专利名称：一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于冰浆或水合物浆的连续快速制造装置系统，本发明同时还涉及该装置在制备冰浆和水合物浆中的应用。
背景技术：
在日益普遍的蓄冷空调和新兴的高密度潜热中央空调中，冷量储存或输送的方式已经由传统的利用单相介质的温差显热变为利用介质发生液——固相变时的潜热。前者如水蓄冷空调、普通冷水式中央空调等，后者如各种冰蓄冷空调、水合物蓄冷空调、以及通过把固——液两相共存的冰浆或水合物浆作为载冷媒体直接输送到空调末端的高密度潜热中央空调等。这些通过相变潜热进行冷量储存或输送的高密度载冷媒体主要包括冰和各种共晶盐水合物(暖冰)。因此，冰或水合物晶体的制造成了冰蓄冷空调或水合物潜热空调技术中的核心问题。
冰蓄冷空调可以分为静态冰蓄冷和动态冰蓄冷两种方式，相应的冰(水合物)的制造也可以分为静态和动态两种方式。静态制冰是指在固定的蓄冷槽或者容器中把水静态地冷却到直至形成冰块为止，如各种冰盘管式、冰球式等。动态制冰则是指冰的生成和存储过程是在动态循环中进行的，如制冰滑落式等。静态制冰的方法虽然简单容易操作，但是因为冰的热阻比较大，制冰时的传热状况恶劣，冰的生成速度缓慢，而且需要比较大的过冷度，这使得制冷机的能效比(COP)低下。动态制冰则能大幅度提高制冰效率。因为冰的生成是在动态的流动过程中完成的，不存在冰块堆积阻碍传热的问题。另一方面，制冰时的过冷度不需要很大，这样可以让制冷机的COP有所改善。因此，动态制冰的方法有着十分明显的技术优势，正在逐渐成为冰蓄冷和水合物空调中制冰技术的主流趋势。
目前，最先进的动态制冰过程是采用先过冷却再解除过冷却的方法制造冰浆。具体流程就是，在过冷却器中把水(或者水合盐溶液)过冷却到一定的程度，然后送到一个过冷却解除装置中解除过冷状态，生成固液混和的冰浆(或者水合物浆)。生成的冰浆可以送往冰水分离器或者直接送往空调末端。由于固液混和的冰浆具有良好的流动性，制冰过程可以实现真正的动态循环，制冰效率大大提高。本发明基于这种动态制冰原理，设计了一套高效率的适合冰浆或者水合物浆的连续快速制造装置系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够高效、连续、快速的制造固液两相混和的冰浆或者水合物浆的装置系统。
本发明的另一目的是提供本发明装置在制造冰浆或水合物浆中的应用。
本发明的上述目的采用如下技术方案来实现的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，它包含首尾依次连接的预热器、过冷却热交换器、超声波过冷却解除装置及输送泵本发明所述的装置系统包括三个组成部分，即过冷却热交换器、超声波过冷却解除器和预热器。上述三个部分与制冷机和辅助热源一起构成三个循环回路，所述过冷却热交换器的一个换热通道与制冷机的蒸发器相连构成冷源循环，该循环的作用是把制冷机蒸发器的冷量传递给过冷却热交换器；过冷却热交换器的另一个换热通道与预热器的一个换热通道以及超声波过冷却解除器一起连接成为冰浆(水合物浆)连续快速生成回路；预热器的另一个换热通道与辅助热源连通构成预热循环。此外，在冰浆(水合物浆)连续快速生成回路中包含一个输送泵，为该回路提供循环动力。
所述过冷却热交换器为板式换热器。
所述过冷却热交换器与超声波过冷却解除器之间的连管上设有一温度传感器。
所述超声波过冷却解除器的出口连管上装有输送泵。
所述预热器为板式换热器或者管壳式换热器或者套管式换热器，预热器与过冷却热交换器之间的连管上设有一温度传感器。
所述超声波过冷却解除器包含壳体及封装在所述壳体内部的超声波振子盒，所述壳体和所述超声波振子盒形成一内腔，该内腔分别与进口管和出口管贯通，所述进口管连接过冷却热交换器，所述出口管连接输送泵。所述超声波振子盒内置若干与电源相连的超声波振子，所述超声波振子所形成的超声波发射面正对所述内腔的中心轴。所述超声波过冷却解除器的内腔就是过冷却解除的场所。壳体上下两端分别设有进口管和出口管，顶部正中设有排气管。
所述的超声波振子盒由超声波振子、不锈钢外壳和超声波振子电源引线组成。若干超声波振子等间距的布置在矩形截面的长方体不锈钢外壳内部，所有超声波振子的发射面都贴在不锈钢外壳的同一个内表面上，这个内表面所对应的外表面就是超声波振子盒的发射面，它在过冷却解除器中正对上述过冷却解除场所内腔的中心轴，以便向圆柱形内腔内发射均匀的超声波。除超声波振子电源引线处是开口外，超声波振子盒是全部封闭的，其内外部隔绝，以防止液体侵入腐蚀超声波振子。
所述超声波振子盒的电源引线处设有电源引线不锈钢套管，套管外壁面加工有螺纹。振子盒整体封装在所述壳体内，电源不锈钢套管包裹着振子电源引线从壳体圆形开孔处伸出，并通过橡胶垫圈和紧固螺母使壳体封闭。另一方面，不锈钢电源引线套管和紧固螺母还起到固定振子盒的作用。
在所述壳体内表面的方形凹腔内布置两个完全相同的上述超声波振子盒。超声波振子盒竖直放置，超声波振子盒发射面布置在壳体内部圆柱形内腔截面的圆周上，以最大可能的保持内腔的圆柱形状。两个超声波振子盒在水平截面上沿壳体内部内腔圆周呈120度分布，这样布置的目的是为了使两个超声波振子盒发射的超声波在壳体内腔内相互斜交，以在内腔内制造既强烈又均匀的超声波场空化扰动。
在所述壳体的上部侧面上布置有一进口管，下部侧面上布置有一出口管。进出口管均沿壳体内部内腔的圆周切线方向水平引出，且水流进出的旋转方向相同。这样的进出口管布置方式是为了使水流在进入壳体内部内腔后发生旋转扰动，以使水流在内腔内接受更加均匀的超声波辐射。
所述壳体顶部开有一排气管，排气管装有截止阀。可以通过截止阀排除壳体内的杂质气体，也可以作为高压安全保护措施。
本发明装置可应用于制造冰浆或水合物浆。液态水或水合物溶液首先被送入预热器3中预热，然后进入过冷却热交换器1中被过冷却，过冷却液体从过冷却热交换器1中出来后直接进入超声波过冷却解除器2，在超声波过冷却解除器2中经过超声波的作用迅速生成冰浆或水合物浆，最后由输送泵4输送到冰水分离器中实施固液分离，液态水或水合物溶液又被送往预热器3，完成一个循环。由此本发明装置系统实现了冰浆或水合物浆的高效快速和连续的循环制造过程。
预热器3的作用是防止进入过冷却热交换器1的液态水或水合物溶液因为可能含有细小冰粒而在过冷却热交换器1中提前结冰，从而发生堵塞过冷却热交换器1的危险。预热器3根据过冷却热交换器1入口处的温度传感器5判断是否开启预热操作。预热器3的辅助热源可以是专门的电加热，也可以是空调冷凝器或冷却塔的回收热，可根据实际情况选用。
过冷却热交换器1的出口连管(与超声波过冷却解除器2相连接的管道)上的温度传感器6用于控制液态水或水合物溶液在过冷却热交换器1的出口处的过冷却度。
本发明装置应用于制造水合物浆的基本原理和流程同制造冰浆完全相同，只是根据不同物质的性质控制各控制点的温度不同即可。
本发明装置系统采用板式换热器作为过冷却热交换器，换热效率非常高；采用超声波过冷却解除器促使过冷液生成冰浆(水合物浆)，促晶效率显著提高，冰浆(水合物浆)生成速度大幅度增加；采用预热器能够有效的防止液体在过冷却热交换器中过早发生凝固从而堵塞热交换器。整个装置系统可以实现高效、连续、快速的冰浆(水合物浆)制造过程，比起传统的静态制冰以及动态制冰中的机械冲击促晶等方法，制冰的速度和效率都得到大幅度提升。
图1是本发明装置的系统组成示意图；图2是本发明实施例超声波过冷却解除装置的结构示意图；图3是图2的剖视图。
附图标记说明1 过冷却热交换器2 超声波过冷却解除装置3 预热器4 输送泵5 温度传感器6 温度传感器21 出口管22 壳体23 进口管24 截止阀25 排气管26 超声波振子电源引线27 电源引线不锈钢套管
28 螺母29 密封胶垫210 超声波振子盒211 发射面212 内腔具体实施方式
如图1所示，本发明一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，它包含首尾依次连接的预热器3、过冷却热交换器1、超声波过冷却解除装置2及输送泵4，预热器3与过冷却热交换器1之间装有温度传感器5，过冷却热交换器1和超声波过冷却解除装置2之间也装有温度传感器6。
过冷却热交换器1为板式换热器，预热器3为板式换热器或者管壳式换热器或者套管式换热器。
如图2、图3所示，本发明中的超声波过冷却解除装置2包含壳体22及封装在壳体22内部的两个超声波振子盒210，壳体22和超声波振子盒210形成一圆柱形内腔212，两个超声波振子盒210在水平截面上沿内腔212圆周呈120度分布。内腔212分别与布置在壳体22下部侧面的进口管23和布置在壳体22上部侧面的出口管21贯通，进口管23连接过冷却热交换器1，出口管21连接泵4，进口管23和出口管21均沿壳体内腔212的圆周切线方向水平引出，且水流进出的旋转方向相同。超声波振子盒210内等间距地放置若干通过超声波振子电源引线26与电源相连的超声波振子，超声波振子所形成的超声波发射面211正对内腔212的中心轴。在壳体22顶部开有一排气管25，排气管25装有截止阀24。
超声波振子盒210的超声波振子电源引线26处设有电源引线不锈钢套管27，电源引线不锈钢套管27包裹着超声波振子电源引线26从壳体22圆形开孔处伸出，并通过橡胶密封胶垫29和紧固螺母28使壳体22封闭。另一方面，电源引线不锈钢套管27和紧固螺母28还起到固定超声波振子盒210的作用。
本发明装置系统的三个装置，即过冷却热交换器1、超声波过冷却解除器2和预热器3与制冷机和辅助热源一起构成三个循环回路(如图1所示)，所述过冷却热交换器1的一个换热通道与制冷机的蒸发器相连构成冷源循环，该循环的作用是把制冷机蒸发器的冷量传递给过冷却热交换器1；过冷却热交换器1的另一个换热通道与预热器3的一个换热通道以及超声波过冷却解除装置2一起连接成为冰浆(水合物浆)连续快速生成回路；预热器3的另一个换热通道与辅助热源连通构成预热循环。此外，在冰浆(水合物浆)连续快速生成回路中包含一个输送泵4，为该回路提供循环动力。
其中超声波过冷却解除装置2使用时须竖直放置。如图2所示。从过冷却热交换器1出来的过冷却液由进口管3进入超声波过冷却解除装置2。由于进口管23以水平切线的方向导入装置内部的圆柱形内腔212，如图3所示，过冷却液一进入超声波过冷却解除装置2内部就产生旋转。又因为超声波过冷却解除装置2的出口管21也以相同旋转方向的切线方向导出超声波过冷却解除装置内部圆柱内腔212，这样在整个装置的内部圆柱形内腔212里流体将以螺旋向下的方式旋转流过装置。沿圆周呈120度间距布置的两个超声波振子盒210的发射面211正对内部圆柱内腔212的中心轴，并向以螺旋方式流经内腔212内的过冷液辐射呈120度交错的两个超声波阵列。当过冷液由上至下经历足够时间的超声波辐射之后，细小的冰晶颗粒开始形成，在到达装置底部时已经生成足够浓度的冰(水合物)浆，最后由出口管21排出。
本发明装置可应用于制造冰浆。从冰水分离器中出来的液态水首先被送入预热器3中预热到0.5℃，然后进入过冷却热交换器1中被过冷却到-2℃(即过冷度为2℃)，-2℃下的过冷水从过冷却热交换器1中出来后直接进入超声波过冷却解除器2，在超声波过冷却解除器2中经过超声波的作用迅速生成冰浆，最后由泵4输送到冰水分离器中实施冰水分离，固态冰被存储起来，液态水又被送往预热器3，完成一个循环。由此本发明装置系统实现了冰浆的高效快速和连续的循环制造过程。
预热器3的作用是防止进入过冷却热交换器1的液态水因为可能含有细小冰粒而在过冷却热交换器1中提前结冰，从而发生堵塞过冷却热交换器1的危险。预热器3根据过冷却热交换器1入口处的温度传感器5判断是否开启预热操作，如果传感器5感知的过冷却热交换器1的入口液态水的温度低于0.5℃，则发出开启预热操作的指令，否则不执行预热操作。预热器3的辅助热源可以是专门的电加热，也可以是空调冷凝器或冷却塔的回收热，可根据实际情况选用。
过冷却热交换器1的出口连管(与超声波过冷却解除器2相连接的管道)上的温度传感器6用于控制液态水在过冷却热交换器1的出口处的过冷却度，制造冰浆时该过冷度须为2℃(即过冷水温为-2℃)。
本发明装置也可应用于制造水合物浆，基本原理和流程同制造冰浆完全相同，只是各控制点的温度不同而已。下面以质量浓度为22％的比例配制出四丁基溴化铵水溶液作为本实施例的载冷剂，其相变温度为9℃。
从空调末端设备或者固液分离器中回来的液态溶液首先进入预热器3被预热到10℃(该温度可以确保溶液中不再含有固态水合物颗粒，从而保证进入过冷却热交换器1的溶液不会提前生成水合物而堵塞换热器)，当然，如果温度传感器5感知进入过冷却热交换器1入口的溶液温度高于10℃则不执行预热操作，10℃的溶液再进入过冷却热交换器1中被过冷却到7℃(由过冷却热交换器1出口的温度传感器6控制)，7℃的过冷溶液再进入超声波过冷却解除器2中快速生成水合物浆，最后由输送泵4输送到固液分离器或者直接泵往空调末端，从分离器或者空调末端回来的溶液又被送往预热器3，完成一个循环。
权利要求
1.一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于它包含首尾依次连接的预热器(3)、过冷却热交换器(1)、超声波过冷却解除装置(2)及输送泵(4)；所述超声波过冷却解除装置(2)包含壳体(22)及封装在所述壳体(22)内部的超声波振子盒(210)，所述壳体(22)和所述超声波振子盒(210)形成一内腔(212)，该内腔(212)分别与进口管(23)和出口管(21)贯通，所述进口管(23)连接过冷却热交换器(1)，所述出口管(21)连接输送泵(4)；所述超声波振子盒(210)内置若干与电源相连的超声波振子，所述超声波振子所形成的超声波发射面(211)正对所述内腔(212)的中心轴。
2.根据权利要求1所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述预热器(3)与所述过冷却热交换器(1)之间装有温度传感器，所述过冷却热交换器(1)和所述超声波过冷却解除装置(2)之间也装有温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述过冷却热交换器(1)为板式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述预热器(3)为以下之一板式换热器、管壳式换热器、套管式换热器。
5.根据权利要求1所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述内腔(212)呈类圆柱形。
6.根据权利要求1或5所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述超声波振子盒(210)为两个，且在水平截面上沿所述内腔(212)圆周呈120度分布。
7.根据权利要求1或5所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述进口管(23)布置在所述壳体(22)的上部侧面，所述出口管(21)布置在所述壳体(22)的下部侧面，两者均沿壳体内腔(212)的圆周切线方向水平引出，且水流进出的旋转方向相同。
8.根据权利要求1或5所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其特征在于所述壳体(22)顶部开有一排气管(25)，所述排气管(25)装有截止阀(24)。
9.根据权利要求1所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其在制造冰浆中的应用。
10.根据权利要求1所述的一种冰浆或水合物浆的连续快速制备装置，其在制造水合物浆中的应用。
全文摘要
本发明提供了一种能够高效、连续、快速的制造固液两相混和的冰浆或者水合物浆的装置及该装置在制造冰浆或水合物浆中的应用。本发明装置包含首尾依次连接的预热器3、过冷却热交换器1、超声波过冷却解除装置2及输送泵4。超声波过冷却解除装置2包含壳体22及封装在壳体22内部的超声波振子盒210，壳体22和超声波振子盒210形成一内腔212，该内腔212分别与进口管23和出口管21贯通，进口管23连接过冷却热交换器1，所述出口管21连接输送泵4。本发明装置可应用于制造冰浆或水合物浆。整个装置系统可以实现高效、连续、快速的冰浆(水合物浆)制造过程，比起传统的静态制冰以及动态制冰中的机械冲击促晶等方法，制冰的速度和效率都得到大幅度提升。
文档编号F25C1/24GK1786626SQ20051010081
公开日2006年6月14日 申请日期2005年10月31日 优先权日2005年10月31日
发明者冯自平, 黄冲, 何世辉, 肖睿 申请人:中国科学院广州能源研究所