CN112254388A - 生产大体积透明冰系统与方法 - Google Patents
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Abstract
生产大体积透明冰系统与方法，属于制冰领域，尤其涉及高效生产横截面积大于0.5平方米的实心透明冰的系统与方法。本发明解决了目前现有的系统与方法制作大体积实心透明冰浪费资源、冰产品整体性较差以及生产难度较大的问题。本发明包括制冰装置、制冷装置、储水装置和供水装置，制冰装置与制冷装置连接，供水装置与储水装置连接，储水装置与制冰装置连通。使用本发明的生产大体积透明冰系统与方法在制作大体积透明冰时有效地减少了资源的浪费，同时提高了工作效率，制出的冰产品完整性高，适合制作精品冰雕等艺术品。
Description
技术领域
本发明涉及制冰领域，尤其涉及高效生产横截面积大于0.5平方米的实心透明冰的系统与方法。
背景技术
冰的晶体是一种比较特殊的六角晶系结构，每一个水分子的两个氢原子分别与另两个水分子的氧原子连接，而它的氧原子则与第三个水分子的某一个氢原子连接，由于氢键的特殊方向性，使得冰的晶体结构内部很“空旷”。因此在水结成冰的过程中，体积不是像大多数物质那样缩小，反而要胀大。这就是在水的相变结晶过程中如不施以针对性措施，杂质、溶解性固体和气泡就很难析出，导致生产不出透明冰的原因；
为了生成透明冰，以满足精品冰雕用冰和餐饮、娱乐等商业需求，人们在生产和生活实践中积累了很多办法，然而要高效率产出横截面积大于0.5平方米的实心透明冰产品，现有的方案均需要改进：
1.为了断裂一部分靠范德瓦耳斯力连接的“氢键”键合，使杂质和气泡析出，人们模仿河流冰冻过程，利用机械办法对水进行扰动，对结晶界面进行冲刷。CN 109883096 A、CN 109883097 A、CN 210107827 U、CN 210569417 U、CN 211400412 U等专利技术能够制出透明冰，是基于上述原理。其问题在于：结晶是散热过程，使常温水降到冰点要耗费不应有的时间和能量；同时，全部排空未结晶水也是可以避免的浪费；
2.为了断裂一部分靠范德瓦耳斯力连接的“氢键”键合，还有一种办法就是向制冰槽内送压力空气(吹气)。CN 109737657 A、CN 203771842 U等专利技术能够制出透明冰，是基于上述原理。尽管散热过程有所改善，但根本问题未能解决，同时，由于吹气管的存在，制出的透明冰块中间存在一条气道，不是实心，影响了透明冰在精品冰雕的使用；
3.在制作透明冰领域，美国、德国、韩国等国家对水结晶的认识上有所深入，如餐饮行业的管冰机、小型块冰机均已问世，可以批量生产小的透明冰块。其基本原理是通过调节并降低水中的TDS值，去除杂质和部分离子，降低结晶过程中晶核密度，从而抑制多晶生长；形成开放的结晶界面，在水流冲刷过程中，断裂一部分靠范德瓦耳斯力连接的“氢键”键合，便于气泡析出，提高结晶效率。NO.5,527,470(Suda)和CN 106949684 A、CN 1036824 A等专利技术能够制出透明冰，是基于上述原理。由于产品是小冰块，上述专利均依靠水的自重、向下流淌，断裂一部分靠范德瓦耳斯力连接的“氢键”键合。然而，如果是生产大的透明冰块，“悬挂”式方式难以实现。因此，能够高效率生产横截面积大于0.5平方米的实心透明冰产品还没有先例，其调控难度较大；
综上所述，亟需一种生产大于0.5平方米的实心透明冰的系统和方法用于解决上述缺陷。
发明内容
本发明解决了目前现有的对于生产大于0.5平方米的实心透明冰浪费资源、整体性较差以及生产难度较大的问题，本发明公开了“生产大体积透明冰系统与方法”。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
生产大体积透明冰系统，包括制冰装置、制冷装置、储水装置和供水装置，制冰装置与制冷装置连接，供水装置与储水装置连接，储水装置与制冰装置连通。
进一步的，所述供水装置包括高效过滤器和进水电动调节阀，高效过滤器的一端与入水口连接，高效过滤器的另一端与进水电动调节阀连接，进水电动调节阀的另一端与储水装置连接。
进一步的，所述储水装置包括TDS与水位传感器、变频水泵、浮球开关、排空电动阀、供水分布器,、流量计、储水箱和连接管，TDS与水位传感器安装在储水箱上，储水箱上安装有变频水泵，浮球开关安装在储水箱内，变频水泵与浮球开关通过连接管与供水分布器连通，连接管上安装有流量计和排空电动阀。
进一步的，所述制冰装置包括蒸发器、载冷剂、制冷装置底板、网箱、物位传感器和回水管，载冷剂与制冷装置底板直接接触，制冷装置底板上安装有网箱，制冷装置底板底部安装有回水管，制冷装置底板通过回水管与储水装置连通，蒸发器布置在制冷装置底板上，物位传感器安装在网箱上。
进一步的，所述制冷装置包括热力膨胀阀、冷凝器、电动四通换向阀、油水分离器、压缩机和汽液分离器，热力膨胀阀与蒸发器连接，热力膨胀阀的另一端与冷凝器连接，电动四通换向阀分别与油水分离器、蒸发器、汽液分离器和冷凝器连接，油水分离器的另一端与压缩机连接，压缩机的另一端与汽液分离器连接。
生产大体积透明冰方法，包括以下步骤：
步骤一：检查自来水水质，TDS值不超过250ppm；
步骤二：检查高效过滤器过滤后的水质，TDS值不超过30ppm；
步骤三：开启进水电动调节阀向储水箱注水到最高水位，观测水质TDS值不超过30ppm；
步骤四：开启制冷装置制冰模式并形成制冷循环；
步骤五：通过定时监测水的结晶界面温度，据此调节压缩机的转速，控制过冷量，使水的结晶界面温度在-5℃～-10℃之间运行；
步骤六：开启变频水泵，关闭排空电动阀，储水箱内的水向供水分布器供水，根据流量计的流量参数，调节变频水泵的转速，使供水分布器出水为水帘状，布水均匀且水帘与相变结冰界面所形成的角度小于75°，没有雾化现象；
步骤七：打开进水电动调节阀向储水箱中补水至储水箱中最高水位，完成制冰循环；
步骤八：观察物位传感器反馈的制冰厚度达到设定值，制冰循环完成，进行脱冰循环；
步骤九：根据流量计的流量参数，控制变频水泵的转速，减小供水分布器22的流量；
步骤十：开启制冷装置的脱冰模式，形成脱冰循环，使冰顺利脱离制冰装置，进行下一个制冰循环；
步骤十一：开启制冷装置制冰模式，关闭电动四通换向阀，制冰循环开始；
步骤十二：通过TDS与水位传感器监测储水箱内的水质，水的TDS值小于30ppm打开进水电动调节阀向储水箱中注水至最高水位，水TDS值达到45ppm时，打开排空电动阀将储水箱中的水排空，重新注水后进行制冰循环。
进一步的，所述步骤四的制冰模式具体为：先将制冷装置的电动四通换向阀断电，压缩机压缩气态制冷剂依次通过油水分离器、经电动四通换向阀的AD通道到达冷凝器，冷凝液化为液态制冷剂后到达蒸发器，在蒸发器中液态制冷剂吸收载冷剂的热量蒸发气化后，经电动四通换向阀的BC通道到达汽液分离器，将气态制冷剂输送回压缩机内形成制冷循环。
进一步的，所述步骤十中制冷装置的脱冰模式为：电动四通换向阀通电，压缩机将气态制冷剂依次通过油水分离器、经电动四通换向阀的AB通道达到蒸发器，载冷剂吸收气态制冷剂的温度升温至0℃以上，气态制冷剂释放热量后，通过冷凝器后经电动四通换向阀的DC通道，进入汽液分离器，最后流入压缩机形成脱冰循环。
进一步的，所述步骤十二具体为：制作食用冰时，储水箱中的水TDS值小于15ppm时，打开进水电动调节阀向储水箱中注水至最高水位，水TDS值达到25ppm时，打开排空电动阀将储水箱内的水排空，重新注水后进行制冰循环。
本发明的有益效果：
1.本发明的生产大体积透明冰系统和方法有效地减少了资源的浪费，同时提高了工作效率，制冰速度较快；
2.本发明的生产大体积透明冰系统和方法可以生产出大于0.5平方米的实心透明冰，这种大体积透明冰可以用于制作精品冰雕，与传统的制作大体积透明冰相比，通过本发明的生产大体积透明冰系统和生产方法可以生产出实心透明冰，而传统的制作大体积透明冰的方法透明冰中间会存在一条气道，影响冰雕雕刻的完整性；
3.现有的通过降低水TDS值的方法仅可以批量生产较小的透明冰块，而本发明通过降低水TDS值的方法可以生产大于0.5平方米的实心透明冰。
附图说明
图1为本发明的生产大体积透明冰系统的整体结构示意图；
图2是子弹头式供水分布器示意图；
图3是排管式供水分布示意图。
图中1-制冰装置，2-制冷装置，3-储水装置，4-供水装置，5-蒸发器，6-载冷剂，7-制冷装置底板，8-网箱，9-物位传感器，10-回水管，11-高效过滤器，12-进水电动调节阀，13-TDS与水位传感器，14-变频水泵，15-浮球开关，16-排空电动阀，17-热力膨胀阀，18-冷凝器，19-电动四通换向阀，20-油水分离器，21-压缩机，22-供水分布器，23-汽液分离器，24-流量计，25-储水箱，26-连接管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的生产大体积透明冰系统，包括制冰装置1、制冷装置2、储水装置3和供水装置4，制冰装置1与制冷装置2连接，供水装置4与储水装置3连接，储水装置3与制冰装置1连接，制冰装置1用于生产大体积透明冰，制冷装置2与制冰装置1连接，制冷装置2可调控制冷剂温度使制冰装置1实现制冰循环和脱冰循环，储水装置3与制冰装置1连接，用于向储水装置3中提供水源，储水装置3还用于监测用于冰冻水的水质，供水装置4与储水装置3连接，用于向储水装置3中输入水源，并将输入的水源过滤；
具体的，所述供水装置4包括高效过滤器11和进水电动调节阀12，高效过滤器11的一端与入水口连接，高效过滤器11的另一端与进水电动调节阀12连接，进水电动调节阀12的另一端与储水装置3连接，进水电动调节阀12控制向储水装置3中流入水的开关，高效过滤器11过滤自来水中的杂质，降低自来水的TDS值；
具体的，所述储水装置3包括TDS与水位传感器13、变频水泵14、浮球开关15、排空电动阀16、供水分布器22,、流量计24、储水箱25和连接管26，TDS与水位传感器13安装在储水箱25上，储水箱25内安装有变频水泵14和浮球开关15，变频水泵14与浮球开关15通过连接管26与供水分布器22连通，连接管26上安装有流量计24和排空电动阀16，TDS与水位传感器13用于检测储水箱25中储存水的TDS值和储水箱25中水位的高度，变频水泵14用于将储水箱25中的水向外传输提供动力，将储水箱25中的水输出至供水分布器22或排出至装置外，储水箱25内的浮球开关15用于控制储水箱25内的水位，防止储水箱25的水过多或过少，储水箱25通过连接管26与供水分布器22连通，供水分布器22放置在制冰装置1的上方，供水分布器22将储水箱25中的水输送至制冰装置1内，流量计24用于监测供水分布器22的流量大小，排空电动阀16安装在连接管26的出口端，供水分布器22可分为子弹头式供水分布器(如附图2所示)和排管式供水分布器(如附图3所示)，根据制冰需求的不同选取不同样式的供水分布器进行制冰；
具体的，所述制冰装置1包括蒸发器5、载冷剂6、制冷装置底板7、网箱8、物位传感器9和回水管10，载冷剂6与制冷装置底板7直接接触，制冷装置底板7上安装有网箱8，制冷装置底板7底部安装有回水管10，制冷装置底板7通过回水管10与储水装置3连通，蒸发器5布置在制冷装置底板7上，物位传感器9安装在网箱8上，物位传感器9用于检测制冰装置1内结成冰的厚度，制冷装置底板7通过回水管10与储水箱25内部连通，网箱8上布满直径大于0.5mm均匀分布的孔，能够实现使没有相变结冰的水通过网箱8回流到储水箱25内，从而实现了开放的结晶界面，缩短了制冰时间，大幅度降低了能源的消耗，蒸发器5用于流入制冷剂并与载冷剂6交换能量，降低或提高制冰装置1内部的温度，形成制冷循环或脱冰循环；
具体的，所述制冷装置2包括热力膨胀阀17、冷凝器18、电动四通换向阀19、油水分离器20、压缩机21和汽液分离器23，热力膨胀阀17与蒸发器5连接，热力膨胀阀17的另一端与冷凝器18连接，电动四通换向阀19分别与油水分离器20、蒸发器5、汽液分离器23和冷凝器18连接，油水分离器20的另一端与压缩机21连接，压缩机21的另一端与汽液分离器23连接，电动四通换向阀19用于控制制冷剂的流向，压缩机21将气态制冷剂压缩，冷凝器18将气态制冷剂液化后输入蒸发器5中，与载冷剂6能量交换后降低制冰装置1内的温度，形成制冰模式，压缩机21将气态制冷剂压缩后经过电动四通换向阀19直接输入至蒸发器5中，载冷剂6吸收气态制冷剂的温度升温至0℃以上，提高制冰装置1内的温度，形成脱冰模式，热力膨胀阀17是通过蒸发器5出口气态制冷剂的过热度控制热力膨胀阀17开度的，同时可以控制制冷剂的流量。
具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的生产大体积透明冰方法，包括以下步骤：根据用冰需求，制取1平方米精品冰雕用冰，本系统的供水分布器22采用子弹头式供水分布器；
步骤一：检查自来水水质，TDS值不超过250ppm；
步骤二：检查高效过滤器11过滤后的水质，TDS值不超过30ppm；
步骤三：开启进水电动调节阀12向储水箱25注水到最高水位，观测水质TDS值不超过30ppm；
步骤四：开启制冷装置2制冰模式并形成制冷循环，先将制冷装置2的电动四通换向阀19断电，压缩机21压缩气态制冷剂依次通过油水分离器20、经电动四通换向阀19的AD通道到达冷凝器18，冷凝液化为液态制冷剂后到达蒸发器5，在蒸发器5中液态制冷剂吸收载冷剂6的热量蒸发气化后，经电动四通换向阀19的BC通道到达汽液分离器23，将气态制冷剂输送回压缩机21内形成制冷循环；
步骤五：通过定时监测水的结晶界面温度，据此调节压缩机21的转速，控制过冷量，使水的结晶界面温度在-5℃～-10℃之间运行；
步骤六：开启变频水泵14，关闭排空电动阀16，储水箱25内的水向供水分布器22供水，根据流量计24的流量参数，调节变频水泵14的转速，使供水分布器22出水为水帘状，布水均匀且水帘与相变结冰界面所形成的角度小于75°，没有雾化现象；
步骤七：当水TDS值小于30ppm，完成制冰循环后打开进水电动调节阀12注水到储水箱25达到最高水位；当水TDS值达到45ppm，而水位尚未达到高位时，打开进水电动调节阀12补水到储水箱25到高水位，完成制冰循环；
步骤八：观察物位传感器9反馈的制冰厚度达到设定值，制冰循环完成，进行脱冰循环；
步骤九：根据流量计24的流量参数，控制变频水泵14的转速，减小供水分布器22的流量；
步骤十：开启制冷装置2的脱冰模式，形成脱冰循环，电动四通换向阀19通电，压缩机21将气态制冷剂依次通过油水分离器20、经电动四通换向阀19的AB通道达到蒸发器5，载冷剂6吸收气态制冷剂的温度升温至0℃以上，气态制冷剂释放热量后，通过冷凝器18后经电动四通换向阀19的DC通道，进入汽液分离器23，最后流入压缩机21形成脱冰循环，使冰顺利脱离制冰装置1，进行下一个制冰循环；
步骤十一：开启制冷装置2制冰模式，关闭电动四通换向阀19，制冰循环开始；
步骤十二：通过TDS与水位传感器13监测储水箱25内的水质，水的TDS值小于30ppm打开进水电动调节阀12向储水箱25中注水至最高水位，水TDS值达到45ppm时，打开排空电动阀16将储水箱25中的水排空，重新注水后进行制冰循环。
具体实施方式三：根据具体实施方式二说明本实施方式，本实施方式的生产大体积透明冰方法，在制取饮品用冰过程中，方法与具体实施方式二中制冰方法一致，但以下步骤需要调整：
步骤二：检查高效过滤器11过滤后的水质，TDS值不超过15ppm；
步骤七：当水TDS值小于15ppm，完成制冰循环后打开进水电动调节阀12注水到储水箱25达到最高水位；当水TDS值达到20ppm，而水位尚未达到高位时，打开进水电动调节阀12补水到储水箱25到高水位，完成制冰循环；
步骤十二：通过TDS与水位传感器13监测储水箱25内的水质，水的TDS值小于15ppm打开进水电动调节阀12向储水箱25中注水至最高水位，水TDS值达到25ppm时，打开排空电动阀16将储水箱25中的水排空，重新注水后进行制冰循环；
另外，制取饮品用冰，对于制冰装置1、储水箱25和供水装置4需要定期除垢和消毒。
本发明经过上述的系统和方法改进后，保持相变结冰界面过冷度在-5℃—-10℃之间，使长晶速度高度成核密度，通过过滤器调节并降低水中的TDS值，去除水中杂质和部分离子，降低结晶过程中晶核密度，抑制多晶生产，开放的水的结晶界面，提高了结晶效率；可变的水流冲刷相变结晶截面，断裂一部分靠范德瓦耳斯力连接的“氢键”键合，便于气泡析出，这些改进使横截面积大于0.5平方米的实心透明冰产品可以高效率生产，并且水耗、电耗和制冰时间大幅下降。
Claims (9)
1.生产大体积透明冰系统，其特征在于：包括制冰装置(1)、制冷装置(2)、储水装置(3)和供水装置(4)，制冰装置(1)与制冷装置(2)连接，供水装置(4)与储水装置(3)连接，储水装置(3)与制冰装置(1)连通。
2.根据权利要求1所述的生产大体积透明冰系统，其特征在于：所述供水装置(4)包括高效过滤器(11)和进水电动调节阀(12)，高效过滤器(11)的一端与入水口连接，高效过滤器(11)的另一端与进水电动调节阀(12)连接，进水电动调节阀(12)的另一端与储水装置(3)连接。
3.根据权利要求2所述的生产大体积透明冰系统，其特征在于：所述储水装置(3)包括TDS与水位传感器(13)、变频水泵(14)、浮球开关(15)、排空电动阀(16)、供水分布器(22)、流量计(24)、储水箱(25)和连接管(26)，TDS与水位传感器(13)安装在储水箱(25)上，储水箱(25)上安装有变频水泵(14)，浮球开关(15)安装在储水箱(25)内，变频水泵(14)与浮球开关(15)通过连接管(26)与供水分布器(22)连通，连接管(26)上安装有流量计(24)和排空电动阀(16)。
4.根据权利要求3所述的生产大体积透明冰系统，其特征在于：所述制冰装置(1)包括蒸发器(5)、载冷剂(6)、制冷装置底板(7)、网箱(8)、物位传感器(9)和回水管(10)，载冷剂(6)与制冷装置底板(7)直接接触，制冷装置底板(7)上安装有网箱(8)，制冷装置底板(7)底部安装有回水管(10)，制冷装置底板(7)通过回水管(10)与储水装置(3)连通，蒸发器(5)布置在制冷装置底板(7)上，物位传感器(9)安装在网箱(8)上。
5.根据权利要求4所述的生产大体积透明冰系统，其特征在于：所述制冷装置(2)包括热力膨胀阀(17)、冷凝器(18)、电动四通换向阀(19)、油水分离器(20)、压缩机(21)和汽液分离器(23)，热力膨胀阀(17)与蒸发器(5)连接，热力膨胀阀(17)的另一端与冷凝器(18)连接，电动四通换向阀(19)分别与油水分离器(20)、蒸发器(5)、汽液分离器(23)和冷凝器(18)连接，油水分离器(20)的另一端与压缩机(21)连接，压缩机(21)的另一端与汽液分离器(23)连接。
6.生产大体积透明冰方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：检查自来水水质，TDS值不超过250ppm；
步骤二：检查高效过滤器(11)过滤后的水质，TDS值不超过30ppm；
步骤三：开启进水电动调节阀(12)向储水箱(25)注水到最高水位，观测水质TDS值不超过30ppm；
步骤四：开启制冷装置(2)制冰模式并形成制冷循环；
步骤五：通过定时监测水的结晶界面温度，据此调节压缩机(21)的转速，控制过冷量，使水的结晶界面温度在-5℃～-10℃之间运行；
步骤六：开启变频水泵(14)，关闭排空电动阀(16)，储水箱(25)内的水向供水分布器(22)供水，根据流量计(24)的流量参数，调节变频水泵(14)的转速，使供水分布器(22)出水为水帘状，布水均匀且水帘与相变结冰界面所形成的角度小于75°，没有雾化现象；
步骤七：打开进水电动调节阀(12)向储水箱(25)中补水至储水箱(25)中最高水位，完成制冰循环；
步骤八：观察物位传感器(9)反馈的制冰厚度达到设定值，制冰循环完成，进行脱冰循环；
步骤九：根据流量计(24)的流量参数，控制变频水泵(14)的转速，减小供水分布器(22)的流量；
步骤十：开启制冷装置(2)的脱冰模式，形成脱冰循环，使冰顺利脱离制冰装置(1)，进行下一个制冰循环；
步骤十一：开启制冷装置(2)制冰模式，关闭电动四通换向阀(19)，制冰循环开始；
步骤十二：通过TDS与水位传感器(13)监测储水箱(25)内的水质，水的TDS值小于30ppm打开进水电动调节阀(12)向储水箱(25)中注水至最高水位，水TDS值达到45ppm时，打开排空电动阀(16)将储水箱(25)中的水排空，重新注水后进行制冰循环。
7.根据权利要求6所述的生产大体积透明冰方法，其特征在于，所述步骤四的制冰模式具体为：先将制冷装置(2)的电动四通换向阀(19)断电，压缩机(21)压缩气态制冷剂依次通过油水分离器(20)、经电动四通换向阀(19)的AD通道到达冷凝器(18)，冷凝液化为液态制冷剂后到达蒸发器(5)，在蒸发器(5)中液态制冷剂吸收载冷剂(6)的热量蒸发气化后，经电动四通换向阀(19)的BC通道到达汽液分离器(23)，将气态制冷剂输送回压缩机(21)内形成制冷循环。
8.根据权利要求6所述的生产大体积透明冰方法，其特征在于，所述步骤十中制冷装置(2)的脱冰模式为：电动四通换向阀(19)通电，压缩机(21)将气态制冷剂依次通过油水分离器(20)、经电动四通换向阀(19)的AB通道达到蒸发器(5)，载冷剂(6)吸收气态制冷剂的温度升温至0℃以上，气态制冷剂释放热量后，通过冷凝器(18)后经电动四通换向阀(19)的DC通道，进入汽液分离器(23)，最后流入压缩机(21)形成脱冰循环。
9.根据权利要求6所述的生产大体积透明冰方法，其特征在于，所述步骤十二具体为：制作食用冰时，储水箱(25)中的水TDS值小于15ppm时，打开进水电动调节阀(12)向储水箱(25)中注水至最高水位，水TDS值达到25ppm时，打开排空电动阀(16)将储水箱(25)内的水排空，重新注水后进行制冰循环。
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