CN107062723A - 一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法，其包括制冰筒、制冰水泵、超声波发生器、冷凝器和变频压缩机；所述制冰筒具有内圆筒内腔和外腔，内圆筒的内腔用于制冷海水以及将海水结晶成流化冰，制冰筒的外腔用于气化液态制冷剂；所述制冰水泵为制冰水泵输送海水；所述超声波发生器用于产生超声波并将超声波输入至制冰筒中；所述冷凝水泵为冷凝器输送海水并通过所述海水吸收热量液化气态制冷剂；所述变频压缩机用于从制冰筒的外腔中抽取以及压缩气态制冷剂，将压缩后的气态制冷剂输送至冷凝器中并使其液化。本发明能够直接将海水转化为流化冰，海水的利用率很高，制取的效率高，可以随时需要随时制取。

Description

一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法

技术领域

本发明涉及海水利用技术领域，尤其涉及一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法。

背景技术

目前市面上大多数海水产品保鲜的方法主要有碎冰保鲜法，冷海水保鲜技术，冷冻保鲜技术，然而这些方法均存在不足之处。比如碎冰保鲜法由于碎冰的形状不规则，会破坏海水产品自身肌肉组织，品质和口感都会受到影响。且由于碎冰颗粒较大，与海水产品的接触面积小，容易造成海水产品局部裸露，导致保鲜效果不佳。冷海水保鲜技术由于海水产品在冷海水中浸泡的时间过长，吸取水分和盐分，使鱼体膨胀、鱼肉口味变咸，体表容易变色。同时，船身的摆动使鱼体容易出现损伤和脱鳞等现象。另外，海水产生的泡沫也会对海水产品造成污染，鱼体鲜度下降速度比同温度的冰藏鱼要快，加上冷却海水装置需一次性投资，导致船舱制作的要求高。冷冻保鲜技术由于在冷冻过程中鱼体内水分结成冰晶的速度和冰晶大小对海水产品的品质造成影响，可使鱼体水分不断转移到冻结器表面结霜，导致肉质变硬、变色，鱼体表面发干。

现有公开号为CN102589221A为一种利用超声波制备流态冰的方法和装置；制备装置包括：超声波雾化喷淋装置和流态冰制冰室；超声波雾化喷淋装置包括超声波发生器、能量转换器和超声波喷嘴。制备方法是将储存在冷冻水箱中的冷冻水抽出并送入超声波雾化装置中，雾化成均匀的雾状颗粒通过超声波喷嘴喷淋入流态冰制冰室中；低含湿量空气经空气入口被送入流态冰制冰室，使雾化冷冻水温度降低凝结成小冰晶。这种装置和方法不适用大批量的产出流化冰，过冷状态的水难以保存，容易结成块状的冰，将海水制成流化冰更是困难，需要将海水抽到冷冻箱中保存，再从冷冻箱中抽出过冷状态的海水至流态冰制冰室中，制冰时间比较长，不能达到随时需要随时制取；且只需要少许的流态冰，也需抽取较多的海水，水的利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法，其包括以下步骤：

S1，变频压缩机从制冰筒中的外腔抽取并压缩气态制冷剂，将受到压缩的气态制冷剂输送至冷凝器中并使其液化；

S2，冷凝水泵抽取海水并使海水从冷凝器中通过，冷凝器中海水吸收冷凝器中的热量；呈液态的制冷剂通过电子膨胀阀进入制冰筒的外腔中，并在制冰筒的外腔中气化；

S3，制冰水泵为制冰筒输送海水，使海水在制冰筒中遇冷并呈过冷状态，超声波发生器为制冰筒提供频率为25KHz到40KHz的超声波，使得内圆筒中海水产生空化效应，进而使得内圆筒中海水结晶成流化冰。

进一步的，在步骤S2中，冷凝器中的气态制冷剂和冷凝器中的海水处在不同的区域，冷凝器中的海水吸取气态制冷剂中的热量，吸热后的海水从冷凝器中排出。

进一步的，在步骤S3中，25KHz到40KHz的超声波使制冰筒的外腔中液态制冷剂产生湍流。

进一步地，在步骤S3中，制冰水泵持续为内圆筒输送海水，让内圆筒中的海水始终处于动态。

进一步地，包括：

制冰筒；其具有内圆筒和外圆筒，外圆筒与内圆筒围成外腔，内圆筒的内腔用于制冷海水以及将海水结晶成流化冰，制冰筒的外腔用于气化液态制冷剂；

制冰水泵；用于为制冰筒输送海水；

超声波发生器；用于产生超声波并将超声波输入至制冰筒中；

冷凝水泵、冷凝器、变频压缩机；所述冷凝水泵为冷凝器输送海水并通过所述海水吸收热量液化气态制冷剂；所述变频压缩机用于从制冰筒的外腔中抽取以及压缩气态制冷剂，将压缩后的气态制冷剂输送至冷凝器中并使其液化；

电子膨胀阀；用于调节液态制冷剂的流量。

进一步地，还包括减速电机，所述电机带动所述内圆筒转动。

进一步地，还包括流量调节阀，其设置于制冷筒与制冰水泵之间。

进一步地，还包括保鲜箱，所述保鲜箱与所述内圆筒的内腔连通。

进一步地，所述超声波发生器具有四个超声波振子，所述超声波振子为铁质超声波振子，或为钢质超声波振子，或为钛合金超声波振子；所述超声波振子呈圆形，或呈矩形，或为菱形。

进一步地，所述内圆筒的外壁套有多个圆圈。

本发明具有以下有益效果：

1、能够直接将海水转化为流化冰，海水的利用率很高，制取的效率高，可以随时需要随时制取。

2、产出的海水流化冰，冰晶颗粒圆润、直径微小，便于输送且冷却水产品的速度快，制冰过程连续封闭，提高了流化冰的清洁度。

附图说明

图1为本发明连接示意图；

图2为本发明的超声波振子的立体结构示意图

图3为本发明的内圆筒的剖视图；

图4为本发明中22℃海水进入-13℃环境下，在不同频率超声波中，海水的温度与时间的折线图；

图5为本发明中22℃海水进入-13℃环境下，在不同频率超声波中，海水结晶时间的条形图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语：“流化冰”；所述“流化冰”为一种含有悬浮冰晶颗粒的固液两相溶液，冰晶粒子微小，直径不超过 1mm，流动性强，可利用泵输送。

请参照图1-图5，本发明一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置及其方法，其包括制冰筒100、制冰水泵200、超声波发生器300、冷凝水泵400、冷凝器500、变频压缩机600和电子膨胀阀700。

所述制冰筒100与具有内圆筒110和外圆筒，外圆筒与内圆筒110围成外腔，内圆筒110的内腔用于制冷海水以及将海水结晶成流化冰，制冰筒100 的外腔用于气化液态制冷剂。

制冰筒100上设有减速电机800，减速电机800带动内圆筒110转动，制冰筒100的内圆筒110与外圆筒同轴。

所述制冰水泵200用于为制冰筒100输送海水，制冰水泵200与所述制冰筒100之间设置有流量调节阀900，所述流量调节阀900可以调节海水进入制冰筒100中的流量。

超声波发生器300用于产生超声波并将超声波输入至制冰筒100中；让制冰筒100中具有较大的声压。

冷凝水泵400、冷凝器500、变频压缩机600；所述冷凝水泵400为冷凝器500输送海水并通过所述海水吸收热量液化气态制冷剂；所述变频压缩机 600用于从制冰筒100的外腔中抽取以及压缩气态制冷剂，将压缩后的气态制冷剂输送至冷凝器500中并使其液化。

电子膨胀阀700用于调节液态制冷剂的流量，电子膨胀阀700可以根据预设程序调节液态制冷剂通过所述电子膨胀阀700的流量，电子膨胀阀700 还可以调节液态制冷剂的压强，液态制冷剂在冷凝器500中为高压状态，电子膨胀阀700将高压状态的液态制冷剂调节为低压液态制冷剂，电子膨胀阀700 的控制硬件为单片机，利用单片机或其他控制器可以将电子膨胀阀700大范围的流量调节特性与变频压缩机600的变频特性结合起来。

所述保鲜箱与所述内圆筒110的内腔连通，内圆筒110的流化冰通过输冰管输送至保鲜箱中。

在制冰筒100中，将海水制冷的过程：

冷凝器500通过电子膨胀阀700向制冰筒100中的外腔中，输送液态制冷剂，而变频压缩机600持续的在抽取制冰筒100中的外腔中气态制冷剂使得制冰筒100中的外腔中的压强降低，制冷剂在低压环境下气化并吸收大量的热量，使得制冰筒100的内圆筒110温度骤降，内圆筒110的低温让输入内圆筒 110的海水处于过冷状态。

在制冰筒100中，将海水结晶成流化冰的过程：

首先启动超声波发生器300，通过发送电信号至超声波电信号传输装置。然后超声波电信号传输装置将电信号传至超声波振子310上，接受到电信号后，超声波振子310发出超声波，进行相关作业。

海水溶液受到超声波的作用，液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为空化气泡。而且液体本身也存在一些微小气泡，这些产生的和原本存在的气泡为海水结晶提供了结晶核，促进其结晶成冰。此外，这些所有的气泡在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化作用。由于超声波空化作用的影响，打破原有平衡，消除过冷度，有效促进海水流化冰的生成。

此外，超声波产生的空化效应对制冰剂的流态也会产生明显干扰，使其产生湍流。而产生的湍流能够加强制冰剂与海水的冷热交换速率，提高换热量，进而再次促进海水流化冰生成。

在海水流化冰制备过程中，需要启动超声波发生器，超声波电信号传输装置，超声波振子310一直工作来保持超声波的生成，实现海水流化冰的持续产出。在制冰结束后，及时关闭相关装置。

图4为超声波的频率分时为0KHz、25KHz、28KHz、33KHz以及40KHz 时，海水在一个恒定温度为-13℃的环境中降温折线图，经过超声波作用的海水溶液降温速度随超声波频率的增大而减小，频率为40.0KHz时海水溶液结晶过程中温度降低速度最慢。

图5为超声波的频率分时为0KHz、25KHz、28KHz、33KHz以及40KHz 时，海水在一个恒定温度为-13℃的环境中结晶时间的条形图；有超声波作用下可以加速海水溶液结晶速率，且随着频率的增大而减小。声场中溶液分子的振动对缩短海水溶液的结晶启始时间比空化效应低的多。这是由于空化效应比声场中溶液分子振动更利于晶核的形成，即超声空化效应是加快海水溶液结晶速率的主要因素。

海水溶液在降温过程中受到超声波作用时，低频率超声波作用的海水溶液中更易于形成溶质晶核，结晶速率更大，结晶过程中温度降低速率更小；有超声波作用下海水溶液结晶速率可以得到加强，声场中溶液分子的振动对缩短海水溶液的结晶启始时间比空化效应低，即超声空化效应是加快海水溶液结晶速率的主要因素；不同频率超声波对晶体粒径的作用影响并不是很明显，但对海水结晶过冷度的影响极为显著；高功率超声波作用的海水溶液结晶时更易于形成溶质晶核，结晶速率更迅速，结晶过程中温度降低速率更小；不同功率超声波对晶体粒径的作用影响不是很明显，但对海水结晶时过冷度的影响极为显著(最高可达8.3℃)。

海水溶液降温速度随超声波功率的增大而减小，功率为600.0W，25.0KHz 时结晶过程中温度降低最慢，结晶速率最大。此外，超声波作用海水溶液结晶得到的冰晶颗粒更微小，对制冷剂换热有促进作用。

关于超声波振子310的形状，探索何种形状的超声波振子310发出的超声波作用效果最佳。主要研究的形状为圆形、矩形及菱形。经过对比试验发现，圆形的超声波振子310发出的超声波最为可靠稳定，矩形次之，菱形的效果最差。所以选取圆形的超声波振子310为最终发声装置。

关于超声波振子310的材质，因为不同的材质发出的超声波性能不尽相同。主要研究的超声波材质有铁质超声波振子、钢制超神波振子及钛合金超声波振子。经过对比试验发现，铁质超声波振子声传递效率高，但材料强度低，易开裂和螺孔滑丝；钢制超声波振子强度高，但声阻抗相对较大；钛合金超声波振子综合性能好。所以选取铁质超声波振子为最终的超声波发声装置。

关于超声波振子310合理数量，因为如果振子过多，发出的超声波之间可能会相互干扰；因为如果振子过少，发出的超声波可能不能达到海水流化冰制备要求。数量可以为3个，4个，5个。4个超声波振子310完全可以满足该设备要求。

利用超声波促进海水流化冰成核的方法，具有以下步骤：

S1，变频压缩机600从制冰筒100中的外腔抽取并压缩气态制冷剂，将受到压缩的气态制冷剂输送至冷凝器500中并使其液化；制冷剂液化放出大量的热，使得冷凝器500中的温度较高。

S2，冷凝水泵400抽取海水并使海水从冷凝器500中通过，冷凝器500 中海水吸收冷凝器500中的热量；呈液态的制冷剂通过电子膨胀阀700进入制冰筒100的外腔中，并在制冰筒100的外腔中气化；制冷剂气化吸收大量的热，使得制冰筒100中的温度骤降。

S3，制冰水泵400为制冰筒100输送海水，使海水在制冰筒100中遇冷并呈过冷状态，超声波发生器300为制冰筒100提供频率为25KHz到40KHz的超声波，使得内圆筒110中海水产生空化效应，进而使得内圆筒100中海水结晶成流化冰。

在步骤S2中，冷凝器500中的气态制冷剂和冷凝器500中的海水处在不同的区域，冷凝器500中的海水吸取气态制冷剂中的热量，吸热后的海水从冷凝器500中排出。

在步骤S3中，25KHz到40KHz的超声波使制冰筒100的外腔中液态制冷剂产生湍流，制冷剂湍流提高制冷剂与海水的换热效率。

在步骤S3中，制冰水泵200持续为内圆筒110输送海水，让内圆筒110 中的海水始终处于动态，其中减速电机800带动内圆筒110转动，让内圆筒 110中的海水处于流动的状态，从而避免生成结块的冰。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种利用超声波促进海水流化冰成核的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，变频压缩机从制冰筒中的外腔抽取并压缩气态制冷剂，将受到压缩的气态制冷剂输送至冷凝器中并使其液化；

S2，冷凝水泵抽取海水并使海水从冷凝器中通过，冷凝器中海水吸收冷凝器中的热量；呈液态的制冷剂通过电子膨胀阀进入制冰筒的外腔中，并在制冰筒的外腔中气化；

S3，制冰水泵为制冰筒输送海水，使海水在制冰筒中遇冷并呈过冷状态，超声波发生器为制冰筒提供频率为25KHz到40KHz的超声波，使得内圆筒中海水产生空化效应，进而使得内圆筒中海水结晶成流化冰。

2.根据权利要求1所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的方法，其特征在于：在步骤S2中，冷凝器中的气态制冷剂和冷凝器中的海水处在不同的区域，冷凝器中的海水吸取气态制冷剂中的热量，吸热后的海水从冷凝器中排出。

3.根据权利要求1所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的方法，其特征在于：在步骤S3中，25KHz到40KHz的超声波使制冰筒的外腔中液态制冷剂产生湍流。

4.根据权利要求1所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的方法，其特征在于：在步骤S3中，制冰水泵持续为内圆筒输送海水，让内圆筒中的海水始终处于动态。

5.一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置，其特征在于，包括：

制冰筒；其具有内圆筒和外圆筒，外圆筒与内圆筒围成外腔，内圆筒的内腔用于制冷海水以及将海水结晶成流化冰，制冰筒的外腔用于气化液态制冷剂；

制冰水泵；用于为制冰筒输送海水；

超声波发生器；用于产生超声波并将超声波输入至制冰筒中；

冷凝水泵、冷凝器、变频压缩机；所述冷凝水泵为冷凝器输送海水并通过所述海水吸收热量液化气态制冷剂；所述变频压缩机用于从制冰筒的外腔中抽取以及压缩气态制冷剂，将压缩后的气态制冷剂输送至冷凝器中并使其液化；

电子膨胀阀；用于调节液态制冷剂的流量。

6.根据权利要求5所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置，其特征在于：还包括减速电机，所述电机带动所述内圆筒转动。

7.根据权利要求5所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置，其特征在于：还包括流量调节阀，其设置于制冷筒与制冰水泵之间。

8.根据权利要求5所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置，其特征在于：还包括保鲜箱，所述保鲜箱与所述内圆筒的内腔连通。

9.根据权利要求5所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置，其特征在于：所述超声波发生器具有四个超声波振子，所述超声波振子为铁质超声波振子，或为钢质超声波振子，或为钛合金超声波振子；所述超声波振子呈圆形，或呈矩形，或为菱形。

10.根据权利要求5所述的一种利用超声波促进海水流化冰成核的装置，其特征在于：所述内圆筒的外壁套有多个圆圈。