CN110345665A - 一种含冰率可控的冰源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源技术领域，更具体地，涉及一种含冰率可控的冰源热泵系统。其包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。本发明不仅突破了传统水源热泵对于进水温度的限制，解决了传统机组在冬季因进水温度过低导致蒸发器结冰而无法工作的问题，而且实现了对系统中含冰率的控制，能够保证系统对相变潜热的最大利用，防止在冰浆输送过程中因含冰率过高而导致管道冻结堵塞。

Description

一种含冰率可控的冰源热泵系统

技术领域

本发明属于新能源技术领域，更具体地，涉及一种含冰率可控的冰源热泵系统。

背景技术

近几年我国积极发展水源热泵技术，并且建设了大量的利用江水、湖水等地表水以及地下水的水源热泵，起到了良好的节能减排效果，但是受地下水的限制，水源热泵的推广存在障碍。此外，水源热泵对于进水温度存在要求，对于低于4℃的地表水，在使用过程中可能会导致蒸发器结冰而自动停机。而我国北方冬季河流存在结冻现象，南方流量较小的河流以及面积较小的湖泊温度较低，不适合作为低温热源。

一种冰源热泵供能系统被提出并发展，该系统可利用过冷水作为低温热源，可利用过冷水在结冰过程中释放的相变潜热。比如中国专利CN106091077A公开的一种冰源热泵供能系统，该系统包括冰水混合物制备装置，其冰水混合物制备装置与冷凝器通过热量输送装置连接，使冰水混合物制备装置得到的相变潜热热量传输给冷凝器；该专利技术使过冷水部分结冰释放潜热，再利用乙二醇循环将低温热源的温差显热以及相变过程释放的潜热传输给热泵主机。该技术可以一定程度上解决低温热源利用困难的问题，同时降低了对水源的流量需求，但是在冰水混合物的制备过程中，冰水混合物中结冰量是随机的，实际运行时或者出现结冰量太少，相变潜热利用率太小；或者结冰量太大，出现冰堵现象，导致系统瘫痪。现有技术的供能系统不能有效解决潜热利用的比例控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含冰率可控的冰源热泵系统，其目的在于通过采用超声波促晶的方式解除冰水混合物制备装置中的过冷水的过冷状态，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰，由此解决现有技术的冰源热泵供能系统不能对潜热利用的比例进行有效控制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种含冰率可控的冰源热泵系统，包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；所述过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置构成循环回路；

工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，流经所述过冷水热交换器，通过该热交换器将获得的热量传递给供能热泵主机；

该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

优选地，所述超声波过冷解除装置包括壳体以及封装在所述壳体内部的超声波发生器，所述超声波过冷解除装置的进口与所述过冷水热交换器的出口相连，所述超声波过冷解除装置的出口与所述冰水混合物分离装置的进口相连。

优选地，所述超声波过冷解除装置为竖直放置，其进口管以水平方向导入该装置的内腔，其出口管以水平方向导出内腔，且所述进口管和出口管分别位于所述内腔的上下两端，其超声波发生器的发射面正对所述内腔的中心轴。

优选地，所述超声波过冷解除装置出口处还设置有压力传感器和流速传感器，用于监控所述超声波过冷解除装置出口管道内的压力和流速；同时在所述过冷水换热器和所述超声波过冷解除装置之间还设置有加热器，用于消除所述超声波过冷解除装置出口管道内的压力和流速不在预设范围内时的冰堵现象。

优选地，所述冰水混合物分离装置和所述过冷水热交换器之间还设置有预热器，所述预热器用于防止过冷水在所述过冷水热交换器中过早的发生相变而使换热器堵塞。

优选地，所述冰水混合物分离装置与所述预热器之间设置有冰晶过滤器；所述冰晶过滤器用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵；所述冰晶过滤器的进口与所述冰水混合物分离装置的出口相连，所述冰晶过滤器的出口与所述预热器的进口相连，所述预热器的出口与所述过冷水热交换器的进口相连。

优选地，该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置中超声波的频率、声强和/或超声波发生器的功率来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

优选地，根据系统循环性能系数COP或综合部分负荷性能系数IPLV确定系统最佳含冰率，系统COP循环性能系数或综合部分负荷性能系数IPLV达到最大值相对应的含冰率为最佳含冰率。

优选地，所述系统还包括热泵主机供能循环模块，该供能循环模块包括所述过冷水热交换器以及供能热泵主机；且所述冰水混合物制备循环模块与所述热泵主机供能循环模块共用该过冷水热交换器；

工作时，通过该换热器将从所述冰水混合物制备循环模块中获得的热量传递给所述供能热泵主机。

优选地，所述热泵主机供能循环模块的循环工质为乙二醇的水溶液。

优选地，所述过冷水热交换器为板式换热器。

优选地，所述过冷水热交换器与所述超声波过冷解除装置之间设置有冰晶传播阻断器，用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种含冰率可控的冰源热泵系统，采用超声波促晶的方式解除冰水混合物制备装置中的过冷水的过冷状态，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。通过控制含冰率，能够更大程度提高冰浆浓度以获得最大的相变潜热。

(2)本发明提供的含冰率控制系统采用的超声波过冷解除装置通过超声波使得过冷水中的水分子成核，当超声波振子产生超声波时，声波会辐射过冷水，在声强的膨胀作用下，液体中会产生部分气泡，气泡在声强的膨胀作用下会继续扩大，但在声强变化为压缩性质时，气泡会被急剧压缩，在压缩过程中，气泡会破裂，并且放出较大的能量，此过程将超声波的能量转化为高温高压，在高温高压作用下，使冷水中产生晶核。通过控制超声波的频率、声强以及超声波发生器的功率，能够对超声波的机械作用机制和热机制的效果达到良好的控制，实现对结冰过程中冰晶生成数量以及生成速率的有效控制，从而控制含冰率。

(3)本发明提供的含冰率控制系统通过在过冷水热交换器之前合适的位置设置预热器，将过冷水控制在合适的温度范围，并进一步设置冰晶过滤器，避免过冷水在热交换时过早发生相变而导致热交换过程发生冰堵。

(4)本发明提供的含冰率控制系统最大效率潜热利用时对应的含冰率可以通过计算得到，根据系统COP或综合部分性能系数IPLV可推算系统最佳含冰率，系统COP或综合部分性能系数IPLV最大值时对应的含冰率即为最佳含冰率。

(5)本发明提出的对制冰释放潜热过程中的含冰率进行控制，并具体通过利用超声波促晶的方式对冰水混合物制备过程中含冰率进行控制，有效解决了冰源热泵潜热利用的比例控制，保证了系统稳定正常运行，并且能够合理地利用相变潜热，减少所需低温热源供应量，提高了机组能效。

(6)本发明公开了一种基于冰源热泵系统含冰率控制系统，其包括超声波过冷解除装置为核心的冰水混合物制备系统、过冷水热交换器、乙二醇循环、热泵主机等装置；本发明将超声波可控制冰技术与热泵供能系统结合，利用中介循环将超声波制冰释放的热量供给热泵热源侧。其中过冷水在冰水混合物装置中发生结冰，释放相变潜热，超声波扰动制约结冰过程控制系统含冰率，过冷水热交换器与乙二醇循环将相变潜热以及温差热传输给主机。本发明不仅突破了传统水源热泵对于进水温度的限制，解决了传统机组在冬季因进水温度过低导致蒸发器结冰而无法工作的问题，而且实现了对系统中含冰率的控制，能够保证系统对相变潜热的最大利用，防止在冰浆输送过程中因含冰率过高而导致管道冻结堵塞。不仅实现了对相变潜热的最优利用，同时能够减少供热所需热源水量，节约了能源，保护了环境，使用该具有超声波促晶器控制含冰率的装置，能够明显提高制冰效率，克服了现有系统制冰效率低，制冰时间长的缺陷。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例提供的含冰率可控的冰源热泵系统构造示意图；

图2是本发明另一个优选实施例提供的含冰率可控的冰源热泵系统构造示意图；

图3是本发明优选实施例中超声波过冷解除装置构造示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-热泵主机；2-过冷水热交换器；3-超声波过冷解除装置；4-冰水混合物分离装置；5-预热器；6-循环泵；7-输送泵；8-第一温度传感器；9-第二温度传感器；10-冰晶传播阻断器；11-补水管；12-冰晶过滤器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了保证冰源热泵供能系统稳定正常运行，并且能够合理地利用相变潜热，减少所需低温热源供应量，提高机组能效，需要对制冰释放潜热过程中的含冰率控制。为追求获得更大热量时，需要提高系统中冰浆浓度以获得更大的相变潜热，而冰浆浓度提高可能导致在管道输送过程中出现冰堵的情况，并且冰浆浓度越高，冰浆的粘度越高，输送泵的能耗越高，会降低系统的能效。为此，本发明提出利用超声波促晶的方式对冰水混合物制备过程中含冰率进行控制。对冰源热泵供能系统中冰水混合物制备装置进行含冰率的控制，选用超声波促晶的方式解除冰水混合物制备装置中的过冷水的过冷状态。

具体来说，本发明提供的一种基于冰源热泵系统的含冰率控制系统，即一种含冰率可控的冰源热泵系统，包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置。所述过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置构成循环回路。

工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，流经所述过冷水热交换器，通过该热交换器将获得的热量传递给供能热泵主机。

通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

一些实施例中，所述超声波过冷解除装置包括壳体以及封装在所述壳体内部的超声波发生器，所述超声波过冷解除装置的进口与所述过冷水热交换器的出口相连，所述超声波过冷解除装置的出口与所述冰水混合物分离装置的进口相连。

一些实施例中，所述超声波发生器为超声波振子盒。所述壳体与所述超声波振子盒构成内腔，分别与进口管和出口管贯通，所述进口管与过冷水热交换器连接，所述出管口与冰水混合物分离装置连接。所述超声波过冷却解除器的内腔即为过冷解除的场所。

所述超声波过冷解除装置主要是通过超声波使得过冷水中的水分子成核，当超声波振子产生超声波时，声波会辐射过冷水，在声强的膨胀作用下，液体中会产生部分气泡，气泡在声强的膨胀作用下会继续扩大，但在声强变化为压缩性质时，气泡会被急剧压缩，在压缩过程中，气泡会破裂，并且放出较大的能量，此过程将超声波的能量转化为高温高压，在高温高压作用下，使冷水中产生晶核。

一些优选实施例中，所述超声波过冷解除装置为竖直放置，其进口管以水平方向导入内腔，其出口管也以水平方向导出内腔，且所述进口管和出口管分别位于所述内腔的上下两端，其超声波发生器发射面正对内腔的中心轴；如此设置以保证过冷水进入该装置内腔后会产生旋转，流体在整个装置内都将以螺旋流的形式旋转流过装置。超声波发生器即振子盒发射面正对内腔的中心轴，向过冷水发出交错的两个超声波辐射阵列，两个声波会具有干涉作用，当过冷水由上至下经历足够时间的超声波辐射后，即会有细小冰晶颗粒开始形成，达到底部即可生成足够的水合物冰浆，最后经出口管排出。

一些实施例中，所述超声波过冷解除装置出口处还设置有压力传感器和流速传感器，用于监控所述超声波过冷解除装置出口管道内的压力和流速；同时在所述过冷水换热器和所述超声波过冷解除装置之间还设置有加热器。当所述过冷水解除装置出口管道压力过大且流速过小，压力和流速不在预设的范围内时，表示所述超声波过冷解除装置内出现冰堵，此时可开启所述加热器融冰，待管道冰堵消除后，超声波过冷水解除装置继续工作。

本发明提供的含冰率控制系统可用于改良优化控制已有的冰源热泵供能系统，液态过冷水被送入冰水混合物制备装置，在超声波过冷解除装置中生成冰浆，由输送泵输送至冰水混合物分离装置中实施固液分离，分离后的液态水被送往预热器预热，之后进入过冷水热交换器进行换热，又经补水后送入冰水混合物制备装置，形成一个循环。

一些实施例中，所述冰水混合物分离装置和所述过冷水热交换器之间还设置有预热器。预热器的作用是防止进入过冷水热交换器的过冷水因为温度过低或者存在细小冰晶颗粒而在过冷水热交换器中提前结冰，从而发生堵塞热交换器的危险。

一些实施例中，预热器根据过冷水热交换器的进水口处的温度传感器所给的温度信号决定是否需要开启进行预热。

一些实施例中，所述冰水混合物分离装置与所述预热器之间设置有冰晶过滤器；所述冰晶过滤器用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵；所述冰晶过滤器的进口与所述冰水混合物分离装置的出口相连，所述冰晶过滤器的出口与所述预热器的进口相连，所述预热器的出口与所述过冷水热交换器的进口相连。

一些实施例中，所述冰水混合制备装置与所述冰晶传播阻断器之间有连接水源的补水管，为系统提供补水。

一些实施例中，所述过冷水热交换器与超声波过冷解除装置之间设有温度传感器，所述过冷水热交换器与所述预热器之间管道也设有温度传感器，温度传感器用于监测过冷水的温度。

一些实施例中，所述超声波过冷解除装置的出口连管装有制冰泵，用来输送冰浆。

该系统工作时，一些实施例中，通过控制所述超声波过冷解除装置中超声波的频率、声强和/或超声波发生器的功率来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

一些实施例中，可根据系统COP(coefficient of performance，系统循环性能系数)或综合部分负荷性能系数IPLV(integrated part load value，综合部分负荷性能系数)确定系统最佳含冰率，即系统COP或综合部分性能系数IPLV达到最大值相对应的含冰率为最佳含冰率。COP以及IPLV可根据常规冰源热泵系统中采用的计算方法获得。

一些实施例中，所述系统还包括热泵主机供能循环模块，该供能循环模块包括所述过冷水热交换器以及供能热泵主机；且所述冰水混合物制备循环模块与所述热泵主机供能循环模块共用该过冷水热交换器。工作时，通过该换热器将从所述冰水混合物制备循环模块中获得的热量传递给乙二醇循环，再通过乙二醇循环将热量传递给所述供能热泵主机。

一些实施例中，所述热泵主机供能循环模块的循环工质为乙二醇的水溶液。

本发明的含冰率控制系统中采用的过冷水热交换器可以为各种常用的热交换器，只要能将冰水混合物制备循环模块中获得的相变潜热传递给供能热泵主机即可。一些实施例中，所述过冷水热交换器为板式换热器，该板式换热器包括相互接触的两路热交换管道，其中一路热交换管道用于流经吸热后的液态水；另一路交换管道用于流经乙二醇水溶液循环工质，通过该热交换器将液态水中的热量传递给所述乙二醇水溶液循环工质，从而进一步传递给供能热泵主机。

一些实施例中，所述过冷水热交换器与所述超声波过冷解除装置之间设置有冰晶传播阻断器，用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵。本发明采用的冰晶传播阻断器为现有技术通常采用的冰晶传播阻断器，可通过市购获得，利用防止冰晶生成传播机理用于防止冰晶传播，也可称之为冰晶防阻断器或冰晶传播隔断器。

一些实施例中，冰晶传播阻断器是防止冰晶向循环的反方向扩散，导致在超声波过冷解除装置之前发生冰堵，同时也是为了保证过冷水换热器不冰堵；冰晶过滤器的作用是进行二次过滤，以防止冰水混合物分离装置中冰晶过滤不完全。

本发明提供的基于冰源热泵系统的含冰率控制系统与供能系统热泵主机构成两个循环回路。所述过冷水热交换器的一个换热通道与所述供能系统热泵主机内蒸发器相连构成供热循环，该循环的作用是把过冷水热交换器从过冷水侧获得的热量传递给供能热泵主机，其中一些实施例中，该循环的循环工质为15％质量分数的乙二醇溶液；过冷水热交换器的另一个换热通道与超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置、预热器相连构成热源循环，过冷水热交换器的进口与预热器出口相连，过冷水热交换器出口与超声波过冷解除装置进水口相连，超声波过冷解除装置出水口与冰水混合物分离装置进口相连，冰水混合物分离装置出口与预热器进水口相连，其中一些实施例中，所述冰水混合分离装置与预热器之间需要增加冰晶过滤器，防止未分离冰晶进入过冷水热交换器，冻结堵塞，该循环作用是利用过冷水在超声波过冷解除装置中解除过冷状态，发生部分结冰，释放潜热，通过该循环过程将低温过冷水中的热量在过冷水热交换器中传递给乙二醇工质。此外，在两个循环回路中，分别包含各自的输送泵，为循环回路提供动力。

本发明基于已有的一种冰源热泵供能系统，该系统能够利用低温过冷水作为热源，但是该技术缺少对冰水混合物制备中冰浆浓度(即含冰率)控制手段。本发明采用超声波促晶的方式，可有效控制含冰率，从而可提高系统能效。

本发明的目的是：在冰源热泵供能系统可利用低温热源基础上，提高系统向负荷侧提供的热量，同时降低系统能耗，以进一步提高系统能效，并保障系统的稳定运行。系统的热量：

Q＝CL(Δt+Δt₁)η

其中，C--制冰侧流体的比热容

L--制冰侧循环的流量

Δt₁--超声波过冷解除装置进出水温差

Δt--预热器预热时的温升

η--乙二醇循环以及热泵主机总的换热效率

系统最终可提供给末端热量取决于过冷水热交换器的进出水温差，该处的温差来源于超声波过冷解除装置进出水温差Δt₁和预热器预热时的温升Δt，超声波过冷解除装置进出水温差取决于其中过冷水相变的比例，出口冰浆浓度越高，则温差越大，即能够从源侧输送给主机的热量越多，但是冰浆浓度升高，则会导致冰水混合物的粘度增大，使循环泵所在管路的水力损失增大，从而增加整个系统的能耗，此外，冰浆浓度越高，冰水混合物制造循环越容易出现冰堵现象，采用超声波过冷解除的方式进行冰浆浓度的控制可以实现动态制冰，保障机组稳定运行。在超声波过冷解除装置中，过冷水在超声波的热机制作用下，系统温度升高，系统的自由能会随温度升高而降低，由于液相比热较固相大，因此液相的自由能下降速率比固相大，当固液两相的自由能相等时，系统处于固液共存状态，当自由能继续降低，液相自由能低于固相时，即达到了结冰成核的热力学条件。

在超声波的机械机制作用下，系统介质由于受到高频声波的拉伸与挤压，系统介质产生质点振动，增大了传质速率，同时由于超声波的引起的流体搅动流动，能够增大流体的换热与传质，破坏传热边界层。

控制超声波的频率、声强以及超声波发生器的功率，能够对超声波两种作用机制的效果达到良好的控制，通过对以上三个因素的控制，实现对结冰过程中冰晶生成数量以及生成速率的有效控制，从而控制含冰率。

针对不同规模的机组，其管路构成不同，相应系统的制冰循环泵能耗也不同，不同工况下，管路所能够承受的最大冰浆浓度也不同，因此，采用此冰浆浓度控制技术可以根据不同机组的工况规模，控制系统的含冰率，采用实验测试不同含冰率下系统能效的方法，使系统能效达到最佳。如根据目前某机组的实验数据分析，得到该机组的最佳含冰率为5％，在此含冰率下，系统效率最高。

一些优选实施例中，通过从冰水混合物分离装置出来的水被送到预热器中预热到0.5℃，之后进入过冷水热交换器中被冷却到-2～-1.5℃，-2～-1.5℃的过冷水经过冷水热交换器出来后经过补水，进入超声波过冷解除装置再次进行相变，完成一个循环。而在另一侧，经预热器预热至0.5℃的液体被送入过冷水热交换器换热降温至-2～-1.5℃，其热量在热交换器中被传递给中介循环的工质15％分数的乙二醇溶液，其工况为-1℃～-3℃。

以下为实施例：

一个优选实施例中，如图1所示，一种含冰率可控的冰源热泵系统，包括依次首尾相连的过冷水热交换器2、超声波过冷解除装置3、冰水混合物分离装置4、预热器5，在超声波过冷解除装置3与冰水混合物分离装置4之间装有输送泵7。

在另一侧，包括过冷水热交换器2与热泵主机1首尾相连构成的换热中介循环，之间装有循环泵6。

另一个优选实施例中，如图2所示，一种基于冰源热泵系统的含冰率控制系统，包括首尾依次相连的过冷水热交换器2、超声波过冷解除装置3、冰水混合物分离装置4、预热器5，过冷水热交换器2与超声波过冷解除装置3之间装有第一温度传感器8以及冰晶传播阻断器10，过冷水热交换器2与预热器5之间也装有第二温度传感器9，在超声波过冷解除装置3与冰水混合物分离装置4之间装有输送泵7。

冰水混合物分离装置4与预热器5之间设置有冰晶过滤器12；冰晶过滤器12用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器2内发生冰堵。冰晶过滤器12为膜过滤固液分离装置。

如图3所示，超声波过冷解除装置3包含壳体31和所述超声波振子盒32形成内腔，该内腔与进口管33、出口管34贯通，所述进口管33与过冷却热交换器连接，出口管34与输送泵连接。

在另一侧，包括过冷水热交换器2与热泵主机1首尾相连构成的换热中介循环，之间装有循环泵6。

本发明所述装置系统包括四个重要组成部分，过冷水热交换器、超声波过冷解除装置、预热器、冰水混合物分离装置。上述装置与供能系统热泵主机构成两个循环回路，所述过冷水热交换器的一个换热通道与所述供能系统热泵主机的冷凝器相连构成供热循环，该循环的作用是把过冷水热交换器从过冷水侧获得的热量传递给供能热泵主机，其中该循环的循环工质为15％质量分数的乙二醇溶液；过冷水热交换器的另一个换热通道与超声波过冷解除装置、冰水混合物分离装置、预热器相连构成热源循环，过冷水热交换器的进口与预热器出口相连，过冷水热交换器出口与超声波过冷解除装置进水口相连，超声波过冷解除装置出水口与冰水混合物分离装置进口相连，冰水混合物分离装置与预热器进水口相连，其中所述冰水混合分离装置与预热器之间需要增加冰晶过滤器，防止未分离冰晶进入过冷水热交换器，使其发生冷冻堵塞，该循环作用是利用过冷水在超声波过冷解除装置中解除过冷状态，发生部分结冰，释放潜热，通过该循环过程将低温过冷水中的热量在过冷水热交换器中传递给乙二醇工质。此外，在两个循环回路中，分别包含各自的输送泵，为循环回路提供循环动力。

其中过冷水热交换器2为板式换热器，预热器5为板式或者套管式换热器。

其中超声波过冷解除装置3在工作时竖直放置，在过冷水热交换器2中换热降温的过冷水由进口管33进入超声波过冷解除装置3，由于进口管33是以水平切向方向导入内腔，过冷水进入装置内部会产生旋转，由于出管口也是以水平切向方向导出内腔，因此，流体在整个装置内都将以螺旋流的形式旋转流过装置。超声波振子盒32发射面正对内腔的中心轴，向过冷水发出交错的两个超声波辐射阵列，当过冷水由上至下经历足够时间的超声波辐射后，即会有细小冰晶颗粒开始形成，达到底部即可生成足够的水合物冰浆，最后经出口管34排出。

通过控制超声波的频率、声强以及超声波发生器的功率实现超声波热作用与机械作用两种机制对影响促晶成核的控制，通过对以上三个因素的控制，实现对结冰过程中冰晶生成数量以及生成速率的有效控制，从而控制含冰率。系统最佳含冰率最佳根据实验测试结果，由系统COP或综合部分性能系数IPLV最大值时对应的含冰率确定。

从水源取得的过冷水首先经过滤之后经超声波过冷解除装置3解除过冷状态后，生成冰浆经出口管34送出，其出口温度由相变比例即含冰率和取水源温度决定，生成的冰水混合物被输送泵输送至冰水混合物分离装置4，从冰水混合物分离装置4出来的水被送到预热器5中预热到0.5℃，之后进入过冷水热交换器2中被冷却到-2℃，-2℃的过冷水经过冷水热交换器2出来后经过补水，进入超声波过冷解除装置3再次进行相变，完成一个循环。

而在另一侧，经预热器5预热至0.5℃的液体被送入过冷水热交换器2换热降温至-2℃，其热量在热交换器中被传递给中介循环的工质15％分数的乙二醇溶液，其工况为-1℃～-3℃。

预热器5的作用是防止进入过冷水热交换器2的过冷水因为温度过低或者存在细小冰晶颗粒而在过冷水热交换器2中提前结冰，从而发生堵塞热交换器的危险。预热器5根据过冷水热交换器2的进水口出的温度传感器9所给的温度信号决定是否需要开启进行预热，若温度传感器9处监测温度低于0.2℃，则发出预热指令。

过冷水热交换器2与超声波过冷解除装置3连管上的第一温度传感器8用于控制过冷水在过冷水热交换器2出口的过冷度，使之保持过冷度为2℃。

在系统开始稳定循环时，利用上述的第一温度传感器8控制过冷水热交换器2出口的过冷度，同时在此处引入补水管11，补充系统因为分离冰浆造成的液体流失，同时此时超声波过冷解除装置3出水温度由含冰率决定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含冰率可控的冰源热泵系统，其特征在于，包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；所述过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置构成循环回路；

工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，流经所述过冷水热交换器，通过该热交换器将获得的热量传递给供能热泵主机；

该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

2.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述超声波过冷解除装置包括壳体以及封装在所述壳体内部的超声波发生器，所述超声波过冷解除装置的进口与所述过冷水热交换器的出口相连，所述超声波过冷解除装置的出口与所述冰水混合物分离装置的进口相连。

3.如权利要求2所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述超声波过冷解除装置为竖直放置，其进口管以水平方向导入该装置的内腔，其出口管以水平方向导出内腔，且所述进口管和出口管分别位于所述内腔的上下两端，其超声波发生器的发射面正对所述内腔的中心轴。

4.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述冰水混合物分离装置和所述过冷水热交换器之间还设置有预热器，所述预热器用于防止过冷水在所述过冷水热交换器中过早的发生相变而使换热器堵塞。

5.如权利要求4所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述冰水混合物分离装置与所述预热器之间设置有冰晶过滤器；所述冰晶过滤器用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵；所述冰晶过滤器的进口与所述冰水混合物分离装置的出口相连，所述冰晶过滤器的出口与所述预热器的进口相连，所述预热器的出口与所述过冷水热交换器的进口相连。

6.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置中超声波的频率、声强和/或超声波发生器的功率来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

7.如权利要求6所述的冰源热泵系统，其特征在于，根据系统循环性能系数或综合部分负荷性能系数确定系统最佳含冰率，系统循环性能系数或综合部分负荷性能系数达到最大值相对应的含冰率为最佳含冰率。

8.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述系统还包括热泵主机供能循环模块，该供能循环模块包括所述过冷水热交换器以及供能热泵主机；且所述冰水混合物制备循环模块与所述热泵主机供能循环模块共用该过冷水热交换器；

工作时，通过该换热器将从所述冰水混合物制备循环模块中获得的热量传递给所述供能热泵主机。

9.如权利要求8所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述热泵主机供能循环模块的循环工质为乙二醇的水溶液。

10.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述过冷水热交换器与所述超声波过冷解除装置之间设置有冰晶传播阻断器，用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵。