本发明涉及过冷水式动态冰浆制取技术，具体涉及一种可减少预热损失的过冷水式动态冰浆制取系统。
背景技术：
过冷水式动态冰浆制取技术是一种新型高效的制冰工艺，其基本原理是利用高效板式换热器把液态清水降温冷却到-2℃。根据水具有的天然过冷特性，在其离开换热器时虽然温度已经低于冰点温度(0℃)，但仍能在一定条件下保持不结冰的液体状态，这种状态下的水为过冷水。过冷水离开换热器之后随即进入促晶器，促晶器是存在超声波辐射的容器，过冷水在其中将在超声波的刺激下迅速转变为冰浆，随后被输送到蓄冰槽中存储。由于过冷水式动态制冰工艺具有传热效率高、制冷能耗低等突出优势，因此是一种先进节能的制冰技术。过冷水式动态冰浆制取技术被广泛应用于中央空调蓄冷、工艺冷却、渔业保鲜等领域，具有十分广阔的市场前景。
过冷水式动态冰浆制取工艺中需要解决的一个关键问题是防止冰晶进入过冷水换热器。过冷水换热器中的大部分水均处于低于0℃的过冷状态，是一种低于冰点但暂时还未结冰的亚稳态液体，其在各种外界干扰刺激下都有很强的相变结冰趋势。由于冰晶是过冷水优良的成核剂，因此冰晶诱发为这些干扰因素中最为突出的一个问题。过冷水换热器中一旦混入冰晶，则极易诱发换热器发生结冰堵塞。在过冷水换热器中，液态过冷水不允许结冰，因为一旦结冰将使得换热器流路堵塞，失去换热能力，整个制冰运行被迫中断。当过冷水离开换热器后，进入到促晶器中才将过冷水转变为冰浆。虽然液态水在进入过冷水换热器之前即已进行了物理过滤，但即使用低至5μ的滤芯也难以彻底消除其中的微米级冰晶，而这些粒径的冰晶仍然足以诱发过冷水结冰。因此，过冷水式冰浆制取技术中消除液态水中的微米级冰晶是十分关键的问题。
目前比较普遍的消除进入过冷水换热器的液态水中微米级冰晶的方法是预热法。具体是指，从蓄冰槽抽取的0℃液态水经过物理过滤去除大粒径冰晶之后，再通过外界热源对其加热，使其温度从0℃升高至0.5℃，在0.5℃的温度环境下，水中的微米级冰晶即可被彻底融化消除，从而解决了上述关键问题。然而，上述预热法的缺点也十分明显，即导致制冰过冷中的冷量损失太大。由于蓄冰槽内等待制取冰浆的液态水是已经被冷却到0℃的低温水，当对其预热升温后，进入过冷水换热器内仍需降温回到0℃以下，这相当于使得作为制冰冷源的制冷系统增加了一部分冷负荷，该部分冷负荷并没有用到制冰所需要的相变潜热上，而是白白损失到预热热源中去了。一般情况下，作为制冰冷源的制冷系统采用水冷式制冷主机，此时的预热热源即为制冷主机的冷却循环水，这部分预热损失冷量则通过冷却塔散失到环境中去了。按照过冷水式动态冰浆制取技术的一般工艺要求，进入过冷水换热器的水被从0℃预热到0.5℃，而离开过冷水换热器的过冷水温度为-2℃，即过冷水换热器承担的降温冷负荷是0.5-(-2)＝2.5℃的显热量，其中0.5-0＝0.5℃的显热负荷散失到环境中，0-(-2)＝2℃的显热负荷则转换为制取冰浆所需要的潜热负荷。由此可以得出在上述工艺参数下，预热所造成的冷量损失为0.5/2.5＝20％，即制冰过程中制冷系统输出的总冷量中有20％散失到环境中损失了，只有80％转换为制冰所需要的相变潜热冷量。由此可见，传统的预热法所造成的冷量损失太大，这使得过冷水式动态冰浆制取技术的其它节能优势被部分削弱。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明公开一种利用蓄冰槽内自身的高温水热源进行预热的新型过冷水式动态冰浆制取系统，该系统把预热所造成的冷量损失大部分回收到了蓄冰槽内，由此大幅度降低了传统过冷水式动态冰浆制取技术中的预热冷量损失，大大提高系统的能效比。
本发明的具体技术方案如下：包括蓄冰槽，水泵，过冷水换热器，促晶器，上、下取水管及冰浆管；其特征在于：所述蓄冰槽内设置有一个以上的隔板，所述隔板上设置有水位平衡孔，所述隔板在蓄冰槽内等距离设置，对应将所述蓄冰槽分割成两个以上的分槽，每个分槽上方设置有上取水管及冰浆管，每个分槽下方设置有下取水管，每个所述上取水管设置有上调节阀，每个所述下取水管设置下调节阀，每个所述冰浆管设置有开关阀，所述上取水管及所述下取水管通过并联方式连接到水泵入口，所述冰浆管也通过并联方式连接到促晶器出口，水泵、过冷水换热器、及促晶器依次通过管道连接。
进一步地，该装置还包括过滤器及防传播器，所述过滤器设置于下取水管上，所述防传播器设置于过冷水换热器与连接促晶器入口的管道上。
进一步地，该装置还包括有预热器，所述预热器与所述水泵相并联，所述预热器的冷侧出口连接水泵的进水管，所述预热器的冷侧入口连接水泵的出水管，预热器的热侧有外部热源，该外部热源为制冷主机冷却水循环。
进一步地，还包括有温度传感器，所述温度传感器设置在预热器的冷侧入口与过冷水换热器的热侧入口之间。
进一步地，本装置还包括制冷循环系统，制冷循环系统连接在过冷换热器的冷侧，所述制冷循环系统的载冷介质为低温不冻液载冷剂或制冷剂。
进一步的，本装置中水位平衡孔设置于隔板下部，所述上取水管管口设置于液面之下，所述冰浆管管口设置于液面之下或液面之上。
本发明在进行冰浆制取过程中，当从下部抽取其中一个分槽内的0℃水进行冰浆制取时，通过调节阀的控制，同时从其它某个分槽上部取出小部分温度较高的水与之混和到0.5℃，然后再经水泵送入过冷水换热器，在制冷循环系统的冷却下被冷却为-2℃的过冷水，随后-2℃的过冷水经防传播器流入促晶器，并在促晶器中形成冰浆，冰浆通过管道流回该制冰分槽的上部。如此循环，该分槽内逐渐蓄满设定比例的冰，然后再对上述提供高温水的分槽进行制冰，并选取另外的水温较高的分槽提供高温水作为上述0.5℃混和水的热源水。上述制冰过程直到只剩最后一个分槽还没制冰时结束。对最后一个分槽进行制冰时，由于已经没有多余的分槽提供高温水，则采用通过冷却水提供热源，由预热器对进入过冷水换热器的水进行预热到0.5℃的方法完成制冰过程。
本发明与现有技术相比可实现以下有益效果：
1.本发明与传统过冷水式动态冰浆制取系统相比，在对除最后一个分槽外的所以分槽进行制冰时，都是利用其它分槽原本固有的高温水对过冷水换热器入口水进行混和加热升温，其间传统系统通过冷却水预热产生的冷量损失被完全避免，只有最后一个分槽才存在与传统系统相同的预热损失。本发明将预热所造成的冷量损失大部分回收到了蓄冰槽内，由此大幅度降低了传统冷水式动态冰浆制取技术中的预热冷量损失，大大提高系统的能效比。并且，从整个蓄冰槽的制冰过冷来看，传统的预热损失被大幅度降低，节能效益显著。
2.当本发明应用于以冰蓄冷中央空调为代表的应用场合中，只要上一轮放冷结束后蓄冰槽内的水温不低于一定的温度值，本发明中用一个分槽的高温热水作为另一个分槽制冰所需的融化微小冰晶的热源是完全足够的，在实际应用中也是完全可实现的。
3.在本发明中，将蓄冰槽分为n个分槽，若采用越多的分槽，采用存在大量冷量损失的传统外部热源预热方式制冰的最后一个分槽所占的蓄冷槽体积比例越小，采用本发明所述完全无损失预热方法制冰的分槽体积比例越大，也就是系统总预热损失越小。本发明所述的过冷水式动态冰浆制取系统与采用传统外部热源预热方式的过冷水式动态冰浆制取系统相比，预热冷量损失降低至1/n，节能效益十分明显。
4.本发明采用温度传感器自动感应混和水的水温，并根据该温度自动调节阀门的开度值，稳定维持了混和水的温度，自动调节控制实时、及时、有效，保证制冰过程的高效性和稳定性。
5.由于本发明中各个分槽之间的地位是对称的，各个分槽在制冰过程中的先后顺序也是可以相互交换的，可以根据实际情况的需要来设定制冰工序，使得本发明制冰过程更加灵活，适应性强。
附图说明
图1为本发明装置的示意图。
附图标记：1蓄冰槽；101第一分槽；102第二分槽；103第三分槽；201第一下取水管；202第二下取水管；203第三下取水管；301第一上取水管；302第二上取水管；303第三上取水管；401第一冰浆管；402第二冰浆管；403第三冰浆管；501第一下调节阀；502第二下调节阀；503第三下调节阀；601第一上调节阀；602第二上调节阀；603第三上调节阀；701第一开关阀；702第二开关阀；703第三开关阀；801第一过滤器；802第二过滤器；803第三过滤器；9隔板；10水位平衡孔；11水泵；12温度传感器；13过冷水换热器；14防传播器；15促晶器；16预热器；17预热调节阀；18制冷循环系统；19外部热源循环介质
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
在以冰蓄冷中央空调为主的蓄冷应用场合中，蓄冰槽作为一个冷量储存容器，其中的冷量以冰的形式储存起来，并在一个使用周期内(比如24小时)依次进行制冰蓄冷和融冰放冷。根据一般舒适性空调系统的标准，供、回水温度7～12℃，蓄冰槽在上一个使用周期放冷结束时其储存的水温可升至11℃，即冰融化完之后，继续使用低温水的显热放冷至11℃，这样可使得蓄冰槽的蓄冷空间利用实现最大化。本发明的实施例基于上述蓄冰槽的放冷使用条件来实现制冰过程中的预热损失回收。
实施例1：
如图1所示，蓄冰槽1被隔板9均分为容积相等的3个分槽，即第一分槽101、第二分槽102和第三分槽103。第一分槽101上方设置有第一上取水管301，第一冰浆管401，第一分槽101下方设置有第一下取水管201。第二分槽102上方设置有第二上取水管302，第二冰浆管402，第二分槽102下方设置有第二下取水管202。第三分槽103上方设置有第三上取水管303，第三冰浆管403，第三分槽103下方设置有第三下取水管203。第一、第二、第三下取水管上分别设置有第一下调节阀501、第二下调节阀502、第三下调节阀503。第一、第二、第三上取水管上分别设置有第一上调节阀601、第二上调节阀602、第三上调节阀603。第一、第二、第三冰浆管上分别设置有第一开关阀701及第一过滤器801，第二开关阀702及第二过滤器802，第三开关阀703及第三过滤器803。
每个隔板9的底部都设置有可供两侧水自由双向流通的水位平衡孔10，使得任何情况下各个分槽之间的水位高度都保持相同。在制冰过程中，依次对每个分槽进行制冰，以下假定从第一分槽101开始，然后依次是第二分槽102和第三分槽103。
第一、第二、第三上取水管及第一、第二、第三下取水管相并联后，连接到水泵入口。第一、第二、第三冰浆管也通过并联方式连接到促晶器出口。水泵11，温度传感器12，过冷水换热器13，防传播器14，及促晶器15依次通过管道连接。温度传感器设置在预热器的冷侧入口与过冷水换热器的热侧入口之间。预热器16与水泵11相并联，预热器16的冷侧出口连接水泵11的进水管，预热器16的冷侧入口连接水泵11的出水管。预热器的热侧有外部热源19。制冷循环系统18连接在过冷换热器的冷侧。
首先对第一分槽101进行制冰运行的时候，第一下调节阀501处于开启并保持开度可调节的状态，第一开关阀701开启，第二上调节阀602保持可调节开度的状态，除此之外其余所有阀门包括：下调节阀502和503、上调节阀601和603、开关阀702和703，以及预热调节阀17等全部关闭。在水泵11的驱动下，第一分槽101内的水经第一下取水管201、第一过滤器801、第一下调节阀501、水泵11进入过冷水换热器13的热侧通道。在过冷换热器中与来自制冷循环系统18的低温载冷冷媒进行热交换，温度降低后离开过冷水换热器13。冷却后的水流经防传播器14后，进入促晶器15。如果水是低于0℃的过冷水，则在促晶器15内超声波(图中未示出)的辐射下快速生成冰浆，生成的冰浆经第一开关阀701和第一冰浆管401流回第一分槽101的上部。由于冰和水存在密度差，冰自然浮在上面，水自然沉在下面。重复上述循环，则第一分槽101内的冰越来越多，水越来越少，直到蓄满设定目标的冰量。一般情况下，蓄冰槽内的含冰率(质量比)达到40％即结束该分槽的制冰。
若该装置是在一个蓄、放冷使用周期结束后进行制冰，则首先是对水进行降温处理。由于一个周期结束后蓄冰槽内的水温已经升高到一个较高的温度，比如11℃。因此，在上述工况运行的初期，首先是对第一分槽101内的水进行显热降温，系统中尚没有冰浆产生。当其中的水温从11℃降至0℃后，从过冷水换热器13出来的低温水即进入低于0℃的过冷状态，与此同时促晶器15内即开始生成冰浆，第一分槽101内也开始存在冰浆。由此导致第一下取水管201内开始出现随水流吸入的固态冰晶颗粒，这些冰晶颗粒中体积较大的部分将被第一过滤器801过滤掉，但微米级的微小冰晶颗粒仍然存在并会被送入过冷水换热器13中，如果没有阻止措施，过冷水换热器13中的热侧过冷水将被微小冰晶诱发产生结冰堵塞。
当如上述第一分槽101内开始生成冰浆后，开始调节第二上调节阀602和第一下调节阀501，在其它阀门原有状态保持不变的情况下，以便从第二分槽102的上部经第二上取水管302取出部分高温水，与经第一下取水管201从第一分槽101底部取出的0℃低温水(由于第一分槽101内已经开始生成冰浆，因此其水温即已达到0℃)进行混和，混和后温度略微升高并经水泵11送入过冷水换热器13。上述混和后的目标温度为0.5℃，其目的是把上述经第一过滤器801过滤后的水中的微米级冰晶融化掉，以确保进入过冷水换热器13的热侧入口完全没有冰晶进入。上述混和温度由设置在水泵11出口与预热器16冷侧入口连接点到上述过冷水换热器13热侧入口之间的管段上的温度传感器12监测。当温度传感器12监测到的水温低于0.5℃时，第二上调节阀602开度增大，第一下调节阀501开度减小；当温度传感器12监测到的水温高于0.5℃时，第二上调节阀602开度减小，第一下调节阀501开度增大。总之，通过对第二上调节阀602和第一下调节阀501开度的正反向调节，实现过冷水换热器13热侧入口水温0.5℃的恒定控制。
在上述运行状态中，经第一冰浆管401回到第一分槽101的冰水总量(质量)恰好等于经第一下取水管201和第二上取水管302取出的水量总和。由于各分槽之间的隔板9底部都有水位平衡孔10，因此各分槽的液面水位不会出现差异。这样就意味着经第二上取水管302从第二分槽102上部取出的水量将会等量地从第一分槽101和第二分槽102之间的水位平衡孔10流回第二分槽102的下部，只是上部流出的是高温水，下部流回的是0℃低温水。由于高、低温水密度不同，高温水将始终居于上部，低温水始终居于下部。随着制冰过程的进行，第二分槽102内高低温水之间的分界面将逐步从下往上移动。这样的高、低温水分层状况确保了第二上取水管302始终能取到高温水。
在上述制冰运行过程中，预热调节阀17关闭，预热器16不参与运行，因此没有冷量通过预热器16散失到系统之外。
过冷水换热器13热侧出口的过冷水目标温度为-2℃，根据能量守恒原理，当-2℃的过冷水在绝热条件下完全转变为0℃冰浆后，其中的固态冰的质量含量为2.5％，即第一分槽内的水每整体循环一次后会有约2.5％的水变成冰。要达到最终蓄满冰的状态，即40％含冰率(ipf＝40％)的状态时，则需要整体循环约16次。如果以第二分槽102内t℃的高温水与第一分槽101内0℃的低温水混和到0.5℃，根据能量守恒原理可得高、低温水的混和比例(质量比)为1/(2t-1)。以单个分槽中的水容量(各分槽相同)为参照单位1，按照上述每个分槽含冰率ipf＝40％即制满冰的目标，第一分槽101从开始生成冰浆到蓄满冰(ipf＝40％)的全过程中需要第二分槽102提供的用来融化微米级冰晶的高温水水量为8/t。当t＝11℃时，上述所需高温水量为0.73；当t＝8℃时，所需高温水水量为1。上述计算结果表明，当上一轮放冷结束时蓄冰槽温度为11℃时，制满一个分槽的冰所需要的另一个分槽的高温水量只需要其中的73％；而当上一轮放冷结束时蓄冰槽温度最低低至8℃时则恰好需要1个分槽的100％水量。上述分析表明，只要上一轮放冷结束后蓄冰槽内的水温不低于8℃，则本发明所采用的用一个分槽的高温热水作为另一个分槽制冰所需的融化微小冰晶的热源是完全足够的，因此在实际应用中也是完全可实现的。
当第一分槽101达到制满冰的状态(ipf＝40％)后，系统则通过阀门切换开始对第二分槽102进行制冰。如上所述，第二分槽102内的水因参与第一分槽101制冰时的预热运行后已部分或全部降至0℃，因此对第二分槽102的制冰将只有短暂的或没有显热降温阶段，很快或立即就会开始生成冰浆。如同上述对第一分槽101制冰的过程一样，此时用第三分槽103的高温水作为对第二分槽102制冰过程中融化微小冰晶的热源，其原理和过程完全相同，不再赘述。此时的阀门控制状态为：第二下调节阀502处于开启并保持开度可调节的状态，第二开关阀702开启，第三上调节阀603保持可调节开度的状态，除此之外其余所有阀门包括下调节阀503和501、上调节阀602和601、开关阀703和701，以及预热调节阀17等全部关闭。
当只剩最后一个分槽103未制冰而其余分槽都制满冰时，系统通过阀门切换至对最后一个分槽103进行制冰。此时的阀门控制状态为：第三下调节阀503处于开启状态，第三开关阀703开启，预热调节阀17处于开启并保持开度可调节的状态，除此之外其余所有阀门包括下调节阀501和502、上调节阀601、602和603、开关阀701和702等全部关闭。由于此时已经没有具有高温水的未制冰分槽，因此对最后一个分槽103制冰时不能再采用与前述各分槽制冰时相同的预热方法，而只能采用用传统的外部热源进行预热的方式。本发明的预热方式是通过并联在水泵11进、出口管上的预热器16对送入过冷水换热器13的0℃水进行加热。预热器16的热侧热源来自于外部热源循环介质19，可采用最常用的制冷主机冷却水循环等。预热器16的冷侧循环则是利用水泵11的进、出口压差从主管中分流出的一部分低温水循环，该分流出来的低温水经预热调节阀17进入预热器16的冷侧入口，在其中被热侧的外部热源循环介质19加热至一个较高的温度后再回到水泵11的入口管中，与依次经第三下取水管203、第三过滤器803和第三下调节阀503流出的0℃低温水混和成0.5℃的水，然后经水泵11送入过冷水换热器13。上述预热温度的大小由温度传感器12监测，当温度传感器12监测到的温度低于0.5℃时，预热调节阀17的开度增大，加强预热效果；当温度传感器12监测到的温度高于0.5℃时，预热调节阀17的开度减小，减弱预热效果。当最后一个分槽也制满冰时，则整个系统停止运行，制冰运行结束。
实施例2：
本发明上述的实施例1是把蓄冰槽三等分成3个分槽的情况。在实施例2中，可将蓄冰槽等分为2个分槽或等分为2个以上的其它数量个分槽。在其它实施例中，步骤一：任意选择第n分槽及第m分槽，所述n及所述m为任意不相同的正整数，选择所述第n分槽进行制冰，并用第m分槽的热水进行加热除晶，开启所述第n分槽的下取水管上的下调节阀，并开启冰浆管上的开关阀，且保持所述第n分槽的下调节阀可调节开度的状态，保持第m分槽的上调节阀可调节开度的状态，关闭其余所有阀门；使水由所述第n分槽流经过冷水换热器及促晶器进行制冰；温度传感器实时监测水温，根据该水温调节所述第n分槽的下调节阀及第m分槽的的上调节阀的开度，保持过冷水换热器热侧入口水温恒定在设定值0.5℃，直到所述第n分槽达到蓄满冰的状态，停止所述第n分槽制冰,进入步骤二；
步骤二：判断是否仅剩有一个分槽未进行制冰；若仅有一个分槽未进行制冰，则进入步骤四，若还有两个以上的分槽未进行制冰，则进入步骤三；
步骤三：选择上一步骤中的未进行制冰操作的分槽记为第x分槽，对第x分槽进行制冰，选择任一其它未进行制冰的第y分槽的热水进行加热除晶，开启所述第x分槽的下取水管上的下调节阀，并开启冰浆管上的开关阀，且保持所述第x分槽的下调节阀可调节开度的状态，保持第y分槽的上调节阀可调节开度的状态，关闭其余所有阀门；使水由所述第x分槽流经过冷水换热器及促晶器进行制冰；温度传感器实时监测水温，根据该水温调节所述第x分槽的下调节阀及第y分槽的的上调节阀的开度，保持过冷水换热器热侧入口水温恒定在设定值0.5℃，直到所述第x分槽达到蓄满冰的状态，停止所述第x分槽制冰，进入步骤二；
步骤四：最后分槽制冰，开启最后分槽的下调节阀及开关阀，保持预热调节阀可调节开度的状态，关闭其余所有阀门；温度传感器实时监测水温，根据该水温调节预热调节阀的开度，保持过冷水换热器热侧入口水温恒定在设定值0.5℃，直至最后分槽达到蓄满冰的状态，完成整个系统制冰过程。
在本发明中，蓄冰槽被分为n个分槽，当n越大时，采用存在大量冷量损失的传统外部热源预热方式制冰的最后一个分槽所占的蓄冷槽体积比例越小(1/n)，采用本发明所述完全无损失预热方法制冰的分槽体积比例(1-1/n)越大，也就是系统总预热损失越小。本发明所述的过冷水式动态冰浆制取系统与采用传统外部热源预热方式的过冷水式动态冰浆制取系统相比，预热冷量损失降低至1/n，节能效益十分明显。在实际应用中，考虑到系统的综合经济性因素，n值的最优范围为2～6，并且蓄冰槽总体积越大越宜选取较大数值。
并且，根据本发明上述实施原理，各个分槽之间的地位是完全对称的，因此各个分槽在制冰过程中的先后顺序也是可以相互交换的，无须遵循固定顺序。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。