CN107837560A - 一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法。该系统包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置；制冰装置包括制冰器，其内部设置有刮面式换热器，用于制备一次冰浆；熟化装置包括熟化器，与所述制冰器的顶部开口连通，其中设有螺杆，用以在转动时将经熟化后的一次冰浆推向洗涤装置；洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，内部设置有上下往复运动的多孔活塞，用于压制成冰晶堆积床；刨冰机用于将冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；二次冰浆循环装置用于将冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中。与之对应的方法是利用该系统进行连续冷冻浓缩。本发明能耗低、冰晶与母液分离效果好。

Description

一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法

技术领域

本发明属于溶液浓缩技术领域，具体涉及一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法。

背景技术

在现在的生产工艺中，经常要对水溶液进行浓缩，尤其是饮品和药品的生产中。目前浓缩通常的方法有：1)蒸发浓缩，使用常压蒸发和单效或多效真空蒸发进行蒸发浓缩。该方法技术成熟，应用广泛，但其要求在高温下进行，容易破坏热敏性组分以致变性或造成香味挥发或风味组分损失。例如，蒸发浓缩果蔬汁时，往往会造成维生素的破坏，颜色加深，口感和风味改变等负面影响。2)超滤或纳滤浓缩，使用膜分离技术，在压力下使溶液中的水分子穿过半透膜，而截留分子量大于水分子的其它物质，从而得到浓缩的溶液。使用该方法的缺点，当溶液中含有多种复杂组分，特别是胶体的时候，膜孔极易被堵塞，或是膜中毒失效。3)吸收(剂)浓缩，使用吸水剂(如分子筛、硅胶等)吸收水溶液中的水分，达到浓缩溶液的目的。然而，如果溶液中含复杂组分(特别是胶体)时，容易污染吸水剂使其失效，且吸收剂再生困难，因而限制了其广泛应用。此外以上方法的能耗也较高。

针对上述浓缩方法所存在的问题，采用逆向思维方法，把溶液冷却至冰点以下，使得部分水结冰析出，成为可分离的纯净的冰晶，接着把冰晶分离，从而得到增浓的溶液。这就是冷冻浓缩。在工艺上，冷冻浓缩分为层结晶(也称渐进结晶)和悬浮式结晶。

层结晶冷冻浓缩指在冷冻壁面上形成层状的冰晶覆盖。所需的设备较为简单，容易实现。但层结晶的冰晶内会包裹、夹带相当数量的母液，以致母液无法从冰晶中分离，造成有效成分溶质的损失。而且，层结晶的冰晶一旦形成并覆盖在用于提供冷冻制冷面上，整个冷缩设备的传热传质速率即会大大下降，这样溶液浓缩的进程也变得极其缓慢，无法有效提高浓缩比。

悬浮式结晶冷冻浓缩采用刮面式换热器使水溶液降温至冰点以下，然后使水分结冰，接着刮刀又不断将换热器制冷面上的大量结冰刮落并转移至溶液中，形成由冰晶与母液组成的冰浆。冰晶则通过所谓奥斯特瓦尔德熟化效应，从初始的数个微米级尺寸生成为数百微米的最终尺寸，从而有可能经济地实现冰晶和母液的分离。

近年来，我国科技工作者对冷冻浓缩的应用做了大量的探讨和研究，尽管已有相关文献报道了冷冻浓缩这一技术，但目前的研发工作主要仍停留的实验室阶段，尤其在采用的研究方法和实验设备方面，多采用简单设计的实验装置或者玻璃仪器，基本没有专用高效的实验设备。而冷冻浓缩过程是一个涉及到水的传热传质的结晶过程，其装备的合理与否，将直接影响冷冻浓缩的效果。

在冷冻浓缩的实践中还发现，冷冻浓缩的冰晶与母液的分离是一个难题。这是因为熟化后冰晶颗粒依然很小，有巨大的比表面积，自然渗滤无法将粘稠的母液彻底从自然堆积的冰晶中分离，而大量的母液仍会粘附滞留在冰晶之间。现有工业上使用离心的方法进行固液分离，企图利用离心力克服粘稠母液的粘性和表面张力，以把液相甩掉。然而，从水的三相图可知，冰的融点随着压力的增加而上升。因此冰晶受压后，会产生“压融效应”，即，一部分冰晶在离心力场中被压融成水，与母液一同穿过滤网，而另一部分冰晶受压融合，形成闭孔冰糕，这样冰晶堆积床的多孔渗水的特性遭到破坏，致使在冰晶中的母液无法被离心力甩出，以致无法达到冰晶与母液分离的效果。

申请号为201510069604.6的中国发明专利中公开了一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐。该装置为立式圆筒状结构，刮板式换热器位于圆筒的下部，其筒内壁为制冷面。所用的刮板是与筒体平行的、直立式的平板。刮板将制冷面生成的冰晶刮落、与溶液混合后上浮到上部的熟化器中(即结晶器)。熟化器中有旋转搅拌器。刮板与搅拌器同轴、垂直贯穿于刮板换热器和熟化器中。长大后的冰晶与浓缩母液一起在熟化器的上端的出口排出到外面的储罐中，以便后续的冰晶/母液的分离工序。但是该专利没有提及如何分离冰晶。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法，旨在解决现有技术中能耗高、冰晶与母液分离困难等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水溶液连续冷冻浓缩系统，包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置：

所述制冰装置包括制冰器，所述制冰器为顶部开口的罐体，所述制冰器的顶部开口与所述熟化装置连通；其内部设置有刮面式换热器，用于使水溶液在其制冷面上析出冰晶并刮落成悬浮冰晶来与水溶液混合成一次冰浆；在所述制冰器的底部连通有排料管，所述排料管与排料储箱连通，用于收集浓缩溶液；在该排料管上设置有排料阀，用于控制浓缩溶液的排放。

所述熟化装置包括熟化器，所述熟化器为横卧式罐体，该横卧式罐体的底部开口且与所述制冰器的顶部开口连通，以供一次冰浆进入所述熟化器；在所述横卧式罐体中设置有螺杆，所述螺杆的螺杆轴与所述横卧式罐体的轴线重合，用以在转动时将熟化后的一次冰浆推向所述横卧式罐体的一端，在该端的上部开有出料口，用于将熟化后的一次冰浆推入洗涤装置；在该横卧式罐体的顶部开有注液口，用于加注水溶液。

所述洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；所述洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，其侧壁下部开有接料口，所述接料口与所述熟化器的出料口连通，用于将熟化后的一次冰浆引入所述洗涤器中；在所述洗涤器中设置有多孔活塞，该多孔活塞的水平截面的形状与所述洗涤器的内部形状相适应，所述多孔活塞的活塞轴连接在下部，用于带动所述多孔活塞在竖直方向上往复运动，以使多孔活塞将熟化后的一次冰浆中的冰晶向上压制成冰晶堆积床，并将其向上推送；在所述洗涤器的侧壁下部还连通有一次冰浆循环管，该一次冰浆循环管的一端与所述洗涤器的内部连通，另一端与所述熟化器的底部连通，用于将一次冰浆送入洗涤器底部、并将溶液回送至熟化器中。

所述刨冰机包括壳体、调速电机和旋转刀盘；所述壳体呈竖直设置的圆柱筒形，该圆柱筒形的上端封闭，下端开有连接口，用于与所述洗涤器的上部敞口连通，所述壳体的连接口与所述洗涤器的上部敞口密封连接；所述刀盘水平设置在所述壳体，该刀盘的下侧面安装有旋转切刀，用于将被活塞推出的冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；上侧面通过竖直设置且穿出所述壳体的刀轴与所述的调速电机连接，所述调速电机能够带刀盘作旋转运动；所述壳体的侧壁上开有两个连接通孔，用于与所述二次冰浆循环装置连通，形成闭合管路。

所述二次冰浆循环装置包括二次冰浆储箱和二次冰浆循环泵，所述二次冰浆储箱内盛装有0℃的洗涤水，其下部的出口处装有筛网，用于隔离冰晶，并通过二次冰浆循环管I与所述壳体的一个连接通孔连通；所述二次冰浆储箱的上部通过二次冰浆循环管II与所述壳体的另一个连接通孔连通，形成闭合的管路，以使所述冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中。

所述制冰装置、熟化装置和洗涤装置的内部连通为一个密闭的空腔。

进一步，所述刮面式换热器为碟盘式双面刮面换热器，包括制冷碟盘、刮刀和刮刀转轴；所述制冷碟盘呈中空的环形，该环形的中央设置有安装通孔，该环形的两个侧面构成制冷面；其内部设置有通道，用以供制冷工质流动；所述制冷碟盘竖直设置，所述刮刀转轴水平设置且穿过所述制冷碟盘的中央通孔，所述刮刀转轴的一端穿出所述的制冰器并与传动机构连接，所述传动机构与驱动电机连接；每个所述制冷面对应一把所述刮刀，所述刮刀的一端安装在所述刮刀转轴上，另一端沿所述刮刀转轴的径向延伸，所述刮刀的刀刃与所述制冷面接触。

更进一步，所述的制冷碟盘有N个，所述刮刀有2N把，N为不小于2的整数；N个所述的制冷碟盘平行且等距设置；2N把所述的刮刀与同一根刮刀转轴连接，所述刮刀转轴依次穿过N个所述的制冷碟盘的中央通孔。

进一步，还包括原料储罐，所述原料储罐通过加液管道与所述注液口连通，在所述的加液管道上设置有进料阀，用于控制水溶液的加入量。

进一步，所述原料储罐通过浓缩溶液循环管道与所述排料储箱连通，在该浓缩溶液循环管道上设置有排料泵II，用以将浓缩溶液循环到所述原料储罐中来进行再次浓缩；在所述浓缩溶液循环管道上还安装有三通阀，用于控制浓缩溶液循环或排出。

更进一步，所述螺杆轴远离所述熟化器的出料口的一端穿出所述的所述熟化器，并与所述传动机构连接；所述驱动电机与变频器连接，变频器与PLC控制器连接；所述PLC控制器通过监测驱动电机的负载电流来确定熟化器中的冰晶含量，以实现控制和过载保护。

进一步，还包括制冷工质循环装置，该制冷工质循环装置包括冷凝器、压缩机、回冷器和膨胀阀；所述冷凝器通过第一制冷管与回冷器连通，所述回冷器通过第二制冷管与所述刮面式换热器的内部管路的进口连通，以形成制冷工质输送管路；所述膨胀阀安装在所述第二制冷管上；所述刮面式换热器的内部管路的出口通过第一回冷管与所述回冷器连通，所述回冷器通过第二回冷管与所述压缩机连通，所述压缩机通过第三回冷管与冷凝器连通，以形成制冷工质回收管路；所述回冷器为换热器，通过对出口工质的冷量回收使得入口工质过冷，以提高制冷效率；所述制冷工质输送管路和制冷工质回收管路在所述冷凝器中连通，以实现制冷工质的闭环循环。

更进一步，还包括融冰器，所述融冰器为换热器，该换热器的一个回路在所述第一制冷管，以回收融冰的冷量、和降低工质的温度；所述融冰器通过第一融冰管与二次冰浆循环泵与所述壳体之间的二次冰浆循环管I连通，所述融冰器通过第二融冰管与所述二次冰浆储箱连通，形成融冰管路；所述融冰管路在所述融冰器中串联在所述融冰器的另一个回路上。

一种水溶液连续冷冻浓缩方法，利用上述任一水溶液连续冷冻浓缩系统，包括以下步骤：

S1：将水溶液通过注液口加入到熟化器，并进入制冰器中，该水溶液在与刮面式换热器的制冷面接触时不断地析出冰晶并被连续刮落，形成悬浮冰晶；所述悬浮冰晶与水溶液混合成一次冰浆。

S2：所述一次冰浆上浮并进入熟化器中，所述一次冰浆中的冰晶通过奥斯特瓦尔德熟化效应经至少3h生长成300-500微米的粗冰晶，形成稠厚的一次冰浆；稠厚的一次冰浆在螺杆的推动和一次冰浆循环管路的共同作用下，进入洗涤器。

S3：在洗涤器中，所述稠厚的一次冰浆中的粗冰晶在多孔活塞的推动作用下被向上推送，形成为冰晶堆积床，而所述稠厚的一次冰浆中的液相则向下经多孔活塞被挤压，并回流到熟化器中；在多孔活塞的往复运动的作用下，在所述洗涤器的上方形成一个冰晶堆积床，其孔隙率为30～50％。

S4：所述冰晶堆积床的顶端在刨冰机中被旋转冰刀刨削成冰晶碎片；所述冰晶碎片与一部分洗涤水混合，形成0℃的冰/水混合物，即二次冰浆；所述二次冰浆被循环到二次冰浆储箱1中。

S5：重复步骤S1至S4，直至制冰器中的水溶液的浓度达到设定阀值，即得到浓缩溶液。

在S4中，另一部分洗涤水向下洗涤冰晶堆积床，并置换出冰晶堆积床中存留的稠厚的一次冰浆的液相，形成冰晶堆积床的上部已洗涤部分和下部的未洗涤部分，在所述已洗涤部分和下部的未洗涤部分之间形成洗涤前沿；控制所述洗涤前沿按如下步骤操作：

当洗涤前沿向下移动至低于下限时，注入水溶液并排出部分洗涤水，使排出的洗涤水量与注入水溶液量相同，以使洗涤前沿向上移动，直至洗涤前沿回复到预置区间；当洗涤前沿向上移动至高于上限时，停止注入水溶液和排出洗涤水的操作，以使冰晶碎片连续进入二次冰浆循环装置中，使洗涤前沿向下移动，直至洗涤前沿回复到预置区间。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、无热破坏。使用本发明在低温乃至冰点以下浓缩果汁等食品溶液(或生物溶液)，使得溶液的色、香、味免受热致损失和热致破坏，并能够很好的保存。

2、相比以圆筒的壁面作为换热面的刮面换热器，采用多个碟盘的双面刮面换热器可以获得更大的单位体积换热面积(m²/m³)。这个优点会随着制冷量的增加(即制冰量的增加)而显得更加突出。

3、节约能源。由于水的冷冻潜热(即冰晶的结晶热)是344kJ/kg，而水的汽化潜热是2600kJ/kg，数值上前者是后者的大约七分之一！由此可见，与传统的蒸发浓缩相比，冷冻浓缩具有很大的节能的潜力。在冰晶与母液的分离技术方面，本发明采用0℃的水进行洗涤，即：以活塞流的方式，至上而下置换出冰晶堆积床中的浓缩母液。由于用水置换出浓缩母液，过程中不需要克服固相(冰晶)与液相(母液)之间的表面张力与一般固液分离方法(如离心分离法)相比，分离的能耗大大降低。

3、浓缩效果好。本发明以活塞流的方式，至上而下置换出冰晶堆积床中的浓缩母液，并使相邻的冰晶凝结，进一步排出母液，由于用水置换出了浓缩母液，使母液可以回流到结晶器中，减少了母液的损耗，也就最大程度留着了有效溶质，提高了浓缩效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的碟盘式双面刮面换热器示意图；

图3为本发明的刨冰机的刀盘结构正视图；

图4为本发明的刨冰机的刀盘结构俯视图；

图5为本发明的洗涤前沿及物料关系控制示意图；

图6为苹果汁溶液的冰点与浓度的关联曲线。

附图中：1—原料储罐；2—进料阀；3—熟化器；4—螺杆；5—螺杆轴；6—洗涤器；7—管道视镜；8—刨冰机；9—调速电机；10—刀盘；11—调节阀；12—二次冰浆循环泵；13—二次冰浆储箱；14—排气阀；15—补水阀；16—融冰器；17—排水阀；18—流量计；19—多孔活塞；20—活塞轴；21—一次冰浆循环泵；22—刮刀转轴；23—刮刀；24—制冷碟盘；25—制冰器；26—膨胀阀；27—回冷器；28—压缩机；29—冷凝器；30—排料阀；31—排料泵I；32—排料流量计；33—排料储箱；34—排料泵II；35—三通阀；36—驱动电机；37—传动机构；38—旋转冰刀；39—冰晶碎片；40—冰晶堆积床。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种水溶液连续冷冻浓缩系统，如图1-4所示。包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置：

所述制冰装置包括制冰器25，所述制冰器25为顶部开口的罐体，所述制冰器25的顶部开口与所述熟化装置连通；其内部设置有刮面式换热器，用于使水溶液在其制冷面上析出冰晶并刮落成悬浮冰晶来与水溶液混合成一次冰浆；在所述制冰器25的底部连通有排料管，所述排料管与排料储箱33连通，用于收集浓缩溶液；在该排料管上设置有排料阀30，用于控制浓缩溶液的排放。为了提高排料效率，可以在排料管上设置排料泵I31；为了监控排出的浓缩溶液的量，可以在排料管安装排料流量计32。

所述熟化装置包括熟化器3，所述熟化器3为横卧式罐体，该横卧式罐体的底部开口且与所述制冰器25的顶部开口连通，以供一次冰浆进入所述熟化器3；在所述横卧式罐体中设置有螺杆4，所述螺杆4的螺杆轴5与所述横卧式罐体的轴线重合，用以在转动时将熟化后的一次冰浆推向所述横卧式罐体的一端，在该端的上部开有出料口，用于将熟化后的一次冰浆推入洗涤装置；在该横卧式罐体的顶部开有注液口，用于加注水溶液。

传统的冷冻浓缩设备都是把注液口设置在制冰器25上，而本发明之所以设置在熟化器3上，原因有二：一是让刚进入的水溶液可对冰晶表面的浓溶液起到一定的洗涤作用，并使那些小于临界晶核尺寸的细晶融化；二是由于浓缩液的排料口在制冰器25下部，如果此时刚好要排料，稀溶液很可能走短路排出，设置在熟化器3上则刚好避免了此情况的发生。

所述洗涤装置包括洗涤器6、刨冰机8和二次冰浆循环装置：

所述洗涤器6为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，其侧壁下部开有接料口，所述接料口与所述熟化器3的出料口连通，用于将熟化后的一次冰浆引入所述洗涤器6中；在所述洗涤器6中设置有多孔活塞19(活塞表面可采用工业标准的孔径1mm、厚度1mm的冲孔不锈钢多孔板，并安装在受力托架之上)，该多孔活塞19的水平截面的形状与所述洗涤器6的内部形状相适应，所述多孔活塞19的活塞轴20连接在下部，用于带动所述多孔活塞19在竖直方向上下往复运动，以使多孔活塞19将熟化后的一次冰浆中的冰晶向上压制成冰晶堆积床40；在所述洗涤器6的侧壁下部还连通有一次冰浆循环管，该一次冰浆循环管的一端与所述洗涤器6的内部连通，另一端与所述熟化器3的底部连通，用于将压制冰晶堆积床40后剩下的浓缩母液循环回送至所述熟化器3中。为提高循环效率，可以在一次冰浆循环管上设置一个一次冰浆循环泵21。

所述刨冰机8包括壳体、调速电机9和旋转刀盘10；所述壳体呈竖直设置的圆柱筒形，该圆柱筒形的上端封闭，下端开有连接口，用于与所述洗涤器6的上部敞口连通，所述壳体的下侧开口与所述洗涤器6的上部敞口密封连接；所述刀盘10水平设置在所述壳体下端，该刀盘10的下侧面安装有旋转切刀，用于将被活塞推送上来的冰晶堆积床40的上端切削成冰晶碎片39；上侧面通过竖直设置且穿出所述壳体的刀轴与所述的调速电机9连接，所述调速电机9能够带刀盘10转动；所述壳体的侧壁上开有两个连接通孔，用于与所述二次冰浆循环装置连通，形成闭合管路。

所述二次冰浆循环装置包括二次冰浆储箱13和二次冰浆循环泵12，所述二次冰浆储箱13内盛装有0℃的洗涤水，其下部的出口前装有1mm孔径筛网以隔离冰晶、并通过二次冰浆循环管I与所述壳体的一个连接通孔连通；所述二次冰浆储箱13的上部通过二次冰浆循环管II与所述壳体的另一个连接通孔连通，形成闭合的管路，以使所述冰晶碎片39与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱13中。为了控制二次冰浆循环装置中的洗涤水量，在所述二次冰浆循环管I中还设置调节阀11。在所述二次冰浆储箱13的顶部连通有排气阀14，以调节其中的压力，避免循环不畅；此外，在所述二次冰浆储箱13上还应连通一个补水阀15，以补充洗涤水。

所述制冰装置、熟化装置和洗涤装置的内部连通为一个密闭的空腔。

作为优化，所述刮面式换热器为碟盘式双面刮面换热器，包括制冷碟盘24、刮刀23和刮刀转轴22；所述制冷碟盘24呈中空的环形，该环形的中央设置有安装通孔，该环形的两个侧面构成制冷面；其内部设置有管路，用以供制冷工质流动；所述制冷碟盘24竖直设置，所述刮刀转轴22水平设置且穿过所述制冷碟盘24的安装通孔，所述刮刀转轴22的一端穿出所述的制冰器25并与传动机构37连接，所述传动机构37与驱动电机36连接；每个所述制冷面对应一把所述刮刀23，所述刮刀23的一端安装在所述刮刀转轴22上，另一端延所述刮刀转轴22的径向延伸，所述刮刀23的刀刃与所述制冷面接触。所述传动机构37可以是传动链条、链轮、齿轮等常见的传动机构37。

作为进一步优化，所述的制冷碟盘24有N个，所述刮刀23有2N把，N为不小于2的整数；N个所述的制冷碟盘24平行且等距设置；2N把所述的刮刀23与同一根刮刀转轴22连接，所述刮刀转轴22依次穿过N个所述的制冷碟盘24的安装通孔。

作为优化，还包括原料储罐1，所述原料储罐1通过加液管道与所述注液口连通，在所述的加液管道上设置有进料阀2，用于控制水溶液的加入量。所述进料阀2为普通阀门，进料时开，不进料时关，之所以不采用常开单向阀是因为在开始洗涤冰晶堆积床40时，正常程序是：把二次冰浆循环泵12，调节阀11打开，让洗涤水进入洗涤器6置换浓缩液。同时打开排料阀30，以排出等量的浓缩液。但是如果进料阀2常开，原料液(稀溶液)会与洗涤水竞争进入系统，干扰洗涤过程。所以进料阀2使用非止回阀，目的是使入料也完全受控。

作为进一步优化，所述原料储罐1通过浓缩溶液循环管道与所述排料储箱33连通，在该浓缩溶液循环管道上设置有排料泵II34，用以将浓缩溶液循环到所述原料储罐1中来进行再次浓缩；在所述浓缩溶液循环管道上还安装有三通阀35，用于控制浓缩溶液循环或排出。

作为进一步优化，所述螺杆轴5远离所述熟化器3的出料口的一端穿出所述的所述熟化器3，并与所述传动机构37连接；所述驱动电机36与变频器连接，变频器与PLC控制器连接；所述PLC控制器通过监测驱动电机36的负载电流来确定熟化器3中的冰晶含量，以实现控制和过载保护。在稳态操作期间，冰晶在熟化器3(结晶器)中逐渐积累，形成稠厚的一次冰浆—即冰晶和浓缩母液的两相流，导致驱动电机36的负载电流增加。这一特征可用于指示一次冰浆中的冰晶含量。一旦超过设定值控制器将关停制冷单元、停止制冰，以避免系统过载。

作为优化，在所述的二次冰浆循环管II上设置有管道视镜7，用于观察二次冰浆的工况。

作为优化，还包括制冷工质循环装置，该制冷工质循环装置包括冷凝器29、压缩机28、回冷器27和膨胀阀26；所述冷凝器29通过第一制冷管与回冷器27连通，所述回冷器27通过第二制冷管与所述刮面式换热器的内部管路的进口连通，以形成制冷工质输送管路；所述膨胀阀26安装在所述第二制冷管上；所述刮面式换热器的内部管路的出口通过第一回冷管与所述回冷器27连通，所述回冷器27通过第二回冷管与所述压缩机28连通，所述压缩机28通过第三回冷管与冷凝器29连通，以形成制冷工质回收管路；所述回冷器27为钎焊板式换热器，所述制冷工质输送管路和制冷工质回收管路在该换热器中分别走不同的回路，以实现换热；所述制冷工质输送管路和制冷工质回收管路在所述冷凝器29中连通，以实现制冷工质的闭环循环。

作为进一步优化，还包括融冰器16，所述融冰器16为钎焊板式换热器，该换热器的一个回路串联在所述第一制冷管，以回收冷量；所述融冰器16通过第一融冰管与二次冰浆循环泵12与所述壳体之间的二次冰浆循环管I连通，所述融冰器16通过第二融冰管与所述二次冰浆储箱13连通，形成融冰管路；所述融冰管路在所述融冰器16中串联在所述融冰器16的另一个回路上。在第二融冰管上还连通有排水管，在排水管上依次连通有排水阀17和流量计18，以便及时排出洗涤水并控制洗涤水的用量。

在含有循环泵二次冰浆循环泵12、融冰器16(板式换热器)和二次冰浆储箱13的环路中，如图1中的长虚线所示，其设置达到两个目的和效果：一、回收二次冰浆的冷量、降低制冷工质(例如R134a)进入蒸发器(即碟盘的内腔)前的温度的、进而提高制冷单元的能效COP。二、融化部分二次冰浆中的冰晶，避免冰晶在该环路中的过分积累。

在图1中，短虚线条(----)代表制冷工质(例如R134a制冷工质)，实线条(—)代表待浓缩的水溶液(例如果汁)，长虚线条(----)代表洗涤水，当刨冰机8运行时洗涤水中还含有悬浮的冰晶。在稳态操作期间，稀溶液(例如苹果汁)注入水溶液连续冷冻浓缩系统，冰晶在刮面换热器(SSHE)的制冷面上不断生成，被刮刀23刮落，与溶液混合、上浮，形成系统中的一次冰浆(primary ice slurry)，这就是悬浮结晶工艺。

在熟化器3(也可称为结晶器)内，冰晶通过奥斯特瓦尔德熟化效应(Ostwaldripening effect)，从初始的微米级缓慢生长成约300-500微米的冰晶。这期间冰晶与母液之间局部区域通过一个热力学上的所谓绝热过程、以牺牲(即消融)大量表面曲率半径小于晶核临界曲率半径的细晶为代价，促成生存下来的冰晶进一步生长。这一过程通常需要3小时以上的时间才能获得经熟化的、适合用结晶-洗涤柱分离的冰浆。

熟化器3中的一次冰浆、尤其是冰浆中的悬浮冰晶由输送螺杆4向洗涤器6推送(如图1的箭头所示)。溶液的液相很容易通过螺杆4的间隙返回到熟化器3中，而浮在上方的冰晶则更倾向于积累在洗涤器6的入口处，如图1所示。在洗涤器6的底部，一个作上、下往复运动的多孔活塞19为压缩冰晶堆积床40提供0.1～0.8kg·cm^-1的上推压力，能够将冰晶“捞起”并向上推送。而母液则向下从活塞的多孔板穿过被挤压出去、回流到结晶-洗涤柱的底部，最终在洗涤器6的上方形成一个多孔渗水的、孔隙率为30～50％的冰晶堆积床40。该活塞可以由压缩空气模块驱动。其行程与速度均可调。

在系统稳态操作期间，如图1、3、4所示，在洗涤器6中冰晶堆积床40随着多孔活塞19的推举作用向上移动，冰晶堆积床40的顶端在刨冰机8中被旋转冰刀38刨去薄薄的一层冰晶碎片39。被切割下来的冰晶碎片39与0℃的洗涤水混合，成为0℃的冰/水混合物，即系统的二次冰浆(secondary ice slurry)。洗涤水携带的冰晶碎片返回二次冰浆储箱13。通过管道视镜7对二次冰浆的流动进行观察和控制。

洗涤器6的操作是整个冷冻浓缩系统的关键：

0℃的洗涤水在洗涤水储箱，循环泵，调节阀11，刨冰机8，洗涤器6的上部，管道视镜7之间循环流动，而冰晶堆积床40向上移动，并被刨冰机8的刀盘10切割，如果把冰床视为静止，这相当于洗涤水自上而下在冰晶堆积床40中、以活塞流的形式置换出冰晶与冰晶之间的浓缩母液。洗涤水对浓缩母液的置换、洗涤前沿预设在洗涤器6的中间位置，如图1所示。图1中洗涤器6上部的空白部分代表已经洗涤的冰晶堆积床40部分，洗涤器6下部横线部分代表未经洗涤的冰床。用0℃的水置换冰晶堆积床40中处于冰点(<0℃)以下的浓缩母液，0℃的水在与冰晶接触的瞬间即发生轻度结晶(结冰)作用，原先被挤压在一起的冰晶颗粒之间由于这种轻度的结晶作用被“烧结”在一起、成为了多孔渗水的“刚体”—即图1中洗涤器6上部空白的部分，代表已经洗涤的冰床。由于结晶作用，这上半部分冰床的渗透率低于下半部分未经洗涤的冰床，从而抑制了洗涤水与浓缩母液的互混，抑制了在多孔介质中、当一种液体在置换出另一种液体的过程中普遍发生的、一种液体像手指一样插入另一种液体中的互混现象，即所谓“粘性指进效应”(两种流体驱替过程中，由于两相粘度的差异造成前沿驱替界面呈分散液束形式(即像“手指”一样)向前推进，这种现象称为粘性指进)。进而产生了一个水平的、较为清晰的、界限分明的洗涤前沿。

由于浓缩母液中存在大量的冰晶，在这个晶-液体系中(包括在熟化器3和洗涤器6中)，冰晶与母液实际上处于热力学的相平衡状态。因此，可以通过测量溶液的冰点(温度)下降(freezing point depression，FPD)的数值，对溶液(如果汁)的浓度进行在线测量。以苹果汁溶液为例，其的冰点与浓度的关联如图6中曲线所示。

一种水溶液连续冷冻浓缩方法，该方法利用以上任一水溶液连续冷冻浓缩系统，包括以下步骤：

S1：将水溶液通过注液口加入到熟化器3，并进入制冰器25中，该水溶液在与刮面式换热器的制冷面接触时不断地析出冰晶并被连续刮落，形成悬浮冰晶；所述悬浮冰晶与水溶液混合成一次冰浆。

制冷面与溶液直接接触，刮刀23刮擦所述制冷面，使制冷面上的溶液不断更新。当溶液温度降低至其冰点或冰点以下时，在制冷面析出冰晶，并由刮刀23刮落成为悬浮冰晶，与溶液混合成为一次冰浆。如图2所示。

S2：所述一次冰浆上浮并进入熟化器3中，所述一次冰浆中的冰晶通过奥斯特瓦尔德熟化效应经至少3h生长成300-500微米的粗冰晶，形成稠厚的一次冰浆；稠厚的一次冰浆在螺杆4的推动作用下，进入洗涤器6。

S3：在洗涤器6中，所述稠厚的一次冰浆中的粗冰晶在多孔活塞19的推动作用下被向上推送，形成为冰晶堆积床40，而所述稠厚的一次冰浆中的液相则向下经多孔活塞19被挤压，并回流到熟化器3中；在多孔活塞19的往复运动的作用下，在所述洗涤器6的上方形成一个冰晶堆积床40，其孔隙率为30～50％。

S4：所述冰晶堆积床40的顶端在刨冰机8中被旋转冰刀38刨削成冰晶碎片39；所述冰晶碎片39与一部分洗涤水混合，形成0℃的冰/水混合物，即二次冰浆；所述二次冰浆被循环到二次冰浆储箱131中。

S5：重复步骤S1至S4，直至制冰器25中的水溶液的浓度达到设定阀值，即得到浓缩溶液。

在S4中，另一部分洗涤水向下洗涤冰晶堆积床40，并置换出冰晶堆积床40中存留的稠厚的一次冰浆的液相，形成冰晶堆积床40的上部已洗涤部分和下部的未洗涤部分，在所述已洗涤部分和下部的未洗涤部分之间形成洗涤前沿，洗涤前沿及物料关系控制如图5所示；控制所述洗涤前沿按如下步骤操作：

当洗涤前沿向下移动至低于下限时，注入水溶液并排出部分洗涤水，使排出的洗涤水量与注入水溶液量相同，以使洗涤前沿向上移动，直至洗涤前沿回复到预置区间；当洗涤前沿向上移动至高于上限时，停止注入水溶液和排出洗涤水的操作，以使冰晶碎片39连续进入二次冰浆循环装置中，使洗涤前沿向下移动，直至洗涤前沿回复到预置区间。

开始洗涤时，0℃的洗涤水流向刨冰机8，然后洗涤水往洗涤器6中流，置换出冰晶堆积床40中的母液。但是当“置换”进行到洗涤器6中间位置时，就要关闭排料阀30。使得置换前沿(洗涤前沿)维持在洗涤器6中间。但此时由于冰床依然受活塞的推动向上运动、被刨去。相当于冰晶不断从下面的溶液一侧转移到了上面的洗涤水一侧。使得下面的冰晶与溶液的混合物(一次冰浆)的体积减小了。相反，上面的冰晶与水的混合物(二次冰浆)的体积增大了。所以，即使排料阀30是关闭的(无排料)，但洗涤前沿依然会继续向下移动。那么当洗涤前沿向下移动超过设定位置，就可以打开排水阀17，放掉部分洗涤水，来减小二次冰浆的体积。由图1、5可知，系统是密闭的。二次冰浆的体积减小，必须由一次冰浆的体积增加来补充，所以在打开排水阀17的同时，进料阀2也必须一起打开，使得排出系统的水与进入系统的稀溶液体积相等。

此外，当系统中，例如在熟化器3中，溶液的温度降低至一定的温度值，根据浓度与冰点下降所对应的原理，如图6所示，溶液的浓度达到排料要求，可以同时打开进料阀2和排料阀30。这样的话使得等体积的浓缩母液和稀溶液分别排出和进入冷冻浓缩系统。保持冷冻浓缩系统保持全充满。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置；

所述制冰装置包括制冰器，所述制冰器为顶部开口的罐体，所述制冰器的顶部开口与所述熟化装置连通；其内部设置有刮面式换热器，用于使水溶液在其制冷面上析出冰晶并刮落成悬浮冰晶来与水溶液混合成一次冰浆；在所述制冰器的底部连通有排料管，所述排料管与排料储箱连通，用于收集浓缩溶液；在该排料管上设置有排料阀，用于控制浓缩溶液的排放；

所述熟化装置包括熟化器，所述熟化器为横卧式罐体，该横卧式罐体的底部开口且与所述制冰器的顶部开口连通，以供一次冰浆进入所述熟化器；在所述横卧式罐体中设置有螺杆，所述螺杆的螺杆轴与所述横卧式罐体的轴线重合，用以在转动时将熟化后的一次冰浆推向所述横卧式罐体的一端，在该端的上部开有出料口，用于将熟化后的一次冰浆推入洗涤装置；在该横卧式罐体的顶部开有注液口，用于加注水溶液；

所述洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；所述洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，其侧壁下部开有接料口，所述接料口与所述熟化器的出料口连通，用于将熟化后的一次冰浆引入所述洗涤器中；在所述洗涤器中设置有多孔活塞，该多孔活塞的水平截面的形状与所述洗涤器的内部形状相适应，所述多孔活塞的活塞轴连接在下部，用于带动所述多孔活塞在竖直方向上往复运动，以使多孔活塞将熟化后的一次冰浆中的冰晶向上压制成冰晶堆积床，并将其向上推送；在所述洗涤器的侧壁下部还连通有一次冰浆循环管，该一次冰浆循环管的一端与所述洗涤器的内部连通，另一端与所述熟化器的底部连通，用于将一次冰浆送入洗涤器底部、并将溶液回送至熟化器中；

所述刨冰机包括壳体、调速电机和旋转刀盘；所述壳体呈竖直设置的圆柱筒形，该圆柱筒形的上端封闭，下端开有连接口，用于与所述洗涤器的上部敞口连通，所述壳体的连接口与所述洗涤器的上部敞口密封连接；所述刀盘水平设置在所述壳体，该刀盘的下侧面安装有旋转切刀，用于将被活塞推出的冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；上侧面通过竖直设置且穿出所述壳体的刀轴与所述的调速电机连接，所述调速电机能够带刀盘作旋转运动；所述壳体的侧壁上开有两个连接通孔，用于与所述二次冰浆循环装置连通，形成闭合管路；

所述二次冰浆循环装置包括二次冰浆储箱和二次冰浆循环泵，所述二次冰浆储箱内盛装有0℃的洗涤水，其下部的出口处装有筛网，用于隔离冰晶，并通过二次冰浆循环管I与所述壳体的一个连接通孔连通；所述二次冰浆储箱的上部通过二次冰浆循环管II与所述壳体的另一个连接通孔连通，形成闭合的管路，以使所述冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中；

所述制冰装置、熟化装置和洗涤装置的内部连通为一个密闭的空腔。

2.根据权利要求1所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，所述刮面式换热器为碟盘式双面刮面换热器，包括制冷碟盘、刮刀和刮刀转轴；所述制冷碟盘呈中空的环形，该环形的中央设置有安装通孔，该环形的两个侧面构成制冷面；其内部设置有通道，用以供制冷工质流动；所述制冷碟盘竖直设置，所述刮刀转轴水平设置且穿过所述制冷碟盘的中央通孔，所述刮刀转轴的一端穿出所述的制冰器并与传动机构连接，所述传动机构与驱动电机连接；每个所述制冷面对应一把所述刮刀，所述刮刀的一端安装在所述刮刀转轴上，另一端沿所述刮刀转轴的径向延伸，所述刮刀的刀刃与所述制冷面接触。

3.根据权利要求2所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，所述的制冷碟盘有N个，所述刮刀有2N把，N为不小于2的整数；N个所述的制冷碟盘平行且等距设置；2N把所述的刮刀与同一根刮刀转轴连接，所述刮刀转轴依次穿过N个所述的制冷碟盘的中央通孔。

4.根据权利要求1所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，还包括原料储罐，所述原料储罐通过加液管道与所述注液口连通，在所述的加液管道上设置有进料阀，用于控制水溶液的加入量。

5.根据权利要求4所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，所述原料储罐通过浓缩溶液循环管道与所述排料储箱连通，在该浓缩溶液循环管道上设置有排料泵II，用以将浓缩溶液循环到所述原料储罐中来进行再次浓缩；在所述浓缩溶液循环管道上还安装有三通阀，用于控制浓缩溶液循环或排出。

6.根据权利要求2所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，所述螺杆轴远离所述熟化器的出料口的一端穿出所述的所述熟化器，并与所述传动机构连接；所述驱动电机与变频器连接，变频器与PLC控制器连接；所述PLC控制器通过监测驱动电机的负载电流来确定熟化器中的冰晶含量，以实现控制和过载保护。

7.根据权利要求1所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，还包括制冷工质循环装置，该制冷工质循环装置包括冷凝器、压缩机、回冷器和膨胀阀；所述冷凝器通过第一制冷管与回冷器连通，所述回冷器通过第二制冷管与所述刮面式换热器的内部管路的进口连通，以形成制冷工质输送管路；所述膨胀阀安装在所述第二制冷管上；所述刮面式换热器的内部管路的出口通过第一回冷管与所述回冷器连通，所述回冷器通过第二回冷管与所述压缩机连通，所述压缩机通过第三回冷管与冷凝器连通，以形成制冷工质回收管路；所述回冷器为换热器，通过对出口工质的冷量回收使得入口工质过冷，以提高制冷效率；所述制冷工质输送管路和制冷工质回收管路在所述冷凝器中连通，以实现制冷工质的闭环循环。

8.根据权利要求7所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，还包括融冰器，所述融冰器为换热器，该换热器的一个回路在所述第一制冷管，以回收融冰的冷量、和降低工质的温度；所述融冰器通过第一融冰管与二次冰浆循环泵与所述壳体之间的二次冰浆循环管I连通，所述融冰器通过第二融冰管与所述二次冰浆储箱连通，形成融冰管路；所述融冰管路在所述融冰器中串联在所述融冰器的另一个回路上。

9.一种水溶液连续冷冻浓缩方法，其特征在于，利用权利要求1-8任一所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，包括以下步骤：

S1：将水溶液通过注液口加入到熟化器，并进入制冰器中，该水溶液在与刮面式换热器的制冷面接触时不断地析出冰晶并被连续刮落，形成悬浮冰晶；所述悬浮冰晶与水溶液混合成一次冰浆；

S2：所述一次冰浆上浮并进入熟化器中，所述一次冰浆中的冰晶通过奥斯特瓦尔德熟化效应经至少3h生长成300-500微米的粗冰晶，形成稠厚的一次冰浆；稠厚的一次冰浆在螺杆的推动和一次冰浆循环管路的共同作用下，进入洗涤器；

S3：在洗涤器中，所述稠厚的一次冰浆中的粗冰晶在多孔活塞的推动作用下被向上推送，形成为冰晶堆积床，而所述稠厚的一次冰浆中的液相则向下经多孔活塞被挤压，并回流到熟化器中；在多孔活塞的往复运动的作用下，在所述洗涤器的上方形成一个冰晶堆积床，其孔隙率为30～50％；

S4：所述冰晶堆积床的顶端在刨冰机中被旋转冰刀刨削成冰晶碎片；所述冰晶碎片与一部分洗涤水混合，形成0℃的冰/水混合物，即二次冰浆；所述二次冰浆被循环到二次冰浆储箱1中；

S5：重复步骤S1至S4，直至制冰器中的水溶液的浓度达到设定阀值，即得到浓缩溶液。

10.根据权利要求9所述的水溶液连续冷冻浓缩方法，其特征在于，在S4中，另一部分洗涤水向下洗涤冰晶堆积床，并置换出冰晶堆积床中存留的稠厚的一次冰浆的液相，形成冰晶堆积床的上部已洗涤部分和下部的未洗涤部分，在所述已洗涤部分和下部的未洗涤部分之间形成洗涤前沿；控制所述洗涤前沿按如下步骤操作：

当洗涤前沿向下移动至低于下限时，注入水溶液并排出部分洗涤水，使排出的洗涤水量与注入水溶液量相同，以使洗涤前沿向上移动，直至洗涤前沿回复到预置区间；

当洗涤前沿向上移动至高于上限时，停止注入水溶液和排出洗涤水的操作，以使冰晶碎片连续进入二次冰浆循环装置中，使洗涤前沿向下移动，直至洗涤前沿回复到预置区间。