CN116045563A - 一种过冷水高效制取冰浆的系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过冷水高效制取冰浆的系统及工艺，包括低温恒温槽、板式过冷却器、循环泵、流量计、蓄冰桶、解冻溶液桶，板式过冷却器的制冰溶液进口通过进液管与蓄冰桶和解冻溶液桶相连接，进液管上沿制冰溶液的输送方向依次设有循环泵和流量计，制冰溶液流量为4L/min～8L/min；板式过冷却器的制冰溶液出口与蓄冰桶和解冻溶液桶相连，板式过冷却器的载冷剂进口与低温恒温槽的载冷剂输出端相连，载冷剂进口温度为‑3.5℃～‑6℃，板式过冷却器的载冷剂出口与低温恒温槽的载冷剂回流端相连接。本发明合计合理，通过设置合理的制冰溶液流量和载冷剂进口温度，使制冰溶液过冷度能够达到2℃以上，板式过冷却器能够稳定运行，制冰系统能够持续高效制取冰浆。

Description

一种过冷水高效制取冰浆的系统及工艺

技术领域：

本发明涉及一种过冷水高效制取冰浆的系统及工艺。

背景技术：

冰浆作为一种环保且性能优良的蓄冷介质，具有流动性好、融化潜热大、响应速度快等优点，可用于解决用电峰谷矛盾，同时在建筑供冷、矿井降温和食品保鲜等领域广泛应用。冰浆制取方式是冰浆技术发展的关键环节，各种制取方式都以不同的原理和实验为基础。目前动态冰浆制取技术主要包括真空法、流化床法、降膜蒸发法、直接接触法、壁面刮削法及过冷水法，其中过冷水法具有设备结构简单、能耗低、换热效率高等优点，是一种较为理想的冰晶制备方法。

过冷水法的核心思想是利用水的过冷现象进行制冰，制冰溶液流经过冷却器后，温度逐渐降温至0℃以下的过冷状态仍不结冰，在消除过冷以后，就可以不断产生冰晶粒子，形成冰浆。同时，过冷却度越高，冰浆的产量越大。

过冷却器作为过冷水法动态制冰系统的核心部件，是保证系统稳定可靠、节能高效的关键。现主流的过冷却器多为板式换热器，其具有传热系数高、结构紧凑、体积小等优点。但因过冷水处于亚稳态，过冷却器内的过冷水易受到干扰而打破过冷状态，从而发生相变结晶，诱发冰堵。为此，获得能够稳定运行的板式过冷却器及对应的工艺是高效制备冰浆的关键。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种过冷水高效制取冰浆的系统及工艺，设计合理，能够持续高效制取冰浆。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种过冷水高效制取冰浆的系统，包括低温恒温槽、板式过冷却器、循环泵、流量计、蓄冰桶、解冻溶液桶，所述板式过冷却器的制冰溶液进口通过进液管与蓄冰桶和解冻溶液桶相连接，所述进液管上沿制冰溶液的输送方向依次设有循环泵和流量计，板式过冷却器的制冰溶液进口处制冰溶液流量为4L/min～8L/min；所述板式过冷却器的制冰溶液出口通过出液管与蓄冰桶和解冻溶液桶相连接，板式过冷却器的载冷剂进口与低温恒温槽的载冷剂输出端相连接，板式过冷却器的载冷剂进口温度为-3.5℃～-6℃，板式过冷却器的载冷剂出口与低温恒温槽的载冷剂回流端相连接。

进一步的，还包括温度采集组件，所述温度采集组件分别采集板式过冷却器的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口以及蓄冰桶内制冰溶液的温度。

进一步的，所述温度采集组件包括控制单元、温度数据采集单元以及五个T型热电偶，五个T型热电偶分别设置在板式过冷却器的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口以及蓄冰桶内，五个T型热电偶通过温度数据采集单元与控制单元电性连接。

进一步的，所述板式过冷却器的制冰溶液进口和制冰溶液出口呈对角布置，板式过冷却器的载冷剂进口和载冷剂出口呈对角布置。

进一步的，所述板式过冷却器的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口均设置有拐角。

进一步的，所述蓄冰桶与进液管之间、蓄冰桶与出液管之间、解冻溶液桶与进液管之间、解冻溶液桶与出液管之间均设置有闸阀。

进一步的，所述蓄冰桶内设置有过冷解除组件，所述过冷解除组件为超声波振子。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种过冷水高效制取冰浆的工艺，包括采用上述过冷水高效制取冰浆的系统，包含如下步骤：

（1）开启低温恒温槽，将载冷剂设置目标温度，目标温度为-3.5℃～-6℃，等待低温恒温槽中载冷剂降至目标温度；

（2）开启循环泵，调节蓄冰桶与进液管之间闸阀的开度，设定所需制冰溶液的流量为4L/min～8L/min；

（3）开启温度采集组件；

（4）开启低温恒温槽的载冷剂循环，低温恒温槽输出的载冷剂进入板式过冷却器，对制冰溶液进行降温；同时对板式过冷却器的制冰溶液进口温度、制冰溶液出口温度、蓄冰桶内制冰溶液温度进行数据采集、监测及记录；

（5）当蓄冰桶内制冰溶液温度降至-2℃以下时，开启超声波振子；当制冰溶液接受超声波辐照后，制冰溶液解除过冷状态，开始生成结晶形成冰浆；控制单元通过各测温点数据是否发生阶跃来判断蓄冰桶内是否有冰浆生成及板式过冷却器内是否发生冰堵；

（6）当板式过冷却器内发生冰堵现象时，关闭循环泵，打开解冻溶液桶与进液管和出液管之间的闸阀，加大闸阀开度，融化板式过冷却器内的冰晶。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，通过设置合理的制冰溶液流量和载冷剂进口温度，使制冰溶液过冷度能够达到2℃以上，板式过冷却器能够稳定运行，制冰系统能够持续高效制取冰浆；同时制冰溶液过冷度能够达到2℃以上，高过冷度的制冰溶液经超声波解除过冷状态后，能够制取大量的冰浆。

附图说明：

图1是本发明实施例的构造示意图；

图2是本发明实施例中板式过冷却器的构造示意图。

图中：

1-低温恒温槽；2-板式过冷却器；3-解冻溶液桶；4-蓄冰桶；5-闸阀；6-超声波振子；7-循环泵；8-流量计；9-T型热电偶；10-电脑；11-温度数据采集器；12-制冰溶液进口；13-制冰溶液出口；14-载冷剂进口；15-载冷剂出口；16-拐角；17-进液管；18-出液管。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种过冷水高效制取冰浆的系统，包括低温恒温槽1、板式过冷却器2、循环泵7、流量计8、蓄冰桶4、解冻溶液桶3，所述板式过冷却器2的制冰溶液进口连接有进液管17，进液管7与蓄冰桶4和解冻溶液桶3相连接，所述进液管17上沿制冰溶液的输送方向依次设有循环泵7和流量计8；所述板式过冷却器2的制冰溶液进口处制冰溶液流量为4L/min～8L/min；所述板式过冷却器2的制冰溶液出口连接有出液管18，出液管18与蓄冰桶4和解冻溶液桶3相连接；所述板式过冷却器2的载冷剂进口与低温恒温槽1的载冷剂输出端相连接，低温恒温槽1输入的载冷剂进入板式过冷却器2，板式过冷却器2的载冷剂进口温度为-3.5℃～-6℃；所述板式过冷却器2的载冷剂出口与低温恒温槽1的载冷剂回流端相连接。

本实施例中，还包括温度采集组件，所述温度采集组件分别采集板式过冷却器2的制冰溶液进口12、制冰溶液出口13、载冷剂进口14、载冷剂出口15以及蓄冰桶4内制冰溶液的温度。具体的，所述温度采集组件包括控制单元、温度数据采集单元以及五个T型热电偶9，五个T型热电偶9分别设置在板式过冷却器2的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口以及蓄冰桶内，以检测温度；五个T型热电偶通过温度数据采集单元与控制单元电性连接。此处控制单元可采用电脑10，温度数据采集单元可采用现有的温度数据采集器11。

本实施例中，低温恒温槽1集成了制冷剂循环和载冷剂循环，低温恒温槽连接在板式过冷却器的冷侧，载冷介质为乙二醇。所述载冷剂温度范围为-3.5°-6℃。

本实施例中，板式过冷却器2采用多层板式过冷却器，载冷剂和制冰溶液逆向流动；板式过冷却器的材料为S304不锈钢，主体采用折弯技术，最大程度减少焊接面积，减少焊接热变形。

另一实施例中，板式过冷却器2的制冰溶液进口12和制冰溶液出口13呈对角布置，板式过冷却器2的载冷剂进口14和载冷剂出口15呈对角布置。这种对角布置的结构，能使制冰溶液和载冷剂的流动更加均匀，增强制冰溶液与载冷剂的换热效果。进一步的，所述板式过冷却器2的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口均设置有拐角16。通过设计拐角，能减少制冰溶液在进出口的滞留现象，使制冰溶液流动更加平顺，降低过板式过冷却器发生冰堵的概率。应说明的是，板式过冷却器的板数可以根据需要在一定范围内变化。

本实施例中，所述蓄冰桶4与进液管17之间、蓄冰桶4与出液管18之间、解冻溶液桶3与进液管17之间、解冻溶液桶3与出液管18之间均设置有闸阀5。流量计与闸阀用于显示及控制制冰溶液流量，使制冰溶液流量为4L～8L/min。

本实施例中，所述蓄冰桶4内设置有过冷解除组件，所述过冷解除组件为超声波振子6，通过超声波解除过冷水过冷态，使制冰溶液生成冰浆。优选的，超声波振子的工作频率为50kHz。

本实施例中，所述蓄冰桶4和解冻溶液3桶材料为亚克力板，具有耐冲击、易加工、透光性好等特点。

本实施例中，循环泵7采用磁力循环泵；流量计8采用涡轮流量计。

本实施例中，该过冷水高效制取冰浆的工艺，通过设置合理的制冰溶液流量（4L/min～8L/min）和载冷剂进口温度（-3.5℃～-6℃），使制冰溶液溶液过冷度能够达到2℃以上，且系统能持续稳定的制备冰浆，具体操作步骤如下：

（1）开启低温恒温槽1，将载冷剂设置目标温度，目标温度为-3.5℃～-6℃，等待低温恒温槽中载冷剂降至目标温度；

（2）开启循环泵7，调节蓄冰桶4与进液管17之间闸阀的开度，设定所需制冰溶液的流量为4L/min～8L/min；

（3）开启温度采集组件；

（4）开启低温恒温槽1的载冷剂循环，低温恒温槽1输出的载冷剂进入板式过冷却器2，对制冰溶液进行降温；同时对板式过冷却器2的制冰溶液进口温度、制冰溶液出口温度、蓄冰桶4内制冰溶液温度进行数据采集、监测及记录；

（5）当蓄冰桶4内制冰溶液温度降至-2℃以下时，开启超声波振子6；当制冰溶液接受超声波辐照后，制冰溶液解除过冷状态，开始生成结晶形成冰浆；控制单元通过各测温点数据是否发生阶跃来判断蓄冰桶内是否有冰浆生成及板式过冷却器内是否发生冰堵；

（6）当板式过冷却器内发生冰堵现象时，关闭循环泵7，打开解冻溶液桶3与进液管17和出液管18之间的闸阀5，加大闸阀开度，融化板式过冷却器2内的冰晶。

实施例一：制冰溶液流量设置为5L/min，载冷剂进口温度设置为-4.5℃，采用上述过冷水高效制取冰浆的系统进行制取冰浆。冰浆制冰过程中，通过温度数据的监测，来判断超声波施加的时间以及蓄冰桶内冰晶生成的时间。在制冰溶液流量为5L/min，载冷剂进口温度为-4.5℃的工况条件下，制冰溶液的过冷度能够达到-2.2℃且能够保持稳定。开启超声波振子后，蓄冰桶内的过冷制冰溶液解除过冷状态，生成大量冰晶。

实施例二：制冰溶液流量设置为8L/min，载冷剂进口温度设置为-5.0℃，采用上述过冷水高效制取冰浆的系统进行制取冰浆。冰浆制冰过程中，通过温度数据的监测，来判断超声波施加的时间以及蓄冰桶内冰晶生成的时间。在制冰溶液流量为8L/min，载冷剂进口温度为-5.0℃的工况条件下，制冰溶液的过冷度能够达到-2.5℃且能够保持稳定。开启超声波振子后，蓄冰桶内的过冷制冰溶液解除过冷状态，生成大量冰晶。

本发明的优点在于：

（1）板式过冷却器各进出口的对角布置，能使制冰溶液和载冷剂的流动更加均匀，增强制冰溶液与载冷剂的换热效果；板式过冷却器各进出口拐角的设计，能减少制冰溶液在进出口的滞留现象，使制冰溶液流动更加平顺，降低过冷却器发生冰堵的概率；

（2）通过设置合理的制冰溶液流量和载冷剂进口温度，板式过冷却器能够稳定运行，动态制冰系统能够持续高效制取冰浆；

（3）制冰溶液过冷度能够达到2℃以上，高过冷度的制冰溶液经超声波解除过冷状态后，能够制取大量的冰浆。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：包括低温恒温槽、板式过冷却器、循环泵、流量计、蓄冰桶、解冻溶液桶，所述板式过冷却器的制冰溶液进口通过进液管与蓄冰桶和解冻溶液桶相连接，所述进液管上沿制冰溶液的输送方向依次设有循环泵和流量计，板式过冷却器的制冰溶液进口处制冰溶液流量为4L/min～8L/min；所述板式过冷却器的制冰溶液出口通过出液管与蓄冰桶和解冻溶液桶相连接，板式过冷却器的载冷剂进口与低温恒温槽的载冷剂输出端相连接，板式过冷却器的载冷剂进口温度为-3.5℃～-6℃，板式过冷却器的载冷剂出口与低温恒温槽的载冷剂回流端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：还包括温度采集组件，所述温度采集组件分别采集板式过冷却器的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口以及蓄冰桶内制冰溶液的温度。

3.根据权利要求2所述的一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：所述温度采集组件包括控制单元、温度数据采集单元以及五个T型热电偶，五个T型热电偶分别设置在板式过冷却器的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口以及蓄冰桶内，五个T型热电偶通过温度数据采集单元与控制单元电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：所述板式过冷却器的制冰溶液进口和制冰溶液出口呈对角布置，板式过冷却器的载冷剂进口和载冷剂出口呈对角布置。

5.根据权利要求1所述的一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：所述板式过冷却器的制冰溶液进口、制冰溶液出口、载冷剂进口、载冷剂出口均设置有拐角。

6.根据权利要求1所述的一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：所述蓄冰桶与进液管之间、蓄冰桶与出液管之间、解冻溶液桶与进液管之间、解冻溶液桶与出液管之间均设置有闸阀。

7.根据权利要求1所述的一种过冷水高效制取冰浆的系统，其特征在于：所述蓄冰桶内设置有过冷解除组件，所述过冷解除组件为超声波振子。

8.一种过冷水高效制取冰浆的工艺，其特征在于：包括采用如权利要求1-7中任意一项过冷水高效制取冰浆的系统，包含如下步骤：

（1）开启低温恒温槽，将载冷剂设置目标温度，目标温度为-3.5℃～-6℃，等待低温恒温槽中载冷剂降至目标温度；

（2）开启循环泵，调节蓄冰桶与进液管之间闸阀的开度，设定所需制冰溶液的流量为4L/min～8L/min；

（3）开启温度采集组件；

（4）开启低温恒温槽的载冷剂循环，低温恒温槽输出的载冷剂进入板式过冷却器，对制冰溶液进行降温；同时对板式过冷却器的制冰溶液进口温度、制冰溶液出口温度、蓄冰桶内制冰溶液温度进行数据采集、监测及记录；

（5）当蓄冰桶内制冰溶液温度降至-2℃以下时，开启超声波振子；当制冰溶液接受超声波辐照后，制冰溶液解除过冷状态，开始生成结晶形成冰浆；控制单元通过各测温点数据是否发生阶跃来判断蓄冰桶内是否有冰浆生成及板式过冷却器内是否发生冰堵；

（6）当板式过冷却器内发生冰堵现象时，关闭循环泵，打开解冻溶液桶与进液管和出液管之间的闸阀，加大闸阀开度，融化板式过冷却器内的冰晶。

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