CN1800746A - 冷水凝固热的采集装置 - Google Patents

Abstract

冷水凝固热的采集装置，它涉及一种从冷水中采集凝固热的装置。本发明的目的是为解决现有冻冰换热的相关技术还不够成熟，还缺乏冷水凝固热有效采集手段的问题。本发明换热结冰管(12)固定在换热结冰器(3)内，换热结冰管(12)与换热结冰器(3)之间由密封圈(4)密封连接，换热结冰管(12)与换热结冰器(3)及密封圈(4)之间形成水－乙二醇空间(16)，换热结冰管(12)内形成水－冰絮空间(17)，绞龙刮板(13)设置在换热结冰管(12)内，绞龙刮板(13)的一端与设置在换热结冰管(12)端头上的主轴(6)固定连接，主轴(6)与设置在冷水进口罩(14)内的电机减速器(7)之间由链条(5)传动连接。本发明具有结构简单、取热效率高的优点，它能够在取热过程中突破0℃的关卡，令水冻冰，以获取水的凝固热。

Description

冷水凝固热的采集装置

技术领域

本发明涉及一种从冷水中采集凝固热的装置。

背景技术

利用水源热泵技术从环境中的水中取热为建筑物供暖与空调，可使电能的利用率提高到四倍。不仅利用了可再生能源，而且避免了用矿物燃料做热源对环境不可避免的污染。热泵供热技术已出现近百年，它早已被公认为一项既节能又环保的优秀技术。然而热泵技术却一直没有得到普遍的推广，原因在于适合做热泵水源的环境中的水并非处处都有，事实上，合适水源的匮乏是热泵技术推广应用的瓶颈。人们已经找到的热泵水源有：A.浅层地下水源。该水源并非处处都有，多数地区打很深的井也不能获得足量的水。人们不仅要付出高昂的打井费用，更主要的是由于回灌很难，采集地下水会引发水文地质问题。B.土壤源。这是一种变相的水源。将水管埋入土壤，利用水的循环获取土壤中的热能。该方法的主要缺点是需要付出高昂的埋管费用，因此至今也没有获得推广应用。C.本专利申请人已发明了一种利用城市污水提供能源的装置(专利号ZL 03 1 32553.X)，该装置经几个实际的工程验证是切实好用的。实践已经证明，城市污水是热泵技术推广不可多得的优良热源。自然环境中还有一类数量极大的水资源，即温度很低，甚至接近0℃的天然水。严寒地区冬季表面已经封冻的江、河、湖底，中原和部分南方地区冬季的江、河、湖中都是这类低温水。这类冷水对上述A.B.C各种方法都是不可用的，原因是受到水的0℃冰点的限制。取热过程必然要令水降温，接近0℃的水就没有降温余地了。另外，在C方法的推广应用中发现，常常是在适合采用城市污水源热泵供热的建筑附近找不到水量足够的污水源。对北方地区而言，每一万平方米建筑需要100吨/小时的污水量，平均7-8栋楼下排的生活污水始够一栋楼采暖用。若能在提取污水显热的同时也提取其凝固热，则本楼排放污水中的热能将足够供本楼采暖与热水供应用能。本专利就是为提取水中的凝固热而设计的。用冻冰法采集凝固热技术的关键是如何在满足经济效益的情况下使结的冰及时从换热面上被剥离以及如何使冰水无堵塞地在管道中被疏运。在实际中已有一些相近的技术，并在冰蓄冷空调中已有所应用。比较成熟是球体蓄冰与盘管蓄冰两种方法，盘管蓄冰又可分为内蓄冰与外蓄冰。随着冷量的储存与释放，这些金属壁面上交替进行冻冰与融冰两个过程。显然，此类技术不能满足所要达到的连续从水中提取凝固热的要求。据文献记载，冰蓄冷空调技术中还有一类制取流体冰(冰浆)的方法，包括四种：一、为圆筒机械内刮的方法。所提该方法只能用于海水，采用套管结构，环空间为冷媒，内管中有机械刮板快速转动，以避免海水析出的冰晶颗粒冻结到管壁上。该方法目前没有解决好冰筒数量少时换热器体积过大或冰筒数量多设备复杂的问题。该方法不能满足从淡水中提取凝固热的要求。二、为直接用水作制冷剂，在压缩制冷过程中形成冰浆的方法。该方法令水质很差的天然水直接参与压缩制冷显然是不行的。三、为过冷水动态制冰的方法，仅为提出的一个设想，并在研究过程中，如何过冷而不往壁面上冻结，且达到可靠运行，是难以想象的。四、为采用低于零度的非溶液体与水混合，令水在空间而不是在壁面上结冰的方法。该方法系正在研究，还没有实际应用；须解决的关键问题为合适非溶液体的选取及水在非溶液体中的雾化和热、质交换问题。为获取大量天然水中的凝固热，该方法显然也不适用。

发明内容

本发明的目的是为解决现有冻冰换热技术还不够成熟，还缺乏冷水凝固热有效采集手段的问题，提供一种冷水凝固热的采集装置。本发明具有结构简单、取热效率高的特点，它能够在取热过程中突破0℃的关卡，令水冻冰，以获取水的凝固热。本发明由取水管1、冷水泵2、换热结冰器3、密封圈4、链条5、主轴6、电机减速器7、排水管8、循环泵9、循环出水管10、循环进水管11、换热结冰管12、绞龙刮板13、冷水进口罩14和冰絮出口罩15组成；冷水进口罩14和冰絮出口罩15分别固定在换热结冰器3的两端上，取水管1的出口端与冷水进口罩14相连通，取水管1的入口端与冷水泵2的出口端相连通，冷水泵2的入口端与水源相连通，排水管8的入口端与冰絮出口罩15相连通，排水管8的出口端通水源，循环出水管10的入口端与换热结冰器3的一侧前端相连通，循环出水管10的出口端与循环泵9的入口端相连通，循环进水管11的入口端与换热结冰器3的一侧后端相连通，换热结冰管12固定在换热结冰器3内，换热结冰管12与换热结冰器3之间由密封圈4密封连接，换热结冰管12与换热结冰器3及密封圈4之间形成水-乙二醇空间16，换热结冰管12内形成水-冰絮空间17，绞龙刮板13设置在换热结冰管12内，绞龙刮板13的一端与设置在换热结冰管12端头上的主轴6固定连接，主轴6与设置在冷水进口罩14内的电机减速器7之间由链条5传动连接。本发明的工作原理是：在换热结冰管外的水-乙二醇空间内装有凝固点很低的乙二醇水溶液，其工作温度为-6℃以下，对换热结冰管内为正在被取热冻冰的冰水混合液采用绞龙刮板以机械“削”、“刮”的形式将冻结在换热结冰管内壁上的冰层从壁面上剥离下来，与水混合形成冰絮并随水流走，以不断的采集热量。获得的热量由水-乙二醇溶液作为媒体在循环泵9的驱动下，在换热结冰器3与热泵机组的蒸发器之间循环。

水的凝固热比水的显热大得多。每公斤水温度降低1℃才释放1千卡热量，而令其结冰则会释放出80千卡凝固热。本发明也可应用于温度较高的城市污水的取热工艺中，可以解决经常发生的污水量不能满足要求的情况。本发明采集凝固热的方法，可以使本楼生活污水中的热能足够本楼采暖用热。本发明具有巨大的节能与环保效益。每采集一吨水的凝固热，可获得80000千卡的热能，这相当于燃烧27公斤煤所能获得的有效热能，同时少向大气排放二氧化碳80多公斤。本发明可用于大量接近零度天然水凝固热的采集。本发明具有结构简单、取热效率高的优点，它能够在取热过程中突破0℃的关卡，令水冻冰，以获取水的凝固热。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1、图2)本实施方式由取水管1、冷水泵2、换热结冰器3、密封圈4、链条5、主轴6、电机减速器7、排水管8、循环泵9、循环出水管10、循环进水管11、换热结冰管12、绞龙刮板13、冷水进口罩14和冰絮出口罩15组成；冷水进口罩14和冰絮出口罩15分别固定在换热结冰器3的两端上，取水管1的出口端与冷水进口罩14相连通，取水管1的入口端与冷水泵2的出口端相连通，冷水泵2的入口端与水源相连通，排水管8的入口端与冰絮出口罩15相连通，排水管8的出口端通水源，循环出水管10的入口端与换热结冰器3的一侧前端相连通，循环出水管10的出口端与循环泵9的入口端相连通，循环进水管11的入口端与换热结冰器3的一侧后端相连通，换热结冰管12固定在换热结冰器3内，换热结冰管12与换热结冰器3之间由密封圈4密封连接，换热结冰管12与换热结冰器3及密封圈4之间形成水-乙二醇空间16，换热结冰管12内形成水-冰絮空间17，绞龙刮板13设置在换热结冰管12内，绞龙刮板13的一端与设置在换热结冰管12端头上的主轴6固定连接，主轴6与设置在冷水进口罩14内的电机减速器7之间由链条5传动连接。本实施方式在使用时其取水管1与排水管8均位于水源处，例如江、河、湖的深处或城市污水渠。对流动的江、河水及污水渠中的生活污水排水(冰)管应位于取水点的下游，对不流动的湖水两者应相距20m以上。换热结冰管12和绞龙刮板13的材质为不锈钢。

具体实施方式二：(参见图1、图2)本实施方式的换热结冰管12的内径为60-100mm。换热结冰管12的长度为5-8m。其根数由所需换热结冰面积确定。诸多换热结冰管12平行地排成数排，每排5-8根。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：(参见图1、图2)本实施方式的绞龙刮板13的斜角γ偏离轴向20度，绞龙刮板13的外径比换热结冰管12的内径小0.5-1mm。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。通过绞龙刮板13的慢速旋转(每分钟1转)将换热结冰管内壁上结的冰刮、削下来，随水流走，以确保后续管路无堵塞运行。

                      以上实施方式的设计计算

轴向管内流速：υ＝1m/s

管内径：d＝0.06m

加螺旋后壁面冲刷速度： (α为旋转角，α＝20°)

$\frac{\mathrm{\υ}}{\cos \mathrm{\α}}=\frac{1}{0.94}=1.06m/s$

管内放热系数计算：

Nu＝0.023Re^0.8Pr^0.3

$\mathrm{Re}=\frac{1.06\×0.06}{1.789\×{10}^{-6}}=35550$

Pr＝13.67

Nu＝0.023×35550^0.8×13.67^0.3＝220

$\mathrm{Nu}=\frac{\mathrm{hd}}{\mathrm{\λ}},$ λ＝0.55

管外放热系数计算：

管外为逆横向冲刷，但流速不高，估算放热系数为1000w/m²℃传热系数：

(忽略了导热热阻)

考虑金属壁与冰层的导热热阻，将K值修正为667×0.8＝534w/m²℃传热温差：6℃(0℃与-6℃)

结冰速度计算：ω：(m/s)在壁面上冰上的形成速度

ρ_B冰的容重(kg/m³)ρ_B＝900kg/m³

冰的凝固热γ＝80×4190＝335200J/kg

ω·A·ρ·γ＝K·A·Δt

$\mathrm{\ω}=\frac{534\×6}{900\×335200}=0.0106{\×10}^{-3}=0.0106\mathrm{mm}/s$

亦即：每平米换热面积产冰体积为0.0106×10^-3m³/sm²＝0.0106mm/s

单位面积产冰量： $G\left(\frac{\mathrm{kg}}{m^2\·s}\right)=0.0106{\×10}^{-3}\×900=0.0095\mathrm{kg}/m^{2}s$

每平方米换热面积的换热量：K·Δt＝534×6＝3200w/m²

建筑热负荷：60w/m²

每万平米建筑的热负荷Q_万=600kw＝600×10³w

每万平米建筑所需换热面积 $\frac{600{\×10}^3}{3200}\×\frac{3}{4}=140m^2$

考虑安全系数，取换热面积为：A＝200m²

            A＝πdL

换热管总长： $L=\frac{200}{\mathrm{\π}\·0.06}=1061m$

分为200根并联，每根长度 $l=\frac{L}{200}=\frac{1061}{200}=5.3m$

冰水总流量： $\stackrel{\·}{V}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\·200\·1m/s=0.57m^3/s$

水中最大的冰流量： $G\left(\frac{\mathrm{kg}}{m^2\·s}\right)\·A=0.0095\×200=1.9\mathrm{kg}/s=\frac{1.9}{900}=0.002m^3/s$

冰在冰水中所占的体积比例：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{0.002}{0.57}=0.35\%$

根据此比例，冰水应该能够无堵塞的继续流动。

耗功分析(绞龙刮板旋转)

结冰速度为：ω＝0.0106mm/s，每分钟为ω＝0.636mm/分为减少耗功，令绞龙每分钟旋转一转。(很慢)

设在1米宽的冰层上刮掉0.6mm厚度(刚刚结的冰，硬度不高)需力50N。则每平方米换热面积的耗功为：

πd.50N＝π·0.06×50＝9.42w/m²≈10w/m²

对万平米的建筑所选取的200m²换热面积刮冰耗功为

                           10×200＝2kw

考虑到传动损失，电机效率等因素，取为3kw；

而万米建筑设备所获取的凝固热为600kw；

耗功与获热之比为 $\frac{3}{600}=0.005=0.5\%,$ 微不足道。

可见设备是经济可行的。

               第二种设计计算

轴向管内流速：υ＝0.5m/s

管内径：d＝0.1m

加螺旋后壁面冲刷速度：

(α为旋转角，α＝20°)

$\frac{\mathrm{\υ}}{\cos \mathrm{\α}}=\frac{0.5}{0.94}=0.53m/s$

管内放热系数计算：

Nu＝0.023Re^0.8Pr^0.3

$\mathrm{Re}=\frac{0.53\×0.1}{1.789\×{10}^{-6}}=29625$

Pr＝13.67

Nu＝0.023×29625^0.8×13.67^0.3＝191

$\mathrm{Nu}=\frac{\mathrm{hd}}{\mathrm{\λ}},$ λ＝0.55

管外放热系数计算：

管外为逆横向冲刷，但流速不高，估算放热系数为1000w/m²℃传热系数：

(忽略了导热热阻)

考虑金属壁与冰层的导热热阻，将K值修正为500×0.8＝400w/m²℃传热温差：6℃(0℃与-6℃)

结冰速度计算：ω：(m/s)在壁面上冰上的形成速度

ρ_B冰的容重(kg/m³)ρ_B＝900kg/m³

冰的凝固热γ＝80×4190＝335200J/kg

ω·A·ρ·γ＝K·A·Δt

$\mathrm{\ω}=\frac{400\×6}{900\×335200}=0.008{\×10}^{-3}=0.008\mathrm{mm}/s$

亦即：每平米换热面积产冰体积为0.008×10^-3m³/sm²＝0.008mm/s

单位面积产冰量： $G\left(\frac{\mathrm{kg}}{m^2\·s}\right)=0.008{\×10}^{-3}\×900=0.0072\mathrm{kg}/m^{2}s$

每平方米换热面积的换热量：K·Δt＝400×6＝2400w/m²

建筑热负荷：60w/m²

每万平米建筑的热负荷Q_万＝600kw＝600×10³w

每万平米建筑所需换热面积 $\frac{600{\×10}^3}{2400}\×\frac{3}{4}=187.5m^2$

考虑安全系数1.1，取换热面积为：A＝200m²

             A＝πdL

换热管总长： $L=\frac{200}{\mathrm{\π}\·0.1}=634m$

分为120根并联，每根长度 $l=\frac{L}{120}=\frac{634}{120}=5.3m$

冰水总流量： $\stackrel{\·}{V}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\·120\·0.5m/s=0.471m^3/s$

水中最大的冰流量： $G\left(\frac{\mathrm{kg}}{m^2\·s}\right)\·A=0.0072\×200=1.44\mathrm{kg}/s=\frac{1.44}{900}=0.0016m^3/s$

冰在冰水中所占的体积比例：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{0.0016}{0.471}=0.34\%$

根据此比例，冰水应该能够无堵塞的继续流动。

耗功分析(绞龙刮板旋转)

结冰速度为：ω＝0.008mm/s，每分钟为ω＝0.48mm/分，旋转角α＝20°

为减少耗功，令绞龙每分钟旋转一转。(很慢)

设在1米宽的冰层上刮掉0.5mm厚度(刚刚结的冰，硬度不高)需力50N。则每平方米换热面积的耗功为：

πd·50N＝π·0.10×50≈16w/m²

对万平米的建筑所选取的200m²换热面积刮冰耗功为

                        16×200＝3.2kw

考虑到传动损失，电机效率等因素，取为4kw；

而万米建筑设备所获取的凝固热为600kw；

耗功与获热之比为 $\frac{4}{600}=0.0067=0.67\%,$ 微不足道。

可见设备是经济可行的。

Claims (6)

1、一种冷水凝固热的采集装置，它由取水管(1)、冷水泵(2)、换热结冰器(3)、密封圈(4)、链条(5)、主轴(6)、电机减速器(7)、排水管(8)、循环泵(9)、循环出水管(10)、循环进水管(11)、换热结冰管(12)、绞龙刮板(13)、冷水进口罩(14)和冰絮出口罩(15)组成；冷水进口罩(14)和冰絮出口罩(15)分别固定在换热结冰器(3)的两端上，取水管(1)的出口端与冷水进口罩(14)相连通，取水管(1)的入口端与冷水泵(2)的出口端相连通，冷水泵(2)的入口端与水源相连通，排水管(8)的入口端与冰絮出口罩(15)相连通，排水管(8)的出口端通水源，循环出水管(10)的入口端与换热结冰器(3)的一侧前端相连通，循环出水管(10)的出口端与循环泵(9)的入口端相连通，循环进水管(11)的入口端与换热结冰器(3)的一侧后端相连通，其特征在于换热结冰管(12)固定在换热结冰器(3)内，换热结冰管(12)与换热结冰器(3)之间由密封圈(4)密封连接，换热结冰管(12)与换热结冰器(3)及密封圈(4)之间形成水-乙二醇空间(16)，换热结冰管(12)内形成水-冰絮空间(17)，绞龙刮板(13)设置在换热结冰管(12)内，绞龙刮板(13)的一端与设置在换热结冰管(12)端头上的主轴(6)固定连接，主轴(6)与设置在冷水进口罩(14)内的电机减速器(7)之间由链条(5)传动连接。

2、根据权利要求1所述的冷水凝固热的采集装置，其特征在于换热结冰管(12)的内径为60-100mm。

3、根据权利要求1所述的冷水凝固热的采集装置，其特征在于换热结冰管(12)的长度为5-8m。

4、根据权利要求1所述的冷水凝固热的采集装置，其特征在于绞龙刮板(13)的斜角γ偏离轴向20度。

5、根据权利要求1所述的冷水凝固热的采集装置，其特征在于绞龙刮板(13)的外径比换热结冰管(12)的内径小0.5-1mm。

6、根据权利要求1所述的冷水凝固热的采集装置，其特征在于换热结冰管(12)和绞龙刮板(13)的材质为不锈钢。

Images