專利名稱：基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提取冷水凝固潛熱制取流體冰的方法，具體涉及一種基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法。
背景技術(shù)：
凝固潛熱型熱泵之所以得到應(yīng)用，其一是我國擁有極大量的地表水資源，這些地表水可以為凝固潛熱型熱泵提供充足的低位熱源，但是冬季江河湖海水水溫很低，最低在2～4℃左右，因此可以利用的顯熱能量空間已經(jīng)非常有限，而且還存在結(jié)冰凍結(jié)堵塞管道和設(shè)備的危險(xiǎn)，只有采取新的工藝和方法提取部分水量的凝固潛熱才能滿足工程負(fù)荷的要求，同時(shí)還可避免設(shè)備失效；其二是目前城市污水源熱泵發(fā)展迅速，但是研究表明，即使最大量的利用污水顯熱，也滿足不了每棟建筑所需要的熱負(fù)荷要求。為了保證每棟建筑的排放污水熱能供應(yīng)能夠自給自足，就必須提取污水中所蘊(yùn)含的5～15％的凝固潛熱。目前從水中提取凝固潛熱并得到流體冰的方法主要有兩類，一類是水在過冷水或者不相溶低溫液體中凝結(jié)生成“無根冰”，然后再進(jìn)行冰液分離，這類技術(shù)在國內(nèi)外尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段；另一類是水在低溫壁面上凝結(jié)生成“有根冰”，然后用某種方法從壁面上剝離冰晶，再讓水帶走。傳統(tǒng)的冰晶剝離方法采用機(jī)械方法，即利用機(jī)械刮板類設(shè)備剝離冰晶，而且主要用于海水等閉式循環(huán)制冰，機(jī)械表面間的硬磨擦要求設(shè)備裝置加工精密，體積龐大，惡性的工作環(huán)境大大降低了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)還增大了傳動(dòng)能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決從各種水源中提取凝固潛熱制取流體冰，采用機(jī)械方法剝離流體冰，存在所用設(shè)備投資大、體積大、設(shè)備的使用壽命低、傳動(dòng)能耗大問題而提供的一種基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法。本發(fā)明的方法由以下步驟完成a、水經(jīng)過彈性變形體壁面上時(shí)，將水中的凝固潛熱量傳遞給低溫?fù)Q熱載體，使已經(jīng)釋放熱量的水在彈性變形體壁面上結(jié)成冰層；b、對(duì)彈性變形體壁面施加外力，彈性變形體壁面發(fā)生彈性變形，使彈性變形體壁面結(jié)成的冰層龜裂；c、龜裂的冰晶在水流、氣流或重力作用下從彈性變形體壁面上剝離；d、剝離下來的冰晶隨著水流一起流走，彈性變形體恢復(fù)原來的形狀。
本發(fā)明具有以下有益效果一、本發(fā)明是將水在低溫彈性變形體壁面上結(jié)為冰層，利用彈性變形體壁面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，使冰層龜裂和剝離，因而不存在硬磨擦和機(jī)械損傷問題，能耗低、壽命長。二、利用流體冰的沖刷作用和流動(dòng)性，使龜裂的冰層完全脫離壁面并被流動(dòng)水帶走，因此特別適用于循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)(開放式和封閉式均可以)。三、只要是可以產(chǎn)生彈性變形的壁面都可以應(yīng)用于該制冰方法，而且換熱載體與流體冰可以直接接觸換熱(即換熱載體是空氣)，也可以由彈性變形體壁面隔開間接換熱(即換熱載體是制冷流體)，因此該制冰方法有多種應(yīng)用形式，靈活方便，可以因需而異。四、該制冰方法對(duì)水的種類和水質(zhì)要求限制少，適用面廣，不僅適用于海水，也可適用于自來水、江河湖水，或者僅含小尺寸雜物的城市污水。五、該制冰方法用途廣泛，不僅用于以供熱為目的的凝固潛熱型熱泵系統(tǒng)中，還可用于單純以制冰為目的的食品冷藏、蓄冰空調(diào)中，同時(shí)還可用于以上二者結(jié)合的節(jié)能系統(tǒng)中。六、用流動(dòng)的水將冰晶帶走，可保證冰晶在運(yùn)輸過程中不積沉聚結(jié)。七、流體冰在其凍結(jié)和融化的過程中存在相變而具有較高的冷卻能力和換熱效率，1kg清水的凝固潛熱是每攝氏度顯熱的80倍左右(1kg清水的凝固潛熱為335kJ/kg)；含冰率為5～30％的流體冰作為流動(dòng)換熱的媒介與彈性固體壁面接觸時(shí)，其換熱系數(shù)在3000W/(m2K)左右；另外流體冰具有良好的流動(dòng)性，可以用泵輸運(yùn)。八、本發(fā)明具有操作簡單、容易實(shí)施、傳熱效率高、能耗低、監(jiān)測控制方便的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是空心彈性變形體為波紋管2-4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)心彈性變形體為螺旋彈簧2-2-1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是實(shí)心彈性變形體為折線彈簧2-2-2的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是空心彈性變形體為彈簧管2-3-1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是實(shí)心彈性變形體為簧片2-1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是空心彈性變形體為簧片管2-6-1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是實(shí)心彈性變形體為波紋片2-7的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8是空心彈性變形體為波紋片管2-5的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9是本發(fā)明的a步驟的原理圖，圖10是本發(fā)明的b步驟的原理圖，圖11是本發(fā)明的c步驟的原理圖，圖12是發(fā)明的d步驟的原理圖，圖13是具體實(shí)施方式
九的結(jié)構(gòu)圖，圖14是具體實(shí)施方式
十的結(jié)構(gòu)圖，圖15是具體實(shí)施方式
十一的結(jié)構(gòu)圖，圖16是具體實(shí)施方式
十二的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖9、圖10、圖11、圖12說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法由以下步驟完成a、水經(jīng)過彈性變形體壁面2上時(shí)，將水中的凝固潛熱量傳遞給低溫?fù)Q熱載體，使已經(jīng)釋放熱量的水在彈性變形體壁面2上結(jié)成冰層3；b、對(duì)彈性變形體壁面2施加外力，彈性變形體壁面2發(fā)生彈性變形，使彈性變形體壁面2結(jié)成的冰層龜裂；c、龜裂的冰晶5在水流、氣流或重力作用下從彈性變形體壁面2上剝離d、剝離下來的冰晶5隨著水流6一起流走，彈性變形體恢復(fù)原來的形狀。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的a步驟中的換熱載體為空氣，彈性變形體為實(shí)心彈性變形體。水可直接與空氣換熱，操作十分方便。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖2、圖3、圖5、圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的實(shí)心彈性變形體是簧片2-1、彈簧或波紋片2-7；所述的彈簧是螺旋彈簧2-2-1或折線彈簧2-2-2。實(shí)心彈性變形體可根據(jù)需要采用上述任意一種彈性變形體。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的a步驟中的換熱載體為制冷流體，所述的制冷流體是制冷劑、乙二醇水溶液或鹽溶液，彈性變形體為空心彈性變形體?？筛鶕?jù)需要采用上述任意一種制冷流體，并與空心彈性變形體配合使用，完成制取流體冰。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖1、圖4、圖6、圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的空心彈性變形體是彈簧管2-3-1、波紋管2-4、波紋片管2-5或簧片管2-6-1?？筛鶕?jù)需要采用上述任意一種空心彈性變形體。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的b步驟中，彈性變形體壁面2的彈性變形有伸縮變形、彎曲變形和扭曲變形三種方式。選用不同的彈性變形體，其彈性變形方式也不同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的d步驟中，水流6中的含冰率為25％。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證后續(xù)管道設(shè)備不堵塞。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
七的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的水流6中的含冰率為10％。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證后續(xù)管道設(shè)備不堵塞。
具體實(shí)施方式
九結(jié)合圖9、圖10、圖11、圖12、圖13說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法由以下步驟完成a、水從容器11下部的進(jìn)水口7進(jìn)入，制冷流體從容器11的制冷流體進(jìn)口腔體9內(nèi)分液后流進(jìn)彈簧管簇2-3內(nèi)，水中的凝固潛熱釋放給制冷流體，制冷流體可采用制冷劑，也可采用0℃以下的乙二醇水溶液，制冷流體吸收熱量并在容器11的制冷流體出口腔體10內(nèi)匯集后流走，使部分已經(jīng)被換熱了的水在彈簧管簇2-3的外壁面上凝固結(jié)成冰層；b、彈簧管簇2-3依靠變形能量輸入傳動(dòng)裝置14施加外力，使彈簧管簇2-3的一部分壓縮，彈簧管簇2-3的另一部分伸長，如此保證了彈簧管簇2-3以外的部分靜止不動(dòng)，彈簧管簇2-3發(fā)生變形后，其壁面上的冰層就會(huì)龜裂；c、龜裂的冰晶在水流和浮力的作用下從彈性變形體壁面2上剝離；d、剝離的冰晶在水的流動(dòng)作用下由容器11的流體冰出口8流出。本實(shí)施方式中，彈簧管簇2-3也可以由彎曲或者扭曲來實(shí)現(xiàn)變形，也可采用波紋(片)管簇替代彈簧管簇2-3。采用上述技術(shù)方案，通過彈簧管簇2-3的伸縮變形，完成制備流體冰。
具體實(shí)施方式
十結(jié)合圖9、圖10、圖11、圖12、圖14說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法由以下步驟完成a、水從淋水室17內(nèi)上部的供水噴淋裝置12向下噴灑，在由彈簧管簇2-3構(gòu)成的蒸發(fā)器壁面上形成水膜，采用乙二醇水溶液或制冷劑作為制冷流體從容器11的制冷流體進(jìn)口腔體9內(nèi)分液后流進(jìn)彈簧管簇2-3內(nèi)，水中的凝固潛熱釋放給乙二醇水溶液或制冷劑，乙二醇水溶液或制冷劑吸收熱量并在制冷流體出口腔體10內(nèi)匯集后流走，使已經(jīng)被換熱了的部分水在彈簧管簇2-3外壁面上凝固結(jié)成冰層；b、彈簧管簇2-3在變形能量輸入傳動(dòng)裝置14的作用下產(chǎn)生伸縮變形(伸縮變形方式與具體實(shí)施方式
一相同)，使壁面上的冰層龜裂；c、龜裂的冰晶剝落，并在重力作用下掉到接水盤13中；d、掉到接水盤13中的冰晶在水流作用下由容器11的流體冰出口8流出。采用上述技術(shù)方案，通過彈簧管簇2-3的伸縮變形和供水噴淋裝置12相配合，完成制備流體冰，采用噴淋方式，可增大水與換熱載體的換熱時(shí)間。
具體實(shí)施方式
十一結(jié)合圖9、圖10、圖11、圖12、圖15說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法是這樣完成的a、水從容器11下部的進(jìn)水口7進(jìn)入，部分水在簧片管簇2-6壁面上凝固結(jié)成冰層，同時(shí)通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流把熱量釋放給簧片管簇2-6內(nèi)的制冷流體(制冷流體可以是制冷劑或者是0℃以下的乙二醇水溶液)，制冷流體從容器11的制冷流體進(jìn)口腔體9內(nèi)分液后流進(jìn)簧片管簇2-6內(nèi)，吸收熱量后在腔體11的制冷液體出口腔體10內(nèi)匯集流走；b、簧片管簇2-6依靠變形能量輸入傳動(dòng)裝置14輸入外力變形，這一周期內(nèi)簧片管簇2-6向上(或其它方向)彎曲，下一周期內(nèi)簧片管簇2-6向下(相反方向)彎曲，簧片管簇2-6發(fā)生變形后，其壁面上的冰層龜裂；c、龜裂的冰晶剝離掉到水中；d、冰晶在水流的作用下由容器11的流體冰出口8流出。簧片管簇2-6也可以由扭曲來實(shí)現(xiàn)變形。該實(shí)施方式也可采用具體實(shí)施方式
十的噴淋制冰方式。采用上述技術(shù)方案，通過簧片管簇2-6的彎曲變形完成制備流體冰。
具體實(shí)施方式
十二結(jié)合圖9、圖10、圖11、圖12、圖16說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法是這樣完成的a、水從淋水室17內(nèi)上部的供水噴淋裝置12中噴出，淋灑在彈簧簇2-2(或者簧片或者彈性網(wǎng))的外壁上，同時(shí)將熱量轉(zhuǎn)移到與之直接接觸換熱的中介換熱載體-空氣中，部分水在彈簧簇2-2的外壁上凝固結(jié)成冰層；b、彈簧簇2-2采用伸縮變形，使彈簧簇2-2壁面上的冰層龜裂；c、淋下來的水和剝離的冰晶在接水盤13中匯集；d、匯集在接水盤13中的冰晶隨水從流體冰出口8流出，在淋水室17內(nèi)，-10℃的低溫空氣在淋水室17中獲得部分水的凝固潛熱，溫度升高到-2℃，在風(fēng)機(jī)15的作用下從下部流入蒸發(fā)室18中，再通過蒸發(fā)器16將熱量轉(zhuǎn)移給制冷流體，同時(shí)自身溫度再次降至-10℃并從上部再次進(jìn)入淋水室17中。選用彈簧簇2-2或者彈性網(wǎng)時(shí)，采用伸縮變形方案，選用簧片簇時(shí)，采用彎曲變形方案。采用噴淋方式，可增大水與換熱載體之間的換熱面積及和換熱時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于該方法由以下步驟完成a、水經(jīng)過彈性變形體壁面(2)上時(shí)，將水中的凝固潛熱量傳遞給換熱載體，使已經(jīng)釋放熱量的水在彈性變形體壁面(2)上結(jié)成冰層(3)；b、對(duì)彈性變形體壁面(2)施加外力，彈性變形體壁面(2)發(fā)生彈性變形，使彈性變形體壁面(2)結(jié)成的冰層龜裂；c、龜裂的冰晶(5)在水流、氣流或重力作用下從彈性變形體壁面(2)上剝離；d、剝離下來的冰晶(5)隨著水流(6)一起流走，彈性變形體恢復(fù)原來的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于a步驟中的換熱載體為空氣，彈性變形體為實(shí)心彈性變形體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于所述的實(shí)心彈性變形體是簧片(2-1)、彈簧或波紋片(2-7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于所述的彈簧是螺旋彈簧(2-2-1)或折線彈簧(2-2-2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于a步驟中的換熱載體為制冷流體，彈性變形體為空心彈性變形體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于所述的制冷流體是制冷劑、乙二醇水溶液或鹽溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于所述的空心彈性變形體是彈簧管(2-3-1)、波紋管(2-4)、波紋片管(2-5)或簧片管(2-6-1)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于b步驟中的彈性變形體壁面(2)的彈性變形有伸縮變形、彎曲變形和扭曲變形三種形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，其特征在于d步驟中，水流(6)中的含冰率≤30％。
全文摘要
基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法，它涉及一種提取冷水凝固潛熱制取流體冰的方法。本發(fā)明解決了已有從各種水源中提取凝固潛熱制取流體冰，采用機(jī)械方法剝離流體冰，存在設(shè)備投資大、傳動(dòng)能耗大問題。該方法由以下步驟完成a.水經(jīng)過彈性變形體壁面(2)上時(shí)，將水中的凝固潛熱量傳遞給換熱載體，使已經(jīng)釋放熱量的水在彈性變形體壁面(2)上結(jié)成冰層(3)；b.對(duì)彈性變形體壁面(2)施加外力發(fā)生彈性變形，使彈性變形體壁面(2)結(jié)成的冰層龜裂；c.龜裂的冰晶(5)從彈性變形體壁面(2)上剝離；d.剝離下來的冰晶(5)隨著水流(6)流走，彈性變形體恢復(fù)原狀。本發(fā)明具有傳熱效率高、剝冰能耗低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F25C1/12GK1800753SQ200610009618
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者孫德興, 張承虎 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)