CN113375382B - 跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，包括热泵预冷与热回收系统、蒸发制冰系统和转轮除湿系统。热泵预冷与热回收系统以二氧化碳为循环，一方面对循环水和循环空气进行预冷降温，另一方面通过跨临界高温下的热回收对再生空气进行加热。蒸发制冰系统以水作为循环，预冷的循环水进入蒸发制冰室，在低含湿量的空气中蒸发降温生成流态冰。转轮除湿系统以空气作为循环，从蒸发制冰室出来的湿空气经过除湿区，除湿得到低含湿量空气再送回；除湿区经过再生空气的加热恢复除湿能力。本发明通过转轮除湿大幅减少了制冰能耗，同时利用二氧化碳为循环的热泵进行高温热回收，是一种新型节能、高效、环保的流态冰制取系统。

Description

跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统

技术领域

本发明涉及一种流态冰的制取系统，尤其是一种跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统。

背景技术

随着经济社会的发展，能源紧张的问题逐渐凸显，包括空调系统在内的制冷设备的能耗问题引起了广泛的社会关注。冰蓄冷作为当前最重要的节能技术之一，是电力“移峰填谷”和解决尖峰电力不足的有效方法。作为冰蓄冷的一种良好介质，流态冰也由于其良好的热物理特性，被广泛地用于建筑空调、大规模区域供冷、工业生产、食品保鲜、交通运输、远洋捕捞、水产养殖、医疗卫生等领域。另一方面，传统制取流态冰所需要的制冷剂存在破坏环境、臭氧层空洞和温室效应的问题，随着我国“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，采用二氧化碳的天然制冷剂，廉价且易于获得，对自然环境没有破坏，是一种十分具有前景的制冷工质选择。

在当前的流态冰制取方法中，过冷法制取流态冰由于过冷水的不稳定，容易在蒸发器管道中出现冰堵的问题；机械刮片式作为商业化最广泛的一种流态冰制取方法，但需要消耗大量额外的机械动力；传统的真空法制取流态冰具有较大的真空泵能耗，而在此基础上通过溶液除湿营蒸发制取流态冰的方法，则对除湿溶液的浓度要求较高，且溶液除湿系统复杂，增大了流态冰制取成本。

因此急需一种能够通过转轮除湿大幅减少了制冰能耗，同时利用二氧化碳为循环的热泵进行高温热回收，实现一种新型节能、高效、环保效果的跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，通过转轮除湿大幅减少了制冰能耗，同时利用二氧化碳为循环的热泵进行高温热回收，实现一种新型节能、高效、环保的效果。

本发明提供了如下的技术方案：

一种跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，包括：热泵预冷与热回收系统，以二氧化碳作为循环工质，一方面对循环水和循环空气进行预冷降温，另一方面通过跨临界高温下的热回收对再生空气进行加热；蒸发制冰系统，以水作为循环工质，预冷的循环水进入蒸发制冰室，在低温、低含湿量的空气中蒸发降温生成流态冰；转轮除湿系统，以空气作为循环工质，从蒸发制冰室出来的湿空气经过除湿区，除湿后得到低含湿量空气再送回蒸发制冰室；除湿区在转轮的转动下，经过再生空气的加热而恢复除湿能力。

进一步的，所述热泵预冷与热回收系统包括储水箱、压缩机、气体冷却器、气液分离器、回热器、第一节流阀、第二节流阀、水冷蒸发器、空冷蒸发器、压力调节阀和循环水泵；首先，制冷剂二氧化碳经过压缩机压缩后，形成跨临界状态下的高温气体，经过气体冷却器显热放热对再生空气进行加热，冷却后的低温二氧化碳经过回热器得到进一步过冷，从而减少在第一节流阀或第二节流阀中的节流损失；然后，一部分制冷剂经过第一节流阀的节流进入水冷蒸发器，另一部分制冷剂经过第二节流阀的节流进入空冷蒸发器；最后，经过压力调节阀调节后，两部分制冷剂在同一压力下汇入气液分离器，二氧化碳气体再次进入压缩机，从而完成制冷剂循环。

优选的，所述气体冷却器是二氧化碳气体与空气的换热器，二氧化碳气体在超临界状态下不发生相变过程、发生较大的温度滑移，从而对再生空气进行加热，控制使再生空气能够达到70℃以上；水冷蒸发器是二氧化碳液体和水的壳管式换热器，制冷剂走管程，在低于临界状态下相变吸热，循环水走壳程，控制使循环水冷却至0℃以上；空冷蒸发器是二氧化碳液体与空气的换热器，制冷剂相变吸热，控制使循环空气冷却至-3℃左右。

进一步的，所述蒸发制冰系统包括冷冻水箱、第一冷冻水泵、蒸发制冰室、雾化喷嘴、过冷解除装置、冰水分离器、第二冷冻水泵和储冰箱；所述蒸发制冰室是水蒸发吸热形成流态冰的场所，其通过第一进口与第一冷冻水泵的出口相连，第一冷冻水泵的进口与冷冻水箱相连，从而将冷冻水引入蒸发制冰室；所述蒸发制冰室通过第一出口与冰水分离器的入口相连，冰水分离器的第一个出口与第二冷冻水泵相连，然后连接至冷冻水箱，从而将未结冰的冷冻水重新引回冷冻水箱；所述冰水分离器的第二个出口与储冰池相连，从而储存分离出的流态冰；其通过第二进口与空冷蒸发器的出口相连，引入低含湿量的低温空气，通过第二出口与循环风机的入口相连，排出蒸发后的大量湿空气。

优选的，所述蒸发制冰系统制取流态冰的过程为：所述冷冻水箱内0℃以上的冷冻水首先经过第一冷冻水泵进入雾化喷嘴，所述雾化喷嘴将冷冻水加压雾化成直径十分微小的水滴；同时，循环空气经过转轮除湿系统中转轮除湿器的除湿和热泵预冷与热回收系统中空冷蒸发器的降温后，处理成湿球温度为-2℃以下的干空气；然后由第二进口进入蒸发制冰室；接着，水滴在干燥的低温空气中，由于水蒸气分压力差和温度差而发生传热传质，一部分水蒸发吸热形成水蒸气，另一部分水则被降温至0℃以下形成过冷水，还有小部分水滴由于换热充分直接冷却生成冰晶；最后，尚未结冰的过冷水经过设置在蒸发制冰室底部的过冷解除装置，解除过冷状态形成冰晶，并通过冰水分离器的分离作用，分离得到流态冰。

进一步的，所述转轮除湿系统包括循环风机、空-空换热器、转轮除湿器、再生加热器和再生风机；转轮除湿器的除湿区通过空-空换热器、空冷蒸发器、蒸发制冰室和循环风机相连，组成空气的闭式循环，循环往复的得到低含湿量、低温的空气送入蒸发制冰室；转轮除湿器的再生区通过再生加热器、再生风机和气体冷却器相连，组成再生空气的开式循环，不断对再生区进行脱附水分，恢复除湿能力。

优选的，所述转轮除湿器中，转轮截面布满蜂巢状的流道，并通过绝热隔板将横截面分为3:1的除湿区和再生区，选择性能良好稳定的氯化锂作为固体吸附剂以达到深度除湿；设置空-空换热器以降低除湿后升温的循环空气；再生空气经过气体冷却器后，根据再生空气的温度和再生风机的风量，控制再生加热器加热功率的大小，从而使其满足再生区的再生要求。

本发明的有益效果是：

(1)采用转轮除湿的蒸发过冷制取流态冰的技术。冷冻水在低含湿量、低温的空气中蒸发降温，一部分水蒸发吸热，另一部分水则降温形成过冷水进而形成冰晶，利用一部分水的汽化潜热来弥补另一部分水的凝固潜热，从而减少了降温结冰的能耗。另外与过冷法相比，水在蒸发室制冰室的下落过程完成过冷步骤，从而避免了过冷法中过冷器冰堵的现象，同时水的不断蒸发使过冷后形成的含冰率也更高。

(2)深度除湿且除湿能耗低。与溶液除湿相比，采用固体吸附剂的转轮除湿能够达到更低含湿量的空气，从而提高流态冰的蒸发制冰效率，且采用转轮除湿的系统设备简单、紧凑，可以高效利用二氧化碳热泵系统的高温放热，实现除湿剂的再生，大幅节约了再生的能耗。

(3)采用跨临界二氧化碳热泵系统，利用二氧化碳在超临界压力下优良的物理性质如密度大、换热系数高等优点，可以减少压缩机的大小以及系统设备和管道的尺寸的大小，同时高压侧的显热放热过程中二氧化碳的温度持续降低，因而可将再生空气持续加热至很高的温度，从而满足转轮除湿的再生要求。

(4)通过复合系统的联合运行，实现了整体优势互补和各部分能量的综合利用。二氧化碳热泵系统一方面为降低循环水和循环空气的温度提供冷量，提高了流态冰的生成效率，另一方面又为转轮除湿系统提供再生热量；而转轮除湿系统则为蒸发制冰系统提供极低含湿量的空气，从而保证良好得的蒸发制冰条件，利用复合系统内循环余热的思想，实现了系统运行效率的有效提高。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的系统示意图；

图中的标记：储水箱1、冷冻水箱2、第一冷冻水泵3、蒸发制冰室4、雾化喷嘴5、过冷解除装置6、冰水分离器7、第二冷冻水泵8、储冰箱9、循环风机10、空-空换热器11、转轮除湿器12、除湿区13、再生区14、再生加热器15、再生风机16、压缩机17、气体冷却器18、气液分离器19、回热器20、第一节流阀21、第二节流阀、22水冷蒸发器23、空冷蒸发器24、压力调节阀25、循环水泵26、第一进口27、第一出口28、第二进口29、第二出口30。

具体实施方式

如图1所示，一种跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统的系统示意图，在本实施例中，包括热泵预冷与热回收系统、蒸发制冰系统和转轮除湿系统；

热泵预冷与热回收系统以二氧化碳为循环工质，一方面对循环水和循环空气进行预冷降温；另一方面通过跨临界高温下的热回收对再生空气进行加热；热泵预冷与热回收系统包括储水箱1、压缩机17、气体冷却器18、气液分离器19、回热器20、第一节流阀21、第二节流阀22、水冷蒸发器23、空冷蒸发器24、压力调节阀25和循环水泵26。首先，制冷剂二氧化碳经过压缩机17压缩后，形成跨临界状态的高温气体，经过气体冷却器18显热放热对再生空气进行加热，因为高压侧的显热放热过程中二氧化碳的温度持续降低，因而可将再生空气持续加热至很高的温度，控制使气体冷却器出口再生空气达到70℃以上，从而满足转轮除湿的再生要求；接着，气体冷却器18出来的低温二氧化碳气体进入回热器20得到进一步过冷，从而减少了在膨胀阀中的节流损失；然后，一部分制冷剂经过第一节流阀21的节流进入水冷蒸发器23，控制使循环水冷却至0℃以上，另一部分制冷剂经过第二节流阀22的节流进入空冷蒸发器24，控制使循环空气冷却至-3℃左右；最后，经过压力调节阀25调节后，两部分制冷剂在同一压力下汇入气液分离器19，二氧化碳气体进入压缩机17，从而完成制冷剂循环。

转轮除湿系统以空气作为循环工质，从蒸发制冰室4出来的湿空气经过除湿区13，得到低含湿量空气再送回蒸发制冰室4；除湿区13在转轮的转动下，经过通入再生区14的再生空气的加热恢复除湿能力；转轮除湿系统包括循环风机10、空-空换热器11、转轮除湿器12、再生加热器15和再生风机16；其中除湿循环具体流程为：从蒸发制冰室4出来的湿空气经过循环风机10的抽吸，进入空-空换热器11，对完成除湿过程后由于吸附热而升温的循环空气进行冷却，以减少循环空气的冷却能耗，接着湿空气通过蜂巢状的微通道进入转轮除湿器12的除湿区13，通道壁以氯化锂作为固体吸湿剂，它被空气所冷却时，其对应的水蒸气分压力小于处理空气的水蒸气分压力，其中水蒸气就被吸附到吸湿剂中，从而实现除湿的目的，当升温后的干空气经过空-空换热器11和空冷蒸发器24的降温后重新送入蒸发制冰室4，则完成了空气的闭式循环；转轮除湿系统再生具体流程为：随着转轮的旋转，上述除湿流道的吸湿量逐渐趋于饱和，当这些吸湿后的流道旋转到再生区时，热空气流过这些蜂窝状流道，含有固体吸湿剂的流道壁被加热，其对应的水蒸气分压力高于再生空气中的水蒸气分压力，将吸湿剂中的水分脱离出来。其中再生空气来源于环境空气，由于环境温度冬夏季节的变化，经过二氧化碳热泵系统的气体冷却器18加热后的再生空气可能温度较低，可以根据出口温度和再生风机16的风量，控制再生加热器15加热功率的大小，从而使其满足再生区14的再生要求；随着转轮的旋转，除湿和再生过程交替进行，这样周而复始，转轮除湿系统得以连续运行。

蒸发制冰系统以水作为循环工质，预冷的循环水进入蒸发制冰室，在低温、低含湿量的空气中蒸发降温生成流态冰；蒸发制冰系统包括冷冻水箱2、第一冷冻水泵3、蒸发制冰室4、雾化喷嘴5、过冷解除装置6、冰水分离器7、第二冷冻水泵8和储冰箱9；蒸发制冰室4的顶部和底部位置各设置两个进出口，其中第一进口27和第一出口28作为冷冻水的进出通道，第二进口29和第二出口30作为循环风的进出通道；蒸发制冰系统制取流态冰的具体过程为：第一步，储水箱1通过循环水泵26不断与水冷蒸发器23换热，使储水箱内的温度达到2℃左右；第二步，储水箱1内的水通过阀门流向冷冻水箱2，冷冻水箱2通过第一冷冻水泵3将冷冻水引入雾化喷嘴5，雾化喷嘴5将冷冻水加压雾化成直径十分微小的水滴；第三步，循环空气经过转轮除湿器11的除湿后，保证水蒸气分压力达到611Pa以下，再经过空冷蒸发器24的换热后，保证循环空气冷却至-3℃左右，最后进入蒸发制冰室4；第四步，水滴在干燥的低温空气中(露点温度-2℃以下)，由于水蒸气分压力差和温度差而发生传热传质，水滴降温的极限是循环空气的露点温度，因此水滴在重力作用下的降落过程中，一部分水滴蒸发吸热形成水蒸气，另一部分水滴则被降温至0℃以下形成过冷水，还有小部分水滴由于换热充分直接生成冰晶。最后，尚未结冰的过冷水经过设置在蒸发制冰室4底部的过冷解除装置6，解除过冷状态形成冰晶，并通过冰水分离器7的分离作用，分离得到流态冰并送入储冰箱9中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，其特征在于，包括：

热泵预冷与热回收系统，以二氧化碳作为循环工质，一方面对循环水和循环空气进行预冷降温，另一方面通过跨临界高温下的热回收对再生空气进行加热；

蒸发制冰系统，以水作为循环工质，预冷的循环水进入蒸发制冰室，在低温、低含湿量的空气中蒸发降温生成流态冰；

转轮除湿系统，以空气作为循环工质，从蒸发制冰室出来的湿空气经过除湿区，除湿后得到低含湿量空气再送回蒸发制冰室；除湿区在转轮的转动下，经过再生空气的加热而恢复除湿能力；

所述热泵预冷与热回收系统包括储水箱、压缩机、气体冷却器、气液分离器、回热器、第一节流阀、第二节流阀、水冷蒸发器、空冷蒸发器、压力调节阀和循环水泵；首先，制冷剂二氧化碳经过压缩机压缩后，形成跨临界状态下的高温气体，经过气体冷却器显热放热对再生空气进行加热，冷却后的低温二氧化碳经过回热器得到进一步过冷，从而减少在第一节流阀或第二节流阀中的节流损失；然后，一部分制冷剂经过第一节流阀的节流进入水冷蒸发器，另一部分制冷剂经过第二节流阀的节流进入空冷蒸发器；最后，经过压力调节阀调节后，两部分制冷剂在同一压力下汇入气液分离器，二氧化碳气体再次进入压缩机，从而完成制冷剂循环；

所述蒸发制冰系统包括冷冻水箱、第一冷冻水泵、蒸发制冰室、雾化喷嘴、过冷解除装置、冰水分离器、第二冷冻水泵和储冰箱；所述蒸发制冰室是水蒸发吸热形成流态冰的场所，其通过第一进口与第一冷冻水泵的出口相连，第一冷冻水泵的进口与冷冻水箱相连，从而将冷冻水引入蒸发制冰室；所述蒸发制冰室通过第一出口与冰水分离器的入口相连，冰水分离器的第一个出口与第二冷冻水泵相连，然后连接至冷冻水箱，从而将未结冰的冷冻水重新引回冷冻水箱；所述冰水分离器的第二个出口与储冰池相连，从而储存分离出的流态冰；其通过第二进口与空冷蒸发器的出口相连，引入低含湿量的低温空气，通过第二出口与循环风机的入口相连，排出蒸发后的大量湿空气；

储水箱通过循环水泵与水冷蒸发器换热，且储水箱内的水通过阀门流向冷冻水箱；

所述转轮除湿系统包括循环风机、空-空换热器、转轮除湿器、再生加热器和再生风机；转轮除湿器的除湿区通过空-空换热器、空冷蒸发器、蒸发制冰室和循环风机相连，组成空气的闭式循环，循环往复的得到低含湿量、低温的空气送入蒸发制冰室；转轮除湿器的再生区通过再生加热器、再生风机和气体冷却器相连，组成再生空气的开式循环，不断对再生区进行脱附水分，恢复除湿能力。

2.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，其特征在于，所述气体冷却器是二氧化碳气体与空气的换热器，二氧化碳气体在超临界状态下不发生相变过程、发生较大的温度滑移，从而对再生空气进行加热，控制使再生空气能够达到70℃以上；水冷蒸发器是二氧化碳液体和水的壳管式换热器，制冷剂走管程，在低于临界状态下相变吸热，循环水走壳程，控制使循环水冷却至0℃以上；空冷蒸发器是二氧化碳液体与空气的换热器，制冷剂相变吸热，控制使循环空气冷却至-3℃。

3.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，其特征在于，所述蒸发制冰系统制取流态冰的过程为：

所述冷冻水箱内0℃以上的冷冻水首先经过第一冷冻水泵进入雾化喷嘴，所述雾化喷嘴将冷冻水加压雾化成直径十分微小的水滴；同时，循环空气经过转轮除湿系统中转轮除湿器的除湿和热泵预冷与热回收系统中空冷蒸发器的降温后，处理成湿球温度为-2℃以下的干空气；然后由第二进口进入蒸发制冰室；接着，水滴在干燥的低温空气中，由于水蒸气分压力差和温度差而发生传热传质，一部分水蒸发吸热形成水蒸气，另一部分水则被降温至0℃以下形成过冷水，还有小部分水滴由于换热充分直接冷却生成冰晶；最后，尚未结冰的过冷水经过设置在蒸发制冰室底部的过冷解除装置，解除过冷状态形成冰晶，并通过冰水分离器的分离作用，分离得到流态冰。

4.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳热泵驱动的转轮除湿蒸发制取流态冰的系统，其特征在于，所述转轮除湿器中，转轮截面布满蜂巢状的流道，并通过绝热隔板将横截面分为3:1的除湿区和再生区，选择性能良好稳定的氯化锂作为固体吸附剂以达到深度除湿；设置空-空换热器以降低除湿后升温的循环空气；再生空气经过气体冷却器后，根据再生空气的温度和再生风机的风量，控制再生加热器加热功率的大小，从而使其满足再生区的再生要求。

Images