CN110500833B - 一种直接接触式流态冰浆制取器及制取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接接触式流态冰浆制取器及制取方法，直接接触式流态冰浆制取器包括冰浆制取筒和喷嘴组，冰浆制取筒具有冰浆出口；喷嘴组包括用于喷射载冷剂的载冷剂喷嘴和用于喷射制冰工质的制冰工质喷嘴，载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均设置在所述冰浆制取筒上，载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴对置布置以使输入的载冷剂和制冰工质正对碰撞；载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均位于冰浆出口上方，以使得相应喷嘴在工作时位于冰浆层上方。相应喷嘴喷射的载冷剂与制冰工质正对碰撞，提高两者混合程度，提高传热效率。同时，冰晶在混合碰撞过程中，形状会变得更加圆滑，大小也会变得更加均匀，减少了冰浆流动阻力，使冰浆具有更好的流动性，降低输运负荷。

Description

一种直接接触式流态冰浆制取器及制取方法

技术领域

本发明属于流态冰浆制备技术领域，具体涉及一种直接接触式流态冰浆制取器及制取方法。

背景技术

流态冰浆是一种微细冰晶颗粒与水溶液的混合物，良好的流动性、传热性、储能性使流态冰浆成为一种理想的储冷及输冷介质，在许多领域均展现出了特有的优势，应用较为广泛。目前，流态冰浆的制取方法主要有：刮削法、过冷水法、真空法、流化床法及直接接触法等，其中，直接接触法换热效率最高，能耗相对较低，且制冰设备结构简单、安全性高、不易形成冰堵，是一种较为理想的冰浆制备技术。

现有的直接接触式制冰设备多是将低温的气态或液态载冷剂输入水溶液中，冷却水溶液以得到流态冰浆，如授权公告号为CN102927730B的中国发明专利中公开的直接接触式冰浆制取装置，将气态载冷剂输入冰浆制取器中，气态载冷剂与冰浆制取器中的水混合后生成冰浆；亦或者如授权公告号为CN205245634U的中国实用新型专利中公开的接触法制取冰浆装置，低温载冷剂由水泵泵送，并经喷嘴喷射入冰浆发生室中，低温载冷剂与冰浆发生室中的水直接接触，水被冷却至冰点以形成冰浆。

由上述可知，现有直接接触式制冰设备是将载冷剂通入水中，将水冷却而形成冰浆，水是静态预存在冰浆发生器中，载冷剂以一种弥散、扩张的方式与水接触而实现热传递，通入水中的载冷剂流动性不好，这就导致载冷剂往往仅与部分水直接接触，容易出现部分水不能与低温载冷剂直接接触的问题，冷却时需要依靠生成的冰浆进行热传递而进行二次冷却，冷却效率低，影响制冰效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接接触式流态冰浆制取器，以解决现有技术中将载冷剂通入冰浆制取器的水中时容易出现部分水不能与载冷剂直接接触进而影响制冰效率的问题；同时，本发明还提供一种直接接触式流态冰浆制取方法，以解决现有技术中将载冷剂通入水中时容易出现部分水不能与载冷剂直接接触进而影响制冰效率的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的直接接触式流态冰浆制取器的技术方案是：一种直接接触式流态冰浆制取器，包括冰浆制取筒和喷嘴组，所述冰浆制取筒，具有冰浆出口；所述喷嘴组，包括用于喷射载冷剂的载冷剂喷嘴和用于喷射制冰工质的制冰工质喷嘴，所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均设置在所述冰浆制取筒上，所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴对置布置以使输入的载冷剂和制冰工质正对碰撞；所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均位于所述冰浆出口上方，以使得载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴在工作时位于冰浆层上方。

有益效果是：本发明所提供的流态冰浆制取器中，载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴对置布置，载冷剂喷嘴喷射的载冷剂与制冰工质喷嘴喷射的制冰工质正对碰撞，大量的制冰工质能够与载冷剂直接接触，有效提高两者的混合程度，增大接触面积，而且，混合的两者一起下落，可进一步提高两者的接触面积及接触时间，提高传热效率，进而提高制冰效率。同时，生成的冰晶在混合碰撞过程中，形状会变得更加圆滑、大小也会变得更加均匀，减少了冰浆在输运过程中的流动阻力，使冰浆具有更好的流动性，从而降低冰浆输运的负荷，进而大幅提高整个系统的经济性能。

进一步地，所述冰浆制取筒沿上下方向延伸，所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴的出射方向与所述上下方向垂直布置。

有益效果是：载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴的出射方向与上下方向垂直布置，保证正对碰撞时，射流流体充分接触。

进一步地，所述喷嘴组在冰浆制取筒轴向上设置一层或沿冰浆制取筒轴向间隔分布有至少两层，每层布置一组所述的喷嘴组，或者每层沿冰浆制取筒周向间隔均布有至少两组所述的喷嘴组。

进一步地，直接接触式流态冰浆制取器还包括振动装置，用于对冰浆制取筒中的载冷剂、制冰工质及流态冰浆施加振动作用。

有益效果是：设置振动装置以施加振动作用，能够调整生产冰浆的粒径和形状。

进一步地，所述振动装置为设置在冰浆制取筒筒壁上和/或冰浆制取筒中的超声波振动装置。

有益效果是：采用超声波振动装置方便通过调整超声波功率、频率和超声时间来调整振动装置对应施加的振动作用。

本发明所提供的直接接触式流态冰浆制取方法的技术方案是：一种直接接触式流态冰浆制取方法，在冰浆制取筒中，由对置布置的载冷剂喷嘴、制冰工质喷嘴相对喷射载冷剂、制冰工质，载冷剂和制冰工质正对碰撞，然后下落储存在冰浆制取筒中，载冷剂和制冰工质直接接触以进行制冰。

有益效果是：相比与现有技术中将载冷剂通入水中的做法，本发明所提供的流态冰浆制取方法中，载冷剂和制冰工质正对碰撞，可有效提高两者混合程度，直接接触面积较大，可有效提高两者的传热效率，进而有效提高制冰效率。同时，生成的冰晶在混合碰撞过程中，形状会变得更加圆滑、大小也会变得更加均匀，减少了冰浆在输运过程中的流动阻力，使冰浆具有更好的流动性，从而降低冰浆输运的负荷，进而大幅提高整个系统的经济性能。

进一步地，在冰浆制取过程中，利用振动装置向冰浆制取筒中的载冷剂、制冰工质及流态冰浆施加振动作用。

有益效果是：设置振动装置以施加振动作用，能够调整生产冰浆的粒径和形状。

进一步地，所述振动装置为设置在冰浆制取筒筒壁上和/或冰浆制取筒中的超声波振动装置。

有益效果是：采用超声波振动装置方便通过调整超声波功率、频率和超声时间来调整振动装置对应施加的振动作用。

进一步地，所述制冰工质为水或水基纳米流体。

进一步地，所述载冷剂为气体时，载冷剂喷嘴平均流速为8-20m/s；所述载冷剂为液体时，载冷剂喷嘴平均流速为0.4-3m/s。

附图说明

图1为本发明直接接触式流态冰浆制取器的实施例1的结构示意图；

图2为图1所示制取装置中喷嘴对置结构示意图；

图3为本发明直接接触式流态冰浆制取器的实施例2的结构示意图；

图4为本发明直接接触式流态冰浆制取器的实施例3的结构示意图；

图5为图4所示实施例3的制取装置中喷嘴对置结构示意图；

附图标记说明：

1-载冷剂喷嘴，2-制冰工质喷嘴，3-冰浆制取筒，4-下层流体出口，5-冰浆出口,6-超声波振子,7-工作口，100-喷嘴组，200-冰浆液面，201-上层冰浆层，202-下层流体层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明所提供的直接接触式流态冰浆制取方法的具体实施例，该实施例中的制取方法仍然是直接接触法，其与现有直接接触式制冰方法不同之处主要在于：在冰浆制取筒中，由对置布置的载冷剂喷嘴、制冰工质喷嘴相对喷射载冷剂、制冰工质，载冷剂和制冰工质正对碰撞，然后下落储存在冰浆制取筒中，载冷剂和制冰工质直接接触以进行制冰。

上述的制冰工质具体可为水或者为水基纳米流体，水基纳米流体可由一种或几种粒径小于100nm的固体颗粒、水以及添加剂、稳定剂等组成，固体颗粒可为100nm以下的金属颗粒、金属氧化物颗粒或非金属固体颗粒。

需要说明的是，为保证正常的喷射，载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴不能埋入冰浆中，应当位于冰浆层上方。

与现有的将载冷剂通入水中的直接接触方法相比，本实施例所提供的制取方法中，载冷剂和制冰工质通过对置布置的相应喷嘴喷出，载冷剂和制冰工质正对碰撞，大量的制冰工质能够与载冷剂直接接触，有效提高两者的混合程度，增大接触面积，而且，混合的两者一起下落，可进一步提高两者的接触面积及接触时间，提高传热效率，进而提高制冰效率。同时，生成的冰晶在混合碰撞过程中，形状会变得更加圆滑、大小也会变得更加均匀，减少了冰浆在运输过程中的流动阻力，使冰浆具有更好的流动性，从而降低冰浆输运的负荷，进而大幅提高整个系统的经济性能。

另外，本实施例中，在制冰过程中，可利用振动装置对冰浆制取筒中的载冷剂、制冰工质及流态冰浆施加振动作用，这样可以调整冰浆的粒径大小及形状，具体的，振动装置可为超声波振动装置，方便通过调整超声波功率、频率和超声振动时间进行调整，超声波振动装置包括设置在冰浆制取筒的筒壁上的超声波振子和设置在冰浆制取筒中的超声波振板，当然，在其他实施例中，也可以仅选择超声波振子或选择超声波振板，超声波振子具体可设在冰浆制取筒的周向筒壁或底部筒壁。

另外，本实施例中，载冷剂可为液体，如八氟环丁烷（RC318）、三氟二氯乙烷（HCFC123）等，此时，载冷剂喷嘴平均流速为0.4-3m/s。当然，在其他实施例中，载冷剂也可为气体，如氮气等，此时，载冷剂喷嘴平均流速为8-20m/s。

本发明提供的直接接触式流态冰浆制取器的实施例1：

该实施例中的制取装置的结构如图1和图2所示，制取装置包括冰浆制取筒3，冰浆制取筒3底部设有下层流体出口4和冰浆出口5，在载冷剂和制冰工质在冰浆制取筒中直接接触以制取冰浆时，冰浆较轻上浮而形成上层冰浆层201，其余流体混合在一起形成位于下方的下层流体层202，制取的冰浆通过冰浆出口5流出并进入相应储冰箱中，下层流体经下层流体出口4流出并进行回收利用。

在冰浆制取筒3的周向筒壁上设有喷嘴组100，喷嘴组100位于喷浆出口5的上方，此处的喷嘴组沿冰浆制取筒3的轴向仅布置一层，且该层布置有沿冰浆制取筒周向分布的两组喷嘴组，每个喷嘴组均包括对置布置的一个载冷剂喷嘴1和一个制冰工质喷嘴2，四个喷嘴沿冰浆制取筒周向间隔均布，载冷剂喷嘴1用于喷射载冷剂，载冷剂可为气态或液态，制冰工质喷嘴用于喷射制冰工质，制冰工质具体可为水或者是水基纳米流体，水基纳米流体与上述冰浆制取方法中的水基纳米流体结构相同，在此不再赘述。

需要说明的是，载冷剂喷嘴1和制冰工质喷嘴2对置布置以使输入的载冷剂和制冰工质正对碰撞，大量的制冰工质均能够与载冷剂直接接触，两者混合程度较高，增大接触面积，而且，混合的两者一起下落，可进一步提高两者的接触面积及接触时间，提高传热效率，进而提高制冰效率。同时，生成的冰晶在混合碰撞过程中，形状会变得更加圆滑、大小也会变得更加均匀，减少了冰浆在运输过程中的流动阻力，使冰浆具有更好的流动性，从而降低冰浆输运的负荷，进而大幅提高整个系统的经济性能。

上述的载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均设置在冰浆制取筒上，并且，冰浆制取筒沿上下方向延伸，载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴的出射方向则与上下方向垂直布置，保证正对碰撞时，射流流体大量充分接触。

另外，为避免出现低温结冰导致冰层堵塞喷嘴，在载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴上可分别设置融冰辅助装置，融冰辅助装置具体可选用现有技术中的蓄热水箱或其他加热装置。

另外，在冰浆制取筒3上设有振动装置，这样可以在制冰过程中对载冷剂、制冰工质及冰浆施加振动影响，增大接触面积，提高制冰效率，同时改变冰晶粒径大小和形状。具体的，在本实施例中，振动装置为超声波振动装置，超声波振动装置具体包括设置在冰浆制取筒3周向筒壁和底部筒壁上的超声波振子6，超声波振子6包括超声波换能器和变幅杆，对冰浆制取筒中的冰浆施加振动影响，这样可以通过控制超声波功率、频率和超声作用时间来控制冰浆粒径大小。当然，在其他实施例中，也可以在冰浆制取筒中设置超声波振板以对冰浆施加振动作用。

本实施例中，冰浆制取筒可为圆柱形或长方体、立方体等形状，只要具有上层的冰浆出口和下层流体出口，以满足正常的制冰要求即可。而且，如果载冷剂为气体的话，可以利用冰浆制取筒的顶部设置的工作口7排出多余气体，避免冰浆制取筒内部压力过大而影响正常的载冷剂输入。

使用时，由对置布置的载冷剂喷嘴1、制冰工质喷嘴2相对喷射载冷剂、制冰工质，载冷剂和制冰工质正对碰撞，然后下落储存在冰浆制取筒3中，载冷剂和制冰工质直接接触以进行制冰操作即可。

本实施例中，冰浆制取筒3的顶部设有工作口7，在载冷剂喷嘴1喷射气态载冷剂时，工作口7可作为气体载冷剂出口。而在载冷剂喷嘴1喷射液态载冷剂时，工作口7可作为压力调节口，如作为抽气口连接抽真空设备，通过抽真空设备调节冰浆制取筒内部压力，为制取冰浆提供一个较好的环境。

如果载冷剂喷嘴喷射的是液态载冷剂时，液态载冷剂将会与其他未结冰的制冰工质流体混合在一起，经下层流体出口排出。需要说明的是，如果排出的下层流体中含有液态制冷剂的话，排出的流体还要经过分离装置，以分离液态载冷剂和未结冰的制冰工质，以达到循环使用。如果载冷剂喷嘴喷射的是气态载冷剂时，下层流体流出的则主要是未结冰的制冰工质。

本实施例中，在冰浆制取筒中相对布置的载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴是相对布置，并且相应流体出射方向垂直于上下方向，在其他实施例中，如果仅考虑对置的话，也可使载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴的出射方向与上下方向倾斜布置，如果喷嘴为直筒式喷嘴的话，使载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴与上下方向倾斜布置即可。

本发明提供的直接接触式流态冰浆制取器的实施例2：

实施例2中的直接接触式流态冰浆制取器的结构如图3所示，流态冰浆制取器的结构与实施例1中的冰浆制取器的结构基本相同，区别仅在于：实施例2中的冰浆制取筒3中，喷嘴组沿冰浆制取筒3的轴向间隔分布两层，每层各设有一个喷嘴组，每个喷嘴组均包括一个载冷剂喷嘴1和制冰工质喷嘴2。并且，本实施例中，两层喷嘴组在冰浆制取筒周向上错开分布。

在其他实施例中，喷嘴组沿冰浆制取筒轴向可间隔分布三层以上。当然，任意上下相邻的两喷嘴组中的载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴也可分别上下对应布置，不需要如实施例2中错开分布。

本发明提供的直接接触式流态冰浆制取器的实施例3：

实施例3中直接接触式流态冰浆制取器的结构如图4和图5所示，流态冰浆制取器的结构与实施例1中的冰浆制取器的结构基本相同，区别仅在于：实施例3中的冰浆制取筒3上仅设置有一组喷嘴组100，该喷嘴组100包括一个冷剂喷嘴1和制冰工质喷嘴2，两喷嘴正对布置即可。

上述实施例中，载冷剂喷嘴可根据实际需要选择气态制冷剂或液态制冷剂，满足不同条件下的冰浆制取需求。

上述实施例中，直接接触式流态冰浆制取器在具体使用时，需要外接相应的载冷剂输入管道、制冰工质输入管道、冰浆输出管道等，以将制取器接入整个冰浆制取系统中，实现正常工作，整个冰浆制取系统可参见现有技术中如授权公告号为CN102927730B的中国发明专利和授权公告号为CN205245634U的中国实用新型专利中公开的制取装置。

Claims (6)

1.一种直接接触式流态冰浆制取器，其特征在于：包括冰浆制取筒和喷嘴组，

所述冰浆制取筒，具有冰浆出口；

所述喷嘴组，包括用于喷射载冷剂的载冷剂喷嘴和用于喷射制冰工质的制冰工质喷嘴，所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均设置在所述冰浆制取筒上，所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴对置布置以使输入的载冷剂和制冰工质正对碰撞；

所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴均位于所述冰浆出口上方，以使得载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴在工作时位于冰浆层上方；所述载冷剂为液体；直接接触式流态冰浆制取器还包括振动装置，用于对冰浆制取筒中的载冷剂、制冰工质及流态冰浆施加振动作用；所述振动装置为超声波振动装置，所述超声波振动装置包括设置在冰浆制取筒的周向筒壁上的超声波振子，所述超声波振子位于冰浆液面下方，冰浆出口位于冰浆液面下方；制冰工质能够与载冷剂直接接触，提高两者的混合程度，增大接触面积，混合的两者一起下落，能够进一步提高两者的接触面积以及接触时间。

2.根据权利要求1所述的直接接触式流态冰浆制取器，其特征在于：所述冰浆制取筒沿上下方向延伸，所述载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴的出射方向与所述上下方向垂直布置。

3.根据权利要求1或2所述的直接接触式流态冰浆制取器，其特征在于：所述喷嘴组在冰浆制取筒轴向上设置一层或沿冰浆制取筒轴向间隔分布有至少两层，每层布置一组所述的喷嘴组，或者每层沿冰浆制取筒周向间隔均布有至少两组所述的喷嘴组。

4.一种直接接触式流态冰浆制取方法，其特征在于：在冰浆制取筒中，由对置布置的载冷剂喷嘴、制冰工质喷嘴相对喷射载冷剂、制冰工质，载冷剂和制冰工质正对碰撞，然后下落储存在冰浆制取筒中，载冷剂和制冰工质直接接触以进行制冰；所述载冷剂为液体；载冷剂喷嘴和制冰工质喷嘴不能埋入冰浆中，应当位于冰浆层上方；在冰浆制取过程中，利用振动装置向冰浆制取筒中的载冷剂、制冰工质及流态冰浆施加振动作用；所述振动装置为超声波振动装置，所述超声波振动装置包括设置在冰浆制取筒的周向筒壁上的超声波振子，所述超声波振子位于冰浆液面下方，冰浆出口位于冰浆液面下方；制冰工质能够与载冷剂直接接触，提高两者的混合程度，增大接触面积，混合的两者一起下落，能够进一步提高两者的接触面积以及接触时间。

5.根据权利要求4所述的直接接触式流态冰浆制取方法，其特征在于：所述制冰工质为水或水基纳米流体。

6.根据权利要求4所述的直接接触式流态冰浆制取方法，其特征在于：载冷剂喷嘴平均流速为0.4-3m/s。

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