CN201093817Y - 太阳能驱动下的二元冰真空制备系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种二元冰制备系统。本实用新型的技术要点在于采用真空成冰槽，从真空成冰槽下部进水，上部出冰，利用水蒸气吸收装置喷淋液体吸收剂吸收水蒸气，保持真空成冰槽的真空度。吸收水蒸气后的吸收剂采用太阳能集热器的热媒介烘干。本实用新型技术是一种改变了传统真空制冰液滴喷淋在真空罐中闪蒸成冰的方式，利用太阳能吸收系统，只用真空泵抽气一次就可保持真空成冰槽中的真空度，大大减少了能源消耗，解决了一直困扰真空制冰发展的问题，属于利用太阳能的新型能源技术领域和制冷技术领域。

Description

太阳能驱动下的二元冰真空制备系统

技术领域

本实用新型涉及一种二元冰制备系统。

背景技术

当前，人类正面临着能源紧张和环境破坏的双重挑战，环境保护与能源的合理开发和利用已经成为21世纪科学技术发展的两大议题。但是随着世界人口和经济的发展，能源消费还在急剧增加，与此同时存在着严重的峰、谷电力也导致了能源的无谓浪费。在能源的消耗总量当中，制冷空调的能源消耗量占很大的比例，而现代广泛应用的制冷空调和热泵系统，由于传统制冷剂对环境的破坏，系统制冷剂的替代也已成为当前急待解决的前沿课题。冰蓄冷技术的发展和作为自然工质的水的应用正是制冷空调实现削峰填谷、合理利用能源，保护环境这一可持续发展要求的具体体现。

能源与环保问题促使冰蓄冷技术快速发展。它不仅能起到电力“削峰填谷”的作用，而且使空调用户获得良好的空气品质和显著的经济利益，还可解决不同工业用途的制冷和用冷矛盾。传统制冰方法中冰层热阻问题已得共认，而二元冰是一种固液两相冰浆，它的产生引起国内外制冰界的注重，其冰的制备方式主要有过冷式(Supercooled)、刮削式(Scraper type)、喷射式(Ejector system)、真空式(Vacuum type)、下降液膜式(Falling film type)等基本型式。上述制备方式除真空制备外都不约而同地使用了传统制冷剂，随着国内外对臭氧层破坏问题的日益关注，非CFC类制冷剂开始迅速发展起来，并逐步取代CFC制冷剂。然而，发展红红火火的CFC替代品也与新的环境标准有了冲突。因此，发展以非CFC制冷剂，特别是天然制冷剂进行二元冰制备为动态制冰技术的重点发展方向之一。

除此以外，太阳能技术也在突飞猛进的发展。与常规能源不同，太阳能是无穷无尽的、可再生的清洁能源。我国太阳能资源十分丰富，其中三分之二以上的地区利用太阳能的条件都相当好，可开发的太阳能资源折合标准煤每年达1.43亿吨。目前，我国太阳能利用以太阳能热水器最为普遍，全国太阳能热水器的使用量已超过500万平方米，近年发展更快，年增长超过100万平方米，两项指标均占世界首位。

现在二元冰的制备，有采用真空制冰的方式。真空制冰的原理是，当压力低于一定数值ptri时，液相不可能存在，只能是气相或固相。ptri称为三相点压力。与三相点压力相对应的饱和温度ttri称为三相点温度。水的三相点温度和三相点压力为：ttri＝0.01℃(Ttri＝273.16K)；ptri＝611.659Pa。

喷射式制冰就是基于这一原理。其是将水喷入真空绝热槽内，水滴部分蒸发形成水蒸气，水蒸气吸收了水滴的热量后被排走。水蒸气的吸热导致水滴的温度逐渐下降，直至所有水滴都结成冰。(引自《制冷空调与电力机械》编辑部，2006年6月出版，《制冷空调与电力机械》第27卷第三期，第3页；作者：章学来。)

但是，上述喷射式制冰会产生冰堵问题。水在喷入真空绝热槽的时候，由于在真空低温环境下水容易在喷口周围附近结成很多小颗粒的冰粒(呈球状或半球状)。当冰粒凝结到一定程度时，便阻塞了节流通道，形成了冰堵。由于一般制冰系统喷入水较多，故形成冰堵的可能性很大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，以解决一直困扰真空制冰的冰堵问题，减少制冰的能耗。

本实用新型通过以下技术方案解决上述技术问题，达到本实用新型的发明目的。

太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，包括制冰装置，其特征在于：所述制冰装置包括真空成冰槽；所述真空成冰槽包括连接真空泵的抽真空口、设置在底部的进水口，设置在进水口之上的出冰口，设置在出冰口之上的水蒸气出口。

进一步，所述真空成冰槽的进水口设置有水泵。

本实用新型还包括水蒸气吸收装置，所述水蒸气吸收装置是喷淋槽；所述水蒸气吸收装置包括一密闭槽和设置在所述密闭槽中的喷淋头；所述密闭槽包括顶部的吸收剂排进口、上部的水蒸气进口和底部的吸收剂排出口；所述水蒸气进口与所述真空成冰槽的水蒸气出口通过管道连接；所述喷淋头与所述吸收剂排进口连接。有了所述水蒸气吸收装置，不必一直开启所述真空泵将水蒸气抽走，能降低能耗。

本实用新型还包括吸收剂再生装置；所述吸收剂再生装置包括一密闭容器、冷却水管道、烘干装置、冷凝水承接槽；所述密闭容器包括吸收剂排进口、吸收剂排出口、冷却水管道进口、冷却水管道出口；所述吸收剂再生装置的吸收剂排进口与所述水蒸气吸收装置的吸收剂排出口通过管道连接；所述吸收剂再生装置的吸收剂排出口与所述水蒸气吸收装置的吸收剂排进口通过管道连接；连接所述吸收剂再生装置与所述水蒸气吸收装置的管道上设置有排送吸收剂的泵；一冷却水管道通过所述冷却水管道进口进入所述密闭容器，从所述冷却水管道出口走出所述密闭容器；所述冷却水管道在所述密闭容器中的部分之下设置有冷凝水承接槽。

本实用新型还包括太阳能集热器以及与太能能集热器配套的热源管道；所述吸收剂再生装置的密闭容器上开有热源管道进口、热源管道出口；所述热源管道通过所述热源管道进口进入所述密闭容器，从所述热源管道出口走出所述密闭容器；所述热源管道在所述密闭容器中的部分，作为所述吸收剂再生装置的烘干装置。

本实用新型还包括冷凝水管道；所述吸收剂再生装置的密闭容器上开有冷凝水管道出口，所述冷凝水管道一头连接所述吸收剂再生装置中的冷凝水承接槽，另一头穿过所述冷凝水管道出口，连接所述真空成冰槽的进水口。

本实用新型在真空制冰部分不采用传统的喷淋方式，改为真空成冰槽，下部进水，上部出冰。真空成冰槽闪蒸产生的水蒸气经连接管道与水蒸气吸收装置连接。真空制冰槽首先用真空泵抽取真空，之后关闭抽真空口。水蒸气吸收装置采用液体吸收剂吸收。真空成冰槽闪蒸产生的水蒸气经连接管道与水蒸气吸收装置连接，液体吸收剂在水蒸气吸收装置内喷淋，吸收水蒸气。液体吸收剂吸收完水蒸气达饱和后被排入吸收剂再生装置，其再生采用太阳能集热系统产生的热量，当液体吸收剂再生后排入水蒸气吸收装置以循环使用。为达到连续工作的目的，可能需要两套水蒸气吸收装置，一套吸收装置再生时另一套运行，如此切换使用。液体吸收剂被加热而产生的水蒸气用冷却水冷却为液态水排出，此液态水也可再次回到真空成冰槽。进水口采用水泵注水方式，并根据真空成冰槽中的真空度控制进水量以维持其真空度。在进水口处对进入的水添加添加剂以防止冰晶积聚。

本实用新型的原理如下：

机理上，液体除湿系统具有空气处理量大，湿度易于控制，能充分利用低品位热源等优点。除湿溶液物理性质直接影响液体除湿系统的性能。为了使系统能满足空气处理的要求，所用除湿剂要有相对较低的蒸气压、结晶点、黏度和较高的浓度、沸点，而单一成分的除湿溶液往往不能完全满足上述要求，一般将两种除湿剂混合使用以达到除湿性和经济性的最佳结合，以取得较好的成果。例如用三甘醇、溴化锂、氯化锂、氯化钙以及它们的混合物形成的金属卤盐溶液等来吸收水蒸气。通过控制吸收液的温度、浓度来调整其吸湿的能力。当大量吸收水分后，吸收液的浓度变稀，除湿能力也随之降低，可将其通过太阳能系统提供的热能进行加热以再生。在本实用新型中，使用液体吸收剂来吸收水蒸气，使整个气体分子的宏观平均压力、浓度并非到处一样，将会发生非平衡过程，产生粘滞、扩散和运输现象。本系统就是利用这种性质，使水蒸气不断地从成冰槽中被带出造成其质的迁移，势场强度的改变，使整个系统可以持续的进行并保持成冰槽中一定的真空度。

在制冰方面，随着压力的降低，液滴内部过热度增加，液滴汽化强度增强，因此蒸发带走的热量增加。如果液滴中含有的可溶性气体较多，即使压力略高于水的三相点压力(P＝800Pa)，也会发生结冰现象。这是由于液滴突然置于低压环境中，溶解于液滴中的空气强化了闪蒸的强度，因此在相同时间内带走了更多的热量，造成了结冰现象的发生。本系统就是利用水表面液体处于低压环境下，与过冷的干空气结合，在闪蒸过程中结冰，水表面在闪蒸过程中与周围的低压环境进行热交换，同时水表面与环境之间也存在着质交换，局部形成低压环境。因此水表面与环境之间的热交换，不仅有水表面蒸发换热，也有对流换热。发生凝固时，水表面凝固放出的凝固热也是通过对流换热和液滴气化、蒸发将热量带到环境中去。

对于冰晶积聚问题，在冰晶的形成过程中采用了添加剂，进一步降低冰点，这样形成的二元溶液一定程度上“润滑”了粒子与溶液的接触表面，对冰晶粒子的表面粗糙度的影响是比较大的，由此解决积聚问题。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型技术利用太阳能吸收系统只用真空泵抽气一次就可保持真空成冰槽中的真空度，并在此环境下制备二元冰。

本实用新型将真空技术、二元冰技术与太阳能技术相结合，研制新型的节能环保二元冰产品，可进一步提升二元冰技术的科技含量，二元冰可应用于蓄冷空调、食品加工、海洋捕鱼、医药、运输工程等行业。而过去二元冰真空制备过程中的因喷射而存在的冰堵现象彻底避免了。本系统将传热传质过程与太阳能吸收系统结合，涉及热力学、传热学、流体力学、热质交换、制冷等领域，是一个难度很大的基础研究。该新型系统可以应用于工程实际，促进二元冰技术的研究和推广，对国民经济有直接的经济效益。

而且国际上对真空二元冰技术的研究刚刚开始，对二元冰制备过程中的相变换热研究很少。另外从学科意义上，二元冰的真空制备的传热和相变过程的机理和理论也有待突破。本新型系统所提出的太阳能驱动下二元冰制备研究方案是一国际上全新的方案，解决了一直困扰真空制冰的冰堵问题，并且只用真空泵抽气一次就可保持成冰槽中的真空度，大大减少了能源的消耗，对于太阳能的利用则更加节能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，包括制冰装置1，水蒸气吸收装置2，吸收剂再生装置3，太阳能集热器4以及与太能能集热器配套的热源管道5。

制冰装置1包括真空成冰槽11、水泵(图中未示出)；真空成冰槽11包括抽真空口(图中未示出)、进水口111，出冰口112，水蒸气出口。进水口111设置在真空成冰槽11一侧壁的底部，出冰口112设置在真空出冰槽11另一侧壁的上部，水蒸气出口设置在真空出冰槽11的顶壁。水泵设置在真空成冰槽11的进水口111。使用时，先用真空泵通过抽真空口将真空制冰槽11抽真空，之后关闭抽真空口。添加了添加剂的水从进水口111通过水泵泵送进真空制冰槽11。在真空制冰槽内产生结冰现象，也产生了水蒸气。产生的二元冰从出冰口112泵出。产生的水蒸气从水蒸气出口流到水蒸气吸收装置2。

水蒸气吸收装置2是喷淋槽2；喷淋槽2包括一密闭槽21和设置在密闭槽21中的喷淋头；密闭槽上设置有吸收剂排进口、水蒸气进口和吸收剂排出口。吸收剂排进口设置在密闭槽顶壁，水蒸气进口设置在密闭槽一侧壁的上部，吸收剂排出口设置在密闭槽底壁。水蒸气进口与真空成冰槽的水蒸气出口通过管道连接；喷淋头与吸收剂排进口连接。水蒸气通过管道从真空成冰槽11流到喷淋槽2的密闭槽21中。液体吸收剂三甘醇、溴化锂、氯化锂、氯化钙的混合物形成的金属卤盐溶液在喷淋槽2内喷淋，吸收密闭槽21中的水蒸气。这样使水蒸气不断地从真空成冰槽11中被带出造成其质的迁移，势场强度的改变，使整个系统可以持续地进行并保持真空成冰槽11中一定的真空度。液体吸收剂吸收完水蒸气达饱和后用泵排入吸收剂再生装置3。

吸收剂再生装置3包括一密闭容器31、冷却水管道32、烘干装置33、冷凝水承接槽34。密闭容器31包括吸收剂排进口、吸收剂排出口、冷却水管道进口、冷却水管道出口。吸收剂排进口设置在密闭容器31的一侧壁的中部。吸收剂排出口设置在吸收剂排进口同一侧壁的下部。冷却水管道进口和冷却水管道出口设置在密闭容器31的顶壁。

吸收剂再生装置3的吸收剂排进口与水蒸气吸收装置2的吸收剂排出口通过管道连接；吸收剂再生装置3的吸收剂排出口与水蒸气吸收装置2的吸收剂排进口通过管道连接；连接吸收剂再生装置3的吸收剂排进口、吸收剂排出口与水蒸气吸收装置2的吸收剂排出口、吸收剂排进口之间的管道上设置有排送吸收剂的泵(图中未示出)。一冷却水管道32通过冷却水管道进口进入密闭容器31，从冷却水管道出口走出密闭容器31；冷却水管道32在密闭容器31中的部分之下设置有冷凝水承接槽34。

向冷却水管道32中通入冷却水。烘干装置33将液体吸收剂烘干，产生的水蒸气遇到冷却水管道32外壁面后，凝结成水珠，聚集后滴落在冷凝水承接槽34中。

本实用新型还包括太阳能集热器4以及与太能能集热器4配套的热源管道5。太阳能集热器4可以是液体集热器，也可以是空气集热器。吸收剂再生装置3的密闭容器31上开有热源管道进口、热源管道出口。热源管道进口和热源管道出口设置在密闭容器31的底壁。热源管道5通过热源管道进口进入密闭容器31，从热源管道出口走出密闭容器31。热源管道5在密闭容器31中的部分，作为吸收剂再生装置3的烘干装置33。太阳能集热器4聚集的热能通过水或空气作为媒介传递到密闭容器31中烘干液体吸收剂。

吸收剂再生装置3的密闭容器31上开有冷凝水管道出口，冷凝水管道一头连接吸收剂再生装置3中的冷凝水承接槽，另一头穿过冷凝水管道出口，连接真空成冰槽11的进水口。这样充分利用了水。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，包括制冰装置，其特征在于：所述制冰装置包括真空成冰槽；所述真空成冰槽包括连接真空泵的抽真空口、设置在底部的进水口，设置在进水口之上的出冰口，设置在出冰口之上的水蒸气出口。

2.根据权利要求1所述的太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，其特征在于：还包括水蒸气吸收装置，所述水蒸气吸收装置是喷淋槽；所述水蒸气吸收装置包括一密闭槽和设置在所述密闭槽中的喷淋头；所述密闭槽包括顶部的吸收剂排进口、上部的水蒸气进口和底部的吸收剂排出口；所述水蒸气进口与所述真空成冰槽的水蒸气出口通过管道连接；所述喷淋头与所述吸收剂排进口连接。

3.根据权利要求2所述的太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，其特征在于：还包括吸收剂再生装置；所述吸收剂再生装置包括一密闭容器、冷却水管道、烘干装置、冷凝水承接槽；所述密闭容器包括吸收剂排进口、吸收剂排出口、冷却水管道进口、冷却水管道出口；所述吸收剂再生装置的吸收剂排进口与所述水蒸气吸收装置的吸收剂排出口通过管道连接；所述吸收剂再生装置的吸收剂排出口与所述水蒸气吸收装置的吸收剂排进口通过管道连接；连接所述吸收剂再生装置与所述水蒸气吸收装置的管道上设置有排送吸收剂的泵；一冷却水管道通过所述冷却水管道进口进入所述密闭容器，从所述冷却水管道出口走出所述密闭容器；所述冷却水管道在所述密闭容器中的部分之下设置有冷凝水承接槽。

4.根据权利要求3所述的太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，其特征在于：还包括太阳能集热器以及与太能能集热器配套的热源管道；所述吸收剂再生装置的密闭容器上开有热源管道进口、热源管道出口；所述热源管道通过所述热源管道进口进入所述密闭容器，从所述热源管道出口走出所述密闭容器；所述热源管道在所述密闭容器中的部分，作为所述吸收剂再生装置的烘干装置。

5.根据权利要求4所述的太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，其特征在于：还包括冷凝水管道；所述吸收剂再生装置的密闭容器上开有冷凝水管道出口，所述冷凝水管道一头连接所述吸收剂再生装置中的冷凝水承接槽，另一头穿过所述冷凝水管道出口，连接所述真空成冰槽的进水口。

6.根据权利要求1所述的太阳能驱动下的二元冰真空制备系统，其特征在于：所述真空成冰槽的进水口设置有水泵。

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