CN108387041A - 一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，包括压缩机、冷凝换热装置、节流装置、蒸发换热制冰装置和蓄热装置，冷凝换热装置包括冷凝放热器和蓄热吸热器，蒸发换热制冰装置包括蒸发制冰器和释热放热器，蓄热装置包括蓄热放热器和释热吸热器；压缩机、冷凝放热器、节流装置和蒸发制冰器依次相连形成制冷回路；蓄热吸热器和蓄热放热器相互连接形成蓄热回路，释热吸热器和释热放热器相互连接形成释热回路。本制冰系统在融冰脱冰时，不需要制冷系统的再次开启以及系统中蒸发器与冷凝器的切换，仅通过一液体循环泵就可以实现融冰脱冰，大大降低了系统运行能耗，同时实现了冷凝排热的合理利用，提高了制冰效率。

Description

一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统

技术领域

本发明涉及制冷空调与冷冻冷藏领域，具体涉及一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统。

背景技术

随着人民生活水平的提高，对生活食材(包括果蔬、肉类、蛋类、鱼类、海鲜等)的要求越来越高。高质量的食用原材料对食品的冷冻冷藏、冷链运输等方面提出了更高的要求。为了保证食材的新鲜程度以及营养品质，需要对制冷、冷冻冷藏系统进行合理的优化设计。目前来看，果蔬、蛋类等食材主要储存在小型冷库、超市陈列柜等地方，而对于肉类、鱼类、海鲜等食材为保证其营养品质，在屠宰或捕捞之后，常常采用速冻以及冰冻处理，这就对制冰系统提出了很高的要求。

现有的制冰系统常采用直膨空冷式制冷系统，制冷系统包括压缩机、空冷式冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器冰槽搁板以及四通换向阀等主要部件组成。由于采用空气冷却冷凝器，其换热效率较低，导致制冷系统效率较低。当制冷系统运行时，通过蒸发器冰槽吸收静止水所含的热量，进行制取冰条或冰板。一旦冰块成型，冰条中心温度达到-8℃，此时需进行脱冰处理，实现冰条与冰槽搁板间的脱离。目前较为常用的方式仍是通过四通换向阀逆向，使得蒸发器与冷凝器切换，通过搁板向冰条放热，融化部分冰，实现冰条与冰槽搁板的脱离。由于采用了蒸发器冰槽搁板进行制冰，制冷系统中蒸发器面积比冷凝器面积大很多(一般大4倍以上)，这就导致了在制冷系统逆向脱冰时，冷凝器的换热面积过大，制冷剂很难迅速返回压缩机，导致压缩机吸入口制冷剂流量降低，运行电流过大，散热量减小，造成制冷系统效率降低，并带来了运行不稳定等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有制冰技术所存在的缺陷，提供一种能够节省系统运行能耗，提高脱冰效率，实现冷凝排热的合理充分利用，有利于节能环保的带有蓄热脱冰装置的高效制冰系统。

技术方案：本发明提供一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，包括压缩机、冷凝换热装置、节流装置、蒸发换热制冰装置和蓄热装置，冷凝换热装置包括冷凝放热器和蓄热吸热器，蒸发换热制冰装置包括蒸发制冰器和释热放热器，蓄热装置包括蓄热放热器和释热吸热器；压缩机、冷凝放热器、节流装置和蒸发制冰器依次相连形成制冷回路；蓄热吸热器和蓄热放热器相互连接形成蓄热回路，释热吸热器和释热放热器相互连接形成释热回路。

压缩机为制冷系统压缩机，压缩机可以为活塞压缩机、离心压缩机、螺杆压缩机和涡旋压缩机中的任意一种。压缩机吸入口通过制冷管路与蒸发制冰器相连，压缩机出口通过制冷管路与冷凝放热器相连。

节流装置为制冷系统节流元件，节流装置可以为膨胀阀、毛细管、节流孔板和节流短管中的任意一种；节流装置入口与冷凝放热器相连，出口与蒸发制冰器相连。

冷凝换热装置中，冷凝放热器和蓄热吸热器逆流设置：制冷剂从冷凝放热器上部进入，下部流出，冷却冷凝放热器的流体(第一载冷剂)从蓄热吸热器的底部进入，上部流出，两股流体在冷凝换热装置中进行逆向换热，大大提高了换热效率。

蒸发换热制冰装置中，蒸发制冰器和释热放热器逆流设置：经过节流之后的制冷剂从蒸发换热制冰装置底部流入蒸发制冰器对水进行冻结，通过吸收水中的热量变成高温气体从蒸发换热制冰装置上部排出；第二载冷剂则从释热放热器的上部进入，通过释放热量对冻结的冰条冰块进行轻微融化，实现高效脱冰。

蓄热装置中填充有蓄热材料，蓄热材料为相变蓄能材料；蓄热装置中，蓄热放热器和释热吸热器逆流设置：当制冰系统运行时，在蓄热循环泵的作用下，第一载冷剂吸收冷凝放热器的散热，进入蓄热装置，通过蓄热放热器将热量释放出来，蓄热装置内部填有蓄热材料，蓄热材料吸收蓄热放热器中第一载冷剂释放的热量而升温，并将热量储存起来。当制冰过程结束后，脱冰开始，此时在释热循环泵的作用下，第二载冷剂把蓄热装置中储存的热量带入蒸发换热制冰装置，通过释放热量，实现冰条、冰板与冰槽的脱离。

冷凝放热器、蓄热吸热器、蒸发制冰器、释热放热器、蓄热放热器和释热吸热器可以为本领域常见形状的换热器；为了提高换热效率，应使冷凝放热器、蓄热吸热器、蒸发制冰器、释热放热器、蓄热放热器和释热吸热器结构紧凑，布局合理，优选使冷凝放热器、蓄热吸热器为板式换热器，蒸发制冰器、释热放热器、蓄热放热器和释热吸热器为盘管状换热器。

制冷回路中，压缩机、冷凝放热器、节流装置和蒸发制冰器沿冷媒流动方向依次设置，冷媒优选为制冷系统中常用的制冷剂。

蓄热回路中还包括蓄热循环泵和蓄热调节阀，蓄热吸热器、蓄热调节阀、蓄热放热器和蓄热循环泵沿第一载冷剂流动方向依次相连；蓄热循环泵用于给蓄热回路提供动力，蓄热循环泵出口与蓄热吸热器相连，入口与蓄热放热器相连；蓄热调节阀用于调节蓄热回路第一载冷剂的流量，蓄热调节阀入口与蓄热吸热器相连，出口与蓄热放热器相连。第一载冷剂优选为凝固点低于0℃的流体。

释热回路中还包括释热循环泵和释热调节阀，释热吸热器、释热循环泵、释热放热器和释热调节阀沿第二载冷剂流动方向依次相连；释热循环泵用于给释热回路提供动力，释热循环泵出口与释热放热器相连，入口与释热吸热器相连。释热调节阀用于调节释热回路第二载冷剂的流量，释热调节阀入口与释热放热器相连，出口与释热吸热器相连。第二载冷剂优选为凝固点温度低于-12℃的流体。

本发明的工作原理是：在制冷系统制冰过程中，经蒸发制冰器流出的低温低压的制冷剂蒸汽经压缩机吸入口进入压缩机，经过压缩机的压缩变为高温高压的制冷剂气体。高温高压的制冷剂气体进入冷凝换热装置进行冷凝放热，此时开启蓄热回路，这样在冷凝换热装置中，冷凝放热器中的高温高压制冷剂蒸汽与蓄热吸热器中的第一载冷剂进行逆向热量交换，通过该方式大大提高冷凝换热装置的换热效率，在第一载冷剂冷却冷凝下，高温高压制冷剂气体变为高压液体。高压液体经节流装置进行节流降压，由于该过程为不可逆过程，随着制冷剂流过节流装置，其压力会降低，并造成部分液体闪发，节流到所需要的压力时，此时通过节流装置后的制冷剂为气液两相流体。气液两相流体进入蒸发换热制冰装置，流入分布在冰槽中的蒸发制冰器，通过蒸发相变，吸收冰槽搁板间水的热量，以此达到降低水的温度，并使水冻结成冰块或冰条，制冷剂通过蒸发吸收水中的热量，使水变为冰，制冷剂自身则由两相流体变为低温低压的单相气体。通过在蒸发换热制冰装置中吸热，制冷剂两相流变为低温低压的蒸汽，之后进入压缩机进行再次压缩，由此完成一个制冷循环。

由于在制冰过程中，蓄热回路也在工作，该过程可以通过循环泵把冷凝放热器中的冷凝排热储存在蓄热装置中的相变材料中。当蒸发换热制冰装置的冰槽搁板间的水被完全冻结为冰条，并满足使用要求时，制冷系统停机，蓄热回路中蓄热循环泵也停止工作。释热回路开启，此时仅打开循环泵，通过第二载冷剂将蓄热装置中储存的热量送入蒸发换热制冰装置中的释热吸热器。第二载冷剂放热，使得紧贴搁板的冰融化，以此达到冰块与搁板的脱离，实现脱冰工艺。脱冰结束后，可以再次向冰槽搁板间注入自来水，进行制冰。至此一个制冰脱冰循环结束。

以上提到的低温低压、高温高压、高压、低压等关于温度、压力高低的描述，表示同一种制冷剂在制冰系统中不同装置中温度、压力的相对变化，针对不同制冷剂种类，这些关于温度、压力高低的描述表示不同的压力、温度范围，本领域技术人员可根据具体制冷剂的种类特性进行调整，在此不再赘述。

有益效果：本发明的制冰系统带有蓄热脱冰装置，将液体载冷剂用于蓄热回路，大大提高运行效率；在制冰过程中，本发明储存冷凝器的排热，当制冰结束后，将储存的热量输送到蒸发换热制冰装置的冰槽搁板进行化冰，相比于传统制冰系统逆向脱冰，该方式仅消耗了部分循环泵功耗，节省了系统运行能耗，大大提高了脱冰效率，实现了冷凝排热的合理充分利用，有利于节能环保；同时，本发明的制冰系统稳定性较高，对实现食材的保鲜与冷冻冷藏具有重要价值及意义。具体地，本发明的制冰系统具有以下特点：(1)采用逆流式冷凝换热装置，高温制冷剂气体与液相载冷剂进行逆向流动换热，大大提高了换热效率，提高了制冷效率；(2)设置了蓄热装置，冷凝器中的高温排热可以通过载冷剂储存在蓄热装置中；蓄热装置中填充有相变蓄热材料，大大提高了蓄热装置的储热能力；(3)设有蒸发制冰器、释热吸热器和释热放热器，蒸发制冰器用于制冰过程中冰的冻结，而释热放热器用于脱冰过程中冰的脱离，由于脱冰过程中载冷剂吸收蓄热装置中相变材料的蓄热，实现了冷凝排热的合理高效利用；(4)相比于传统的制冷系统，本发明装置节省了四通换向阀，降低了制冷系统的复杂性：传统制冰系统，在脱冰过程中，通过调节四通换向阀，使得蒸发器与冷凝器进行切换，大大增加了压缩机的启动功率，而且使得制冷剂分散在更大面积的蒸发制冰器中，不利于制冷剂进入节流装置，降低了系统的运行效率，而本发明方式采用释热回路进行脱冰，制冷系统处于停机状态，大大降低了制冷系统的运行功耗，增加了制冷系统的稳定性，实现了高效节能；通过设置制冷回路、蓄热回路以及释热回路，实现了制冰过程与脱冰过程的独立运行，对高效制冰冷冻冷藏行业具有较好的应用价值及推广前景。

附图说明

图1为本发明一种带有蓄热脱冰装置的高效制冰系统结构示意图；

图中附图标记：1为压缩机，2为冷凝换热装置，3为节流装置，4为蒸发换热制冰装置，5为蓄热装置，6为冷凝放热器，7为蒸发制冰器，8为蓄热吸热器，9为蓄热放热器，10为释热放热器，11为释热吸热器，12为蓄热循环泵，13为释热循环泵，14为蓄热调节阀，15为释热调节阀，16为制冷回路，17为蓄热回路，18为释热回路，19为蓄热材料；图中，实线箭头表示制冷回路中制冷剂流动方向，左侧蓄热回路中的虚线箭头表示第一载冷剂的流动方向，右侧的释热回路中的虚线箭头表示第二载冷剂的流动方向。

具体实施方式

如图1所示，一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，包括压缩机1、冷凝换热装置2、节流装置3、蒸发换热制冰装置4、蓄热装置5、蓄热循环泵12、释热循环泵13、蓄热调节阀14、释热调节阀15。冷凝换热装置2包括冷凝放热器6和蓄热吸热器8，蒸发换热制冰装置4包括蒸发制冰器7和释热放热器10，蓄热装置5包括蓄热放热器9和释热吸热器11；压缩机1、冷凝放热器6、节流装置3和蒸发制冰器7沿制冷剂流动方向，通过管道依次相连形成制冷回路16；蓄热吸热器8、蓄热调节阀14、蓄热放热器9和蓄热循环泵12通过管道相互连接形成蓄热回路17；释热吸热器11、释热循环泵13、释热放热器10和释热调节阀15通过管道相互连接形成释热回路18。蓄热装置5中设置有蓄热材料19。

压缩机1为制冷系统压缩机，可以为活塞压缩机、离心压缩机、螺杆压缩机和涡旋压缩机中的任意一种。压缩机1的吸入口与蒸发制冰器7相连，出口与冷凝放热器6相连。

冷凝换热装置2中，冷凝放热器6和蓄热吸热器8逆流设置：制冷剂从冷凝放热器6上部进入，下部流出；冷却冷凝放热器的流体(第一载冷剂)从蓄热吸热器8的底部进入，上部流出，两股流体在冷凝换热装置中进行逆向换热，大大提高了换热效率。

节流装置3为制冷系统节流元件，节流装置3可以为膨胀阀、毛细管、节流孔板和节流短管中的任意一种；节流装置3入口与冷凝放热器6相连，出口与蒸发制冰器7相连。

蒸发换热制冰装置4中，蒸发制冰器7和释热放热器10设置在冰槽中，蒸发制冰器7和释热放热器10逆流设置：经过节流之后的制冷剂从蒸发换热制冰装置4底部流入蒸发制冰器7对水进行冻结，通过吸收水中的热量变成高温气体从蒸发换热制冰装置4上部排出；第二载冷剂则从释热放热器10的上部进入，通过释放热量对冻结的冰条冰块进行轻微融化，实现高效脱冰。

蓄热装置5中填充有蓄热材料19，蓄热材料19为相变蓄能材料。蓄热装置5中，蓄热放热器9和释热吸热器11逆流设置：当制冰系统运行时，在蓄热循环泵12的作用下，第一载冷剂吸收冷凝放热器的散热，进入蓄热装置5，通过蓄热放热器9将热量释放出来，蓄热装置5内部填有蓄热材料19，蓄热材料19吸收蓄热放热器9中第一载冷剂释放的热量而升温，并将热量储存起来。当制冰过程结束后，脱冰开始，此时在释热循环泵13的作用下，第二载冷剂把蓄热装置5中储存的热量带入蒸发换热制冰装置4，通过释放热量，实现冰条、冰板与冰槽的脱离。

冷凝放热器6、蓄热吸热器8、蒸发制冰器7、释热放热器10、蓄热放热器9和释热吸热器11可以为本领域常见形状的换热器；为了提高换热效率，应使冷凝放热器6、蓄热吸热器8、蒸发制冰器7、释热放热器10、蓄热放热器9和释热吸热器11优选结构紧凑，布局合理，优选使冷凝放热器、蓄热吸热器为板式换热器，蒸发制冰器、释热放热器、蓄热放热器和释热吸热器为盘管状换热器。

冷凝放热器6置于冷凝换热装置2中，冷凝放热器6入口与压缩机1出口相连，出口与节流装置3入口相连，制冷剂从冷凝放热器6上部流入，下部流出。

蒸发制冰器7置于蒸发换热制冰装置4中，其入口与节流装置3出口相连，出口与压缩机1吸入口相连，节流后的制冷剂从蒸发制冰器7底部进入，上部流出。

蓄热吸热器8置于冷凝换热装置2中，其入口与蓄热循环泵12出口相连，出口与蓄热调节阀14相连，第一载冷剂从蓄热吸热器8底部流入，上部流出。

蓄热放热器9置于蓄热装置5中，其出口与蓄热循环泵12相连，入口与蓄热调节阀14相连，第一载冷剂从蓄热放热器9上部进入，下部流出。

释热放热器10置于蒸发换热制冰装置4中，其入口与释热循环泵13相连，出口与释热调节阀15相连，第二载冷剂从释热放热器10上部进入，下部流出。

释热吸热器11置于蓄热装置5中，其入口与释热调节阀15相连，出口与释热循环泵13相连，第二载冷剂从释热吸热器11下部进入，上部流出。

蓄热循环泵12用于给蓄热回路17提供动力，其出口与蓄热吸热器8相连，入口与蓄热放热器9相连。蓄热调节阀14用于调节蓄热回路17中第一载冷剂的流量，其入口与蓄热吸热器8相连，出口与蓄热放热器9相连。

释热循环泵13用于给释热回路18提供动力，其出口与释热放热器10相连，入口与释热吸热器11相连。释热调节阀15用于调节释热回路18中第二载冷剂的流量，其入口与释热放热器10相连，出口与释热吸热器11相连。

制冷回路16中的冷媒为制冷系统用制冷剂；蓄热回路17中的第一载冷剂优选为温度高于0℃的流体；释热回路18中的第二载冷剂优选为凝固点温度低于-12℃的流体；蓄热装置5中的蓄热材料19为相变蓄能材料。

在制冷系统制冰过程中，经蒸发制冰器7流出的低温低压的制冷剂蒸汽经压缩机1吸入口进入压缩机1，经过压缩机1的压缩变为高温高压的制冷剂气体。高温高压的制冷剂气体进入冷凝换热装置2进行冷凝放热，此时需开启蓄热回路，这样在冷凝换热装置2中，冷凝放热器6中的高温高压制冷剂蒸汽与蓄热吸热器8中的第一载冷剂进行逆向热量交换，通过该方式大大提高冷凝换热装置2的换热效率，在第一载冷剂冷却冷凝下，高温高压制冷剂气体变为高压液体。高压液体经节流装置3进行节流降压，由于该过程为不可逆过程，随着制冷剂流过节流装置3，其压力会降低，并造成部分液体闪发，节流到所需要的压力时，此时通过节流装置后的制冷剂为气液两相流体。气液两相流体进入蒸发换热制冰装置4，流入分布在冰槽中的蒸发制冰器7，通过蒸发相变，吸收搁板间水的热量，以此达到降低水的温度，并使其冻结成冰块或冰条，制冷剂通过蒸发吸收水中的热量，使水变为冰，制冷剂自身则由两相流体变为低温低压的单相气体。通过在蒸发换热制冰装置4中吸热，制冷剂两相流变为低温低压的蒸汽，之后进入压缩机1进行再次压缩，由此完成一个制冷循环。

由于在制冰过程中，蓄热回路也在工作，该过程可以通过循环泵把冷凝放热器中的冷凝排热储存在蓄热装置中的相变材料中。当冰槽搁板间的水被完全冻结为冰条，并满足使用要求时，制冷系统停机，蓄热回路中蓄热循环泵12也停止工作。释热回路开启，此时仅打开循环泵2，通过第二载冷剂将蓄热装置5中储存的热量送入蒸发换热制冰装置4中的释热吸热器11，第二载冷剂通过放热，使得紧贴搁板的冰融化，以此达到冰块与搁板的脱离，实现脱冰工艺。脱冰结束后，可以再次向冰槽搁板间注入水，进行制冰。至此一个制冰脱冰循环结束。

以上提到的低温低压、高温高压、高压、低压等关于温度、压力高低的描述，表示同一种制冷剂在制冰系统中不同装置中压力的相对变化，针对不同制冷剂种类，这些关于温度、压力高低的描述表示不同的压力、温度范围，本领域技术人员可根据具体制冷剂的种类特性进行调整，在此不再赘述。

本发明制冰系统通过设置蓄热装置以及蓄热回路，在提高冷凝散热器换热效率的同时，通过蓄热回路中的第一载冷剂将冷凝排热储存在蓄热装置中。蓄热装置中填充有相变储能材料，大大提高了蓄热装置的储热能力。而在脱冰阶段，通过释热回路中第二载冷剂将储存在蓄热装置中的热量带入蒸发换热制冰装置的冰槽搁板，使得冰块与搁板脱离，从而实现了冷凝排热的合理高效利用，满足节能减排的要求。本发明相比于传统制冰系统，省去了四通换向阀，不需要制冷系统的再次开启以及系统中蒸发器与冷凝器的切换，仅通过一液体循环泵就可以实现融冰脱冰，降低了制冷系统组件以及控制的复杂性，提高了制冰脱冰效率，由于循环泵的运行功率比压缩机小很多，这也大大降低了系统的运行能耗。

Claims (9)

1.一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，该制冰系统包括压缩机(1)、冷凝换热装置(2)、节流装置(3)、蒸发换热制冰装置(4)和蓄热装置(5)，所述冷凝换热装置(2)包括冷凝放热器(6)和蓄热吸热器(8)，所述蒸发换热制冰装置(4)包括蒸发制冰器(7)和释热放热器(10)，所述蓄热装置(5)包括蓄热放热器(9)和释热吸热器(11)；所述压缩机(1)、冷凝放热器(6)、节流装置(3)和蒸发制冰器(7)依次相连形成制冷回路(16)；所述蓄热吸热器(8)和蓄热放热器(9)相互连接形成蓄热回路(17)，所述释热吸热器(11)和释热放热器(10)相互连接形成释热回路(18)。

2.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述压缩机(1)为活塞压缩机、离心压缩机、螺杆压缩机和涡旋压缩机中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述冷凝换热装置(2)中，冷凝放热器(6)和蓄热吸热器(8)逆流设置；所述蒸发换热制冰装置(4)中，所述蒸发制冰器(7)和释热放热器(10)逆流设置；所述蓄热装置(5)中，蓄热放热器(9)和释热吸热器(11)逆流设置。

4.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述冷凝放热器(6)、蓄热吸热器(8)为板式换热器，蒸发制冰器(7)、释热放热器(10)、蓄热放热器(9)和释热吸热器(11)为盘管状换热器。

5.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述节流装置(3)为膨胀阀、毛细管、节流孔板和节流短管中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述蓄热装置(5)中填充有蓄热材料(19)，所述蓄热材料(19)为相变蓄能材料。

7.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述制冷回路(16)中，所述压缩机(1)、冷凝放热器(6)、节流装置(3)和蒸发制冰器(7)沿冷媒流动方向依次设置，所述冷媒为制冷系统用制冷剂。

8.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述蓄热回路中还包括蓄热循环泵(12)和蓄热调节阀(14)，所述蓄热吸热器(8)、蓄热调节阀(14)、蓄热放热器(9)和蓄热循环泵(12)沿第一载冷剂流动方向依次相连；所述第一载冷剂为凝固点低于0℃的流体。

9.根据权利要求1所述的一种带有蓄热脱冰装置的制冰系统，其特征在于，所述释热回路中还包括释热循环泵(13)和释热调节阀(15)，所述释热吸热器(11)、释热循环泵(13)、释热放热器(10)和释热调节阀(15)沿第二载冷剂流动方向依次相连；所述第二载冷剂为凝固点温度低于-12℃的流体。