一种凝固潜热采集装置及系统的制作方法

本实用新型涉及一种利用热泵技术提取冷水结冰时释放潜热对外供热的冷水凝固潜热的采集装置及系统，属于能源技术领域。

背景技术：

采用热泵技术，开发低品位可再生的清洁能源用于建筑物的制冷供暖，是节能减排的有效途径之一，具有巨大的节能、环保以及经济价值。利用热泵技术提取凝固潜热对外供热在应用中具有如下优势：其一，我国拥有极大量的地表水资源，但是冬季水温很低，最低在2～4℃左右，此时可利用的显热能量空间已经非常有限，提取凝固潜热用于供热可充分利用水中的热量；其二，潜热蕴涵的能量巨大，研究表明，1kg水的凝固潜热为335kJ/kg，是每摄氏度显热的80倍左右；其三，当5～30％含冰率的流体冰作为流动换热的媒介与固体壁面接触时，其换热效率仍然很高，同时流体冰还具有良好的流动性、可以用泵运输等优点。研发出一套成熟可行的凝固潜热采集系统对低品位能源的发展应用具有重要的实际价值。凝固潜热采集系统大大削减了建筑物供暖耗能，符合国家提倡的节能减排的绿色环保政策，其发展前景不言而喻。

但是在实际应用凝固潜热的热泵系统时，由于现有技术无法实现连续不断的结冰和及时有效的除冰，造成了热泵系统无法连续不断地从水中提取凝固潜热，即热泵系统无法持续不断地供热，致使至今未能得到示范应用。

专利号为“201410448663.X”，名称为“一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置”，公开号为“CN104197749.A”，其采用机械刮冰的方法来除冰。但由于采用单一机械刮冰方法，不能有效彻底的除冰，随着换热的进行，其除冰难度会大大提升，且会减少刮刀的使用寿命，此外换热管壁面上始终会覆有冰层，换热效率低，系统的效率不高。

专利号为“200610009618.X”，名称为“基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法”，公开号为“CN100485293C”，其除冰方法是依靠壁面发生弹性变形，使所结冰层龟裂而剥落，虽然其理论上是可行的，但缺乏实用性。

专利号为“201210436817.4”，名称为“冰蓄冷水蓄热系统”，公开号为“CN102927638A”，其晚上制冷，白天使用，不连续，且制冷效率很低，不同于凝固潜热提取，连续采冰供暖。

发明人申请的专利，申请号为“201610701458.9”，名称是“一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统”。该专利是采用固液流化床和旋流除砂工艺进行在线制冰和除冰，虽然理论上成立，但在实际运行中因为冰层形成很快且冰层较厚，在砂的撞击下，很难被及时有效的剥离，难以实现连续提取凝固热供暖。

本实用新型采用间歇性热融冰和机械碎冰相结合的技术，保证冰层及时剥落形成流体冰，排出换热器，实现了凝固潜热热泵系统的连续供热。此外，本实用新型系统除冰彻底，壁面上无残冰附着，热泵系统供暖效率高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种凝固潜热采集装置及系统，采用机械除冰和热融冰相结合的技术，实现了冷水的连续结冰、除冰、排冰和再结冰的不间断循环，保证了凝固潜热热泵系统的连续取热和供热的不间断高效运行。

本实用新型为解决以上技术问题，所采取的技术方案是：

本实用新型提出的一种凝固潜热采集装置，它由换热管、管排、冷水流道、刮刀、壳体、左集箱、右集箱、防冻水溶液进口、防冻水溶液出口、冷水进口、冷水出口、电机、减速器、主轴、基脚、冷水进水腔和多个冷水进水分口组成，所述的多根换热管在垂直方向上组成管排，多根换热管的两端分别与左集箱和右集箱相连通；所述的两个管排之间、管排与壳体之间留有冷水流道；所述的刮刀的一端与主轴连接且刮刀的刀身设置在冷水流道中；所述的壳体的左端与左集箱相连，壳体的右端与右集箱相连；所述的壳体的下部设置有冷水进口，壳体的上部设置有冷水出口；所述的防冻水溶液进口设置在左集箱上部；所述的防冻水溶液出口设置在右集箱的下部。

所述一种凝固潜热采集装置，防冻水溶液在左集箱和右集箱的作用下，呈从左至右，从上至下，来回往复流动。

所述一种凝固热采集装置，它还包括冷水进水腔，多个冷水进水分口，所述的冷水进水腔与冷水进口相连通；所述的多个冷水进水分口分别设置在相对应的冷水流道的左下方，且每个冷水进水分口连通冷水进水腔和相对应的冷水流道。

本实用新型提出的一种凝固潜热采集系统，它由热泵机组、所述的凝固潜热采集装置、融冰换热器、水源水泵、中介水泵、末端水泵、电动阀、末端供水管、末端回水管、融冰换热器供水管、融冰换热器回水管、中介水供水管、中介水回水管、水源进水管、水源出水管、中介水回水管支管一、中介水回水管支管二组成，所述的热泵机组与凝固潜热采集装置通过中介水供水管和中介水回水管形成密闭循环；所述的中介水泵设置在中介水供水管上；所述的末端供水管和末端回水管分别与热泵机组相连；所述的水源进水管和水源出水管分别与凝固潜热采集装置相连；所述的水源水泵设置在水源进水管上；所述的中介水回水管支管一的一端与中介水回水管相连通，另一端与融冰换热器相连通；所述的电动阀设置在中介水回水管支管一上；所述的中介水回水管支管二的一端与融冰换热器相连通，另一端与中介水回水管相连通，且连通点位于凝固热采集装置和中介水回水管支管一与中介水回水管的连通点之间；所述的融冰换热器供水管的一端与末端供水管相连通，另一端与融冰换热器相连通；所述的融冰换热器回水管的一端与融冰换热器相连通，另一端与末端回水管相连通；所述的末端水泵设置在热泵机组和融冰换热器回水管与末端回水管的连通点之间。

所述的一种凝固潜热采集系统，它还包括阀一、阀二，所述的阀一设置在中介水回水管与中介水回水管支管一的连通点和中介水回水管支管二与中介水回水管的连通点之间；所述的阀二设置在融冰换热器供水管上。

所述的一种凝固潜热采集系统，其特征在于它还包括水箱或水池，所述的水箱或水池与凝固潜热采集装置通过水源进水管和水源出水管形成循环回路。

本实用新型的运行原理为：

在冷水流道中流动的冷水，通过换热管壁与换热管内低于0℃的防冻水溶液换热，部分冷水释放出凝固潜热后在换热管壁面结冰，当结冰达到一定厚度后，融冰控制阀开启，部分防冻水溶液与热水在融冰换热器内进行换热，防冻水溶液温度提升到0℃以上后，凝固潜热采集装置中的换热管壁面的冰层受热脱落。刮刀连续不断的旋转将冰层破碎，冷水带着碎冰流出凝固潜热采集装置。冰层脱落后，融冰控制阀关闭，冷水继续换热结冰，如此反复。

本实用新型相对于现有技术具有如下特点及其有益效果：

1、公开号为CN104197749A的专利利用单一机械刮冰方法，不能有效彻底的除冰；公开号为CN100485293C的专利利用壁面弹性剥冰方法，缺乏实用性；公开号为CN102927638A的专利晚上制冷，白天使用，不连续，且制冷效率很低；申请号为201610701458.9的专利利用固液流化床和旋流除砂工艺进行在线制冰和除冰，实际达不到预期效果。本实用新型采用机械除冰和间歇回热融冰相结合的技术，可有效彻底除冰，实现系统的连续不间断安全运行。

2、本实用新型利用间歇性热融冰和机械碎冰的方式，换热管壁上的冰层吸热融化松动，刮刀连续不断的旋转将冰层破碎，碎冰随水流流出换热器，除冰效果好，不会残留冰层附着在换热管壁上，换热效率高，系统效率可提高30％以上。

3、本实用新型系统是采用间歇性热熔冰和机械碎冰相结合的工艺，与利用单一机械方式碎冰相比，不仅提高了换热效率，而且延长了机械部件的使用寿命，后期维护检修成本大大降低，其运行成本将减少20％左右。

4、本实用新型系统可实现水的连续结冰、除冰和再结冰的不间断循环，一般的凝固潜热热泵系统需要停机融冰，而本系统可实现连续不间断供热，实用性强，使用效果好，避免了因停机而无法供热给用户带来的麻烦与困扰。

附图说明

图1是本实用新型装置的主剖图；

图2是本实用新型装置的主视图；

图3是图1的A-A截面的剖视图；

图4是图2的B-B截面的剖视图；

图5是本实用新型系统的结构示意图；

图6是本实用新型具体实施方式五的结构示意图；

图7是本实用新型具体实施方式六的结构示意图。

图中，换热管1、管排2、冷水流道3、刮刀4、壳体5、左集箱6、右集箱7、防冻水溶液进口8、防冻水溶液出口9、冷水进口10、冷水出口11、电机12、减速器13、主轴14、基脚15、冷水进水腔16、冷水进水分口17、热泵机组18、凝固热采集装置19、融冰换热器20、水源水泵21、中介水泵22、末端水泵23、电动阀24、末端供水管25、末端回水管26、融冰换热器供水管27、融冰换热器回水管28、中介水供水管29、中介水回水管30、水源进水管31、水源出水管32、中介水回水管支管一33、中介水回水管支管二34、阀一35、阀二36、水箱或水池37。

具体实施方式

具体实施方式一，如图1～3所示，本实施方式的一种凝固潜热采集装置，它由换热管1、管排2、冷水流道3、刮刀4、壳体5、左集箱6、右集箱7、防冻水溶液进口8、防冻水溶液出口9、冷水进口10、冷水出口11、电机12、减速器13、主轴14、基脚15、冷水进水腔16和多个冷水进水分口17组成，所述的多根换热管1在垂直方向上组成管排2，多根换热管1的两端分别与左集箱6和右集箱7相连通；所述的两个管排2之间、管排2与壳体5之间留有冷水流道3；所述的刮刀4的一端与主轴14连接且刮刀4的刀身设置在冷水流道3中；所述的壳体5的左端与左集箱6相连，壳体5的右端与右集箱7相连；所述的壳体5的下部设置有冷水进口10，壳体5的上部设置有冷水出口11；所述的防冻水溶液进口8设置在左集箱6上部；所述的防冻水溶液出口设置在右集箱7的下部。

具体实施方式二，本实施方式的一种凝固潜热采集装置，防冻水溶液在左集箱6和右集箱7的作用下，呈从左至右，从上至下，来回往复流动。

具体实施方式三，如图4所示，本实施方式的一种凝固潜热采集装置，所述的冷水进水腔16与冷水进口10相连通；所述的多个冷水进水分口17分别设置在相对应的冷水流道3的左下方，且每个冷水进水分口17连通冷水进水腔16和相对应的冷水流道3。

具体实施方式四，如图5所示，本实施方式的一种凝固潜热采集系统，它由热泵机组18、具体实施方式一、二、三所述的凝固热采集装置19、融冰换热器20、水源水泵21、中介水泵22、末端水泵23、电动阀24、末端供水管25、末端回水管26、融冰换热器供水管27、融冰换热器回水管28、中介水供水管29、中介水回水管30、水源进水管31、水源出水管32、中介水回水管支管一33、中介水回水管支管二34组成，所述的热泵机组18与凝固热采集装置19通过中介水供水管29和中介水回水管30形成密闭循环；所述的中介水泵22设置在中介水供水管29上；所述的末端供水管25和末端回水管26分别与热泵机组18相连；所述的水源进水管31和水源出水管32分别与凝固热采集装置19相连；所述的水源水泵21设置在水源进水管31上；所述的中介水回水管支管一33的一端与中介水回水管30相连通，另一端与融冰换热器20相连通；所述的电动阀24设置在中介水回水管支管一33上；所述的中介水回水管支管二34的一端与融冰换热器20相连通，另一端与中介水回水管30相连通，且连通点位于凝固热采集装置19和中介水回水管支管一33与中介水回水管30的连通点之间；所述的融冰换热器供水管27的一端与末端供水管25相连通，另一端与融冰换热器20相连通；所述的融冰换热器回水管28一端与融冰换热器20相连通，另一端与末端回水管26相连通；所述的末端水泵23设置在热泵机组18和融冰换热器回水管28与末端回水管26的连通点之间。

具体实施方式五，如图6所示，本实施方式的系统与具体实施方式四的不同点是，它还包括阀一35、阀二36，所述的阀一35设置在中介水回水管30与中介水回水管支管一33的连通点和中介水回水管支管二34与中介水回水管30的连通点之间；所述的阀二36设置在融冰换热器供水管27上。该实施方式的有益效果是通过阀开启度控制流体流量，确保系统稳定运行。

具体实施方式六，如图7所示，本实施方式的系统与具体实施方式五的不同点是，它还包括水箱37，所述的水箱37与凝固热采集装置19通过水源进水管31和水源出水管32形成循环回路。该实施方式的有益效果是以水箱或水池作为冷水取水点或储冰点或排冰集中点或冰和冷水的分离点。

工作原理

在水源水泵21的作用下，冷水从冷水进口10进入冷水进水腔16，并经各个冷水进水分口17进入各个对应的冷水流道3，冷水在冷水流道3中流动，通过换热管壁与换热管1内低于0℃的防冻水溶液换热，部分冷水释放出凝固热后在换热管1壁面结冰，当结冰达到一定厚度后，电动阀24开启，部分防冻水溶液进入融冰换热器20内与热水进行换热，当防冻水溶液温度提升到0℃以上后，凝固热采集装置19中的换热管1壁面的冰层受热脱落，同时电机12和减速器13带动刮刀4连续不断的旋转将冰层破碎，冷水带着碎冰流出凝固热采集装置19。冰层脱落后，电动阀24关闭，冷水继续换热结冰，如此反复。在中介水泵22的作用下，中介换热介质经由中介水供水管29进入热泵机组18，在热泵机组18中释放出热量后经由中介水回水管30进入凝固热采集装置19，中介换热介质在凝固热采集装置19中吸收水的凝固热后流入中介水供水管29完成密闭循环。在末端水泵23作用下，末端水经末端回水管26进入热泵机组18，在热泵机组18中吸热温升后经末端供水管25送至用户用以供暖。

水源可以设置为水箱或水池37，水源水泵21抽取水箱或水池37中的冷水，经由水源进水管31进入凝固热采集装置19，部分水在凝固热采集装置19中释放出凝固潜热后凝结成冰，附着在换热管壁面的冰在机械刮冰和回热融冰的双重作用下形成流体冰，流体冰经水源出水管32进入水箱或水池37。

以上所述只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述所述限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。