CN106895624B - 一种阻止冰晶在过冷水流动中传播的装置及制冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种阻止冰晶在过冷水中传播的装置包括防传播管，促晶器，鼓风机及管道，其特征在于，防传播管包括防传播管入口，防传播管出口，冷水流道，冷水流道外周设置有外壳，外壳上设置有连接外部气源的结构，冷水流道外周面和上述外壳之间形成的气室，冷水流道的内管管壁上设置有连通结构，该连通结构使冷水流道内周面形成气垫层；防传播管出口通过管道与促晶器入口管相连，促晶器出口通过管道与鼓风机相连接，鼓风机作为外部气源与所述防传播管相连接。本发明装置能够有效阻断冰晶逆流传播，避免过冷水换热器内部结冰，流道堵塞，确保过冷水式动态冰浆制取工艺的稳定可靠运行。

Description

一种阻止冰晶在过冷水流动中传播的装置及制冰方法

技术领域

本发明涉及过冷水式动态冰浆制取技术，特别是涉及一种阻止冰晶在过冷水中传播的装置。

背景技术

过冷水是指水具有的天然过冷特性，虽然温度已经低于冰点温度(0℃)，但仍能在一定条件下保持不结冰的液体状态，这种状态下的水就叫过冷水。过冷水式动态冰浆制取技术是一种新型高效的制冰工艺，其基本原理是利用高效换热器(如板式换热器)把液态水降温冷却到-2℃，使其离开换热器时为过冷水。过冷水离开换热器之后随即进入促晶器，促晶器存在超声波辐射的空间，过冷水在其中将在超声波的刺激下迅速转变为冰浆。冰浆最后被输送到蓄冰槽中存储。过冷水式动态制冰工艺是一种先进节能的制冰技术，具有传热效率高、制冷能耗低等突出优势，被广泛应用于中央空调蓄冷、工艺冷却、渔业等领域，具有十分广阔的市场前景。

过冷水式动态冰浆制取工艺中存在一个关键的技术难题——冰晶在过冷水中的传播。过冷水是一种低于冰点但暂时还未结冰的亚稳态液体，其在各种外界干扰刺激下都有很强的相变结冰趋势，这些干扰包括扰流、撞击、超声波辐射、冰晶激发(冰晶是过冷水优良的成核剂)等。在动态冰浆制取过程中，促晶器3内是冰浆，其中存在大量的冰晶颗粒，这些冰晶颗粒是过冷水天然优良的结冰成核剂，可以快速诱导过冷水结冰。即便过冷水存在一个较大的流速，也不足以阻止这些冰晶沿逆流方向对过冷水的诱导结冰趋势，尤其是冰晶诱导过冷水生成的冰有相当一部分紧紧附着在流通管道内壁面上，这部分冰更无法通过加大过冷水流速冲刷掉，因此最终的结果是冰晶沿着管道壁面一步步逆流“爬行”传播，最后传播进入过冷水换热器4。一旦冰晶传播进入过冷水换热器4，则会快速导致换热器内部结冰，流道堵塞，失去换热能力，从而整个制冰循环被迫中止。因此，为了确保***长时间稳定可靠运行，必须有效阻断上述冰晶的逆流传播。这就需要在过冷水换热器出口和促晶器入口之间的连管上设置能够有效阻断冰晶逆流传播的装置，才能确保过冷水式动态冰浆制取工艺的稳定可靠运行。

现有技术中，比较普遍的冰晶阻断传播技术主要是夹套加热法。该方法是通过在过冷水流通管道的外壁侧加热，同时对其内壁面进行要求很高的抛光和憎水涂层处理，以达到阻断冰晶传播的目的。这种方法存在以下问题：一方面加热热源的不稳定性会明显影响阻断效率。在实用中，加热热源的稳定性难以控制。热源一般由制冷主机冷却循环水提供，在不同的季节，冷却循环水温度波动较大，循环流量也难以动态监测，因此经常导致冰晶传播阻断能力下降或失效。另一方面，管内经抛光和憎水涂层处理后，其表面状况会随着运行时间的推移而逐渐恶化，而这也会导致冰晶传播阻断能力的下降或失效。因此，采用夹套加热法会影响冰浆制取工艺过程的长期稳定性和可靠性。

中国专利CN1409078A公布了制冰方法和制冰装置，并具体公开了该装置中的防止冰吸附在连接管内壁的装置，采用引射流的方式把换热器入口前的水(非过冷水)引射入上述环形断口，使之在管内壁面附近形成一个非过冷的薄壁水层，以此阻止冰晶在壁面上的附着。这种技术在分配引射流和主流流量的控制上难度很大，流量分配不合理将导致阻断失效或者牺牲制冰效率两种不利后果；从连接管的间隙d流出的水流量难以控制，从而导致液膜的稳定性差；并且该液膜是由0.5℃的水形成，该液膜的水温容易发生变化，不容易控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种阻止冰晶在过冷水流动中传播的新型装置，该装置可有效阻断冰晶逆流传播，保证换热器正常稳定的工作。

本发明的具体技术方案为：

一种阻止冰晶传播的防传播管，该防传播管包括防传播管入口，防传播管出口，冷水流道，其特征在于，冷水流道外周设置有外壳，外壳上设置有连接外部气源的结构，冷水流道外周面和上述外壳之间形成的气室，冷水流道的内管管壁上设置有连通结构，该连通结构使冷水流道内周面形成气垫层。所述的连通结构为通孔，所述通孔均匀密集地设置于冷水流道的内管管壁上；所述连接外部气源的结构设置为气室入口。

一种阻止冰晶在过冷水中传播的装置，该装置包括防传播管，促晶器，鼓风机及管道，其特征在于，防传播管包括防传播管入口，防传播管出口，冷水流道，冷水流道外周设置有外壳，外壳上设置有连接外部气源的结构，冷水流道外周面和上述外壳之间形成的气室，冷水流道的内管管壁上设置有连通结构，该连通结构使冷水流道内周面形成气垫层；防传播管出口通过管道与促晶器入口管相连，促晶器出口通过管道与鼓风机相连接，鼓风机作为外部气源与所述防传播管相连接。所述的连通结构为通孔，所述通孔均匀密集地设置于冷水流道的内管管壁上；所述连接外部气源的结构设置为气室入口。

进一步地，所述促晶器3内设置有超声波促晶装置。促晶器还设置有冰浆冰浆滞留腔及气体分离腔，冰浆滞留腔和气体分离腔之间连通，所述冰浆滞留腔设置在促晶器下部，其形状为圆柱形空间；所述气体分离腔设置于促晶器上部，其形状为一顶部为圆锥形的回转体容器；所述促晶器出口为气体分离腔出口，其设置于气体分离腔顶部。

另外，促晶器内还设置有液位传感器，用于检测促晶器内的液位升降情况。气体分离腔与鼓风机的连接管上设置有补气阀。

一种包括有阻止冰晶在过冷水中传播的装置的制冷***，还包括蓄冰槽，水泵及过冷水换热器，其特征在于，蓄冰槽连接所述过冷水换热器的冷水入口管，所述过冷水换热器的冷水出口管连接防传播管入口；所述水泵与蓄冰槽连接，用于驱动蓄冰槽中的水流到所述过冷水换热器中。

一种利用有阻止冰晶在过冷水中传播的装置的制冷***动态制冰的方法，具体设置为：启动水泵，使水泵驱动蓄冰槽中的水流经冷水换热器，流入到防传播管内；启动鼓风机，控制鼓风机的空气流量和空气压力，使得空气在防传播管内外周形成密闭气垫；水通过防传播管流入到促晶器中，启动所述促晶器的超声波促晶装置，用于将过冷水制成冰浆；启动促晶器中的液位传感器，实时监测液位情况；若液位下降到分界面，循环空气的储量减少到设定的下限值时，则开启补气阀，向***内补充必要的空气；当循环空气储量补充到设定目标值时，则关闭补气阀。

本发明与现有技术相比可实现以下有益效果：

1.空气可在打孔内管103的内壁面附近形成一层均匀的气垫层。气垫层具有“光滑”的流体力学效果，起到了隔离的作用，将使得过冷水与过冷水流道104的内壁面隔离开来，也将使得冰晶由于气垫的存在而无法附着在管壁面上，有效阻止了冰晶的爬行。因此，气垫层起到了防止冰晶传播的技术效果，确保了其上游过冷水换热器的连续稳定运行条件。

2.采用气垫层用作隔离层，气垫层只需要控制其循环空气量及空气压力，而不需要额外的添加热源，控制过程不需要对气垫层的温度进行管控。空气量及气压的控制装置简单灵活，控制方法稳定性好。通过对于空气压力的控制，从而达到控制气垫层特性的目的，进而实现气垫层对过冷水的隔离和对冰晶的阻断效果。

3.该隔离管装置简单通用，阻断效果好，成本低，稳定性好，可适用于多种制冷***中。且不需要对原有的制冷***的管道进行改装，例如进行抛光和憎水涂层处理，并且不会影响原来制冷***的结构和连接关系。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为防传播管的示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。在图1中，清水由水泵(未示出)循环驱动，从蓄冰槽(未示出)流出，经由冷水入口管5进入过冷水换热器4。清水在过冷水换热器中，由来自制冷***(未示出)的低温冷媒冷却到-2℃(低于冰点温度0℃)，形成过冷水，然后经过冷水出口管6排出过冷水换热器4。过冷水流过防传播管1，进入到促晶器内；具体来说，从防传播管入口107流入，流经防传播管1的过冷水流道104，然后从防传播管出口108流出，从促晶器入口管7流入促晶器3。促晶器3中安装有促使过冷水相变结冰的促晶装置(未示出)，该促晶装置可设置为超声波促晶装置。在超声波促晶作用下，-2℃的过冷水在促晶器3的下部冰浆滞留腔301中被迅速转变为冰浆，温度恢复到0℃。上述生成的冰浆经促晶器冰浆出口管9离开促晶器3并回到蓄冰槽存储起来。在蓄冰槽中，因冰、水存在密度差而自然分层，通过水泵继续把其中的水送到水入口管5，从而周而复始地循环进行上述过冷水和冰浆的制取过程，最终蓄冰槽内越来越多的水被逐渐制取成冰。

在图2中，在过冷水换热器4和促晶器3之间串联接入防传播管1，即过冷水出口管6与防传播管入口107相连，促晶器入口管7与防传播管出口108相连。在促晶器3的气体分离腔302与防传播管1的气室102之间串联鼓风机2，即气体分离腔出口8与鼓风机2的入口相连，防传播管1的气室入口106与鼓风机2的出口相连。气体分离腔8与鼓风机2的连接管上设置有阀门。

当过冷水流经防传播管1的过冷水流道104时，通过鼓风机2往防传播管1的气室102内送入具有一定压力的空气。这些空气在鼓风机压力的作用下，沿着打孔内管103表面上密集的大量细小通孔105进入打孔内管103的内部过冷水流道104，并在打孔内管103的内壁面附近形成一层均匀的气垫层。气垫层内的气体很快会与过冷水流道104内的过冷水混和流走，但因为上述鼓风机2的连续运行，空气也在源源不断补充进入上述气垫层，因此前述气垫层在动态上是始终存在的。上述气垫层的存在使得过冷水与过冷水流道104的内壁面之间形成了隔离层，而且气垫具有非常“光滑”的流体力学效果。这样，从下游传播而来的冰晶，由于气垫的存在而无法附着在管壁面上，冰晶传播因此失去了根基，在过冷水流速的冲刷下，被有效阻断在防传播管1附近，因此确保了其上游过冷水换热器的连续稳定运行条件。

另一方面，从上述通孔105进入过冷水流道104的空气最终被全部混和夹带进入促晶器3，由于气、液密度差异巨大，大部分空气迅速上浮聚集到促晶器3上部的气体分离腔302中，极少部分空气则被冰浆夹带从促晶器冰浆出口管9流出。聚集在气体分离腔302中的空气则继续在鼓风机的抽引下经气体分离腔出口8被加压送入气室102，循环前述过程。

由于上述循环空气的总量中始终有一小部分被冰浆夹带离开***，循环空气在***中的储量会越来越少，因此通过布置在促晶器3内冰浆滞留腔301和气体分离腔302分界面附近(即其中的水平面附近)的液位传感器11来检测***中循环空气的储量。当循环空气储量减少时，上述液位传感器11检测到的液位将上升。当循环空气的储量减少到设定的下限值时，则开启补气阀10，往***内补充必要的空气；当循环空气储量补充到设定目标值时，则关闭补气阀10。

作为一种优选方案，上述鼓风机可选用变频鼓风机，从而可以通过调节鼓风机运转频率精确控制循环空气量，使防传播管1对冰晶传播的阻断恰到好处，即达到阻断冰晶传播的目的，又可使风机能耗最低。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种阻止冰晶在过冷水中传播的装置，该装置包括防传播管，促晶器，鼓风机及管道，其特征在于，防传播管包括防传播管入口，防传播管出口，冷水流道，冷水流道外周设置有外壳，外壳上设置有连接外部气源的结构，冷水流道外周面和上述外壳之间形成的气室，冷水流道的内管管壁上设置有连通结构，该连通结构使冷水流道内周面形成气垫层；防传播管出口通过管道与促晶器入口管相连，促晶器出口通过管道与鼓风机相连接，鼓风机作为外部气源与所述防传播管相连接；

所述促晶器包括冰浆滞留腔及气体分离腔，冰浆滞留腔和气体分离腔之间连通，所述冰浆滞留腔设置在促晶器下部，其形状为圆柱形空间；所述气体分离腔设置于促晶器上部，其形状为一顶部为圆锥形的回转体容器；所述促晶器出口为气体分离腔出口，其设置于气体分离腔顶部；

所述的连通结构为通孔，所述通孔均匀密集地设置于冷水流道的内管管壁上；所述连接外部气源的结构设置为气室入口；

气体分离腔与鼓风机的连接管上设置有补气阀；

空气在鼓风机压力的作用下，沿着打孔内管表面上密集的大量细小通孔进入打孔内管的内部过冷水流道。

2.一种如权利要求1所述阻止冰晶在过冷水中传播的装置，其特征在于，所述促晶器内设置有超声波促晶装置。

3.一种如权利要求2所述阻止冰晶在过冷水中传播的装置，其特征在于，所述促晶器内还设置有液位传感器，用于检测促晶器内的液位升降情况。

4.一种包括有权利要求3所述阻止冰晶在过冷水中传播的装置的制冷***，还包括蓄冰槽，水泵及过冷水换热器，其特征在于，蓄冰槽连接所述过冷水换热器的冷水入口管，所述过冷水换热器的冷水出口管连接防传播管入口；所述水泵与蓄冰槽连接，用于驱动蓄冰槽中的水流到所述过冷水换热器中。

5.一种利用权利要求4中的制冷***动态制冰的方法，其特征在于，启动水泵，使水泵驱动蓄冰槽中的水流经过冷水换热器，流入到防传播管内；启动鼓风机，控制鼓风机的空气流量和空气压力，使得空气在防传播管内外周形成密闭气垫；水通过防传播管流入到促晶器中，启动所述促晶器的超声波促晶装置，用于将过冷水制成冰浆；启动促晶器中的液位传感器，实时监测液位情况；若液位下降到分界面，循环空气的储量减少到设定的下限值时，则开启补气阀，向***内补充必要的空气；当循环空气储量补充到设定目标值时，则关闭补气阀。

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