基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法

摘要

基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法，它涉及一种提取冷水凝固潜热制取流体冰的方法。本发明解决了已有从各种水源中提取凝固潜热制取流体冰，采用机械方法剥离流体冰，存在设备投资大、传动能耗大问题。该方法由以下步骤完成：a.水经过弹性变形体壁面(2)上时，将水中的凝固潜热量传递给换热载体，使已经释放热量的水在弹性变形体壁面(2)上结成冰层(3)；b.对弹性变形体壁面(2)施加外力发生弹性变形，使弹性变形体壁面(2)结成的冰层龟裂；c.龟裂的冰晶(5)从弹性变形体壁面(2)上剥离；d.剥离下来的冰晶(5)随着水流(6)流走，弹性变形体恢复原状。本发明具有传热效率高、剥冰能耗低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提取冷水凝固潜热制取流体冰的方法，具体涉及一种基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法。

背景技术

凝固潜热型热泵之所以得到应用，其一是我国拥有极大量的地表水资源，这些地表水可以为凝固潜热型热泵提供充足的低位热源，但是冬季江河湖海水水温很低，最低在2～4℃左右，因此可以利用的显热能量空间已经非常有限，而且还存在结冰冻结堵塞管道和设备的危险，只有采取新的工艺和方法提取部分水量的凝固潜热才能满足工程负荷的要求，同时还可避免设备失效；其二是目前城市污水源热泵发展迅速，但是研究表明，即使最大量的利用污水显热，也满足不了每栋建筑所需要的热负荷要求。为了保证每栋建筑的排放污水热能供应能够自给自足，就必须提取污水中所蕴含的5～15％的凝固潜热。目前从水中提取凝固潜热并得到流体冰的方法主要有两类，一类是水在过冷水或者不相溶低温液体中凝结生成“无根冰”，然后再进行冰液分离，这类技术在国内外尚处于实验室研究阶段；另一类是水在低温壁面上凝结生成“有根冰”，然后用某种方法从壁面上剥离冰晶，再让水带走。传统的冰晶剥离方法采用机械方法，即利用机械刮板类设备剥离冰晶，而且主要用于海水等闭式循环制冰，机械表面间的硬磨擦要求设备装置加工精密，体积庞大，恶性的工作环境大大降低了设备的使用寿命，同时还增大了传动能耗。

发明内容

本发明的目的是为解决从各种水源中提取凝固潜热制取流体冰，采用机械方法剥离流体冰，存在所用设备投资大、体积大、设备的使用寿命低、传动能耗大问题而提供的一种基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法。本发明的方法由以下步骤完成：a、水经过弹性变形体壁面上时，将水中的凝固潜热量传递给低温换热载体，使已经释放热量的水在弹性变形体壁面上结成冰层；b、对弹性变形体壁面施加外力，弹性变形体壁面发生弹性变形，使弹性变形体壁面结成的冰层龟裂；c、龟裂的冰晶在水流、气流或重力作用下从弹性变形体壁面上剥离；d、剥离下来的冰晶随着水流一起流走，弹性变形体恢复原来的形状。

本发明具有以下有益效果：一、本发明是将水在低温弹性变形体壁面上结为冰层，利用弹性变形体壁面产生的剪切应力，使冰层龟裂和剥离，因而不存在硬磨擦和机械损伤问题，能耗低、寿命长。二、利用流体冰的冲刷作用和流动性，使龟裂的冰层完全脱离壁面并被流动水带走，因此特别适用于循环流动系统(开放式和封闭式均可以)。三、只要是可以产生弹性变形的壁面都可以应用于该制冰方法，而且换热载体与流体冰可以直接接触换热(即换热载体是空气)，也可以由弹性变形体壁面隔开间接换热(即换热载体是制冷流体)，因此该制冰方法有多种应用形式，灵活方便，可以因需而异。四、该制冰方法对水的种类和水质要求限制少，适用面广，不仅适用于海水，也可适用于自来水、江河湖水，或者仅含小尺寸杂物的城市污水。五、该制冰方法用途广泛，不仅用于以供热为目的的凝固潜热型热泵系统中，还可用于单纯以制冰为目的的食品冷藏、蓄冰空调中，同时还可用于以上二者结合的节能系统中。六、用流动的水将冰晶带走，可保证冰晶在运输过程中不积沉聚结。七、流体冰在其冻结和融化的过程中存在相变而具有较高的冷却能力和换热效率，1kg清水的凝固潜热是每摄氏度显热的80倍左右(1kg清水的凝固潜热为335kJ/kg)；含冰率为5～30％的流体冰作为流动换热的媒介与弹性固体壁面接触时，其换热系数在3000W/(m²K)左右；另外流体冰具有良好的流动性，可以用泵输运。八、本发明具有操作简单、容易实施、传热效率高、能耗低、监测控制方便的优点。

附图说明

图1是空心弹性变形体为波纹管2-4的结构示意图；图2是实心弹性变形体为螺旋弹簧2-2-1的结构示意图，图3是实心弹性变形体为折线弹簧2-2-2的结构示意图，图4是空心弹性变形体为弹簧管2-3-1的结构示意图，图5是实心弹性变形体为簧片2-1的结构示意图，图6是空心弹性变形体为簧片管2-6-1的结构示意图，图7是实心弹性变形体为波纹片2-7的结构示意图，图8是空心弹性变形体为波纹片管2-5的结构示意图，图9是本发明的a步骤的原理图，图10是本发明的b步骤的原理图，图11是本发明的c步骤的原理图，图12是发明的d步骤的原理图，图13是具体实施方式九的结构图，图14是具体实施方式十的结构图，图15是具体实施方式十一的结构图，图16是具体实施方式十二的结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图9、图10、图11、图12说明本实施方式，本实施方式的基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法由以下步骤完成：a、水经过弹性变形体壁面2上时，将水中的凝固潜热量传递给低温换热载体，使已经释放热量的水在弹性变形体壁面2上结成冰层3；b、对弹性变形体壁面2施加外力，弹性变形体壁面2发生弹性变形，使弹性变形体壁面2结成的冰层龟裂；c、龟裂的冰晶5在水流、气流或重力作用下从弹性变形体壁面2上剥离d、剥离下来的冰晶5随着水流6一起流走，弹性变形体恢复原来的形状。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的a步骤中的换热载体为空气，弹性变形体为实心弹性变形体。水可直接与空气换热，操作十分方便。

具体实施方式三：结合图2、图3、图5、图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：本实施方式的实心弹性变形体是簧片2-1、弹簧或波纹片2-7；所述的弹簧是螺旋弹簧2-2-1或折线弹簧2-2-2。实心弹性变形体可根据需要采用上述任意一种弹性变形体。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的a步骤中的换热载体为制冷流体，所述的制冷流体是制冷剂、乙二醇水溶液或盐溶液，弹性变形体为空心弹性变形体。可根据需要采用上述任意一种制冷流体，并与空心弹性变形体配合使用，完成制取流体冰。

具体实施方式五：结合图1、图4、图6、图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四的不同点是：本实施方式的空心弹性变形体是弹簧管2-3-1、波纹管2-4、波纹片管2-5或簧片管2-6-1。可根据需要采用上述任意一种空心弹性变形体。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的b步骤中，弹性变形体壁面2的弹性变形有伸缩变形、弯曲变形和扭曲变形三种方式。选用不同的弹性变形体，其弹性变形方式也不同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的d步骤中，水流6中的含冰率为25％。采用上述技术参数，可保证后续管道设备不堵塞。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：本实施方式的水流6中的含冰率为10％。采用上述技术参数，可保证后续管道设备不堵塞。

具体实施方式九：结合图9、图10、图11、图12、图13说明本实施方式，本实施方式的基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法由以下步骤完成：a、水从容器11下部的进水口7进入，制冷流体从容器11的制冷流体进口腔体9内分液后流进弹簧管簇2-3内，水中的凝固潜热释放给制冷流体，制冷流体可采用制冷剂，也可采用0℃以下的乙二醇水溶液，制冷流体吸收热量并在容器11的制冷流体出口腔体10内汇集后流走，使部分已经被换热了的水在弹簧管簇2-3的外壁面上凝固结成冰层；b、弹簧管簇2-3依靠变形能量输入传动装置14施加外力，使弹簧管簇2-3的一部分压缩，弹簧管簇2-3的另一部分伸长，如此保证了弹簧管簇2-3以外的部分静止不动，弹簧管簇2-3发生变形后，其壁面上的冰层就会龟裂；c、龟裂的冰晶在水流和浮力的作用下从弹性变形体壁面2上剥离；d、剥离的冰晶在水的流动作用下由容器11的流体冰出口8流出。本实施方式中，弹簧管簇2-3也可以由弯曲或者扭曲来实现变形，也可采用波纹(片)管簇替代弹簧管簇2-3。采用上述技术方案，通过弹簧管簇2-3的伸缩变形，完成制备流体冰。

具体实施方式十：结合图9、图10、图11、图12、图14说明本实施方式，本实施方式的基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法由以下步骤完成：a、水从淋水室17内上部的供水喷淋装置12向下喷洒，在由弹簧管簇2-3构成的蒸发器壁面上形成水膜，采用乙二醇水溶液或制冷剂作为制冷流体从容器11的制冷流体进口腔体9内分液后流进弹簧管簇2-3内，水中的凝固潜热释放给乙二醇水溶液或制冷剂，乙二醇水溶液或制冷剂吸收热量并在制冷流体出口腔体10内汇集后流走，使已经被换热了的部分水在弹簧管簇2-3外壁面上凝固结成冰层；b、弹簧管簇2-3在变形能量输入传动装置14的作用下产生伸缩变形(伸缩变形方式与具体实施方式一相同)，使壁面上的冰层龟裂；c、龟裂的冰晶剥落，并在重力作用下掉到接水盘13中；d、掉到接水盘13中的冰晶在水流作用下由容器11的流体冰出口8流出。采用上述技术方案，通过弹簧管簇2-3的伸缩变形和供水喷淋装置12相配合，完成制备流体冰，采用喷淋方式，可增大水与换热载体的换热时间。

具体实施方式十一：结合图9、图10、图11、图12、图15说明本实施方式，本实施方式基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法是这样完成的：a、水从容器11下部的进水口7进入，部分水在簧片管簇2-6壁面上凝固结成冰层，同时通过热传导和对流把热量释放给簧片管簇2-6内的制冷流体(制冷流体可以是制冷剂或者是0℃以下的乙二醇水溶液)，制冷流体从容器11的制冷流体进口腔体9内分液后流进簧片管簇2-6内，吸收热量后在腔体11的制冷液体出口腔体10内汇集流走；b、簧片管簇2-6依靠变形能量输入传动装置14输入外力变形，这一周期内簧片管簇2-6向上(或其它方向)弯曲，下一周期内簧片管簇2-6向下(相反方向)弯曲，簧片管簇2-6发生变形后，其壁面上的冰层龟裂；c、龟裂的冰晶剥离掉到水中；d、冰晶在水流的作用下由容器11的流体冰出口8流出。簧片管簇2-6也可以由扭曲来实现变形。该实施方式也可采用具体实施方式十的喷淋制冰方式。采用上述技术方案，通过簧片管簇2-6的弯曲变形完成制备流体冰。

具体实施方式十二：结合图9、图10、图11、图12、图16说明本实施方式，本实施方式基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法是这样完成的：a、水从淋水室17内上部的供水喷淋装置12中喷出，淋洒在弹簧簇2-2(或者簧片或者弹性网)的外壁上，同时将热量转移到与之直接接触换热的中介换热载体-空气中，部分水在弹簧簇2-2的外壁上凝固结成冰层；b、弹簧簇2-2采用伸缩变形，使弹簧簇2-2壁面上的冰层龟裂；c、淋下来的水和剥离的冰晶在接水盘13中汇集；d、汇集在接水盘13中的冰晶随水从流体冰出口8流出，在淋水室17内，-10℃的低温空气在淋水室17中获得部分水的凝固潜热，温度升高到-2℃，在风机15的作用下从下部流入蒸发室18中，再通过蒸发器16将热量转移给制冷流体，同时自身温度再次降至-10℃并从上部再次进入淋水室17中。选用弹簧簇2-2或者弹性网时，采用伸缩变形方案，选用簧片簇时，采用弯曲变形方案。采用喷淋方式，可增大水与换热载体之间的换热面积及和换热时间。