CN113566466A - 一种供冷装置及外融冰供冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种供冷装置及外融冰供冷方法，供冷装置包括冰池、进水器和出水器，冰池设置有至少两个融冰区，冰池开设有过流孔，过流孔用于形成射流，各个融冰区通过过流孔顺序连通，融冰区包括起始区和终止区，起始区设置进水器，终止区设置出水器。通过将冰池分隔出多个融冰区，由于水流只能通过过流孔在融冰区之间流动，高温水进入起始区与起始区内的低温水混合，起始区内的水通过过流孔缓慢流向终止区，延长终止区的水温保持在低温状态的时长，从而能够充分地利用冰池中的低温水，提高供冷装置的制冷系数。过流孔在融冰区产生射流，促进融冰区的低温水和高温水充分混合，避免高温水直接流入下一个融冰区。

Description

一种供冷装置及外融冰供冷方法

技术领域

本发明涉及融冰供冷研究领域，特别是一种供冷装置及外融冰供冷方法。

背景技术

现有的区域供冷系统多采用外融冰系统的形式，其优点是能够获得更低的出水温度和对负荷及电力的移峰填谷。外融冰系统实现低温供水的核心是蓄冰盘管和冰池内的布水形式，现有技术中常采用外融冰横向布水。出水口和回水口分别设置在冰池的两侧，冰池内的水流方向沿回水口流向出水口，融冰产生的低温水从出水口流出冰池，供冷后的高温水从回水口流入冰池，高温水和冰池内的低温水混合变为低温水。

在常见的外融冰系统中，白天供冷时冰池内水温大部分时间为0.5℃，随着冰池内冰的融化水温逐渐升高，融冰供冷末期水温升高到1.1℃后低温水一般不能继续使用，夜间蓄冰将1.1℃的水降低到0℃同时制一部分冰。

由于主机制冰相对耗能，融冰后的低温水又不能充分利用，导致整个系统的综合能效较低，同时冰盘管的造价较高，导致初投资较高。如何提升整个系统的COP(即制冷系数，Coefficient Of Performance)实现进一步节能减排是行业内需要攻克的难题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种供冷装置及外融冰供冷方法，能够延长供冷装置的低温供冷时间。

根据本发明提供的供冷装置，包括冰池、进水器和出水器，所述冰池设置有至少两个融冰区，所述冰池开设有过流孔，所述过流孔用于形成射流，各个所述融冰区通过所述过流孔顺序连通，所述融冰区包括起始区和终止区，所述起始区设置所述进水器，所述终止区设置所述出水器。

根据本发明提供的供冷装置，至少具有如下技术效果：通过将冰池分隔出多个融冰区，能够阻碍融冰区之间的水流流动及混合，延长终止区的水温保持在低温状态的时长，从而能够充分地利用冰池中的低温水，延长供冷装置的低温供冷时间，过流孔在融冰区产生射流，促进融冰区的低温水和高温水充分混合。

根据本发明的一些实施例，所述冰池设置至少三个所述融冰区，所述融冰区包括中继区，所述中继区位于所述起始区和所述终止区之间。

根据本发明的一些实施例，所述过流孔的上边缘的高度小于或等于所述过流孔连通的所述融冰区的设计液面高度。

根据本发明的一些实施例，所述融冰区的形状为立方体形状，相邻两个所述过流孔的高度差h满足公式：h＝[(400HWV_m)²]/(2g)，其中V_m为所述融冰区的截面流速，H为所述融冰区的设计液面高度，W为所述融冰区的宽度，g为重力加速度。

根据本发明的一些实施例，所述过流孔的形状为圆形，所述过流孔的直径D满足公式：D＝31HW/(πL)，其中L为所述融冰区的长度。

根据本发明的一些实施例，所述过流孔的高度按照所述融冰区的连通顺序依次降低。

根据本发明的一些实施例，各个所述融冰区均设置所述进水器和所述出水器，所述进水器位于所述融冰区的一侧，所述出水器位于所述融冰区的另一侧。

根据本发明提供的外融冰供冷方法，用于供冷装置，供冷装置包括冰池、进水器、出水器和蓄冰盘管，所述冰池设置有至少两个融冰区，所述冰池开设有过流孔，所述过流孔用于形成射流，各个所述融冰区通过所述过流孔顺序连通，所述蓄冰盘管、所述进水器和所述出水器设置在各个所述融冰区中，所述融冰区包括起始区和终止区；

外融冰供冷方法包括供冷工况，所述供冷工况包括：在所述冰池结束融冰后，所述起始区的所述进水器和所述终止区的所述出水器打开，其余的所述进水器和所述出水器关闭，使水流由所述起始区的所述进水器流向所述终止区的所述出水器。

根据本发明提供的外融冰供冷方法，至少具有如下技术效果：通过设置融冰区分隔冰池，并控制水流由起始区流向终止区，能够延长终止区的水温保持在低温状态的时长，从而能够充分地利用冰池中的低温水，提高供冷装置的综合能效。

根据本发明的一些实施例，所述供冷工况包括：在所述冰池开始融冰时，打开各个所述融冰区的所述进水器和所述出水器，使水流由所述融冰区内的所述进水器流向所述融冰区内的所述出水器。

根据本发明的一些实施例，外融冰供冷方法包括蓄冰工况，所述蓄冰工况包括：打开连接所述蓄冰盘管的制冷机，通过所述蓄冰盘管在所述融冰区制冰。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明提供的供冷装置在融冰时的运行示意图；

图2是根据本发明提供的供冷装置在融冰后的运行示意图；

图3是根据本发明提供的冰池的平面示意图。

附图标记：

起始区11、终止区12、中继区13、

过流孔2、

进水器31、出水器32、

墙体4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

根据本发明提供的供冷装置，包括冰池、进水器31和出水器32，冰池设置有至少两个融冰区，冰池开设有过流孔2，过流孔2用于形成射流，各个融冰区通过过流孔2顺序连通，融冰区包括起始区11和终止区12，起始区11设置进水器31，终止区12设置出水器32。

现有技术中的冰池一般不设分区，当冰池内的冰未完全融化时，供冷后的高温水通过进水器31回到冰池，高温水与冰池的冰水混合物混合，冰吸热融化使冰池内的水保持在低温状态。当冰池内的冰融化后，流入冰池的一部分高温水会通过池底流动的方式进入出水器32，从而导致供冷装置排出的水温度升高。当出水器32的出水温度到达一定温度后就不能够用于供冷。

根据本发明提供的供冷装置，通过将冰池分隔出多个融冰区，由于水流只能通过过流孔2在融冰区之间流动，从而能够阻碍水流的混合。高温水进入起始区11与起始区11内的低温水混合，起始区11内的水通过过流孔2缓慢流向终止区12，延长终止区12的水温保持在低温状态的时长，从而能够充分地利用冰池中的低温水，提高供冷装置的制冷系数。过流孔2在融冰区产生射流，促进融冰区的低温水和高温水充分混合，避免高温水直接流入下一个融冰区。

可以理解的是，供冷装置一般用于空调等设备，出水器32排出的低温水与空调发生热交换变为高温水，再经由进水器31回流入冰池。由于现有设计的冰池均为横向布水，白天融冰时，冰池完全融冰之后的水温仍然很低(例如小于1.1℃)，由于水的密度在4℃时候最大，回流的高温水(例如12.5℃)和冰池内的低温水混合后变为4℃的中温水，4℃的中温水立即沉入池底并且在池底沿布水方向流动，最终导致冰池出现上下分层，此时下层为高温水以及中温水。由于出水器32会抽取融冰区内不同高度的水，因此低温水、高温水和中温水都会被抽取进入出水器32，从而导致供冷装置排出的水温度升高，当融冰区中仅有局部存在高温水时，供冷装置也无法正常实现供冷功能，冷水只能使用一小部分，无法充分利用。但此时若将池水充分混合，水温能够满足出水器32的出水温度要求，供冷装置还可以继续工作，直至更多的高温水回流进入冰池导致充分混合后的水温超出出水器32的出水温度要求。通过将冰池划分为多个融冰区，一方面融冰区之间形成温度梯度，减缓终止区12的温升速度，另一方面终止区的低温水、高温水和中温水充分混合，避免局部高温影响出水器32的正常出水。

例如如图2所示，射流使融冰池内产生如空心箭头所示的扰动水流，该水流促使融冰区内的水充分混合。同时可以理解的是，如融冰池底部的实心箭头所示，不能排除在此时仍存在一部分高温水会沿池壁和池底流动，但是该局部现象的存在与否对融冰池出水温度的负面影响较小，即使存在该局部现象，在扰动水流的作用下融冰池内的水也能够较为充分地混合，从而避免局部高温影响出水器32的正常出水。

现有设计在夜间蓄冰的工况下，冰池内的水从小于1.1℃变为0℃的水以及少部分冰，在蓄冰工况末期的时候，制冷机的出液温度达到-5.6℃，并且开始降载，制冷机的平均COP在3到4之间，末期部分制冷机可能发生喘振，增加制冷机运行风险。如果能够将融冰之后的冷水充分利用，使供冷后的水温达到10℃以上，能够较大幅度的提高整个系统的COP，同时提高制冷机蓄冰工况的出液温度，解决制冰末期的制冷机喘振等问题，甚至可以较大幅度节省初投资。

本方案中通过设置融冰区使终止区12的水温尽可能长地保持低温，当供冷结束时，起始区11的水温可达到与高温水同样的温度，各个融冰区的水温在最终混合均匀后可以达到10℃左右。

根据本发明的一些实施例，冰池设置至少三个融冰区，融冰区包括中继区13，中继区13位于起始区11和终止区12之间。在一些实施例中，过流孔2的高度按照融冰区的连通顺序依次降低。通过设置高度依次降低的过流孔2，使得当前融冰区的液面高度高于下一融冰区的液面高度，高度差能够产生孔口出流，进而使过流孔2形成射流。

在一些实施例中，过流孔2的上边缘的高度等于过流孔2连通的融冰区的设计液面高度。这使得过流孔2能够淹没在液面之下，保证过流孔2能够正常地形成射流，并且射流能够正常实现促进混合的设计目标。为了进一步地确保射流的稳定，可以设定过流孔2的上边缘的高度小于设计液面高度，例如过流孔2的上边缘在液面之下100mm，从而当实际液面相对于设计液面存在波动时，仍然能够保证射流的稳定。

根据本发明的一些实施例，融冰区的形状为立方体形状，相邻两个过流孔2的高度差h满足公式：h＝[(400HWV_m)²]/(2g)，其中V_m为融冰区的截面流速，H为融冰区的设计液面高度，W为融冰区的宽度，g为重力加速度。可以理解的是，射流的搅动使融冰区的水充分混合，若射流的长度不够，则融冰区远离射流的一侧又会产生水温分层，导致高温水直接进入出水器32。射流的初速度影响射流的长度，而射流的初速度受到过流孔2两侧的液面高差、过流孔2的截面积S以及进水器31的流量的影响。

本发明对射流及冰池的相互作用进行了仿真分析，根据仿真分析的结果，射流的长度若达到射流所在的融冰区长度的0.8-0.9倍，射流与该融冰区另一侧的过流孔2或出水器32相互配合作用，即可使融冰区的水充分掺混。进水器31的流量可以由V_m表征，存在三个以上融冰区时，过流孔2两侧的液面高差受到相邻两个过流孔2的高度差h的影响，因此假定过流孔2为圆孔，联立连续性方程以及射流方程，再结合仿真分析得到的条件，能够得到以上关于相邻两个过流孔2的高度差h的设计要求。

相应地，解出此时过流孔2的直径D满足公式：D＝31HW/(πL)，其中L为融冰区的长度。

采用基于以上公式的过流孔2设计，能够提高融冰区的掺混效果。由于解出的公式中影响高度差h的各个系数与过流孔2的直径D独立，因此高度差h的计算公式也能适用于其它形状的过流孔2。此外，上述的高度差公式中设定射流的长度为融冰区长度的0.8倍。

根据本发明的一些实施例，各个融冰区均设置进水器31和出水器32，进水器31位于融冰区的一侧，出水器32位于融冰区的另一侧。在一些实施例中，进水器31和出水器32设置有阀门。当冰池内的冰未完全融化时，打开所有进水器31和出水器32，供冷后的高温水从一个融冰区的进水器31流向该融冰区的出水器32，通过设置多个进水器31，促进高温水与冰水混合物的充分混合，并促进冰的融化。

根据本发明提供的外融冰供冷方法，用于供冷装置，供冷装置包括冰池、进水器31、出水器32和蓄冰盘管，冰池设置有至少两个融冰区，冰池开设有过流孔2，过流孔2用于形成射流，各个融冰区通过过流孔2顺序连通，蓄冰盘管、进水器31和出水器32设置在各个融冰区中，融冰区包括起始区11和终止区12。

外融冰供冷方法包括供冷工况，供冷工况包括：在冰池结束融冰后，起始区11的进水器31和终止区12的出水器32打开，其余的进水器31和出水器32关闭，使水流由起始区11的进水器31流向终止区12的出水器32。

根据本发明提供的外融冰供冷方法，通过设置融冰区分隔冰池，并控制水流由起始区11流向终止区12，能够延长终止区12的水温保持在低温状态的时长，从而能够充分地利用冰池中的低温水，提高供冷装置的制冷系数。

根据本发明的一些实施例，在冰池开始融冰时，打开各个融冰区的进水器31和出水器32，使水流由融冰区内的进水器31流向融冰区内的出水器32。采用以上方法使多个进水器31和多个出水器32协同工作，促进高温水与冰水混合物的充分混合，并促进冰的融化。

根据本发明的一些实施例，外融冰供冷方法包括蓄冰工况，蓄冰工况包括：打开连接蓄冰盘管的制冷机，通过蓄冰盘管在融冰区制冰。在一些实施例中，蓄冰工况包括：在制冰时，打开进水器31和出水器32。打开进水器31和出水器32使冰池内产生水流，从而促进蓄冰盘管内的冷却液与冰池内的水的热交换，提高蓄冰盘管的制冷速度。

可以理解的是，此时进水器31和出水器32之间一般会通过专门设置的回流旁路连通，使出水器32排出的水直接经回流旁路回流至入水器31，不经过空调或其它热交换设备。

下面参考图1、图2、图3以一个具体的实施例详细描述根据本发明提供的供冷装置及外融冰供冷方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对发明的具体限制。

供冷装置包括冰池、进水器31和出水器32。

如图3所示，冰池包括墙体4，墙体4将冰池划分为四个融冰区，每个融冰区的平面尺寸为31.75m*6.6m，墙体4开设有过流孔2，过流孔2用于形成射流，各个融冰区通过过流孔2顺序连通，位于起始位置的融冰区为起始区11，位于终点位置的融冰区为终止区12，位于起始区11和终止区12之间的融冰区为中继区13。其中，起始区11与中继区13之间的过流孔2距离冰池底部的高度为6.25m，两个中继区13之间的过流孔2的高度为6.1m，中继区13与终止区12之间的过流孔2的高度为5.95m。

融冰区中设置有进水器31和出水器32，进水器31位于融冰区的一侧，出水器32位于融冰区与进水器31相对的另一侧。进水器31和出水器32包括布水管和电动阀。融冰区中还设置有蓄冰盘管。供冷装置配备与蓄冰盘管连接的制冷机。

供冷装置还设置有水温监测、冰厚监测、流量监测等用于监测冰池运行状况的监测装置。

供冷装置采用外融冰供冷方法，外融冰供冷方法包括供冷工况和蓄冰工况。

供冷工况包括：

在冰池开始融冰时，打开各个融冰区的进水器31和出水器32，使水流由融冰区内的进水器31流向融冰区内的出水器32，如图1所示，此时各个融冰区的液面平齐；

在冰池结束融冰后，起始区11的进水器31和终止区12的出水器32打开，其余的进水器31和出水器32关闭，使水流由起始区11的进水器31流向终止区12的出水器32，如图2所示，此时各个融冰区的液面出现高差。进水器31和出水器32的流量控制在不超过3500m³/h。

蓄冰工况包括：

蓄冰初期，同时开启制冷机、进水器31和出水器32，让蓄冰盘管内和蓄冰盘管外同时存在液体流动，快速蓄冰；

蓄冰末期，关闭进水器31和出水器32，缓速节能蓄冰。

根据本发明实施例的供冷装置及外融冰供冷方法，通过将冰池分隔出多个融冰区，并具体设计外融冰供冷方法，能够提高供冷装置的COP，在提高用冷量的前提下降低蓄冰的能耗，节能环保。

可以理解的是，原有技术由于供冷工况结束之后水温约为1.1℃左右，蓄冰工况COP为4左右，供冷装置综合COP约为3.5左右。本实施例冰池中的水在供冷工况结束后最高能达到12.5℃，各个融冰区的水充分混合后的水温在10℃左右。蓄冰时，冷机COP可以达到4.5左右，综合COP可以达到4左右，比原有系统节能10％以上。而且在蓄冰初期，采用快速蓄冰方法，使蓄冰初期池内温度快速降低，达到单位时间内蓄冷更多。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种供冷装置，其特征在于，包括：

冰池，所述冰池设置有至少两个融冰区，所述冰池开设有过流孔(2)，所述过流孔(2)用于形成射流，各个所述融冰区通过所述过流孔(2)顺序连通，所述融冰区包括起始区(11)和终止区(12)；

进水器(31)，所述起始区(11)设置所述进水器(31)；

出水器(32)，所述终止区(12)设置所述出水器(32)。

2.根据权利要求1所述的供冷装置，其特征在于：所述冰池设置至少三个所述融冰区，所述融冰区包括中继区(13)，所述中继区(13)位于所述起始区(11)和所述终止区(12)之间。

3.根据权利要求1所述的供冷装置，其特征在于：所述过流孔(2)的上边缘的高度小于或等于所述过流孔(2)连通的所述融冰区的设计液面高度。

4.根据权利要求2所述的供冷装置，其特征在于：所述融冰区的形状为立方体形状，相邻两个所述过流孔(2)的高度差h满足公式：h＝[(400HWV_m)²]/(2g)，其中V_m为所述融冰区的截面流速，H为所述融冰区的设计液面高度，W为所述融冰区的宽度，g为重力加速度。

5.根据权利要求1或4所述的供冷装置，其特征在于：所述过流孔(2)的形状为圆形，所述过流孔的直径D满足公式：D＝31HW/(πL)，其中L为所述融冰区的长度。

6.根据权利要求2所述的供冷装置，其特征在于：所述过流孔(2)的高度按照所述融冰区的连通顺序依次降低。

7.根据权利要求1所述的供冷装置，其特征在于：各个所述融冰区均设置所述进水器(31)和所述出水器(32)，所述进水器(31)位于所述融冰区的一侧，所述出水器(32)位于所述融冰区的另一侧。

8.一种外融冰供冷方法，其特征在于：

外融冰供冷方法用于供冷装置，供冷装置包括冰池、进水器(31)、出水器(32)和蓄冰盘管，所述冰池设置有至少两个融冰区，所述冰池开设有过流孔(2)，所述过流孔(2)用于形成射流，各个所述融冰区通过所述过流孔(2)顺序连通，所述蓄冰盘管、所述进水器(31)和所述出水器(32)设置在各个所述融冰区中，所述融冰区包括起始区(11)和终止区(12)；

外融冰供冷方法包括供冷工况，所述供冷工况包括：在所述冰池结束融冰后，所述起始区(11)的所述进水器(31)和所述终止区(12)的所述出水器(32)打开，其余的所述进水器(31)和所述出水器(32)关闭，使水流由所述起始区(11)的所述进水器(31)流向所述终止区(12)的所述出水器(32)。

9.根据权利要求8所述的外融冰供冷方法，其特征在于：所述供冷工况包括：在所述冰池开始融冰时，打开各个所述融冰区的所述进水器(31)和所述出水器(32)，使水流由所述融冰区内的所述进水器(31)流向所述融冰区内的所述出水器(32)。

10.根据权利要求8或9所述的外融冰供冷方法，其特征在于：外融冰供冷方法包括蓄冰工况，所述蓄冰工况包括：打开连接所述蓄冰盘管的制冷机，通过所述蓄冰盘管在所述融冰区制冰。

Images