CN1454110A - 用于通过冷冻进行液体连续结晶的方法和装置 - Google Patents

用于通过冷冻进行液体连续结晶的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于通过冷冻形成带有晶核、气泡和浓缩的未冻结液体的气泡浆而连续结晶的装置。该装置包括一个无泵制冷回路，该回路包括一个压缩机、一个水冷凝器、一个冷却塔、一个间接制冷蒸发器、一个膨胀阀、一个低压储液桶和制冷附件，用于流过制冷蒸发器的液体的体积结晶。该装置在一个预定温度下进行液体初步冷却，将气体加入到冷却的液体中和并将它们互相混合，将液气混合物传送经过制冷蒸发器，并使该液气混合物在制冷蒸发器中绕行。

Description

用于通过冷冻进行液体连续结晶的方法和装置
发明领域
本发明涉及一种用于通过冷冻进行液体连续结晶的方法和装置。
发明背景
从饱和液体中提取象晶体这样的固相物质称为结晶。晶体的化学成分与母液的化学成分不同。晶体的这种特征被用于大规模分离、超净化和悬浮处理。在工业应用中，结晶是在蒸馏之后应用最为普遍的工艺技术。它包括从液体中提取溶解的一种成分，通过溶剂结晶(低温浓缩)同时浓缩所有溶解的物质，生产所需的稠性食品(即冰淇淋)。过饱和液体可以通过增加浓度或通过冷却进行制备。为了增加液体的浓度，有几种广泛使用的商业方法，包括热加工、蒸汽压缩、隔膜渗透(反渗透)，和上述工艺的组合。
隔膜渗透技术的主要弊端在于用于液体通过的隔膜的高能耗值及其昂贵价格。由于热传递过程的非常低的效率和用于蒸发的非常高的能耗值(597kcal/kg＝2500kJ/kg)，蒸汽压缩设备和热加工工厂十分笨拙。在内部通过冷却导致液体过饱和的设备称为冷却结晶器。它可以是周期或连续型、直接或间接型。一般地，连续间接型冷却结晶器是一众所周知的刮削表面结晶器(SSC)。它由一个具有从SSC的冷却表面上切割所产生的晶体的刀具结构的冷却缸(蒸发器)组成。如果缸体旋转，则将刀具(铣刀)固定。相反，在不动的蒸发器中，有一个旋转的刮削器或具有刀具的轴。由于在冷却表面和刀具或刮削器的边缘之间的间隙，所处理材料的一个晶体层总是覆盖着一个热传递表面。它导致通过缸体的热流的急剧下降及其生产能力的下降。此外，刀具和晶体冰层之间的粘着力增加了刀轴电机的能量消耗，并导致缸体的横截面对于所流过的液体而堵塞。为了防止这种现象，采用不同的防御措施将SSC的结构复杂化。这些技术的能量消耗约等于(100kcal/kg＝419kJ/kg)。
一种用于从溶解固体的溶液中除去水的冷冻结晶装置，如美国专利No.5575160中所述，一种通过一个冷冻结晶器的液体，通过与冷却表面直接接触而冷却(冰晶核从管状元件的整个体积的内表面移动)。该将初始进料流转换成冰浆和浓缩液的结晶器，包括一个SSC，该SSC产生、泵送并移除冰浆，并使用一个二级冷却系统。在SSC之后，浓缩液和冰晶的混合物被分离，冰晶被连续地从冰分离器中排放出去。然而，根据上述专利的方法，因为整个管状元件体积的阻塞而效率很低。刮削器绕它们的轴线旋转导致大量的液体被强制从轴沿各个方向流向冷却表面。冰晶本身又由于在冰和液体密度之间存在的差异而加速到达外壳的轴线。冰的新生部分连续地挤压并包覆旋转轴。该现象导致结晶器横截面的减小，以及工作模式的停止。
在高度混杂的液体进料流的情况下，冷冻的效果和分离冰晶和母液的能力显著地下降，这是因为所产生的冰晶相对较小，并因此而使得离心作用较低。上述方法的另一个严重的弊端是，已知的结晶器效率因为从冷却剂(盐水)到进料流的热传递系数的值低(不大于400W/(m2·K))而非常低。这就是与其他进料技术(即无泵过量进料制冷剂系统)相比，此方法需要更大的热传递表面(by 50÷100％)、需要经常注意进料流的稳定性和在制冷剂一侧需要压缩机保护的原因。此外，在结晶器外壳的内表面上形成冰要求大量的能量消耗，因为每一个新冰层产生对下一冰层附加的热阻抗。这使得必须降低制冷剂的蒸发温度。例如，对于部分结晶的浆料而言，在该浆料中冰占结晶温度为-3℃的被处理液体的50％，其最终最高温度需要为负6℃{[1-(-3℃/-6℃)]×100％＝50％}。在不锈钢结晶器外壳和不锈钢盐水冷却器主体的情况下，在处理的液体和沸腾的制冷剂之间的最小温度落差(温度降)将大约为(15÷20℃)。冰层在结晶器的冷却表面上的生长导致制冷剂温度降低大约10℃。同时，蒸发温度每减少1℃对应着冷容量下降4％。这意味着蒸发温度的10℃的温度降导致压缩机制冷能力减少40％，并相应地，导致压缩机能耗增加20÷30％。
发明概述
本发明克服了先有技术的缺陷和弊端，并提供了一种用于通过冷冻实现液体连续结晶的方法和装置，使得可以在液体体积中生产气泡浆混合物，消耗较少的能量，允许高效率地从浓缩液中分离晶体，并可支持不用附加泵送装置的气泡浆的输送，它对环境更为友好，在经济上更具有吸引力。
根据本发明的一方面，一个用于提供液体的连续三维结晶的系统包括一个用于提供液体的液体供给回路、一个被供给液体和一种预定气体用于生产液气混合物的混合器，和一个被供给该液气混合物用于该混合物的三维结晶以生产冰晶的结晶器。该液体供给回路可包括一个在将液体供给到混合器之前用于预先冷却该液体的冷却装置。
在本发明的一个优选的实施例中，结晶器可包括至少一个蒸发器，该蒸发器包括一个用于旋转该液气混合物以防止晶体在蒸发器的内表面上生长的旋转装置。该蒸发器包括一个外管和一个具有一个抛光内表面并设置于外管内部的用于通过液气混合物的内管。在外管和内管之间可以提供一种沸腾的(汽化的)制冷剂。
旋转装置可设置于内管内，用于旋转通过内管的混合物，以防止晶体在内管的抛光内表面之上生长。该旋转装置可包括一个旋转轴和多个安装在旋转轴上的塑料刮片。
根据本发明的这种方法，一种液体与一种预选的气体混合，以生成一种液气混合物。该液气混合物被通过至少一个蒸发器，用于进行该混合物的三维结晶，以产生冰晶。通过蒸发器的混合物可以被旋转，以防止晶体在蒸发器的内表面上生长。
根据本发明的另一方面，一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的方法包括以下步骤：冷却具有预定化学和物理成分的液体；提供具有预定化学和物理特性的气体；将冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体互相混合；将上述混合有细气泡形式的气体的冷却的液体通过至少一个蒸发器；使该混合有气泡的冷却的液体流沿至少一个套管式蒸发器的轴线绕行(旋绕)通过；冷却与蒸发器内管的内抛光表面相邻的混合有气泡的液体(LMGB)层，该内管的外壁表面与一种沸腾的制冷剂直接热接触；防止晶体核在蒸发器内管的内抛光表面上生长；从蒸发器内管的内抛光表面上除去LMGB的冷却层，并在蒸发器的整个体积(容积)内基本均匀地运送该冷却层；过冷由冷却的LMGB所充满的整个蒸发器的体积到结晶温度以下，以获得在作为结晶中心和传送工作介质的细汽泡上的自然体积的晶体生长；从蒸发器除去占据着整个体积的带有细汽泡的长成的晶体(GCFGB)和浓缩液；使制冷剂在蒸发器外管和内管之间的空腔中沸腾成为泡沫，内管的内壁表面与冷却的LMGB为直接对流热接触；从蒸发器抽出制冷剂泡沫；破灭制冷剂泡沫并伴随着超加热制冷蒸汽，并将未沸腾的液体制冷剂返回到空腔中去；压缩并伴随着冷凝制冷剂蒸汽；存贮液体制冷剂并随后在将液体制冷剂节流并供给到蒸发器的空腔之前对其进行过冷却；输送汽泡浆形式的GCFGB和浓缩液的混合物，用于存贮或分离GCFGB和浓缩液。
本发明还提供了一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的方法，包括以下步骤：将具有预定化学和物理成分的液体泵送通过组装到贮罐之中的预冷热交换器；通过和预冷热交换器内表面的热对流接触冷却该液体，预冷热交换器的外壁表面与正在贮罐内的融化的晶体成直接热传导-对流接触；从热交换器推进冷却的液体；提供具有预定化学和物理特性的气体；将冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体相互混合；使与细汽泡形式的气体混合的冷却的液体(LMGB)通过至少一个蒸发器；使冷却的LMGB流沿至少一个套管式蒸发器的轴线绕行；冷却与蒸发器内管的内抛光表面相邻的混有气泡的液体层，该内管的外壁表面与一种沸腾的制冷剂成直接的热对流接触；阻止晶核在蒸发器内管的内抛光表面上生长；从蒸发器内管的内抛光表面上除去LMGB的冷却层，并在蒸发器的整个体积中基本均匀地传送该冷却层；将由混合有气泡的冷却的液体所充满的蒸发器的整个体积过冷到结晶温度以下，以获得在作为结晶中心和传送工作介质的细汽泡上的自然体积晶体生长；从至少一个蒸发器除去占据着整个体积的GCFGB和浓缩液；使制冷剂在蒸发器外管和内管之间的空腔中沸腾成为泡沫，内管的内壁表面与冷却的LMGB混合物为直接热对流接触；从至少一个蒸发器抽出制冷剂泡沫；破灭泡沫并伴随着超加热制冷蒸汽，并将未沸腾的制冷剂返回到空腔的出口部分中；压缩并伴随着冷凝制冷剂蒸汽；存贮液体制冷剂并随后在将液体制冷剂节流并供给到蒸发器的空腔之前对其进行过冷却；将汽泡浆形式的GCFGB和浓缩液的混合物输送给集液罐；分离GCFGB和浓缩液；从集液罐抽出浓缩液以供存贮或进一步利用；融化分离的GCFGB；将来自融化的GCFGB的水循环到融化水分配装置、集液罐、提供装置(供应装置)和辅助热交换器的闭合回路；通过与辅助热交换器的热传递表面的热对流接触，加热经过辅助热交换器的来自融化的GCFGB的循环水，辅助热交换器的外壁表面与冷凝器水热对流接触；将冷凝器水循环到冷却塔、冷凝器、提供装置和辅助热交换器的闭合回路中；加热通过冷凝器的热传递装置的冷凝器水，该热传递装置的外表面与冷凝的液体制冷剂为热对流接触；通过与进入辅助热交换器的来自融化的GCFGB的循环水的对流-传导热传递，以及与冷却塔中环境空气的对流-传导热传递，冷却冷凝器水。
本发明还提供了一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的方法，它包括以下步骤：将具有预定化学和物理成分的液体泵送通过组装到贮罐中的预冷热交换器；通过与预冷热交换器内表面的热对流接触冷却该液体，该预冷热交换器的外壁表面与处在贮罐内的融化的晶体成直接热传导-对流接触；从热交换器推进冷却的液体通过热交换器-低压储液桶(HE-LPR)；通过与HE-LPR内表面的热对流接触附加(进一步)冷却该冷却的液体，HE-LPR的外壁表面与吸入到压缩器中的超热制冷剂蒸汽成直接热对流接触；从热交换器推进冷却的液体；提供具有预定化学和物理特性的气体；将冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体相互混合；使与细汽泡形式的气体混合的冷却的液体(LMGB)通过至少一个蒸发器；使混合有气泡的冷却的液体LMGB流沿至少一个套管式蒸发器的轴线绕行；冷却与蒸发器内管的内抛光表面相邻的LMGB层，内管的外壁表面与一种沸腾的制冷剂直接对流热接触；阻止晶核在蒸发器内管的内抛光表面上生长；从蒸发器内管的内抛光表面除去GCFGB的冷却层，并在蒸发器的整个体积中基本均匀地传送该冷却层；将由冷却的LMGB充满的蒸发器的整个体积过冷却到结晶温度以下，以获得在作为结晶中心和传送工作介质的细汽泡上的自然体积晶体生长；从至少一个蒸发器除去占据着整个体积的带有细汽泡的晶体和浓缩液；使制冷剂在蒸发器外管和内管之间的空腔中沸腾成为泡沫，内管的内壁表面与液体和气体细气泡的冷却的混合物成直接热对流接触；从至少一个蒸发器中抽出泡沫状态的制冷剂并传送到装在蒸发器上方的低压储液桶之中；通过与制冷剂热交换器(RHE)外表面的直接热对流接触破灭泡沫，并伴随着加热制冷剂蒸汽，RHE组装到LPR之中，且其内表面与从制冷剂储液桶经过RHE到达膨胀阀进行节流的高温液体制冷剂成直接热对流接触；通过HE-LPR的热传递壁与泵入蒸发器的高温液体之间的间接热对流-传导接触超加热加热过的制冷剂蒸汽；将未沸腾的制冷剂返回到空腔的出口部分中；压缩并伴随冷凝制冷剂蒸汽；存贮液体制冷剂并随后在液体制冷剂节流并供给到蒸发器的空腔之前对其进行过冷；输送汽泡浆形式的GCFGB和浓缩液的混合物到达集液罐；分离GCFGB和浓缩液；从集液罐抽出浓缩液以供存贮或进一步利用；融化分离的GCFGB；将来自融化的GCFGB的水循环进入水分配装置、集液罐、提供装置和辅助热交换器的闭合回路；通过与辅助热交换器的热传递表面的热对流接触加热来自融化的GCFGB并通过辅助热交换器的循环水，辅助热交换器的外壁表面与冷凝器水成热对流接触；从集液罐抽出由分离的晶体融化而产生的纯水，以供存贮或进一步利用；循环冷凝器水进入冷却塔、冷凝器、提供装置和辅助热交换器的闭合回路；加热通过冷凝器的热传递装置的冷凝器水，该热传递装置的外表面与冷凝的液体制冷剂成热对流接触；通过与来自进入辅助热交换器的融化的GCFGB的循环水的对流-传导热传递，以及与进入冷却塔的环境空气的对流-传导热传递，冷却冷凝器水。
此外，本发明提供了一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的装置，它包括：用于将液体从一个供给系统推进到用于冷却具有预定化学和物理成分的液体的制冷装置的泵送装置；用于生产具有预定化学和物理特性的气体的提供装置；用于将冷却的液体与具有预定化学和物理特性的气体进行互相混合的压缩装置；用于将混合有细气泡形式的气体的冷却的液体(LMGB)通过至少一个套管式蒸发器推进并沿蒸发器的轴线绕行的传送装置，LMGB与在蒸发器的制冷剂空腔处以泡沫状态(发泡工况)沸腾的制冷剂成间接热对流-传导接触；用于从至少一个蒸发器除去具有细气泡的长成的晶体(CGFGB)和浓缩液以供存贮或进一步利用的输送装置；制冷剂相变的制冷闭合回路，包括压缩机、水冷凝器、制冷蒸发器、冷却塔、低压储液桶、辅助制冷附件，以获得在蒸发器内在作为结晶中心的细汽泡上生长的自然体积晶体，并防止晶体在蒸发器内管的内冷却表面上生长。
本发明还提供了一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的装置，它包括将具有预定化学和物理成分的液体从一个供给系统推进到预冷热交换器的泵送装置，该预冷热交换器组装到贮罐中，在其中，液体由和处在贮罐中的融化的晶体的间接热传导-对流接触而受到冷却；用于从预冷热交换器推进冷却的液体的提供装置；用于产生具有预定化学和物理特性的气体的提供装置；用于将冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体混合的压缩装置；用于通过至少一个套管式蒸发器推进并沿蒸发器的轴绕行传送混合有一种细汽泡形式的气体的冷却的液体(LMGB)的传送装置，LMGB与在蒸发器的制冷剂空腔中以泡沫状态沸腾的制冷剂成间接热对流-传导接触；输送装置，用于从至少一个蒸发器除去一种由带有细气泡的长成的晶体(GCFGB)和浓缩液组成的气泡浆(BS)形式的混合物，并送到集液罐，以通过重力作用和浮力进行GCFGB和浓缩液之间的自然分离；用于控制贮罐和集液罐的注入和排放的液位传感装置；用于从集液罐抽出浓缩液以供存贮或进一步利用的泵送装置；用于融化分离的GCFGB的加热回路，该回路包括，具有预冷热交换器并通过该预冷热交换器而使融化的晶体和泵入的温暖的液体成间接热对流-传导接触的集液罐，传送融化水装置，通过与热冷凝器水的间接热对流-传导接触而加热融化水的辅助热交换器，组装到集液罐中用于加速分离的晶体的融化的融化水喷射装置；用于从集液罐中抽出纯净融化水以供存贮或进一步利用的泵送装置；制冷剂相变的制冷闭合回路，其包括压缩机、水冷凝器、至少一个蒸发器的制冷剂沸腾空腔、冷却塔、低压储液桶、辅助制冷附件，以获得在蒸发器内在作为结晶中心的细汽泡上生长的自然体积晶体，并防止晶体在蒸发器内管的内冷却表面上生长。
本发明还提供了一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的装置，它包括：将预定化学和物理成分的液体从一个供给系统推进到预冷热交换器的泵送装置，该预冷热交换器组装到贮罐中，在其中，液体通过与处于贮罐中的融化的晶体的间接热传导-对流接触而受到冷却；用于将冷却的液体从预冷热交换器推进到热交换器-低压储液桶(HE-LPR)的提供装置，HE-LPR组装在蒸发器之上并靠近蒸发器的出口，其中液体通过与吸入到压缩机的加热的制冷剂蒸汽成间接热传导-对流接触而受到额外的冷却；用于从HE-LPR推进冷却的液体的提供装置；用于产生具有预定化学和物理特性的气体的提供装置；用于将冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体相互混合的压缩装置；用于通过至少一个套管式蒸发器推进并沿蒸发器的轴绕行推进混合有细汽泡形式的气体的冷却的液体(LMGB)的传送装置，LMGB与在蒸发器的制冷剂空腔中以泡沫状态沸腾的制冷剂成间接热对流-传导接触；输送装置，用于从至少一个蒸发器除去由带有细气泡的长成的晶体(GCFGB)和浓缩液组成的气泡浆(BS)形式的混合物，并将其送到集液罐，以通过重力作用和浮力进行GCFGB和浓缩液之间的自然分离；用于控制贮罐和集液罐的注入和排放的液位传感装置；用于从集液罐抽出浓缩液以供存贮或进一步利用的泵送装置；用于融化分离的GCFGB的加热回路，该回路包括具有预冷热交换器并通过该预冷热交换器而使融化的晶体和泵入的温暖的液体成间接热对流-传导接触的集液罐，传送融化水的装置，通过与热冷凝器水的间接热对流-传导接触而加热融化水的辅助热交换器，组装到集液罐中用于加速分离的GCFGB的融化的融化水喷射装置；用于从集液罐中抽出纯净的融化水以供存贮或进一步利用的泵送装置；制冷剂相变的制冷闭合回路，其包括压缩机、水冷凝器、至少一个蒸发器的制冷剂沸腾空腔、冷却塔、热交换器、低压储液桶、辅助制冷附件，以得到在蒸发器内在作为结晶中心的细汽泡上生长的自然体积晶体，并防止晶体在蒸发器内管的内冷却表面上生长。
附图简介
为了理解本发明并了解本发明在实际中如何实施，现结合附图，对一个作为非限制性示例的优选实施例进行说明，其中类似的零件赋予相同的标号，其中：
图1示出了一个根据本发明具有两个水平套管式蒸发器的装置的第一实施例的制冷剂和液体的流程图；
图2是根据本发明的装置的第二实施例的总体布置图和流程图；
图3示出了一个根据本发明具有一个竖直套管式蒸发器的刮净表面结晶器(WSC)装置的第二实施例的制冷剂和液体的流程图；
图4是根据本发明的装置的蒸发器的横截面视图，和
图5示出了根据本发明的蒸发器的另一个实施例。
附图的详细说明
为了便于理解下文，应该知道根据本发明的方法和装置使用了不同的工作流体，这些流体如下所述进行了指定，这些指定也适用于运载这些流体的管道：
液体                                        L
气体                                        G
液体+气体                                   LG
制冷剂，液体(液态的)                        RL
制冷剂，蒸汽(汽态的)                        RV
制冷剂，泡沫                      RF
晶体+气泡                         C
液体，浓缩的                      LC
晶体+气泡+液体，浓缩的＝气泡浆    BS
水，冷凝器                        W
水，融化的                        WM
油                                O
还应该指出在此所使用的术语“液体”是指一种介质，其中溶剂是水，而溶质是适合使用目的的任何物质。在根据本发明的方法中，溶质可以有利地为普通果蔬汁液。另一种可能是使用一种冰淇淋混合物、任何啤酒、葡萄酒、海水、废水、或基于乙二醇或盐的溶液。
参照附图1，液体制冷剂RL从一个储液桶(容器)1通过一个结合在一个低压储液桶(LPR)3之中的制冷剂热交换器2、过滤-干燥器4、电磁阀5、观察窗6、热膨胀阀7供给到蒸发器8。一个LPR3安装于蒸发器8上方。制冷剂蒸汽RV通过一个压力调节阀9吸入到一个压缩机10之中。在通过一个油分离器11之后，制冷剂蒸汽RV通过冷凝器12返回到液体状态RL。液体L由泵20经过粗过滤器19和细过滤器21送到蒸发器8。为了使液体L在被导入到蒸发器8之前保持在接近其结晶温度附近的温度，液体L由一个独立的冷却单元49进行冷却。液体L流量由流量开关50控制。当液流停止时，压缩机将被关闭。液体L的最终温度由温度传感器51监测。热膨胀阀7在LPR之后的超热制冷剂蒸汽RV的温度和热膨胀阀7之前的液体制冷剂RL的温度之间保持一个恒定温降(温度差)。另外，图1还示出了安装于过滤-干燥器4和观察窗6之间的第一电磁阀5、在蒸发器8的入口和压缩机10的入口之间的第二电磁阀13、在蒸发器8的入口和油分离器11的出口之间的第三电磁阀14、以及在油分离器11的出口和压力调节阀9的入口之间的第四电磁阀15。
如图1中示意性说明的根据本发明的装置，包括两个分立但相互热作用的回路：一个制冷剂回路和一个液体回路。制冷剂回路包括一个收集来自冷凝器12的液体制冷剂RL的储液桶容器1、一个制冷剂热交换器2、一个低压储液桶3、一个过滤-干燥器4、一个电磁阀5、一个观察窗6、一个热膨胀阀7、蒸发器8的沸腾空腔和电磁阀5、13、14、15。在LPR之内，制冷剂热交换器2外表面的高温导致消除从蒸发器8的制冷剂空腔中供给到LPR3的制冷剂泡沫RF，并产生汽态的RV和液态的RL。温暖的液体制冷剂由相对冷的制冷剂蒸汽RV冷却，并进入至少一个蒸发器8。热膨胀阀7上游的液体制冷剂RL的过冷却是有利的，因为它减少节流损失，从而增加制冷剂液体L的比冷容。由消除泡沫制冷剂RF产生的液体制冷剂RL返回到每个制冷剂空腔蒸发器体积中。由消除泡沫制冷剂RF产生的制冷剂蒸汽RV吸收来自液体制冷剂RL的热量。结果，制冷剂蒸汽RV变得超热。压缩机10使得制冷剂蒸汽RV通过油分离器11供入冷凝器12。在LPR中而非蒸发器的制冷剂空腔中RV的超热是有利的，因为它增加了每一个蒸发器8的有效冷却热传递表面，并因此在制冷剂侧(2到18单元)并行连接到LPR的蒸发器的总体冷却效果得到增加。
LPR制冷剂回路向蒸发器提供制冷剂的过量供给而无需使用泵。制冷剂泡沫RF以一个湿的状态离开蒸发器8，并通过与组装到LPR 3之中的制冷剂热交换器2的高温表面的接触而被破灭并蒸发变干。因为制冷剂液体连续存在于LPR的低压侧，并因为该制冷剂液体只能通过蒸发器8供给到LPR中，它遵循于蒸发器8运行在和流满有后来的制冷剂沸腾的泡沫状态类似的状态(工况)中。在稳定条件下，到达蒸发器8的制冷剂液体RL的质量流量与通过压缩机10的相同。在蒸发器8中不发生蒸发至变干的过程。
为了保持沿所有热传递表面的制冷剂侧的膜层散热系数的恒定的最大值，制冷剂在蒸发器8的两个管之间沸腾。这产生了一种制冷剂蒸汽的气泡，该气泡在重力和浮力的作用下开始向上的受限制的运动。该移动的气泡的作用象是一个向上推动液体制冷剂的活塞。到达蒸发器的出口时，带有部分液体制冷剂的气泡(“制冷剂泡沫”-RF)从蒸发器中出来并升到LPR。它们被通过与制冷剂热交换器2的高温外表面的接触而消灭，而夹带的液体制冷剂RL被摔落到至少一个蒸发器8的两管之间的空间中。对于最常使用的制冷剂(氨，氟里昂22，氟里昂134a，氟里昂502，氟里昂404a)，当两壁之间的间隙小于5毫米时，不足量的液体制冷剂进入两管之间，并在那里发展成包含汽化的制冷剂的大空间，这减少了泡沫化的制冷剂和管之间的热传递值。它还引起制冷剂和LMGB之间的热传递系数的降低。如果间隙超过20毫米，大量的制冷剂循环于制冷剂系统中，大量的制冷剂没有时间吸收来自穿过热传递壁的溶液侧的热负荷。它导致所不希望的压缩机热负荷的增加，并因此而导致每吨晶体产量的比能耗(耗能率)的增加。在具有制冷剂沸腾的泡沫工况(机制)的LPR系统中降低所循环的制冷剂的质量具有明显的优点。与干式膨胀系统、泵循环制冷剂系统和常规的已知全泛滥式蒸发器系统相比，制冷剂装料量可达到最小化。与实现一个液体冷冻过程的当前已知系统的等于3-10kg/TR(每吨制冷剂)的特定制冷剂消耗率相比，具有制冷剂沸腾的泡沫工况的LPR系统的制冷剂消耗率可以达到1.2-1.4kg/TR。
为了组建在蒸发器8之中的制冷剂沸腾的有效泡沫工况，需要将LPR保持在蒸发器8上方的一个预定低的高度上。因此，可以通过液体制冷剂的液体静压柱来防止制冷剂沸腾的减压。该高度小于400毫米。在这种情况下，蒸发器入口和LPR之间的总液动阻力将为3.5÷10.0kPa，这对应着沿两米高的蒸发器的蒸发温度降(0.3÷0.7)℃。对于上述条件而言，实现了制冷剂的泡沫沸腾。
从蒸发器8返回油非常重要。可以通过这样一个事实来解释，即在制冷剂和涂油的表面之间的膜层热传递系数非常低。现代油分离器可以达到携带率小于10ppm的高效率。但不管分离器11多么有效，一些油将总是经过它并通过冷凝器12、储液桶1、制冷附件，进入蒸发器8。在蒸发器中由压缩机的制冷剂蒸汽吸入的部分油，通过压力调节阀9和油分离器11被强制送入压缩机10的曲柄轴箱。为了将油从蒸出器8全部除去，可用下列方法。电磁阀5关闭向蒸发器8的制冷剂液体供给。在随后的两分钟期间，一个电磁阀14打开。蒸发器8的制冷剂沸腾空腔由热压缩气体加热。该气体通过蒸发器8、LPR3、压力调节阀9，并回到压缩机10。然后，电磁阀14关闭，电磁阀13和15打开。在30秒钟期间内，加热的油被高压压缩的制冷剂蒸汽RV挤出蒸发器。油经过电磁阀15、LPR3、蒸发器8的制冷剂沸腾空腔、电磁阀13到达压缩机10的曲轴箱。
为了彻底消除制冷剂泡沫，降低LPR3的体积，并保证未沸腾的液体制冷剂RL将蓄积在LPR底部的最低位置并均匀地返回到蒸发器8的制冷剂沸腾空腔的出口部分，其中蒸发器8在制冷剂侧并行地连接到LPR3，采用了一种透镜形式(lens type form)的LPR。通过LPR3的泡沫制冷剂的任何部分将和一双螺旋型制冷剂热交换器2接触，并被消除。对任何目前贵的制冷剂分配器而言，它是不必要的。
液体回路包括泵20、粗过滤器19、细过滤器21、独立冷却单元49、用于混合冷却的液体L和由气体压缩机22产生的气体G的混合器24、气体过滤器23、流量开关50、蒸发器8的液体空腔、具有旋转轴和清洗器(washer)16和17的马达18，和气泡浆温度传感器51。
为了保持在内侧蒸发器管的内侧冷却表面和与该冷却表面相邻的LMGB层之间的最大膜层热传递系数，从而使冷却的LMGB层冷却并防止晶核生长到冷却的LMGB层中，需要安排使以下的操作彼此互相补充：以支持蒸发器的一个“软”温度工况(工作机制)；以使LMGB流沿蒸发器的轴线绕行(旋绕)；以减少内侧蒸发器管的内侧冷却表面上的可行的结晶中心的数量；以限制从沸腾发泡的制冷剂到冷却处理的LMGB的热通量的最大值。
“软”工况表示在蒸发器入口的LMGB的初始温度、冷却处理的液体的结晶温度和制冷剂蒸发温度之间的一个小的温降。如果在蒸发器入口的LMGB的初始温度高出冷却处理的液体的结晶温度2℃以上，大部分的“贵的”(expensive)冷却表面将被释放用于连续的LGMB冷却。当LMGB的进入温度接近冷却处理的液体的结晶温度时，晶核很可能在邻接内侧蒸发器管的内侧冷却表面的冷却的LMGB层内生长。由于同一原因，在冷却处理的LMGB的结晶温度和制冷剂蒸发温度之间的温降必须小于16℃。
在与内侧蒸发器管的内侧冷却表面相邻的冷却的LMGB层中紊流状态以雷诺数400出现。它对应着(0.05-0.25)米内径的内侧蒸发器管中的塑料刮片的等于400的每分钟转速值(RPM)。另外，刮片趋向于朝向内管的纵向中心轴线以螺旋路线移动冷却的LMGB层。冷却并移动的LMGB层与通过内管的LMGB的总体相混合。在冷却混合的LMGB质量流经内管的期限内，LMGB质量的平均温度下降至低于冷却处理的液体的结晶温度。它导致以细气泡为结晶中心的LMGB质量体积结晶的开始。因为纯水的结晶温度与任何水基液体(溶解有或添加有沉淀物的纯水)相比是最高的，结晶中心将建立于纯水分子上。因此，任何溶解的沉淀物分子从结晶区移开。由于晶体不包括溶解的沉淀物，溶解的物质的分子蓄积在冻结相和非冻结相之间的界面上。所产生的沉淀物簇(团)具有一个低于冻结纯水的结晶温度。如此，具有溶解沉淀物的较高浓度的液体促进纯水向晶体表面的扩散。然后，纯水晶体的形成继续进行。塑料刮片的RPM的上限值取决于相互作用的介质-LMGB、蒸发器管和刮片材料的不同物理、机械和热动力参数。它指的是液体和气体的速度和粘度、泵马达和具有刮片的旋转轴的马达功率、热传递材料的种类、压缩机马达功率和清洗器的数量。例如，如果蒸发温度下降，则压缩机马达功率下降。它导致晶核在与内侧蒸发器管的内冷却表面相邻的冷却的LMGB层内生长的可能性增加。由此，需要使带有刮片的旋转轴RPM增加。在另一方面，增加旋转轴的RPM导致在刮片和冷却表面之间的摩擦力的急剧增加。对用于制冷蒸发器的许多材料和不同种类的液体，具有塑料刮片的轴的RPM的合理上限值等于1000。
为了降低在内蒸发器管的内冷却表面上的可行的结晶中心的数量，必须具有一个1.0微米的内表面粗糙度Ra。在此粗糙度Ra下，晶核在与内蒸发器管的内冷却表面相邻的冷却的LMGB层内生长的可能性将非常地低，以致于在带有刮片的轴的RPM下，刮片足以从冷却表面除掉冷却的LMGB层，从而防止晶核生长到冷却的LMGB层之中。
在内蒸发器管的内冷却表面上的可行的结晶中心的数量将不仅取决于粗糙度Ra的值、蒸发器管材料的种类和蒸发器的温度工况。对于广泛使用的制冷蒸发器的材料，对于在实际中实现的温度工况和具有刮片的旋转轴的RPM值，对于冷却表面粗糙度Ra的经济建议值，最大热通量值等于60kW/m2，借助该热通量可以防止晶核在和内蒸发器管的内冷却表面相邻的冷却的LMGB层中生长。
由混合器24在通过蒸发器8之前对冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体进行的初步混合，促进了冷却的液体的分散相的热传递表面的增加，增加了在内管的冷却表面和LMGB之间的膜层散热系数，强化了在作为结晶中心和进入蒸发器的运输介质的气泡上的三维(体积的)晶核的形成(结晶过程)，防止至少一个蒸发器横截面的通道的堵塞，并加速GCFGB和浓缩液的传输。另外，用于从冷却表面移除冷却的LMGB层、使GCFGB和浓缩液流绕行、并从至少一个蒸发器移除占据着整个体积的GCFGB和浓缩液的能耗率急剧地降低(降低一个大于2的因子)。所产生的晶体具有光滑的结构。
低的气体流率不防止蒸发器的内管的整个体积的堵塞。气体流率的增加导致LMGB比体积内的气泡的更高浓度，使晶核的体积形成加剧，并导致沿蒸发器以及通过供给管道的气泡浆的输送更容易。但是如果气体流率过于使GCFGB和浓缩液排放，气泡浆体在蒸发器内发生，而变干的GCFGB体由于其当前的增加而导致转子马达停转。合理的气体流率(L/h)在泵送的液体流量(L/h)的10-60％范围内。
液体是惯性系统，其中它们对外界影响(机械、电、温度)的反应(任何结构和属性的变化)不是立即实现，而要经过一定的时间模式。由此，为了开始在冷却处理的LMGB的推进体积之中的体积结晶，需要限制通过蒸发器LMGB的流率。对进入到蒸发器之中的LMGB的冷却和冷冻处理的最小时间模式等于15秒。
如附图2中示意地示出并使用上述SSC的装置，可以进行修正以用于自然分离效果的连续使用，该自然分离是在具有细气泡的长成的晶体(GCFGB)和浓缩液之间利用重力和浮力而未使用附加的离心装置和清洗柱的分离。
结合图1说明的用于LMGB制备和BS生产的许多工艺步骤是相同的。主要区别如下文所述。预定化学和物理成分的液体由组装到贮液罐28中的预冷热交换器26冷却。液体的冷却过程通过与预冷热交换器26的内表面的热对流实现，预冷热交换器26的外壁表面与正在贮罐26中的融化的晶体为直接热传导-对流接触。冷却的液体通过混合器24到达蒸发器8，冷却的液体由混合器与气体混合。产生的BS通过一个三通阀35进入集液罐27。罐27的灌注的停止由液位传感器33监测。同时，GCFGB在罐26中融化。为了加速GCFGB的融化过程，以下闭合回路被接通：三通阀37、泵39、电磁阀40、辅助热交换器41、三通阀42和分配装置43。来自融化的GCFGB的循环水通过与温暖的冷凝水间接热对流-传导接触在辅助热交换器41中被加热。冷凝水的闭合回路是：冷却塔52、泵53、SSC34的冷凝器12、三通阀48、辅助热交换器41或辅助热交换器41的旁通管54。由冷凝水所吸收的能量值，总是比在GCFGB中蓄积的要高。因此，它易于适应灌注集液罐27的时间模式(周期)，和正在罐26中的GCFGB的融化所需以及通过三通阀37、泵39和电磁阀45从罐26抽出融化水用于进一步利用所需的时间模式。抽出融化水的开始是根据由温度传感装置55所测得的融化水的温度来限定的。抽出融化水的结束是根据液位传感装置30来限定的。此后，处理的液体通过三通阀25到达预冷热交换器27，而BS通过三通阀37到达罐26。同时，在罐27中，由于重力和浮力在几分钟内实现GCFGB和浓缩液之间的分离过程。浓缩液通过三通阀36、泵38从罐27中抽出用于进一步利用或存贮。从罐27中抽出浓缩液的终止由流量指示装置56限定。正在罐27之中的GCFGB如同在罐26中一样融化。正在罐27之中的所产生的融化水如同从罐26中一样抽出。从此时起开始重复BS的生产和进一步利用的循环。
图3中示出一个不同的流程图。与图2相对比，对通过预冷却热交换器26、27的冷却处理的液体的附加冷却，通过与吸入到压缩机10中的加热的制冷剂蒸汽的间接热对流-传导接触，而在热交换器-低压储液桶HELPR 46、47中实现。这一结构保证了在液体制冷剂突然溅出低压储液桶47的情况下对压缩机10的附加保护。
在液体侧使用与蒸发器57串行连接的附加蒸发器，并在制冷剂侧使用与一个HE-LPR 46、47并行连接的附加蒸发器，可以很好地改善单位能耗率，例如，生产一吨冰淇淋的能耗等于31kWh，与之相比，当前冰淇淋冷冻机的能耗为54-110kWh。
由于所述工艺和技术措施，带有无弹簧加载塑料刮片59的旋转轴62的结构被简化了(图4)。旋转轴62设置于具有内管60和外管61的制冷蒸发器8(卧式)或57(立式)之中。在两个管60和61之间，制冷剂沸腾为泡沫。在轴62上组装有销58。在销58的端部，自由摆动(无弹簧加载)的刮片59支承在心轴63上。当轴62旋转时，自由摆动的刮片59在其外边缘和冷却表面之间无缝隙地紧贴内管60的内冷却表面。自由摆动的刮片59和内管60的内冷却表面之间的完全接触由下列互相补充的措施来支持：选择轴62的每分钟转速(RPM)、迎角A(内管60的直径和刮片59的内边缘之间的角)的值、粗糙度Ra的水平(程度)、刮片59的材料和数量。
在低RPM时，由于在刮片59之前或之后的液力波动而造成的不定的压力降，离心力不足以使刮片59连续地紧贴冷却表面。迎角A的不正当的高值只会增加刮片59的外边缘和冷却表面之间的接触的突发破裂的特点。在低迎角A值和高RPM值时，刮片59和内管60的两个相互作用体之间的摩擦力显著上升。因此，工程上合理的迎角A和RPM的值是：(15-40)°和(400-1000)RPM。
如果Ra大于1微米，可行的结晶中心(微孔和微缝)的数量高，而附着机械力与晶核和冷却表面材料之间的分子力相匹配。冷冻的水冻结到微孔和微缝之中，膨胀并挤压一个相邻的微空腔(空穴)，该微空腔本身又挤压其相邻的微空腔。晶体和管的材料之间的整体接触面积增加，从而使粘着力增加。自由摆动的刮片59和内管60的内冷却表面之间的充分接触在这样一个条件下是可以实现的，第一，刮片材料的硬度小于管材料的硬度(例如塑料如聚四氟乙烯)，第二，刮片对管表面进行初步的研磨，该刮片在内管60内在有5％的盐溶液的情况下旋转几个小时。如果沿内管60的轴线组装的刮片59的数目不小于根据算式“[以毫米计的蒸发器的长度/200毫米]的整数+1”所计算的值，研磨模式的持续时间急剧减少。
图4中所示的实施例可以用图5中所示的空心旋转轴进行变型。由于空心轴64，内管60的横截面面积减少了。沿冷却处理的LMGB的冷却表面的线速度升高了。它防止了任何可能的少量LMGB的蓄积或细菌在带有自由摆动的刮片59的旋转轴64上生长的风险。刮片59的二等边(等腰)形式有助于增加刮片的使用期。如果刮片59的外边缘擦伤，可重装刮片59，使其内边缘接触内管60的冷却表面。为了支持液体体积结晶和BS生产的连续工况而不在管60的横截面上发生堵塞，空心轴64的外表面和内管60的内部冷却表面之间的距离必须大于一个值，该值根据算式“[蒸发器的长度(毫米)/轴的外径(毫米)]×2毫米”计算。另外，如果该距离小于根据该式计算的值，通过蒸发器的管60泵送的液体的能量消耗显著地升高。
除上述本发明的目的之外，它还可以用于液体和悬浮液，例如，汁液、啤酒、葡萄酒等的浓缩，用在空调、冷藏食品存贮系统、超市柜台的冷却、药物、废水处理中用于海水脱盐(淡化)，用于鱼和家禽加工。
对于本技术领域的熟练人员而言，本发明并不局限于前面所列举的实施例的内容，本发明可以以其他具体的形式实施而无需脱离本发明的精神或本质属性。在此提出的实施例因此被视作总体上是示例性的而非限制性的，因此，由后附权利要求而非前述说明所指明的本发明的范围，和与属于权利要求等效范围内的意思之内的所有变化，在此均被包含在内。

Claims (22)

1.一种用于提供液体的连续三维结晶的系统，它包括：
一个用于供给液体的液体供给回路，
一个被供给液体和一种预定气体用于产生一种液气混合物的混合器，和
一个被供给该液气混合物用于进行该混合物的三维结晶以生产冰晶的结晶器，
该结晶器包括至少一个蒸发器，该蒸发器具有一个外管和安装在外管内部用于液气混合物通过的内管，并包括一个安装在内管内部用于旋转通过该内管的液气混合物的旋转装置，
该旋转装置包括一个旋转轴和至少一个安装在旋转轴上的刮片，该刮片具有一个外边缘和一个内边缘，外边缘较内边缘更靠近内管的表面安装，
在刮片的内边缘和内管的直径之间的迎角被在一个预定范围内选择，以防止晶体在蒸发器的内表面上生长。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在外管和内管之间提供有一种沸腾的制冷剂。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，内管具有一个抛光的内表面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，液体供给回路包括一个在将液体供给到混合器之前用于预冷该液体的冷却装置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，该迎角在15°和40°之间的范围内选择。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，该轴的旋转速率被在一个预定范围内选择，以防止晶体在蒸发器的内表面上生长。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，上述旋转速率在400和1000转/分之间的范围内选择。
8.一种提供液体的连续三维结晶的方法，它包括以下步骤：
将液体与一种预定气体混合，用于产生一种液气混合物；
使上述液气混合物通过至少一个蒸发器，用于进行该混合物的三维结晶以生产晶体，该蒸发器具有一个外管和安装在外管内部的内管，上述液气混合物通过上述内管；
用一个旋转装置旋转该液气混合物，该旋转装置具有旋转轴和至少一个安装在旋转轴上的刮片，该刮片具有一个外边缘和一个内边缘，其中外边缘较内边缘更靠近内管的表面安装；和
在一个预定范围内选择一个在刮片内边缘和内管直径之间的迎角，以防止晶体在蒸发器的内表面上生长。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在外管和内管之间提供有一种沸腾的制冷剂。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，还包括在混合液体和气体的步骤之前进行的预冷却该液体的步骤。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其特征在于，该迎角在15°和40°之间的范围内选择。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的系统，其特征在于，还包括在一个预定范围内选择轴的旋转速率的步骤，以防止晶体在蒸发器的内表面上生长。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其特征在于，上述旋转速率在400和1000转/分之间的范围内选择。
14.一种用于通过冷冻进行液体连续体积结晶的装置，它包括：
用于将液体从一个供给系统推进到用于冷却具有预定化学和物理成分的液体的制冷装置的泵送装置；
用于产生一种预定化学和物理特性的气体的提供装置；
用于互相混合冷却的液体和具有预定化学和物理特性的气体的压缩装置；
用于通过至少一个套管式蒸发器并沿蒸发器的轴线绕行推进混合有一种细气泡形式的气体的冷却的液体(LMGB)的传送装置，其中该混合有气泡的液体和在蒸发器的制冷剂空腔中以泡沫状态沸腾的制冷剂为间接热对流-传导接触；
用于从至少一个蒸发器移除具有细气泡的长成的晶体(GCFGB)和浓缩液以进行存贮或进一步利用的输送装置；
制冷剂相变的制冷闭合回路，它包括压缩机、水冷凝器、制冷蒸发器、冷却塔、低压储液桶和辅助冷却附件，以获得在蒸发器中在作为结晶中心的细气泡上生长的自然体积晶体，并防止晶体在蒸发器内管的内部冷却表面上生长；
其中，低压储液桶是一种透镜形式。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，有多个蒸发器，这些蒸发器在制冷剂侧被并行组装到仅有的一个低压储液桶中，并在液体侧在它们自身之间串联。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其特征在于，与混合有气泡的冷却的液体相接触的蒸发器内表面的粗糙度水平Ra小于1.0微米。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的装置，其特征在于，在至少一个制冷蒸发器的内外管的两个热传递表面之间的用于泡沫制冷剂沸腾的间隙为于5.0毫米和20毫米之间。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的装置，其特征在于，制冷剂蒸汽和液体制冷剂的分离和从制冷剂泡沫到液体制冷剂的转变，发生在至少一个蒸发器上方不超过400毫米的距离。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的装置，其特征在于，具有无弹簧加载塑料刮片的旋转轴的每分钟转速为400秒-1和1000秒-1之间。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的装置，其特征在于，一个在制冷套管式蒸发器的内管直径和二等边塑料自由摆动刮片的内边缘之间的迎角的值为15°和40°之间。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的装置，其特征在于，沿制冷套管式蒸发器内管的轴线组装的多个二等边塑料自由摆动刮片的数目，不小于一个等于[以毫米计的蒸发器的长度/200mm]的整数+1的值。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的装置，其特征在于，具有塑料自由摆动刮片的旋转空心轴的外表面和制冷套管式蒸发器内管的内冷却表面之间的间隙，大于一个等于[蒸发器的长度(毫米)/轴的外径(毫米)]×2毫米的值。
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