CN105758078A - 一种采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，包括通过过冷水板式换热器连接的制冷循环装置和冰水循环装置，所述制冷循环装置包括依次相连的氨制冷压缩机、冷凝器、储液器、节流阀和氨液分离器，所述氨液分离器设有氨液入口，氨气出口，氨气入口和氨液出口，氨液入口与节流阀相连，氨气出口与氨制冷压缩机相连；所述冰水循环装置包括依次相连的冰晶过滤器、制冰泵、蓄冰槽和超声波促晶器；所述过冷水板式换热器设有冷侧入口，冷侧出口，热侧入口和热侧出口；本发明结构简单、能效高，速度快，可以连续稳定地提供过冷水冰浆。

Description

一种采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置

技术领域

本发明属于过冷水冰浆制造装置技术领域，具体涉及一种采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置。

背景技术

在许多工业领域中，如乳品、疫苗、冷鲜食品等的生产加工，需要维持在4℃的温度环境。作为冷源，则往往要求至少低至2℃以下。出于安全卫生等原因，冷源侧的传热介质一般要求使用清水，即使设备产生不可预知的泄漏也不至于在货物中造成有毒有害污染。因为低于0℃水会发生冻结，因此要求把作为冷源的低温清水的温度控制在0-2℃。普通制冷系统一般只能制取4℃或至多不低于3℃的清水冷冻水，如果温度再往下调，则存在蒸发器局部冻结从而损坏换热器的风险，因此很难满足上述工艺冷源的温度要求。

目前比较传统的解决方案是采用外融冰静态冰蓄冷系统。在制冷主机空闲的时候开启制冰，把蓄冰槽内的水冻结成冰块，在需要供冷时，则从槽内取出低温冰水供向使用侧，放冷之后的温水则又回到蓄冰槽。但是，这种外融冰冰蓄冷供冷方案的缺点也是非常明显的。首先，通过冰盘管制取的冰块是实心冰块，融冰放冷时其融化速度十分缓慢，因而随着蓄冰槽放冷运行的进行，出水温度很快就会超过预期的2℃，从而影响供冷品质；其次，这种传统的换热盘管制冰方法所匹配的制冷主机的能效比衰减严重，系统运行能耗非常高。

随着技术的发展，过冷水式动态冰浆制取技术逐渐成熟，并已经开始逐步应用于上述工业领域中作为一种更先进的0-2℃冷源解决方案。该技术采用一种先制取过冷水（低于0℃的水），然后再把过冷水异地转变为冰浆的先进节能制冰工艺。该工艺无论在传热系数、运行能耗、或是制冰速度等方面都明显优于传统的静态盘管制冰技术。同时，储存在蓄冰槽内的冰浆由于是由细小颗粒组成的多孔介质状冰，在放冷过程中其与温水之间的混和融冰放冷速度大幅提高，回槽温水的温度可以被迅速降低到接近0℃的温度，因而冰槽可以长时间稳定提供0-2℃的低温清水，确保工艺冷源的品质不下降。

目前，应用于实际工程中的过冷水动态冰浆系统一般都采用氟利昂制冷主机作为冷源，制冷主机与过冷水换热器之间采用乙二醇水溶液作为中间换热介质进行间接换热制取过冷水。这种技术方式的优点是可以直接利用各大厂商生产的标准型号制冷主机匹配制冰，而不需要对其进行任何设备或系统改造。但其缺点是所增加的乙二醇水溶液中间换热循环不但使得制冷主机的蒸发温度仍旧偏低，大约为-5℃（从而制冷主机在制冰运行时的能效比也较低），而且还增加了乙二醇循环水泵（从而增加水泵能耗）。因此，上述过冷水动态冰浆制取技术虽然已经克服了传统制冰技术在前述0-2℃清水冷源解决方案中所存在的许多关键难题，但仍存在较大的技术提升空间，尤其是能效方面。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的问题，提供一种结构简单、能效高，速度快的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明提供一种采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，包括通过过冷水板式换热器连接的制冷循环装置和冰水循环装置，所述制冷循环装置包括依次相连的氨制冷压缩机、冷凝器、储液器、节流阀和氨液分离器，所述氨液分离器设有氨液入口，氨气出口，氨气入口和氨液出口，氨液入口与节流阀相连，氨气出口与氨制冷压缩机相连；所述冰水循环装置包括依次相连的冰晶过滤器、制冰泵、蓄冰槽和超声波促晶器；所述过冷水板式换热器设有冷侧入口，冷侧出口，热侧入口和热侧出口；过冷水板式换热器的冷侧入口与氨液出口相连，冷侧出口与氨气入口相连，热侧入口与冰晶过滤器相连，热侧出口与超声波促晶器相连。

作为优选，所述过冷水板式换热器热侧出口和超声波促晶器之间设有能防止下游管路中的冰晶诱导上游过冷水板式换热器中的过冷水结冰的冰晶防传播器。

进一步优选，所述冰晶防传播器是一个由外管嵌套内管而成的套管式换热器，内管与冰水循环装置管路连通，内外管之间形成的夹套层设有与冷却水循环连通的冰晶防传播器冷却水进出口接管。

作为优选，所述制冰泵和蓄冰槽通过第一管路和第四管路相连。

作为优选，所述过冷水冰浆制造装置还设有预热板换，预热板换的冷侧通过第二管路和第三管路与制冰泵相连，预热板换的热侧设有与冷却水循环相连的预热板换冷却水进出口接管。

进一步优选，所述第二管路上设有比例调节阀。

作为优选，所述氨液分离器置于过冷水板式换热器的上端，冷侧入口和热侧入口设置在过冷水板式换热器的下端，冷侧出口和热侧出口设置在过冷水板式换热器的上端。

作为优选，所述氨制冷压缩机和氨液分离器之间还设有对过冷水板式换热器进行防冻结保护的热气旁通阀。

作为优选，所述冷凝器的冷侧设有与冷却水循环连通的冷凝器冷却水进出口接管。

本发明的带来的有益效果是：

1）本发明的氨液制冷剂以满液式蒸发的方式在过冷水板式换热器中直接与清水进行热交换，并连续稳定生成低于0℃的过冷水，过冷水再经超声波促晶器激发转变成冰浆。本发明可实现在较高的能效比下连续高效制取过冷水冰浆，并且所制取并储存在蓄冰槽内的冰浆能够以0-2℃温度范围的稳定冷源向外连续不断供给冷冻水，解决了诸多工业领域中对0-2℃清水冷冻水的高品质冷源需求。同时，在具有峰谷电价的场合下，还可以利用本装置进行蓄冷，以实现电力移峰填谷的效益。

2）本发明使用通用的冷却水塔和蓄冰槽即可实现高效率过冷水动态冰浆制造。本发明无需中间乙二醇换热循环，这样可以显著缩小制冷剂和过冷水之间的换热温差，从而把制冷剂蒸发温度提高到-3℃，制冷主机的能效比可以提高6-8%。此外，因为本发明不再使用乙二醇中间换热循环，其循环水泵的能耗节省也十分可观，节能环保。

附图说明

附图1是本发明实施例的过冷水冰浆制造装置的整体结构示意图。

如附图所示，1氨制冷压缩机，2储液器，3冷凝器，4制冷循环装置，5氨液分离器，51氨液入口，52氨气出口，53氨气入口，54氨液出口，6冰晶过滤器，7预热板换，8比例调节阀，9制冰泵，10冰水循环装置，111第一管路，112第二管路，113第三管路，114第四管路，12蓄冰槽，13超声波促晶器，14冰晶防传播器，15过冷水板式换热器，151冷侧入口，152冷侧出口，153热侧入口，154热侧出口，16节流阀，171冷凝器冷却水进出口接管，172冰晶防传播器冷却水进出口接管，173预热板换冷却水进出口接管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，由氨制冷压缩机1、冷凝器3、储液器2、节流阀16、氨液分离器5依次相连构成制冷循环装置4。由冰晶过滤器6、制冰泵9、蓄冰槽12、超声波促晶器13和冰晶防传播器14依次连接构成冰水循环装置10。制冷循环装置4和冰水循环装置10通过过冷水板式换热器15耦合连接。氨液分离器5设有氨液入口51，氨气出口52，氨气入口53和氨液出口54，氨液入口51与节流阀16相连，氨气出口52与氨制冷压缩机1相连；过冷水板式换热器15设有冷侧入口151，冷侧出口152，热侧入口153和热侧出口154；过冷水板式换热器15的冷侧入口151与氨液出口54相连，冷侧出口152与氨气入口53相连，热侧入口153与冰晶过滤器6相连，热侧出口154与冰晶防传播器14相连。

在制冷循环中，当氨制冷压缩机1运行时，把低温低压的氨气压缩成高温高压的氨气，并输送至冷凝器3中冷却成低温高压的氨液，冷凝器3的冷侧通过冷凝器冷却水进出口接管171与冷却水循环连通。前述低温高压液氨从冷凝器3进入储液器2，根据制冷负荷的大小不同，氨液一部分储存在储液器2中，一部分继续输送至节流阀16，在节流的作用下，低温高压的氨液变为低温低压的氨液，并经氨液入口51输送至氨液分离器5中。氨液分离器5置于过冷水板式换热器15的上端，其中的氨液在重力作用下经氨液出口54自行流入过冷水板式换热器15的位于下端的冷侧入口151，进入过冷水板式换热器15的冷侧并以满液式蒸发的方式与过冷水板式换热器15热侧的过冷水进行换热。在过冷水板式换热器15的冷侧蒸发换热之后的低温低压氨气在密度差的作用下自行从过冷水板式换热器15的冷侧出口152排出，并经氨气入口53回到氨液分离器5。氨液分离器5的作用是把氨液和氨气分离，氨液在过冷水板式换热器15内循环蒸发换热，氨气则通过上端的氨气出口52回到氨制冷压缩机1中，并在此压缩循环。

在冰水循环中，当开启制冰泵9后，从蓄冰槽12中抽出的接近0℃的清水经第一管路111和第四管路114被输送至冰晶过滤器6中，通过过滤去除颗粒杂质和冰晶后，进入过冷水板式换热器15下端的热侧入口153，并与过冷水板式换热器15冷侧中的前述氨液进行换热。清水在过冷水板式换热器15中被冷却成-2℃的过冷水后从上端的热侧出口154排出，随后经冰晶防传播器14进入超声波促晶器13。在超声波的辐射下，前述-2℃的过冷水在超声波促晶器13中迅速转变为冰浆（微小冰粒和水的混和物），并被输送至蓄冰槽12中。由于冰和水存在明显的密度差，蓄冰槽12中的冰浆自发分层，冰粒浮在上层，水沉到下层，继续从蓄冰槽12的下层抽取清水，经上述循环连续制取冰浆。

在上述冰水循环中，在制冰泵9的入口和出口管段上分别引出旁通管第三管路113和第二管路112。第二管路112和第三管路113之间连接预热板换7的冷侧，预热板换的热侧通过预热板换冷却水进出口接管173与冷却水循环相连，第二管路112上连接比例调节阀8。由于从蓄冰槽12抽出的清水中可能含有通过物理过滤都难以消除的微小冰晶，这种冰晶需要通过把水温升高至0.5℃的方法才能融化消除，否则其进入过冷水板式换热器15则必然诱发其中的过冷水结冰，从而堵塞过冷水板式换热器15。本发明的解决方案是依靠制冰泵9入口和出口的压力差，使得制冰泵9出口段的水通过第二管路112分流一部分至预热板换7，并在其中通过与冷却水循环换热被加热到高于0.5℃的较高温度后，再沿着第三管路113与第一管路111中的蓄冰槽取水汇流进入第四管路114，在第四管路114中混和勾兑到目标预热温度0.5℃。比例调节阀8的作用是通过其开度大小的调节控制第二管路112中的旁通流量，从而实现对第四管路114中预热水温的精确控制。当预热水温低于0.5℃时，比例调节阀8的开度增大，增强预热效果；当预热温度高于0.5℃时，比例调节阀8的开度减小，减弱预热效果。

为了维持过冷水板式换热器15中的过冷水的稳定连续制取过程，需要控制其中的氨液蒸发温度为-3℃。由于氨液的蒸发温度与其蒸发压力成一一对应关系，所以对前述蒸发温度的控制通过节流阀16的节流压力调节实现。此外，为了获得最佳的换热效果，过冷水板式换热器15的冷侧氨液和热侧过冷水均采用下进上出的顺流换热流程，即氨液和过冷水均分别从过冷水板式换热器15的下端入口151和153进入，分别从过冷水板式换热器15的上端出口152和154流出。

由于冰晶对过冷水具有天然良好的诱导结冰效应，为了防止下游管路中的冰晶诱导上游过冷水板式换热器中的过冷水结冰（从而导致换热器堵塞），必须在过冷水板式换热器15热侧出口154和超声波促晶器13之间设置冰晶防传播器14。冰晶防传播器14是一个由外管嵌套内管而成的套管式换热器，其内管与冰水循环装置管路连通，内外管之间形成的夹套层通过冰晶防传播器冷却水进出口接管172与冷却水循环连通。在运行过程中，夹套层中的较高温度冷却水对冰晶防传播器14的内管壁进行轻微加热，从而使得靠近前述内管壁面的薄层冰水的温度略微高于0℃，这样即使其中含有被下游冰晶诱导生成的冰晶，也会因为温度略微高于0℃而融化并且不能附着在前述内管壁面上，加之管内具有一定的流速，冰晶自下游向上游传播的路径由此被截断，从而起到了防止冰晶向上游传播的作用。

出于对系统安全运行的考虑，本发明还具备当过冷水板式换热器15的热侧过冷水在某些不可预知的因素下发生结冰堵塞后的解冻措施。其方法是，当前述堵塞发生后，制冷循环4的氨制冷压缩机1立即卸载负荷至额定制冷能力的25%，然后打开热气旁通阀，把氨制冷压缩机1出口的高温高压氨气从热器旁通阀直接注入氨液分离器5中加热其中的低温低压氨液，然后再把被加热后的氨液送往过冷水板式换热器15中的冷侧，利用其较高的温度把过冷水板式换热器15热侧冻结的冰融化，从而疏通冰水循环。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于包括通过过冷水板式换热器连接的制冷循环装置和冰水循环装置，所述制冷循环装置包括依次相连的氨制冷压缩机、冷凝器、储液器、节流阀和氨液分离器，所述氨液分离器设有氨液入口，氨气出口，氨气入口和氨液出口，氨液入口与节流阀相连，氨气出口与氨制冷压缩机相连；所述冰水循环装置包括依次相连的冰晶过滤器、制冰泵、蓄冰槽和超声波促晶器；所述过冷水板式换热器设有冷侧入口，冷侧出口，热侧入口和热侧出口；过冷水板式换热器的冷侧入口与氨液出口相连，冷侧出口与氨气入口相连，热侧入口与冰晶过滤器相连，热侧出口与超声波促晶器相连。

2.根据权利要求1所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述过冷水板式换热器热侧出口和超声波促晶器之间设有能防止下游管路中的冰晶诱导上游过冷水板式换热器中的过冷水结冰的冰晶防传播器。

3.根据权利要求2所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述冰晶防传播器是一个由外管嵌套内管而成的套管式换热器，内管与冰水循环装置管路连通，内外管之间形成的夹套层设有与冷却水循环连通的冰晶防传播器冷却水进出口接管。

4.根据权利要求1所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述制冰泵和蓄冰槽通过第一管路和第四管路相连。

5.根据权利要求1所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述过冷水冰浆制造装置还设有预热板换，预热板换的冷侧通过第二管路和第三管路与制冰泵相连，预热板换的热侧设有与冷却水循环相连的预热板换冷却水进出口接管。

6.根据权利要求5所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述第二管路上设有比例调节阀。

7.根据权利要求1所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述氨液分离器置于过冷水板式换热器的上端，冷侧入口和热侧入口设置在过冷水板式换热器的下端，冷侧出口和热侧出口设置在过冷水板式换热器的上端。

8.根据权利要求1所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述氨制冷压缩机和氨液分离器之间还设有对过冷水板式换热器进行防冻结保护的热气旁通阀。

9.根据权利要求1所述的采用氨制冷系统的直接蒸发式过冷水冰浆制造装置，其特征在于所述冷凝器的冷侧设有与冷却水循环连通的冷凝器冷却水进出口接管。