一种冷水相变能取热装置及其系统的制作方法

本发明涉及一种利用热泵技术提取冷水结冰时释放相变能对外供热的冷水相变能取热装置及其系统，属于能源技术领域。

背景技术：

采用冷水相变能热泵技术，开发利用冷水中的相变能用于建筑物的制冷供暖，具有巨大的节能、环保以及经济价值，是节能减排的有效途径之一。冷水包括自来水、江水、河水、湖水、海水、地下水以及污水等。冷水相变能热泵技术有效解决了水源热泵系统存在的水源水量不足和水温较低的问题。冷水相变能热泵系统应用的关键就是连续不断的从水中提取相变能，实现持续供热。

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，其除冰难度大，除冰效果差，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“201510609389.4”，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“cn105135750a”，该专利将换热器放置在河水中，未考虑除冰问题，随着换热的进行，附在换热面上的冰层会加厚，换热效率急剧下降，甚至会无法换热，难以实际应用。

发明人申请的申请号为“201610701458.9”的专利，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，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，冰难以被及时的剥离，难以实现连续提取相变能供热。

发明人申请的申请号为“201611267862.6”的专利，名称是“一种冷水凝固潜热采集方法”。该专利的刮刀呈圆周运动，致使换热器的高度较高，占据较大空间。

发明人申请的申请号为“201611267872.x”的专利，名称是“一种凝固潜热采集装置及系统”，该专利存在刮刀无法准确落回冷水流道的问题，刮刀与换热管排有较大磨损，影响刮刀与换热管排的使用寿命。

本发明利用冷水宽流道和热融冰与机械排冰的方法，在低成本、高效率条件下，保证结冰、除冰、排冰和再结冰的不间断循环，实现了提取冷水相变能的连续稳定运行。此外，本发明的刮刀呈180度摆动，占地空间小，安全可靠。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决提取冷水相变能时结冰效率低，除冰难等难以解决的问题，提供一种冷水相变能取热装置及系统。

本发明为解决以上技术问题，所采取的技术方案是：

一种冷水相变能取热装置，它由换热管、换热管排、壳体、集箱一、集箱二、冷水流道、连通管一、连通管二、排冰口一、排冰口二、冷水入口、溢流管一、溢流管二、溢流管三、溢流管四、中介水进口、中介水出口、刮刀、主轴、减速器、电机组成，所述的多根换热管在垂直方向上组成换热管排，多根换热管的两端分别与集箱一和集箱二相连通；两个换热管排之间、换热管排与壳体之间形成冷水流道；溢流管一、溢流管二、溢流管三、溢流管四分别布置在壳体的四角，且与壳体相连通；连通管一与溢流管一和溢流管三相连通；连通管二与溢流管二和溢流管四相连通；排冰口一与连通管一相连通；排冰口二与连通管二相连通；中介水进口设置在壳体的上部，且与集箱一相连通；中介水出口设置在壳体的下部，且与集箱一相连通；冷水入口设置在壳体的底部，且与壳体相连通；刮刀一端与主轴固接，且刀身设置在冷水流道内；减速器分别与主轴和电机相连接。

所述的一种冷水相变能取热装置，它还包括切冰刀，所述的切冰刀设置于换热管排的上部，且两端分别与壳体相固接。

所述的一种冷水相变能取热装置，它还包括导向角，所述的换热管排的顶部设置有导向角。

所述的一种冷水相变能取热装置，所述的导向角为三角形。

所述的一种冷水相变能取热装置，它还包括冷水进水管、冷水进口、冷水进水阀、反冲阀、反冲干管一、反冲干管二、多个反冲支管，所述冷水进水管的一端与冷水入口相连通，另一端与反冲干管一和反冲干管二相连通；冷水进口设置在冷水进水管上；冷水进水阀设置在冷水进水管上，且位于冷水入口和冷水进口之间；反冲阀设置在冷水进水管上，且位于冷水进口与冷水进水管和反冲干管一和反冲干管二的连通点之间。

一种冷水相变能取热系统，它由所述的冷水相变能取热装置、热泵机组、除冰换热器、冷水泵、中介水泵、末端水泵、控制阀、末端供水管、末端回水管、除冰换热器供水管、除冰换热器回水管、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、调节阀一、调节阀二组成，所述的热泵机组与冷水相变能取热装置通过中介水供水管和中介水回水管形成密闭循环；中介水泵设置在中介水供水管上；末端供水管和末端回水管分别与热泵机组相连；水源进水管和水源出水管分别与冷水相变能取热装置相连；冷水泵设置在水源进水管上；中介水回水管支管一的一端与中介水回水管相连通，另一端与除冰换热器相连通；控制阀设置在中介水回水管支管一上；中介水回水管支管二的一端与除冰换热器相连通，另一端与中介水回水管相连通，且连通点位于冷水相变能取热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；除冰换热器供水管的一端与末端回水管相连通，另一端与除冰换热器相连通；除冰换热器回水管一端与除冰换热器相连通，另一端与末端回水管相连通；末端水泵设置在热泵机组和除冰换热器回水管与末端回水管的连通点之间；调节阀一位于中介水回水管上，且位于中介水回水管支管一和中介水回水管的连通点与中介水回水管支管二和中介水回水管的连通点之间；调节阀二位于末端回水管上，且位于除冰换热器供水管和末端回水管的连通点与除冰换热器回水管和末端回水管的连通点之间。

所述的一种冷水相变能取热系统，所述的末端水泵设置在末端回水管上；除冰换热器供水管一端与除冰换热器相连通，另一端与末端回水管相连通，且连通点位于末端泵与热泵机组之间；除冰换热器回水管一端与除冰换热器相连通，另一端与末端回水管相连通，且连通点位于热泵机组与除冰换热器供水管和末端回水管的连通点之间。

所述的一种冷水相变能取热系统，它还包括水箱或水池，所述的水箱或水池与冷水相变能取热装置通过水源进水管和水源出水管形成循环回路。

本发明的运行原理为：

冷水从底部冷水入口进入冷水流道，在冷水流道中流动的冷水，通过换热管板壁面与换热管板内低于0℃的中介水换热，部分冷水释放出冷水相变能后在换热管壁面结冰，当结冰达到一定厚度后，除冰控制阀开启，部分防冻水溶液与末端热水在除冰换热器内进行换热，防冻水溶液温度提升到0℃以上后，相变取热装置中的换热管壁面的冰层受热脱落，同时电机和减速器带动刮刀连续的呈180°摆动将冰层破碎，刮刀会将部分冰块携带出冷水流道，大冰块在切冰刀的作用下会碎成小冰块返落入冷水流道中，刮刀摆至水平位置反向转动，在导向角的作用下，刮刀准确落入冷水流道中，冷水带着碎冰流出相变取热装置。反冲阀打开，冷水经冷水进口进入反冲进水管，经由反冲干管一、反冲干管二和若干反冲支管流出，从中部冲刷冷水流道，给予冷水流道中的冰水混合物以横向流动，保证冰水混合物流入四个排冰口。冰层脱落后，除冰控制阀关闭，冷水继续换热结冰，如此反复。

本发明相对于现有技术具有如下特点及其有益效果：

1、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。本发明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。申请号为201610701458.9的专利的刮刀呈360度旋转，占据较大的高度空间，本发明通过设置180度回转式刮刀，使刮刀呈180度摆动，高度空间节省一半以上。

2、本发明装置在每个管板上设置有导向角，可保证刮刀由水平位置反向运动，可以准确落入冷水流道，避免刮刀与管排的碰撞磨损。

3、本发明装置在管板的垂直上部设置有切冰刀，其作用是及时切碎冰块，避免冰块聚积在换热管排的顶部无法排出。

4、本发明装置设有两排反冲干管和若干反冲支管，冷水从反冲支管出来冲刷换热管板，在换热器冷水流道形成表面流速，促使冰水混合物进入四个溢流管，保证了冰水混合物流出冷水相变能取热装置。

5、本发明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。

附图说明

图1是本发明实施方式一的俯视图；

图2是本发明实施方式二的俯视图；

图3是图2的a-a剖视图；

图4是图2的b-b剖视图；

图5是图2的主视图；

图6是图2的后视图；

图7是本发明系统的结构示意图；

图8是本发明具体实施方式六的结构示意图；

图9是本发明具体实施方式七的结构示意图。

图中，换热管1、换热管排2、壳体3、集箱一4-1、集箱二4-2、冷水流道5、连通管一6-1、连通管二6-2、排冰口一7-1、排冰口二7-2、冷水入口8、溢流管一9-1、溢流管二9-2、溢流管三9-3、溢流管四9-4、中介水进口10、中介水出口11、刮刀12、主轴13、减速器14、电机15、切冰刀16、导向角17、冷水进水管18、冷水进口19、冷水进水阀20、反冲阀21、反冲干管一22、反冲干管二23、多个反冲支管24、冷水相变能取热装置25、热泵机组26、除冰换热器27、冷水泵28、中介水泵29、末端水泵30、控制阀31、末端供水管32、末端回水管33、除冰换热器供水管34、除冰换热器回水管35、中介水供水管36、中介水回水管37、水源进水管38、水源出水管39、中介水回水管支管一40、中介水回水管支管二41、调节阀一42-1、调节阀二42-2、水箱或水池43。

具体实施方式

具体实施方式一，如图1所示，本实施方式的一种冷水相变能取热装置，它由换热管1、换热管排2、壳体3、集箱一4-1、集箱二4-2、冷水流道5、连通管一6-1、连通管二6-2、排冰口一7-1、排冰口二7-2、冷水入口8、溢流管一9-1、溢流管二9-2、溢流管三9-3、溢流管四9-4、中介水进口10、中介水出口11、刮刀12、主轴13、减速器14、电机15组成，所述的多根换热管1在垂直方向上组成换热管排2，多根换热管1的两端分别与集箱一4-1和集箱二4-2相连通；两个换热管排2之间、换热管排2与壳体3之间形成冷水流道5；溢流管一9-1、溢流管二9-2、溢流管三9-3、溢流管四9-4分别布置在壳体3的四角，且与壳体3相连通；连通管一6-1与溢流管一9-1和溢流管三9-3相连通；连通管二6-2与溢流管二9-2和溢流管四9-4相连通；排冰口一7-1与连通管一6-1相连通；排冰口二7-2与连通管二6-2相连通；中介水进口10设置在壳体3的上部，且与集箱一4-1相连通；中介水出口11设置在壳体3的下部，且与集箱一4-1相连通；冷水入口8设置在壳体3的底部，且与壳体3相连通；刮刀12一端与主轴13固接，且刀身设置在冷水流道5内；减速器14分别与主轴13和电机15相连接。

具体实施方式二，如图2、图3和图4所示，具体实施方式一所述的一种冷水相变能取热装置，它还包括切冰刀16，所述的切冰刀16设置于换热管排2的上部，且两端分别与壳体3相固接。该实施方式的有益效果是切碎冰块，有利于排冰，保证排冰效果。

具体实施方式三，如图2、图3和图4所示，具体实施方式一所述的一种冷水相变能取热装置，它还包括导向角17，所述的换热管排2的顶部设置有导向角17。该实施方式的有益效果是导向角指引刮刀准确落入冷水流道，减少刮刀与换热管排的磨损。

具体实施方式四，如图2、3和图4所示，具体实施方式三所述的一种冷水相变能取热装置，所述的导向角17为三角形。

具体实施方式五，如图2～图6所示，具体实施方式一所述的一种冷水相变能取热装置，它还包括冷水进水管18、冷水进口19、冷水进水阀20、反冲阀21、反冲干管一22、反冲干管二23、多个反冲支管24，所述冷水进水管18的一端与冷水入口8相连通，另一端与反冲干管一22和反冲干管二23相连通；冷水进口19设置在冷水进水管18上；冷水进水阀20设置在冷水进水管18上，且位于冷水入口8和冷水进口19之间；反冲阀21设置在冷水进水管18上，且位于冷水进口19与冷水进水管18和反冲干管一22和反冲干管二23的连通点之间。该实施方式的有益效果是通过加设反冲装置，给予冷水流道流体表面流速，促使冰水混合物流入四个排冰口。

具体实施方式六，如图7所示，本发明提出的一种冷水相变能系统，它由所述的冷水相变能取热装置25、热泵机组26、除冰换热器27、冷水泵28、中介水泵29、末端水泵30、控制阀31、末端供水管32、末端回水管33、除冰换热器供水管34、除冰换热器回水管35、中介水供水管36、中介水回水管37、水源进水管38、水源出水管39、中介水回水管支管一40、中介水回水管支管二41、调节阀一42-1、调节阀二42-2组成，所述的热泵机组26与冷水相变能取热装置25通过中介水供水管36和中介水回水管37形成密闭循环；中介水泵29设置在中介水供水管36上；末端供水管32和末端回水管33分别与热泵机组26相连；水源进水管38和水源出水管39分别与冷水相变能取热装置25相连；冷水泵28设置在水源进水管38上；中介水回水管支管一40的一端与中介水回水管37相连通，另一端与除冰换热器27相连通；控制阀31设置在中介水回水管支管一40上；中介水回水管支管二41的一端与除冰换热器27相连通，另一端与中介水回水管37相连通，且连通点位于冷水相变能取热装置25和中介水回水管支管一40与中介水回水管37的连通点之间；除冰换热器供水管34的一端与末端回水管33相连通，另一端与除冰换热器27相连通；除冰换热器回水管35一端与除冰换热器27相连通，另一端与末端回水管33相连通；末端水泵30设置在热泵机组26和除冰换热器回水管35与末端回水管33的连通点之间；调节阀一42-1位于中介水回水管37上，且位于中介水回水管支管一40和中介水回水管37的连通点与中介水回水管支管二41和中介水回水管37的连通点之间；调节阀二42-2位于末端回水管33上，且位于除冰换热器供水管34和末端回水管33的连通点与除冰换热器回水管35和末端回水管33的连通点之间。

具体实施方式七，如图8所示，具体实施方式六所述的一种冷水相变能系统，所述的末端水泵30设置在末端回水管33上；除冰换热器供水管34一端与除冰换热器27相连通，另一端与末端回水管33相连通，且连通点位于末端泵30与热泵机组26之间；除冰换热器回水管35一端与除冰换热器27相连通，另一端与末端回水管33相连通，且连通点位于热泵机组26与除冰换热器供水管34和末端回水管33的连通点之间。该实施方式的有益效果是便于系统的定压，有利于系统的稳定运行。

具体实施方式八，如图9所示，具体实施方式六所述的一种冷水相变能系统，它还包括水箱或水池43，所述的水箱或水池43与冷水相变能取热装置25通过水源进水管38和水源出水管39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

在冷水泵28的作用下，冷水从冷水进口22、冷水进水管23和冷水入口8进入冷水流道5，冷水在冷水流道5中流动，通过换热管排2的管壁与换热管排2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排2的壁面结冰，当结冰到达一定的厚度后，电动阀31开启，部分防冻水溶液进入除冰换热器27与末端热水换热，当防溶液的温度提升到0℃以上后，冷水相变能取热装置25中的换热管排2壁面的冰层受热除化脱落，同时电机15和减速器14带动刮刀12连续的呈180°摆动将冰层破碎，刮刀12会将部分冰块携带出冷水流道5，冰块在切冰刀16的作用下被切碎返落入冷水流道5中，刮刀12摆至水平位置反向转动，在导向角17的作用下，刮刀12准确落入冷水流道5中，冷水带着碎冰分别进入四个排冰口，部分的冰水混合物沿着排冰口一9-1、排冰通道6-1和排冰管7-1流出冷水相变能取热装置25，部分的冰水混合物沿着排冰口一9-2、排冰通道6-2和排冰管7-2流出冷水相变能取热装置25，部分的冰水混合物沿着排冰口三9-3和排冰管7-1流出冷水相变能取热装置25，部分的冰水混合物沿着排冰口四9-4和排冰管7-2流出冷水相变能取热装置25，冷水进水阀20关闭，反冲阀22打开，冷水经冷水进口19进入冷水进水管18，经由反冲干管一22、反冲干管二23和若干反冲支管24流出，从中部冲刷冷水流道5，给予冷水流道5中的冰水混合物以横向流动，保证冰水混合物流入四个排冰口。冰层脱落后，电动阀31关闭，冷水继续与低于0℃的防冻液换热结冰，如此反复实现结冰、除冰、排冰和再结冰的循环。在中介水泵29的作用下，防冻液经由中介水供水管36进入热泵机组26，在热泵机组26中释放出热量后经由中介水回水管37进入冷水相变能取热装置25，防冻液在冷水相变能取热装置25中吸收水的冷水相变能后流入中介水供水管36完成密闭循环。在末端水泵30作用下，末端水经末端回水管33进入热泵机组26，在热泵机组26中吸热温升后经末端供水管32送至用户用以供暖。

水源可以设置为水箱或水池43，冷水泵28抽取水箱或水池43中的冷水，经由水源进水管38进入冷水相变能取热装置25，部分水在冷水相变能取热装置25中释放出冷水相变能后凝结成冰，附着在换热管板壁面的冰在机械刮冰和回热除冰的双重作用下形成流体冰，流体冰经水源出水管39进入水箱或水池43。

以上所述只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述所述限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。