CN213421305U - 一种冰蓄冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冰蓄冷系统，其包括蓄冰槽、制冰换热器、冷源和热源，所述蓄冰槽的内部储有水，所述制冰换热器设于所述蓄冰槽的内部；所述制冰换热器包括翅片排管，所述翅片排管包括管体，所述管体外壁的上、下侧对称设有沿其轴向延伸的翅片，所述管体由导热系数不低于5W/(m·K)的高导热材料制成，所述翅片由导热系数不超过0.3W/(m·K)的低导热材料制成；所述制冰换热器上设有与所述管体连通的换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质入口和/或所述换热介质出口与所述冷源和/或所述热源连接。本实用新型冰蓄冷系统的蓄水和蓄冰均在蓄冰槽中完成，系统整体体积小，结构构造简单，容易实现，制冰和脱冰过程高效、节能。

Description

一种冰蓄冷系统

技术领域

本实用新型属于冰蓄冷技术领域，尤其涉及一种冰蓄冷系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，以及各类大型公共娱乐场所和办公大楼的建立等，中央空调的需求量越来越大，空调能耗快速增加。中央空调用电的特点是耗电大，日周期性明显，使用的多为高峰电。据统计，我国部分大城市的高峰用电量中，空调用电占比为30％以上，造成电力系统峰谷差急剧增加。为了充分利用电能，维护发电设备安全，目前采取的有效措施为电力“移峰填谷”方法，即将一部分要在用电高峰时期运转的设备转移到用电低谷时期运转。

在储能技术商业化应用方面，空调蓄冷技术能在用电低谷时将冷量蓄存起来，以供用电高峰时使用，具有平衡负荷、优化用能结构、有效节约一次能源、以及降低环境污染等优点。而在空调蓄冷技术中冰蓄冷尤为受到重视，这是由于冰蓄冷材料低廉，易得，无污染，且蓄冷密度大，可以有效地节约蓄冷的空间，这对于土地和空间资源高昂且紧缺的发达城市来说，具有重要的价值和意义。

但是，目前常规的蓄冰系统在蓄冰工况时，随着其蓄冰换热器上附着的冰层生长，其所形成的热阻也不断增大，换热效率也相应急遽下降，进而也影响了蓄冰的速率。为了提高蓄冰的速率，现有技术通常增大换热器在蓄冰槽中的体积，即提高换热面积，然而，这势必降低了蓄冰槽的蓄冰量，增加冰蓄冷设备的使用成本。

冰片滑落式蓄冰是把平行的板状换热器浸入水中，通入低温载冷剂，让冰在换热器上生长；当冰达到规定的厚度后，将换热器提升起来，通入高温载冷剂，让换热器表面上的冰融化，并在重力作用下滑落到蒸发板下部的蓄冰槽中，如此反复，周期性地完成结冰、融化和脱冰的过程。该方法有效提高了换热效率，提高了制冰的速率，但是其中的蓄水槽和蓄冰槽是分开设置的，板状式换热器也需设计成活动式，这增加了制冰系统的体积和复杂程度。因此，有必要开发制冰效率高、成本低、体积小且复杂程度低的蓄冷系统。

实用新型内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种冰蓄冷系统。

为达到其目的，本实用新型所采用的技术方案包括以下几方面：

一方面，本实用新型提供了一种用于制冰的翅片排管，其包括管体，所述管体外壁的上、下侧对称设有沿其轴向延伸的翅片，所述管体由导热系数不低于5W/(m·K)的高导热材料制成，所述翅片由导热系数不超过0.3W/(m·K)的低导热材料制成。

所述翅片排管中，所述管体用于流通换热介质，采用高导热材料制备所述管体可提高其换热效率，提高制冰和脱冰的效率。而所述翅片用于隔离管体两侧形成的冰，使管体的冰层分成两块，更利于脱冰。因此，本实用新型采用低导热材料制备所述翅片，可减缓冰在翅片上的生长速度，防止管体两侧形成的冰越过翅片的外缘而连成一体，进一步提高了脱冰效率，减少脱冰过程损耗的冷量。

优选地，所述管体由金属材料制成，如：铜、铝、钢或不锈钢等。这些金属材料具有高导热系数，换热效率高。

优选地，所述翅片由塑料或橡胶制成，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯等。这些材料具有疏水性，与所附着的冰不相亲，从而减小冰在翅片上的附着力，利于冰从翅片上脱落，提高脱冰效率。此外，这些材料由于具有疏水性，因此可使水容易渗入冰与翅片的贴合处，从而加快冰与翅片的脱离，提高脱冰效率。

另一方面，本实用新型提供了一种制冰换热器，其包括本实用新型上述提供的所述翅片排管，所述制冰换热器上设有与所述管体连通的换热介质入口和换热介质出口。

优选地，所述制冰换热器设有至少两个所述翅片排管，相邻的所述翅片排管的管体之间相连通。

优选地，相邻的所述翅片排管的管体之间通过连接管或弯管连通。

优选地，所述制冰换热器还设有保温隔热层，所述连接管或弯管、以及所述换热介质入口和所述换热介质出口上包裹有所述保温隔热层。优选地，所述保温隔热层的导热系数不超过5W/(m·K)，由导热系数不超过5W/(m·K)的低导热材料制成，如：橡胶材料或塑料材料(聚氨酯发泡材料、聚苯乙烯发泡材料)等。由此，在制冰时，可防止翅片排管之间的连接处以及翅片排管的端口处形成难以脱落的环状冰块。

本实用新型中，通过换热介质入口和换热介质出口向制冰换热器中连续通入换热介质，从而实现制冰和脱冰。

本实用新型还提供了所述制冰换热器在冰蓄冷领域的应用。所述制冰换热器具有较高的换热效率，可快速制冰和脱冰，因此，将其应用于冰蓄冷领域，可有效提高制冰和脱冰的效率，降低蓄冰能耗。

另一方面，本实用新型提供了一种冰蓄冷系统，其包括本实用新型上述提供的所述制冰换热器。

优选地，所述冰蓄冷系统包括所述制冰换热器、蓄冰槽、冷源和热源，所述蓄冰槽的内部储有水，所述制冰换热器设于所述蓄冰槽的内部，所述制冰换热器的换热介质入口和/或换热介质出口与所述冷源和/或所述热源连接。

优选地，所述冰蓄冷系统还包括循环扰动组件，所述循环扰动组件包括循环水管、循环水入口、循环水出口、阀门、循环泵和液体分布器，所述液体分布器设于所述蓄冰槽的内部并位于所述制冰换热器的下方，所述循环水入口设于所述蓄冰槽的内部并位于所述制冰换热器的上方，所述蓄冰槽内部的液面高度高于所述循环水入口的高度，所述循环水管的进水端与所述循环水入口相连，所述循环水管的出水端与所述循环水出口相连，所述循环水出口与所述液体分布器相连，所述阀门和所述循环泵设于所述循环水管上。

循环扰动组件的工作原理为：开启阀门，在循环泵的抽吸作用下，蓄冰槽中的水从循环水入口进入循环水管中，进而通过循环水出口进入液体分布器中，最后通过液体分布器回流至蓄冰槽中。液体分布器将水排放回蓄冰槽时，由于增加了水的流动，从而提高了对流换热系数，提高了制冰换热器的换热效率，缩短了系统在制冰和脱冰时的耗时，也降低了系统能耗，使系统的冰蓄冷过程更高效、更节能。

优选地，所述液体分布器为喷头式液体分布器，其喷头的喷出方向朝上。由此，喷头的水可直接冲刷制冰换热器，从而更大程度地提高对流换热系数。

优选地，所述蓄冰槽的内部还设有过滤网，所述过滤网设于所述循环水入口与所述制冰换热器之间，并靠近所述循环水入口。过滤网可将蓄冰槽内形成的冰阻隔在网下方，以避免冰块被吸入循环扰动组件中，从而避免造成循环水入口堵塞、循环泵和液体分布器被损坏。

在一些实施方式中，所述制冰换热器的换热介质入口和/或换热介质出口通过四通阀与所述冷源和所述热源连接。

此时，所述冰蓄冷系统的工作原理为：通过四通阀的切换，使低温制冰的冷源和高温脱冰的热源也相应切换至与制冰换热器相连接，从而实现制冰与脱冰工况的切换。脱冰时，向制冰换热器内通入热源可使与制冰换热器表面接触的冰融化，从而冰块从制冰换热器上脱落，完成脱冰。由于冰的密度比水的密度小，从而脱落后的冰块会上浮，不会影响后续的制冰和脱冰。通过控制四通阀，冰蓄冷系统即可重复地进行制冰和脱冰的蓄冰过程。

在另一些实施方式中，所述冷源可选择制冰机提供的低温制冷剂，如：-20～-5℃的低温乙二醇溶液。所述热源可选择制冰机提供的高温制冷剂，如：2～20℃的高温乙二醇溶液，即用冷末端返回的乙二醇溶液。由此可有效降低系统能耗，同时减少换热次数，提高系统的换热效率。此外，所述热源也可选择用单独的加热系统提供的高温制冷剂。

优选地，所述冷源和所述热源由制冰机组和换热器构成，所述换热介质入口和所述换热介质出口通过四通阀连接所述制冰机组和所述换热器。

进一步地，所述制冰机组设有高压端口和低压端口，所述换热器设有管程进口和管程出口，所述四通阀通过管道分别连接所述换热介质出口、所述高压端口、所述低压端口和所述管程进口，所述换热介质入口与所述管程出口相连。

优选地，所述换热器上设有风机。

优选地，所述管程出口与所述换热介质入口相连的管路上设有毛细管。

此时，所述冰蓄冷系统的工作原理为：

制冰时，通过切换四通阀，使制冰机组的高压端口与换热器的管程进口连通，制冰机组的低压端口与制冰换热器的换热介质出口连通。由此，从制冰机组的高压端口输出的高温高压制冷剂先从管程进口进入换热器进行换热、降温，然后从管程出口排出的制冷剂通过毛细管，然后从换热介质入口进入制冰换热器进行换热、制冰，然后从换热介质出口排出并通过低压端口重新进入制冰机组中。

脱冰时，通过切换四通阀，使制冰机组的高压端口与制冰换热器的换热介质出口连通，制冰机组的低压端口与换热器的管程进口连通。由此，从制冰机组的高压端口输出的高温高压制冷剂先从换热介质出口进入制冰换热器进行换热、降温，使制冰换热器表面冰层融化，从而冰块从制冰换热器上脱落，实现脱冰。然后，从换热介质入口流出的制冷剂通过毛细管，再从管程出口进入换热器进行换热、升温，然后从管程进口流出并通过低压端口重新进入制冰机组中。通过控制四通阀，冰蓄冷系统即可重复地进行制冰和脱冰的蓄冰过程。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型的冰蓄冷系统的蓄水和蓄冰均在蓄冰槽中完成，大大减小了冰蓄冷系统的体积。在制冰和脱冰过程中，制冰换热器无需升降，可固定设于蓄冰槽内，简化了冰蓄冷系统的结构，降低了其复杂程度。

2、本实用新型的冰蓄冷系统设有制冰换热器和循环扰动组件，制冰换热器的管体由高导热材料制成，翅片由低导热的疏水材料制成，制冰换热器的部件连接处和接口处还包裹有防止形成环状冰的低热导材料，加上循环扰动组件的辅助增强作用，使得冰蓄冷系统实现了高效节能地制冰和脱冰。

3、本实用新型的冰蓄冷系统所使用的冷源和热源来源于制冰机，提高了能源的有效利用率，环保节能，减少了能源浪费，还减少了系统的换热次数和提高了系统的换热效率。同时，本实用新型通过控制四通阀，即可将系统轻易地切换至制冰工序和脱冰工序，操控简单、便捷。

4、本实用新型的冰蓄冷系统符合能源高效利用、节能环保和减排的新型节能技术发展的大导向，可实现高效和高密度冰蓄冷，能满足各类大型公共娱乐场所、商业中心区办公大楼和密集居民住宅小区等集中式空调供冷的需求，为实现对能源进行有效的时间分配、实现电力“移峰填谷”提供了技术支持，有效地利用电能，提高经济效益。

附图说明

图1为本实用新型所述翅片排管的径向截面结构示意图；

图2为本实用新型所述翅片排管的主视图；

图3为本实用新型所述翅片排管的立体图；

图4为本实用新型所述制冰换热器的剖面结构示意图；

图5为本实用新型所述冰蓄冷系统的结构示意图；

图6为本实用新型所述冰蓄冷系统的结构示意图。

图中，翅片排管1、管体2、翅片3、制冰换热器4、连接管5、换热介质入口6、换热介质出口7、保温隔热层8、蓄冰槽9、过滤网10、循环扰动组件11、四通阀12、冷源13、热源14、循环水管15、循环水入口16、循环水出口17、阀门18、循环泵19、喷头式液体分布器20、蓄冰槽21、过滤网22、循环扰动组件23、四通阀24、制冰机组25、换热器26、循环水管27、循环水入口28、循环水出口29、阀门30、循环泵31、喷头式液体分布器32、高压端口33、低压端口34、管程进口35、管程出口36、风机37、毛细管38。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。实施例中所使用的连接方式或设备，如无特别说明，均为本领域的常规设置或常规设备。

实施例1

本实施例提供了一种用于制冰的翅片排管，如图1～3所示，该翅片排管1包括管体2，管体2外壁的上、下侧对称设有沿其轴向延伸的翅片3。其中，管体2采用不锈钢制成，除此之外还可采用其它高导热系数的金属材料，如：铜、铝或钢等。翅片3采用聚丙烯制成，除此之外还可采用其它低导热系数的塑料或橡胶，如：聚乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯等。

本实施例中，管体2用于流通换热介质，以实现换热。而翅片3用于隔离管体两侧形成的冰，采用低导热的疏水材料制备翅片，一方面，基于其低导热特性，可实现减缓冰在翅片3上的生长速度，防止管体2两侧形成的冰越过翅片3的外缘而连成一体，从而提高脱冰效率，减少脱冰过程损耗的冷量。另一方面，基于其疏水特性，可实现减小冰在翅片3上的附着力，使冰更易于从翅片3上脱落，从而提高脱冰效率；同时还使水容易渗入冰与翅片3的贴合处，从而加快冰与翅片3的脱离，提高脱冰效率。

实施例2

本实施例提供了一种制冰换热器，如图4所示，该制冰换热器4包括两个实施例1的翅片排管1。两个翅片排管1的管体2之间通过连接管5相连通，两个翅片排管1不相连通的另一端分别为换热介质入口6和换热介质出口7。另外，翅片排管1相连通的一端和连接管5上、以及换热介质入口6和换热介质出口7上均包裹有由聚氨酯发泡材料制成的保温隔热层8，此外还可采用其它低导热保温材料，如：橡胶材料或塑料材料(聚苯乙烯发泡材料)。由此，在制冰时，可防止翅片排管1之间的连接处以及翅片排管的端口处形成难以脱落的环状冰块。

本实施例的制冰换热器具有较高的换热效率，可快速制冰和脱冰，因此，将其应用于冰蓄冷领域，可有效提高制冰和脱冰的效率，降低蓄冰能耗。

实施例3

本实施例提供了一种冰蓄冷系统，如图5所示，该冰蓄冷系统包括内部储有水的蓄冰槽9、实施例2的制冰换热器4、过滤网10、循环扰动组件11、四通阀12、冷源13和热源14；循环扰动组件11包括循环水管15、循环水入口16、循环水出口17、阀门18、循环泵19和喷头式液体分布器20。

具体地，制冰换热器4和喷头式液体分布器20分别设于蓄冰槽9的内下部，且制冰换热器4位于喷头式液体分布器20的上方；过滤网10和循环水入口16分别设于蓄冰槽9的内上部，且循环水入口16位于过滤网10的上方，蓄冰槽9内部的液面高度高于循环水入口16的高度。循环水管15的进水端与循环水入口16相连，循环水管15的出水端与循环水出口17相连，循环水出口17与喷头式液体分布器20相连，阀门18和循环泵19设于循环水管上。四通阀12通过管道分别连接制冰换热器的换热介质入口6和换热介质出口7、以及冷源13和热源14。

本实施例的冰蓄冷系统的具体工作原理及过程如下：

通过四通阀12的切换，使低温制冰的冷源13和高温脱冰的热源14也相应切换至与制冰换热器4相连接，从而实现制冰与脱冰工况的切换。为了提高换热效率，增加循环扰动组件11来提高蓄冰槽9中水的流动。其中循环泵19把蓄冰槽9上部未结冰的水从循环水入口16吸入循环水管15中，经过阀门18，进而将水从循环水出口17泵送到喷头式液体分布器20中。喷头式液体分布器20可将水均匀地喷射到制冰换热器4的表面，从而使换热效率大大提高，提高制冰和脱冰的效率。

实施例4

本实施例提供了一种冰蓄冷系统，如图6所示，该冰蓄冷系统包括内部储有水的蓄冰槽21、实施例2的制冰换热器4、过滤网22、循环扰动组件23、四通阀24、制冰机组25和换热器26。循环扰动组件23包括循环水管27、循环水入口28、循环水出口29、阀门30、循环泵31和喷头式液体分布器32。

具体地，制冰换热器4和喷头式液体分布器32分别设于蓄冰槽21的内下部，且制冰换热器4位于喷头式液体分布器32的上方；过滤网22和循环水入口28分别设于蓄冰槽21的内上部，且循环水入口28位于过滤网22的上方，蓄冰槽21内部的液面高度高于循环水入口28的高度。循环水管27的进水端与循环水入口28相连，循环水管27的出水端与循环水出口29相连，循环水出口29与喷头式液体分布器32相连，阀门30和循环泵31设于循环水管27上。

具体地，制冰机组25设有高压端口33和低压端口34，换热器26设有管程进口35和管程出口36。四通阀24的a口、b口、c口和d口通过管道分别连接高压端口33、低压端口34、换热介质出口7和管程进口35，换热介质入口6与管程出口36相连。此外，换热器26上设有风机37，管程出口36与换热介质入口6相连的管路上设有毛细管38。

本实施例的冰蓄冷系统的具体工作原理及过程如下：

制冰工况时，四通阀24的a口和d口相通，b口和c口相通。从制冰机组25的高压端口33出来的高温高压制冷剂从四通阀24的a口流到d口，进而流入换热器26进行换热、降温；然后从管程出口36排出的制冷剂通过毛细管38，进而从换热介质入口6进入制冰换热器4进行换热、制冰，然后从换热介质出口7排出并从四通阀24的c口流到b口，最后经过低压端口34重新进入制冰机组25。

当冰层增长到一定厚度而使得换热效率大大下降时，则切换到脱冰工况。脱冰工况时，四通阀24的a口和c口相通，b口和d口相通。从制冰机组25的高压端口33出来的高温高压制冷剂从四通阀24的a口流到c口，进而流入制冰换热器4进行换热、降温，使制冰换热器4表面冰层融化，从而冰块从制冰换热器4上脱落，实现脱冰。然后，制冷剂从换热介质入口6流出，通过毛细管38，再从管程出口36进入换热器26进行换热、升温；然后从管程进口35流出，并从四通阀24的d口流到b口，最后经过低压端口34重新进入制冰机组25。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (11)

1.一种冰蓄冷系统，其特征在于，包括蓄冰槽、制冰换热器、冷源和热源，所述蓄冰槽的内部储有水，所述制冰换热器设于所述蓄冰槽的内部；所述制冰换热器包括翅片排管，所述翅片排管包括管体，所述管体外壁的上、下侧对称设有沿其轴向延伸的翅片，所述管体由导热系数不低于5W/(m·K)的高导热材料制成，所述翅片由导热系数不超过0.3W/(m·K)的低导热材料制成；所述制冰换热器上设有与所述管体连通的换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质入口和/或所述换热介质出口与所述冷源和/或所述热源连接。

2.如权利要求1所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述冰蓄冷系统还包括循环扰动组件，所述循环扰动组件包括循环水管、循环水入口、循环水出口、阀门、循环泵和液体分布器，所述液体分布器设于所述蓄冰槽的内部并位于所述制冰换热器的下方，所述循环水入口设于所述蓄冰槽的内部并位于所述制冰换热器的上方，所述蓄冰槽内部的液面高度高于所述循环水入口的高度，所述循环水管的进水端与所述循环水入口相连，所述循环水管的出水端与所述循环水出口相连，所述循环水出口与所述液体分布器相连，所述阀门和所述循环泵设于所述循环水管上。

3.如权利要求2所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述蓄冰槽的内部还设有过滤网，所述过滤网设于所述循环水入口与所述制冰换热器之间，并靠近所述循环水入口。

4.如权利要求2所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述液体分布器为喷头式液体分布器，其喷头的喷出方向朝上。

5.如权利要求1所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述制冰换热器设有至少两个所述翅片排管，相邻的所述翅片排管的管体之间通过连接管或弯管连通。

6.如权利要求5所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述制冰换热器还设有保温隔热层，所述连接管或弯管、以及所述换热介质入口和所述换热介质出口上包裹有所述保温隔热层。

7.如权利要求6所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述保温隔热层的导热系数不超过5W/(m·K)。

8.如权利要求1所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述翅片排管的管体由金属材料制成，所述翅片由塑料或橡胶制成。

9.如权利要求1所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述制冰换热器设于所述蓄冰槽的内下部。

10.如权利要求1所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述冷源和所述热源由制冰机组和换热器构成，所述换热介质入口和所述换热介质出口通过四通阀连接所述制冰机组和所述换热器。

11.如权利要求10所述的冰蓄冷系统，其特征在于，所述制冰机组设有高压端口和低压端口，所述换热器设有管程进口和管程出口，所述四通阀通过管道分别连接所述换热介质出口、所述高压端口、所述低压端口和所述管程进口，所述换热介质入口与所述管程出口相连，所述管程出口与所述换热介质入口相连的管路上设有毛细管，所述换热器上还设有风机。

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