一种泵压式干冰机的制作方法

本发明涉及制备干冰的装置，具体是涉及一种利用高压泵直接将液态二氧化碳压缩固化制备干冰的装置。

背景技术：

二氧化碳于常温下是无色、无味的气体,分子量为44,在标准状况下密度为1.977g/L，比重约为空气的1.5倍；在水中的溶解度随着温度的升高而降低，随压力的升高而增加,温度为0℃,压力为0.1MPa时,溶解度为1.79Ncm³/g,而在温度相同,压力为1.0MPa时,其溶解度为15.92Ncm³/g，20℃常压下每100体积水可溶88体积二氧化碳，二氧化碳溶于水一部分跟水反应生成碳酸；二氧化碳的临界点温度为31.06℃,临界压力为7.382MPa,临界密度为468kg/m³；熔点（三相点温度）为-56.57℃，三相点压力为0.416MPa；沸点为-78.45℃(升华为干冰)；当CO₂处于-56.57℃时，其为三相点即气态、液态、固态共存；当温度处于31.06℃～-56.57℃时，CO₂为气态、液态共存；当温度处于-56.57℃～-78.45℃时，CO₂为气态、固态共存。在大气条件下,二氧化碳不能以液体的形式存在。在20℃时，将二氧化碳加压到5.73Mpa即可变成无色液体，一般于常温下7.092MPa(70大气压)液化成无色液体，液体二氧化碳密度1.101g/cm³，常压缩在钢瓶中储存，在－56.6℃、0.527Mpa时变为固体。液态二氧化碳的密度受压力的影响甚微,而受温度的影响则较大,如31.0℃时,密度为463.9kg/m³,-30℃时密度为1074.2kg/m。二氧化碳液化后体积仅为气体二氧化碳的约1/356,固化成形后体积仅为气态的约1/764。液体二氧化碳蒸发时或在加压冷却时可凝成固体二氧化碳，俗称“干冰”，是一种低温致冷剂，密度为1.56g/cm³。液态二氧化碳减压迅速蒸发时，一部分气化吸热，另一部分骤冷变成雪状固体，将雪状固体压缩，成为冰状固体“干冰”，干冰在0.1-0.13MPa、－78.5℃时可直接升华变成气体。

随着社会环境保护意识的提高，工业碳减排技术的推广如CCS技术的应用，捕集的二氧化碳转化为液态二氧化碳，大量的液态二氧化碳的稳定储存或应用将成为一个新的技术难题，而将液态二氧化碳固化制干冰则是一个有效的出路，干冰即固化成型的二氧化碳，二氧化碳液化后体积收缩至气体二氧化碳的1/356，固化成型后体积收缩至气态的1/764。干冰因其吸热可直接升华为体积数百倍的气体，且无残留、无毒、无味、不燃及可灭菌特性，应用日益广泛，可应用于餐饮、食品、化工、医药、卫生、工业、影视、气象等行业及其清洗技术中。

当前，CO₂液化及干冰制备可分为高压法（8MPa）和中压法（1.6MPa～2.5MPa）、低压法（0.7MPa～0.9MPa）。高压法可实现气体CO₂在常温下液化，压缩机一般为三级压缩或四级压缩，能耗非常大，液化CO₂再经节流膨胀降温，部分液态CO₂转化为雪状固态后进入干冰机成型制备干冰；中低压法可实现气体CO₂在低温条件（如深冷技术）下液化，再经节流膨胀进一步降温，部分液态CO₂转化为雪状固态后进入干冰机成型制备干冰，压缩机功耗相对高压法低很多。

现有干冰机一般是利用高压或中低压液体CO₂的节流膨胀降温，使部分液体CO₂凝结成固体雪状CO₂，然后，在干冰成型机内经柱塞紧压成密实的块状或粒状产品。通常，可以将液态CO₂在中压（1.6MPa～2.5MPa）或低压（0.7MPa～0.9MPa）下通过自动加料阀引入干冰压制机的雪桶，桶内压力稍高于三相点压力（约0.55MPa）；加料量由定时器控制或根据雪桶内液面高度进行调节。节流膨胀降压使部分液态CO₂汽化，产生的冷蒸汽通过热交换使液态CO₂进一步冷却。当冷却到三相点温度（-56.6℃）以下，压力降到0.518MPa时，液态CO₂固化成雪状干冰。最后用压机把生成的雪状CO₂压成干冰块或颗粒。传统干冰机通过较高压力的液体节流汽化部分凝固后制成干冰，即将液态二氧化碳节流汽化分离气体二氧化碳后，压缩放热固化的部分雪状二氧化碳才能得到干冰，其中损失的二氧化碳气体的量约为获得的干冰量的二倍，干冰产率仅为0.3～0.4。现有制干冰机构设备复杂，体积大，投资较大，生产成本也较高。

另一方面，随着液压技术的发展，100MPa～500MPa的低能耗高压泵已很成熟广泛应用于液压泵送、水切割等领域，但在干冰制备领域未见任何研究或实践的报道，而CO₂的物理性质及三相图特征显示出了CO₂的可压缩相变特点。如何利用CO₂的物理性质与三相图显示的可压缩相变特点，开发一种投资较小、干冰产率高的较简易的干冰制备装置具有实际的价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种干冰产率高，投资较小的泵压式干冰机。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种泵压式干冰机，包括高压泵、高压固化室、循环冷却器，高压泵与高压固化室通过液压管道相连通，高压泵将液态二氧化碳压入高压固化室，以高压泵的输出压力促使液态二氧化碳在高压固化室内体积收缩固化成型为干冰，高压固化室设置于循环冷却器内，以循环冷却器内的热交换器移除液态二氧化碳压缩固化为干冰所释放的热量。

进一步，所述高压固化室包括压力罐，所述压力罐包括罐体、进液控制管路、温压感应装置、排气控制管路、第一端盖；所述第一端盖设于罐体一端，所述进液控制管路、温压感应装置、排气控制管路设置于第一端盖上，且与压力罐内连通；所述温压感应装置用于测量压力罐内压力和温度；所述排气控制管路用于排出压力罐内空气或CO₂气体；所述进液控制管路用于控制压入压力罐内的液态二氧化碳的流量和压力。

进一步，所述压力罐内设有防粘模具，防粘模具是干冰成型模具。

进一步，所述高压固化室还包括第二端盖，第二端盖设于罐体上，第二端盖位于防粘模具底部，用于取放防粘模具。

进一步，所述进液控制管路包含第一单向阀、第一压力感应器、流量计及管道保温控温装置，所述第一单向阀、第一压力感应器、流量计及管道保温控温装置设置在液压管道上，所述管道保温控温装置包括管道保温层、第一温度感应器和加热器，所述管道保温层设于液压管道的外壁，所述第一温度感应器设于液压管道上，所述加热器设于液压管道内，所述管道保温控温装置用于防止液压管道内液态二氧化碳固化。

进一步，所述高压固化室立式设置于循环冷却器内。

进一步，所述高压固化室卧式设置于循环冷却器内。

进一步，所述循环冷却器也可设计为夹套式冷却器；所述高压固化室的压力罐包括罐体，罐体外设有外壳体，外壳体上设有外保温层，所述罐体为高压固化空间，用于盛装液态二氧化碳并压缩固化，所述罐体和外壳体之间形成制冷剂流通夹套，所述外壳体上固定有制冷剂进入管道和制冷剂排出管道，所述制冷剂进入管道和制冷剂排出管道与制冷剂流通夹套连通。

进一步，所述制冷剂进入管道上设有第二单向阀，所述制冷剂排出管道上设有第三单向阀。

进一步，还设有电控系统，电控系统分别与高压泵、高压固化室、循环冷却器电连接。

与现有技术相比，本发明的优点如下：直接以高压泵将液态的二氧化碳送入高压固化室，以高压泵输出的液体高压直接将液态的二氧化碳压缩固化为致密干冰，同时以循环冷却器移除压缩固化释放出的热量并冷却干冰；本发明利用二氧化碳的性质，借用成熟的较低能耗的高压液压泵的高压液体输送技术，直接将液态的二氧化碳送入高压固化室内压缩固化为致密干冰，可更换不同的

防粘模具，使干冰成型成不同形状；设备整体结构简单，投资较小，制冰效率高，避免现有的制干冰机必需的节流膨胀汽化约三分之二的二氧化碳以固化约三分之一的二氧化碳制干冰的缺陷，液态二氧化碳利用率高几乎全部转化为干冰，干冰产率可达近100%，能耗较低，生产成本低，经济性好。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1所示实施例的高压固化室的结构示意图。

图3是本发明实施例2的结构示意图。

图4是图3所示实施例的循环冷却器为夹套式冷却器的结构示意图。

图5是本发明实施例3的结构示意图。

图中：1—高压泵，102—液压管道，2—高压固化室，21—压力罐，210—罐体，211—进液控制管路，211a—第一单向阀，211b—第一压力感应器，211c—流量计，211d—管道保温控温装置，211d1—管道保温层，211d2—第一温度感应器，211d3—加热器，212—温压感应装置，212a—第二压力感应器，212b—第二温度感应器，213—排气控制管路，213a—排气阀，214—上端盖，215—下端盖，214'—左端盖，215'—右端盖，22—防粘模具，3—循环冷却器， 301—热交换器，302—外壳体，303—外保温层，304—制冷剂进入管道，304a—第二单向阀，305—制冷剂排出管道，305a—第三单向阀，4—电控系统。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参照图1，本实施例包括高压泵1、高压固化室2、循环冷却器3，高压泵1与高压固化室2通过液压管道102相连通，高压泵1将液态二氧化碳压入高压固化室2，以高压泵1的输出压力促使液态二氧化碳在高压固化室2内体积收缩固化成型为干冰，高压固化室2立式设置于循环冷却器3内，以循环冷却器3内的热交换器301移除液态二氧化碳压缩固化为干冰所释放的热量。

参照图2，高压固化室2包括压力罐21和防粘模具22，防粘模具22放置在压力罐21内，防粘模具22是干冰成型模具，干冰成型的形状由防粘模具22决定；压力罐21内壁进行防粘处理，可防止干冰粘附，高压固化室2立式设置于循环冷却器3内，压力罐21包括罐体210、进液控制管路211、温压感应装置212、排气控制管路213、上端盖214、下端盖215，上端盖214设于罐体210顶部，下端盖215设于罐体210底部，且设于防粘模具22底部，用于取放防粘模具22；进液控制管路211、温压感应装置212、排气控制管路213设置于上端盖214上，且与压力罐21内连通；进液控制管路211用于控制压入压力罐21内的液态二氧化碳的流量和压力。

进液控制管路211包含第一单向阀211a、第一压力感应器211b、流量计211c及管道保温控温装置211d，第一单向阀211a、第一压力感应器211b、流量计211c及管道保温控温装置211d设置在高压泵1和上端盖214相连的液压管道102上，管道保温控温装置211d包括管道保温层211d1、第一温度感应器211d2和加热器211d3，管道保温层211d1设于液压管道102的外壁，第一温度感应器211d2设于液压管道102上，加热器211d3设于液压管道102内，管道保温控温装置211d用于防止液压管道102内液态二氧化碳固化。

温压感应装置212用于测量压力罐21内压力和温度，温压感应装置212包含第二压力感应器212a和第二温度感应器212b。

排气控制管路213用于排出压力罐21内空气或CO₂气体，排气控制管路213包含排气阀213a，排气控制管路213也可用于在打开下端盖215时压进CO₂气体将固化成型的干冰压岀压力罐21外。

实施例2

参照图3，本实施例与实施例1的区别仅在于：高压固化室2卧式设置于循环冷却器3内，高压固化室2包括压力罐21和防粘模具22，防粘模具22放置在压力罐21内；压力罐21内壁进行了防粘处理，可防止干冰粘附，高压固化室2卧式设置于循环冷却器3内时，压力罐21包含有罐体210、进液控制管路211、温压感应装置212、排气控制管路213、左端盖214'、右端盖215'，左端盖214'设于压力罐21左端，右端盖215'设于压力罐侧面，且设于防粘模具22底部，用于取放防粘模具22；进液控制管路211、温压感应装置212、排气控制管路213设置于左端盖214'上与压力罐21内连通；进液控制管路211用于控制压入压力罐21内的液态二氧化碳的流量和压力，进液控制管路211包含第一单向阀211a、第一压力感应器211b、流量计211c及管道保温控温装置211d，第一单向阀211a、第一压力感应器211b、流量计211c及管道保温控温装置211d设置在液压管道102上，管道保温控温装置211d含管道保温层211d1、第一温度感应器211d2和加热器211d3用于防止进液管道211内液态二氧化碳固化；温压感应装置212用于测量压力罐21内压力和温度，温压感应装置212包含第二压力感应器212a和第二温度感应器212b；排气控制管路213用于排出压力罐21内空气或CO₂气体，排气控制管路213包含排气阀213a，排气控制管路213也可用于在打开右端盖215'时压进CO₂气体将固化成型的干冰压岀压力罐21外。

参照图4，循环冷却器3为夹套式冷却器。高压固化室2的压力罐21包括罐体210，罐体210外设有外壳体302，外壳体302上设有外保温层303，罐体210为高压固化空间，用于盛装液态二氧化碳并压缩固化；罐体210和外壳体302之间形成制冷剂流通夹套，外壳体302上固定有制冷剂进入管道304和制冷剂排出管道305，制冷剂进入管道304和制冷剂排出管道305与制冷剂流通夹套连通；制冷剂进入管道304上设有第二单向阀304a，制冷剂排出管道305上设有第三单向阀305a。

实施例3

参照图5，本实施例与实施例1的区别仅在于：还设有电控系统4，电控系统4分别与高压泵1、高压固化室2、循环冷却器3电连接；电控系统4根据温度、压力及流量、时间参数调整系统的工作状态实现自动控制。

本发明泵压式干冰机，直接以高压泵将液态的二氧化碳送入高压固化室2，以高压泵1输出的液体高压直接将液态的二氧化碳压缩固化为致密干冰，同时以循环冷却器3移除压缩固化释放出的热量并冷却干冰。

本发明利用二氧化碳的性质，借用成熟的较低能耗的高压液压泵的高压液体输送技术，直接将液态的二氧化碳送入高压固化室内压缩固化为致密干冰，可更换不同的防粘模具，使干冰成型成不同形状；设备整体结构简单，投资较小，制冰效率高，避免现有的制干冰机必需的节流膨胀汽化约三分之二的二氧化碳以固化约三分之一的二氧化碳制干冰的缺陷，液态二氧化碳利用率高几乎全部转化为干冰，干冰产率可达近100%，能耗较低，生产成本低，经济性好。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。