，以及每两个支撑板1-8之间可移动设置有一个或多个刮冰板3，

每个所述刮冰板3均包括刮板3-1和若干个刮冰套管3-2，刮板3-1上开设多个通孔3-3，每个通孔3-3的直径均大于换热管2的直径1-2mm，每个刮冰套管3-2内均设置有内螺纹，螺旋传动杆4上设置有外螺纹，刮冰套管3-2的内螺纹与螺旋传动杆4的外螺纹啮合，多个刮冰套管3-2均安装在刮板3-1上，刮板3-1通过多个刮冰套管3-2和多个通孔3-3同时安装在多根螺旋传动杆4和多个换热管2上。

本实施方式的管侧分程隔板1-6的作用是将进入第二管道开口1-2的流体的通道划分为多个流程。

本实施方式的管侧分程隔板1-6数量为一个时，是这样工作的，冷剂由第二管道开口1-2经过一个管侧分程隔板1-6的第一腔体A的上半部，再进入所述多个换热管2中，并与从第一管道开口1-1进入的冷水进行热交换，在此换热过程中冷水温度不断降低直至开始结冰，而冷剂吸收冷水的潜热和凝固潜热后经过第一腔体A的下半部并从第三管道开口1-3流出。与此同时，所述螺旋传动杆4由于外置常规的动力装置的工作而周期性地正旋转和反旋转，牵引所述刮冰板3沿着螺旋传动杆4往复移动，导致刮板3-1将附着在所述换热管2表面上初步形成的冰刮削剥离；被刮削下来的冰随着冷水一并从第四管道开口1-4流出。

本说明的冷剂是指吸收冷水凝固潜热的载热介质，为乙二醇水溶液、盐溶液、液态氨或者氟利昂。

为了避免两种流体(冷剂和冷水)的混合和泄漏，前端传动套管5的左端用盲板封死，而且与左管板1-5的连接也是紧密的。前端传动套管5的功能就是内置轴承6，并支撑传动杆4。后端传动套管7与右管板1-7和壳体1的连接是紧密的，后端传动套管7内的轴承6的两侧均都设置了一个密封圈8。前端传动套管7的功能就是内置轴承6，并支撑传动杆4。

刮冰板也可起到支撑换热管和增强扰动强化换热的作用。

本实施方式的多个前端传动套管5和多个后端传动套管7的作用是支撑、阻隔密封和内置轴承6。

本实施方式的轴承6的作用是保证螺旋传动杆4顺畅旋转，密封圈8的作用是密封防泄露。增设之后专利的实现了新功能：简单可靠地、连续地实现了换热表面冰层的剥离去除，保证了凝固潜热的稳定、安全、连续的提取。

具体实施方式二：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的前端传动套管5和后端传动套管7的内直径大于刮冰套管3-2的外直径，支撑板1-8上螺旋传动杆4的穿孔1-8-1直径大于刮冰套管3-2的外直径。如此设置，保证刮冰板3在作平行移动时能够运动至贴近左管板1-5或右管板1-7或支撑板1-8，保证换热管上冰层清除的彻底性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

所述刮冰板套管3-1可运动至进入所述前端传动杆套管5和所述后端传动杆套管7内直至与所述左管板1-5和右管板1-7相接触。

由于两个刮冰套管3-2能进入前端传动套管5和后端传动套管7内，这就保证了刮冰板3能移动到最左侧或最右侧，保证除冰的彻底性。

本实施方式的刮冰板可保证刮冰质量，避免刮冰过程存在死角。

具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的换热器壳体1为方形或圆形管壳式换热器壳体。如此设置，便于满足不同状态下的需求。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

工作原理：装置工作时，冷剂由第二管道开口1-2进入第一腔体A内后再进入所述换热管2中，并与换热管2外的冷水进行热交换，在此换热过程中冷水温度不断降低直至开始结冰，而冷剂在吸收冷水的显热和凝固潜热后从第三管道开口1-3流出。冷水由第四管道开口1-4进入第二腔体B，在管外冲刷由多根换热管2构成的管束并进行换热，最后从第一管道开口1-1流出。第二腔体B内设置的支撑板1-8和刮冰板3将起到增强扰动强化对流换热得作用。与此同时，所述螺旋传动杆由于动力装置的驱动而旋转，从而带动所述刮冰板3沿着螺旋传动杆的向一侧移动(当移动到顶端时，螺旋传动杆方向由于动力装置的反向驱动而反向旋转，从而带动所述刮冰板3沿着螺旋传动杆的向另一侧移动，如此反复，螺旋传动杆的正反旋转将会带动刮冰板3作往复移动)，由于刮冰板3的连续移动可对附着在所述换热管2表面上形成的薄冰层进行连续的刮削剥离，被刮削下来的碎冰将随着冷水一并从第四管道开口1-4流出。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置，它包括换热器壳体(1)、左管板(1-5)、右管板(1-7)、N个管侧分程隔板(1-6)、M个支撑板(1-8)和多个换热管(2)，左管板(1-5)和右管板(1-7)竖直安装在换热器壳体(1)内，且左管板(1-5)和右管板(1-7)将换热器壳体(1)的内腔由左至右依次分割成第一腔体(A)、第二腔体(B)和第三腔体(C)，M个支撑板(1-8)安装在第二腔体(B)内，将换热器壳体(1)划分为M+1个流程，换热器壳体(1)上的第二腔体(B)上端左侧开设有第一管道开口(1-1)，当M为奇数时，第四管道开口(1-4)开设在远离第一管道开口(1-1)的第二腔体(B)上端右侧，当M为偶数时，第四管道开口(1-4)开设在远离第一管道开口(1-1)的第二腔体(B)下端右侧，多个换热管(2)由右至左依次水平穿过右管板(1-7)、相应的支撑板(1-8)和左管板(1-5)，且多个换热管(2)与左管板(1-5)和右管板(1-7)的交汇处密封连接，N个管侧分程隔板(1-6)由上至下依次密封固定在第一腔体(A)或第三腔体(C)内，管侧分程隔板(1-6)将换热器的管程划分为N+1个流程，第一腔体(A)或第三腔体(C)上方的换热器壳体(1)上开有第二管道开口(1-2)，当N为偶数时，第三管道开口(1-3)开设在与第二管道开口(1-2)相反一侧的换热器壳体(1)的第一腔体(A)或第三腔体(C)下方，当N为奇数时，第三管道开口(1-3)开设在与第二管道开口(1-2)同侧的换热器壳体(1)的第一腔体(A)或第三腔体(C)下方，

其特征在于：一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置还包括多个刮冰板(3)、多根螺旋传动杆(4)、多个前端传动套管(5)、多个轴承(6)、多个后端传动套管(7)和多个密封圈(8)，

所述多根螺旋传动杆(4)由右至左依次穿过换热器壳体(1)、右管板(1-7)、相应的若干支撑板(1-8)、左管板(1-5)，每根螺旋传动杆(4)与换热管(2)平行，每根螺旋传动杆(4)的左端通过一个轴承(6)套在一个前端传动套管(5)内；每根螺旋传动杆(4)的右端通过一个轴承(6)套在一个后端传动套管(7)内；每个前端传动套管(5)内固定安装一个轴承(6)，每个前端传动套管(5)的右端固定在左管板(1-5)上，每个前端传动套管(5)的左端用盲板封死；每个后端传动套管(7)内固定安装一个轴承(6)，每个后端传动套管(7)的左端固定在右管板(1-7)上，每个后端传动套管(7)的右端固定在换热器壳体(1)上；后端传动套管(7)内的轴承(6)的两侧均设置一个密封圈(8)，

第二腔体(B)内的左管板(1-5)或右管板(1-7)与支撑板(1-8)之间，以及每两个支撑板(1-8)之间可移动设置有一个或多个刮冰板(3)，

每个所述刮冰板(3)均包括刮板(3-1)和若干个刮冰套管(3-2)，刮板(3-1)上开设多个通孔(3-3)，每个通孔(3-3)的直径均大于换热管(2)的直径1-2mm，每个刮冰套管(3-2)内均设置有内螺纹，螺旋传动杆(4)上设置有外螺纹，刮冰套管(3-2)的内螺纹与螺旋传动杆(4)的外螺纹啮合，多个刮冰套管(3-2)均安装在刮板(3-1)上，刮板(3-1)通过多个刮冰套管(3-2)和多个通孔(3-3)同时安装在多根螺旋传动杆(4)和多个换热管(2)上。

2.根据权利要求1所述一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置，其特征在于：前端传动套管(5)和后端传动套管(7)的内直径大于刮冰套管(3-2)的外直径，支撑板(1-8)上螺旋传动杆(4)的穿孔(1-8-1)直径大于刮冰套管(3-2)的外直径。

3.根据权利要求1或2所述一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置，其特征在于：所述换热器壳体(1)为方形或圆形管壳式换热器壳体。