CN109945565A - 气-液直接接触式流态冰制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气‑液直接接触式流态冰制备系统，包括循环制冷系统和流态冰制备系统，循环制冷系统包括制冷压缩机、冷凝器和蒸发器，制冷压缩机与冷凝器相连，冷凝器的出口管道分为两路，一路与高温蒸发器相连，另一路与低温蒸发器相连，高温蒸发器与低温蒸发器的出口通过汇合管线与制冷压缩机相连；流态冰制备系统包括风管、风机、喷嘴和蓄冰桶，风管的一端与蓄冰桶的顶部相连，另一端与蓄冰桶上部高于液面的内部空间连通；蓄冰桶的底部设有冰水过滤器，冰水过滤器与循环泵相连，循环泵与喷嘴相连。该系统通过循环制冷系统获得低温制冰冷却气体，低温制冰冷却气体将液滴或水雾包围，且迅速冷却到冰点，生成细小的冰晶，即完成了流态冰的制备。
Description
技术领域
本发明属于流态冰制取领域，具体涉及一种气-液直接接触式流态冰制备系统。
背景技术
直接接触法流态冰制备技术是应用直接接触式换热使制冷剂/载冷剂与水直接接触换热，使水降温结晶形成冰晶颗粒，直接接触式有液-液直接接触式和气-液直接接触式两种。液-液直接接触式采用与水互不相容且比重大于水的制冷剂/载冷剂作为低温冷煤，低温冷煤与水直接接触换热后在重力作用下掉落于流态冰发生器底部，与流态冰分离。目前，对于液-液直接接触式流态冰制备技术的研究已较为成熟，然而，以液体作为载冷剂不仅存在载冷剂与制冰溶液之间的分离问题，设置相应的分离装置还会增加系统初投与复杂度，而以气体代替液体作为载冷剂，可以避免液体载冷剂所带来的分离问题。以气体作为载冷剂的气-液直接接触式动态制冰技术尚处于起步阶段，目前气体载冷剂大多采用空气、氮气、二氧化碳等环保型气体，具有一定的环保意义和经济性。气体载冷剂通过喷嘴以气泡形式与制冰溶液之间进行直接接触换热，不仅可增大换热面积，由于气体扩散迅速，也可避免局部过冷，使制冰溶液温度均匀，从而有效防止冰堵。
但是，现有的气-液直接接触式流态冰制备技术存在两个主要问题：一是将气体直接通入到液体中，气体在液体中以气泡的形式与液体直接接触换热，然后从液体中克服液柱的静压挣脱出来，这将导致空气阻力大、风机功率高、风压大等问题，然而阻力大就导致风量小，使制冰效率低；风机功率高导致能耗高，而且风机的发热量非常大，空气经过风机后温度升高很快，增加了制冷系统的能耗。二是从液体中挣脱出来的空气含湿量高，一般需要采用干燥器来干燥空气，干燥器增加了空气阻力，使风量降低，干燥器的利用还存在干燥器的再生问题，增加了系统复杂性和成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种气-液直接接触式流态冰制备系统，以解决现有的流态冰制备系统因气体在液体中以气泡的形式与液体直接接触换热而从液体中挣脱出来需克服液柱的静压，同时挣脱出来的气体含湿量高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种气-液直接接触式流态冰制备系统，包括制冷系统和流态冰制备系统；所述制冷系统包括制冷压缩机、冷凝器和蒸发器，所述制冷压缩机的出口通过管道与冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口管道分为两路，一路通过高温节流阀与高温蒸发器的进口相连，另一路通过低温节流阀与低温蒸发器的进口相连，所述高温蒸发器的出口与所述低温蒸发器出口通过汇合管线与所述制冷压缩机的进口相连；
所述流态冰制备系统包括风管、风机、喷嘴和蓄冰桶，所述风管的一端与蓄冰桶的顶部相连，所述风管上依次连接所述风机、高温蒸发器和低温蒸发器，所述风管的另一端通过蓄冰桶侧壁与蓄冰桶上部高于液面的内部空间连通；所述蓄冰桶的底部设置有冰水过滤器，所述冰水过滤器的出口设有一循环泵，该循环泵通过管道由蓄冰桶的顶部接入蓄冰桶内，且该管道出口端设有所述喷嘴。
采用上述方案，本发明提供的气-液直接接触式流态冰制备系统包括循环制冷系统和流态冰制备系统，从制冷压缩机中出来的制冷剂经过冷凝器进行冷凝降温，经冷凝器降温的低温液态制冷剂分别流向两路的节流阀，经过节流阀后变为低温低压的气态制冷剂，该气态制冷剂分别在高温蒸发器和低温蒸发器内用于与制冰冷却的气体介质进行换热，将冷量传递给该气体介质，使进行热交换的制冰冷却的气体介质冷凝降温，而从高温蒸发器和低温蒸发器流出的低温低压气态制冷剂通过汇合管线流入制冷压缩机内，这样便形成循环制冷，循环制冷系统的作用是为流态冰制备系统提供冷源；
流态冰制备系统中的风管通过风机从蓄冰桶顶部抽出制冰冷却的气体，该气体可以是空气、氮气或其他惰性气体，在风管的吸风口出处最好设有挡水板，以防止喷淋出的水珠被带走，该制冰冷却的气体通过风管依次进入高温蒸发器和低温蒸发器，制冰冷却的气体在两个蒸发器中与制冷剂进行热交换后，被冷凝到0℃以下；此时，从低温蒸发器出来的低温制冰冷却气体介质回流到蓄冰桶的液面以上，低温制冰冷却气体迅速充满液面上部空间，而蓄冰桶底部的液体在循环泵的作用下通过管道从喷嘴处自上而下喷出细小的液滴或水雾，且该液滴或水雾于低温气体的包围中，被迅速冷却到冰点，生成细小的冰晶，冰晶在重力作用下掉进蓄冰桶中，由于冰的比重比液体小，冰晶浮在液面上。低温气体与液滴之间进行直接接触换热，不仅可以增大换热面积，而且由于气体扩散迅速，还可避免局部过冷，使温度分布均匀。蓄冰桶下部的液体经过底部的过滤网进行冰水分离后被循环泵抽出，通过管道送入蓄冰桶顶部的喷淋系统，直到蓄冰桶内的液体全部生成流态冰，蒸发系统停止运行。其中，蓄冰桶内的液体可以为自来水或乙二醇水溶液或纳米流体，其中纳米流体是以自来水为基夜，以氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、氧化铜、三氧化二铝、二氧化钛、四氧化三铁纳米粒子以及它们的混合物为添加剂。
其中，高温蒸发器的作用是除去制冰冷却气体中的水分得到干燥的气体并进行预冷，防止带水的制冰冷却气体在高温蒸发器翅片侧结冰，低温蒸发器的作用是使气体降到0℃以下，得到低温气体。本发明中采用两个蒸发器，形成对制冰冷却气体介质的两级冷凝，可以避免只采用一个蒸发器而需要得到低温制冰冷却气体，由于蒸发温度很低，制冰冷却气体中的水分析出后会在换热器表面结冰，堵塞空气流道，使传热恶化的问题。高温蒸发器实际上起到干燥制冰冷却气体的作用，现有的方案是采用干燥器来干燥，由于干燥器的阻力很大，增加了制冰冷却气体流动阻力，而且干燥器吸满水后就不能继续用了，需要再生后才能用，而且还需要增加一套再生系统，从而增加了系统复杂性和设备成本。
进一步，高温蒸发器的底部和低温蒸发器底部均设置有一根冷凝管道，且两根冷凝管道通过汇合冷凝水管由蓄冰桶的底部接入蓄冰桶内。这样当制冰冷却气体在高温蒸发器和低温蒸发器进行换热后，使制冰冷却气体中的水分析出为液态水，能够及时流回到蓄冰桶中，防止在换热器表面结冰，堵塞空气流道。
进一步，所述蓄冰桶的底部通过管道连接有另一循环泵，所述循环泵的出口通过用冷设备入口阀与用冷设备的进口相连，所述用冷设备的回流口通过管道与所述冰水过滤器连接的管道汇合接入所述喷嘴。这样用冷设备可以直接连通制冰系统，且用冷设备出口的液体又流回到喷嘴处进行制冰，循环使用，更加环保。
进一步，本发明中采用的风机为高静压风机，高静压风机的静压越大，送风扬程就越大，从而可以保证蓄冰桶内的制冰冷却气体被风机抽出。
进一步，所述风机与高温蒸发器之间设有涡轮流量计。这样可以通过涡轮流量剂根据实际的需要调节制冰冷却气体的流速。
以现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的气-液直接接触式流态冰制备系统通过循环制冷系统提供冷量，通过风机从蓄冰桶内抽出制冰冷却气体，该制冰冷却气体经过循环制冷系统中的两个蒸发器进行换热，得到低温制冰冷却气体，低温制冰冷却气体被送到蓄冰桶的液面以上，而喷嘴喷出的细小液滴或水雾被低温制冷冷却气体包围，且迅速冷却到冰点，生成细小的冰晶，冰晶在重力作用下掉进蓄冰桶中，由于冰的比重比液体小，冰晶浮在液面上，从而完成了流态冰的制备。本发明是通过循环制冷系统获得低温制冰冷却气体，低温制冰冷却气体再与液滴之间进行直接换热，不仅可以增大换热面积，且由于气体扩散迅速，还可避免局部过冷，使温度分布均匀，解决了现有的流态冰制备系统因气体在液体中以气泡的形式与液体直接接触换热而从液体中挣脱出来需克服液柱的静压，同时挣脱出来的气体含湿量高的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记为：1制冷压缩机、2冷凝器、3高温节流阀、4低温节流阀、5低温蒸发器、6高温蒸发器、7风管、8风机、9涡轮流量计、10喷嘴、11蓄冰桶、12冰水过滤器、13循环泵、14调节阀、15冷凝水管、16流态冰、17液体、18用冷设备入口阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明方法进行详细说明。
如图1所示：本发明提供了一种气-液直接接触式流态冰制备系统，包括制冷系统和流态冰制备系统；所述制冷系统包括制冷压缩机1、冷凝器2和蒸发器，所述制冷压缩机1的出口通过管道与冷凝器2的进口相连，所述冷凝器2的出口管道分为两路，一路通过高温节流阀3与高温蒸发器6的进口相连，另一路通过低温节流阀4与低温蒸发器5的进口相连，所述高温蒸发器6的出口与所述低温蒸发器5出口通过汇合管线与所述制冷压缩机1的进口相连；
所述流态冰制备系统包括风管7、风机8、喷嘴10和蓄冰桶11，所述风管7的一端与蓄冰桶11的顶部相连，所述风管7上依次设置有风机8、高温蒸发器6和低温蒸发器5，所述风管7的另一端通过蓄冰桶11侧壁与蓄冰桶11上部高于液面的内部空间连通；述蓄冰桶11的底部设置有冰水过滤器12，所述冰水过滤器12的出口设有一循环泵13，该循环泵13通过管道由蓄冰桶11的顶部接入蓄冰桶11内，且该管道出口端设有所述喷嘴10。
采用上述方案，本发明提供的气-液直接接触式流态冰制备系统包括循环制冷系统和流态冰制备系统，从制冷压缩机中出来的制冷剂经过冷凝器进行冷凝降温，经冷凝器降温的低温液态制冷剂分别流向两路的节流阀，经过节流阀后变为低温低压的气态制冷剂，该气态制冷剂分别在高温蒸发器和低温蒸发器内用于与制冰冷却的气体介质进行换热，将冷量传递给该气体介质，使进行热交换的制冰冷却的气体介质冷凝降温，而从高温蒸发器和低温蒸发器流出的低温低压气态制冷剂通过汇合管线流入制冷压缩机内，这样便形成循环制冷，循环制冷系统的作用是为流态冰制备系统提供冷源；
流态冰制备系统中的风管通过风机从蓄冰桶顶部抽出制冰冷却的气体，该气体可以是空气、氮气或其他惰性气体，在风管的吸风口处最好设有挡水板，以防止喷淋出的水珠被带走，该制冰冷却的气体通过风管依次进入高温蒸发器和低温蒸发器，制冰冷却的气体在两个蒸发器中与制冷剂进行热交换后，被冷凝到0℃以下；此时，从低温蒸发器出来的低温制冰冷却气体介质回流到蓄冰桶的液面以上，低温制冰冷却气体迅速充满液面上部空间，而蓄冰桶底部的液体在循环泵的作用下通过管道从喷嘴处自上而下喷出细小的液滴或者水雾，且该液滴或水雾处于低温气体的包围中，被迅速冷却到冰点，生成细小的冰晶，冰晶在重力作用下掉进蓄冰桶中，由于冰的比重比液体小，冰晶浮在液面上。低温气体与液滴之间进行直接接触换热，不仅可以增大换热面积，而且由于气体扩散迅速，还可避免局部过冷，使温度分布均匀。蓄冰桶下部的液体经过底部的过滤网进行冰水分离后被循环泵抽出，通过管道送入蓄冰桶顶部的喷淋系统，直到蓄冰桶内的液体全部生成流态冰，蒸发系统停止运行。其中，蓄冰桶内的液体可以为自来水或乙二醇水溶液或纳米流体，其中纳米流体是以自来水为基夜，以氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、氧化铜、三氧化二铝、二氧化钛、四氧化三铁纳米粒子以及它们的混合物为添加剂。
本发明高温蒸发器的作用是除去制冰冷却气体中的水分得到干燥的气体并进行预冷，防止带水的制冰冷却气体在高温蒸发器翅片侧结冰，低温蒸发器的作用是使气体降到0℃以下，得到低温气体。本发明中采用两个蒸发器，形成对制冰冷却气体介质的两级冷凝，可以避免只采用一个蒸发器而需要得到低温制冰冷却气体，由于蒸发温度很低，制冰冷却气体中的水分析出后会在换热器表面结冰，堵塞空气流道，使传热恶化的问题。高温蒸发器实际上起到干燥制冰冷却气体的作用，现有的方案是采用干燥器来干燥，由于干燥器的阻力很大，增加了制冰冷却气体流动阻力，而且干燥器吸满水后就不能继续用了，需要再生后才能用，而且还需要增加一套再生系统，从而增加了系统复杂性和设备成本。
其中，高温蒸发器6的底部和低温蒸发器底部5均设置有一根冷凝管道，且两根冷凝管道通过汇合冷凝水管15由蓄冰桶11的底部接入蓄冰桶11内。这样当制冰冷却气态水，能够及时流回到蓄冰桶中，防止在换热器表面结冰，堵塞空气流道。
其中，所述蓄冰桶11的底部通过管道连接有另一循环泵13，所述循环泵13的出口通过用冷设备入口阀18与用冷设备的进口相连，所述用冷设备的回流口通过管道与所述冰水过滤器12连接的管道汇合接入所述喷嘴10。这样用冷设备可以直接连通制冰系统，且用冷设备出口的液体又流回到喷嘴处进行制冰，循环使用，更加环保。
其中，本发明中采用的风机8为高静压风机，高静压风机的静压越大，送风扬程就越大，从而可以保证蓄冰桶内的制冰冷却气体被风机抽出。
其中，所述风机8与高温蒸发器6之间设有涡轮流量计9。这样可以通过涡轮流量剂根据实际的需要调节制冰冷却气体的流速。
其中，冰水过滤器12连接的管路上和用冷设备出口的管道上均可设置调节阀14，这样可以通过控制蓄冰桶内的液体和用冷设备出口的液体进入管道从而根据实际需求制备流态冰。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种气-液直接接触式流态冰制备系统，其特征在于，包括循环制冷系统和流态冰制备系统；所述循环制冷系统包括制冷压缩机(1)、冷凝器(2)和蒸发器，所述制冷压缩机(1)的出口通过管道与冷凝器(2)的进口相连，所述冷凝器(2)的出口管道分为两路，一路通过高温节流阀(3)与高温蒸发器(6)的进口相连，另一路通过低温节流阀(4)与低温蒸发器(5)的进口相连，所述高温蒸发器(6)的出口与所述低温蒸发器(5)出口通过汇合管线与所述制冷压缩机(1)的进口相连；
所述流态冰制备系统包括风管(7)、风机(8)、喷嘴(10)和蓄冰桶(11)，所述风管(7)的一端与蓄冰桶(11)的顶部相连，所述风管(7)上依次连接所述风机(8)、高温蒸发器(6)和低温蒸发器(5)，所述风管(7)的另一端通过蓄冰桶(11)侧壁与蓄冰桶(11)上部高于液面的内部空间连通；所述蓄冰桶(11)的底部设置有冰水过滤器(12)，所述冰水过滤器(12)的出口设有一循环泵(13)，该循环泵(13)通过管道由蓄冰桶(11)的顶部接入蓄冰桶内，且该管道出口端设有所述喷嘴(10)。
2.根据权利要求1所述的气-液直接接触式流态冰制备系统，其特征在于，所述高温蒸发器(6)的底部和所述低温蒸发器(5)底部均设置有一根冷凝管道，且两根冷凝管道通过汇合冷凝水管(15)由蓄冰桶(11)的底部接入蓄冰桶(11)内。
3.根据权利要求1所述的气-液直接接触式流态冰制备系统，其特征在于，所述蓄冰桶(11)的底部通过管道连接有另一循环泵(13)，该循环泵(13)的出口通过用冷设备入口阀(18)与用冷设备的进口相连，所述用冷设备的回流口通过管道与所述冰水过滤器(12)连接的管道汇合接入所述喷嘴(10)。
4.根据权利要求1所述的气-液直接接触式流态冰制备系统，其特征在于，所述蓄冰桶(11)内装有液体，所述液体为自来水或乙二醇水溶液或纳米流体。
5.根据权利要求1所述的气-液直接接触式流态冰制备系统，其特征在于，所述风机(8)为高静压风机。
6.根据权利要求1所述的气-液直接接触式流态冰制备系统，其特征在于，所述风机(8)与高温蒸发器(6)之间设有涡轮流量计(9)。
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