一种流态冰制取器、装置及制取方法与流程

本发明涉及制冰，尤其涉及一种流态冰制取器、装置及制取方法。

背景技术：

1、用人工制冷的方法将水冷冻制冰是现代制冷技术的一个重要领域。

2、人造冰可以制成各种形状的，有块状冰、管状冰、片状冰、板冰、颗粒冰及冰晶。其中冰晶是 0.5~5mm大小的单个冰晶体悬浮在水或水溶液中，形成一种浆状物，具有很好的流动性，因此行业中也将冰晶称为“流态冰”或“冰浆”。

3、人造冰广泛用于食品冷冻保鲜、化工过程降温、捕捞水产、冷冻保鲜、屠宰胴体冰水冷却、混凝土加冰搅拌、冰蓄冷空调系统等。

4、另外，由于水结冰过程对凝固到冰晶中的物质分子种类具有选择性的特性，因此可以将结冰过程应用于海水淡化、液体食品的浓缩、净化与提纯方面。

5、随着制冰方法的创新所导致的制冰成本降低，装置制冰能力大型化、人造冰及制冰技术还会得到更加广泛的应用。

6、目前，被广泛应用的几种制冰方法和技术有盐水制冰、桶式快速制冰、板式制冰、管状 制冰、片冰制冰、颗粒制冰和冰晶制冰等几种。其中盐水制冰主要用于制取 25~125kg/块的大冰块，该方法以低温盐水为载冷剂，制冰耗时长且耗电量大，是一种最古老的的制冰方法。

7、管式制冰、板式制冰、片冰及颗粒制冰等几种方法都称为快速制冰，其明显的特点就是以制冷剂直接蒸发吸热作为冷源，制冷剂蒸发温度可以较低，制冷速度比盐水制冷快。以上几种制冰方法的一个共同特点是水在传热表面上冻结成冰，且随着结冰过程的进行，冰层逐渐加厚，导致制冰冷量穿过，冰层的传热阻力越来越大，而部分制冷机型还需要间歇性地以热气方式脱冰消耗一定量的冷量。

8、总体上影响了上述几种制冰方法的制冰效率和能量消耗，即表明上述制冰方式制冰耗电量大、生产成本高。

9、另外，几种快速制冰方式的制冰机单机换热面积受结构影响，通常都比较小，单机制冰能力也不可能做得很大。

10、制冰领域中比较特殊的一类是冰晶制冰，冰晶是在制冰过程中使水或某种水溶液冷冻降温，使水或水溶液的整体温度降到冰点以下，形成过冷水或过冷水溶液，然后直接在水或水溶液中冻结生成冰晶，冰晶直径通常在 0.5~5mm，后期会长得更大。在水或水溶液中生成的冰晶随水或水溶液一起流出制冷换热器，流出制冷换热器的过冷水或过冷水溶液中的冰晶将会继续长大或生成新的冰晶颗粒。

11、通过冰晶颗粒来吸收过冷水或过冷水溶液中的冷量以消除其过冷状态，消除了过冷状态的这种冰晶与水或水溶液的混合物也称为流态冰（或冰浆）。

12、流态冰具有优良的流动性，非常便于用泵输送到用冰的地方使用，根据用途不同，也可以将冰晶从水或水溶液中分离出来挤压成所需的形状使用。

13、目前，全球已有的冰晶制冰方法有两种，一种是以日本开发的过冷水方式为代表；另一 种则是以美国（0axin公司）的行星摆杆式冰晶制冰方式为代表，这两种制冰方式在原理是上有较大的区别。

14、过冷水方式制冰晶是将待制冰的原料水用泵输送到制冷换热器内（通常采用板式换热器），在要求的足够短的时间内将制冰水冷冻到要求的过冷温度。

15、达到过冷温度的制冰水须及时排出换热器进入到一容器中，处于过冷状态的制冰水不稳定，将在制冰水中生成冰晶颗粒消除过冷状态。

16、从而获得含有冰晶的冰水混合物，将冰水分离后的水再用泵输送到制冷换热器中冷冻，重复上述的制冰晶的过程。

17、过冷水法制冰晶的两个关键点是：精准控制冰水出制冷换热器的过冷度和严格控制冰水在换热器内的停留时间，过冷水法制冰晶采用板式换热器作为制冷换热器既有优势，也有明显的缺点。

18、其优势是板式换热器的制冰水的通道容积小，制冰水在通道内的停留时间短，且通道形状有利于提高制冰水的湍流效果，因而可以具有很高的传热效率。

19、其缺点是复杂的通道形状易造成制冰水在整个通道内流动不均匀及局部的流动死角。一旦制冰水在换热器内某处出现过度冷冻或制冰水在换热器内某处 停留时间过长，都将会在制冷换热器内出现结冰点。

20、一旦某处出现结冰点，其周围的制冰水流动状态将进一步恶化，出现恶性循环，结冰状况迅速扩展，以致在换热器的整个冰水流道出现冰堵，使制过冷水的换热过程无法继续下去；一旦出现这种状况，必须将制冷换热器停止制冷，对其进行热水融冰处理以消除冰堵，方能继续进行制过冷水的操作。

21、由于出现水堵这一不确定性难以以技术上彻底杜绝，导致以这一技术原理为基础的过冷水冰晶机无法长时间稳定可靠地运行。

22、另一方面出于对可能出现的制冷换热器流道产生的冰堵的担心，不可能将过冷水的过冷度设置得过大，这也影响了制冷换热器制冷能力的发挥和制冰效率的提高。

23、以上几方面无法克服的问题影响了过冷水冰晶机的商业化应用。

24、冰晶制冰的另一种方式是行星摆杆方式。

25、该方式有针对性地解决了采用板式换热器制冷作为制冷换热器出现的冰堵导致系统无法稳定运行的问题。

26、该方式采用壳管式换热器作为制冷换热器，液体制冷剂在换热管外的壳程内蒸发吸热制冷，制冰水在换热管内流动被冷冻制冰。

27、为了防止在换热管内壁上结冰，行星摆杆冰晶制冷方式在换热管内设置了一根摆杆，该摆杆既可沿换热管内壁公转，同时又贴着换热管内壁滚动作为随机自转。行星摆杆不断地扫过换热器内壁，防止在换热管内壁上结冰。

28、行星摆杆式冰晶机解决了板式换热器过冷水冰晶 机存在的可能发生冰堵的问题。

29、行星摆杆式冰晶机的摆杆的公转需要动力驱动，因此其复杂的传动系统也带来一系列难以克服的问题。

30、行星摆杆式冰晶机需要在每根换热管内设置一根摆杆，且摆杆是垂直悬挂在垂直布置的换热管上口的曲柄上，每根摆杆都需要一个由电机经过复杂的驱动盘带动众多的曲柄，最终驱动悬挂在曲柄盘上的长孔内的摆杆在换热管内作自由浮动的公转和自转。

31、由于上述复杂的运动方式和传动系统，导致了如下问题： 换热管直径过大，影响了制冰水在换热管内的流动状态和换热效率。

32、摆杆的运动惯性大，限制了与之匹配的换热管的数量和每根换热管的长度。进而限制了 单台行星摆杆冰晶制冰机的换热面积的大小。

33、由于行星摆杆驱动系统传动链较长，运动副数量较多（多达几十甚至几百运动副），且所有运动副都是滑动摩擦副，一旦其中某个运动副出现问题，整个运动系统都将卡死而无法正常运转，固而行星摆杆驱动系统运行的可靠性大打折扣。

34、受上述诸多限制因素的影响，行星摆杆方式只能在小型冰晶制冰机上应用，目前投入商业应用的冰晶制冷机的最大换热面积也只有 25m2，制冷能力为 117kw，制冷能力为30t冰/ 24 小时。

35、即使在这样的小型冰晶机上，行星摆杆系统被卡死的故障也时有发生，单机制冰能力 无法做得更大。

36、基于制冰技术对社会经济所具有的重要意义，以及冰晶在制冰领域的重要作用和广阔的应用前景，开发一种结构简单，运行可靠且能可靠地实现制取流态冰的技术，显得十分有必要。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明专利提出了一种流态冰制取器、装置及方法，冰水在流态冰制取器中的换热管内流动，低温载冷剂或者节流的制冷剂在换热管外与冰水之间进行换热，采取换热管和/或搅拌器，沿换热管的轴线方向相互转动，搅拌流入换热管内腔中的冰水的方式，提高冰水与低温载冷剂或蒸发制冷剂之间的换热效率，达到在简化结构的基础上，以较小的能耗实现快速、高效、可靠地实现制取流态冰的目的。

2、为实现上述目的，首先本发明提供一种流态冰制取器，包括壳体、换热管及搅拌器，所述壳体为圆柱形空腔结构，两端设置端盖，与所述壳体的本体同轴线活动密封连接；所述换热管设置在壳体内部，沿所述壳体轴线方向平行布置；流入所述壳体的冰水在所述换热管内流动，与在所述壳体与换热管外部所围成密封空间循环流动的低温载冷剂或制冷剂，通过所述换热管进行换热，冰水持续降低温度并未过冷水，并产生流态冰；所述搅拌器深入换热管内腔，与换热管同轴布置，所述换热管和/或搅拌器，沿所述换热管的轴线方向相互转动，搅拌流入所述换热管内腔中的冰水。

3、进一步地，所述换热管外壁设置换热肋片，所述肋片绕换热管螺旋设置，或者沿换热管轴线方向平行设置；所述换热管的一侧端面活动密封，所述密封端面附近外壁设置冰水流入通孔，所述冰水流入通孔用于冰水流入换热管内腔。

4、进一步地，换热管密封钣活动固定所述换热管两端，所述换热管密封钣边缘，密封固定在壳体内部；活动固定的所述换热管外壁套装第2转动密封装置，所述第2转动密封装置活动固定在换热管密封钣对应的通孔内，所述换热管密封钣通孔与换热管同轴设置，流入所述壳体的冰水的冲力推动换热管转动。

5、进一步地，还对应所述换热管设置多台驱动电机，所述驱动电机活动固定在壳体一端的端盖外侧，所述驱动电机的驱动轴，与穿过端盖延伸至对应换热管密封端面的转动轴同轴活动固定，所述驱动电机转速可调，用于驱动所述换热管正反向转动。

6、进一步地，所述搅拌器包括搅拌叶片及固定轴；所述搅拌叶片为框架方形结构，外面覆盖搅拌网，所述搅拌叶片弹性或刚性固定在固定轴上；所述搅拌叶片沿固定轴均匀固定，分为平直型、三叶型、四叶型或五叶型。

7、进一步地，所述搅拌器的固定轴沿换热管开口方向延伸至壳体内部，通过插入对应设置在固定支架上的通孔固定，所述通孔与对应换热管的轴线同轴设置，所述固定支架固定在所述壳体内部；所述固定轴的固定方式，包括所述固定轴插入活动放置在通孔内的第1转动密封装置内腔的活动固定，以及所述固定轴直接插入固定支架上通孔的焊接固定，所述活动固定、焊接固定方式择一选用。

8、进一步地，与所述固定支架活动固定的搅拌器，还设置驱动轮，所述驱动轮设置在换热管密封端面外侧或内侧，设置在外侧时，所述搅拌器的固定轴面向密封端面方向延伸，穿过密封端面插入同轴设置的所述驱动轮固定孔固定；设置在内侧时，所述固定轴延伸插入位于换热管内腔中的驱动轮固定孔固定；所述驱动轮用于冰水流入换热管腔体时，通过推动所述驱动轮转动，带动所述搅拌器转动搅拌冰水。

9、进一步地，换热管密封钣直接固定所述换热管两端，所述换热管密封钣边缘，密封固定在壳体内部；直接固定的所述换热管插入换热管密封钣上对应的通孔内，胀接或者焊接加工，与所述固定支架活动固定的搅拌器组合使用。

10、上述流态冰制取器，采取换热管和/或搅拌器，沿换热管的轴线方向相互转动，搅拌流入所述换热管内腔中的冰水的方式，提高冰水与低温载冷剂或蒸发制冷剂之间的换热效率，至少达到：结构简单，通过搅拌器与换热管之间转动，有效清除换热管内可能的流态冰堵塞，提高换热效率，实现可靠制取流态冰的效果。

11、本发明还提供一种流态冰制取装置，包括采取上述流态冰制取器、制冷设备及冰水分离器；

12、所述流态冰制取器、制冷设备及冰水分离器通过管路互相连通；

13、所述制冷设备为侧处风结构，包括翅片式冷凝器、冷凝风扇、压缩机、膨胀阀，以及气液分离器或壳管式蒸发器；

14、侧处风结构的所述制冷设备，通过隔钣隔为上下层，所述翅片式冷凝器放置在上层侧面位置，所述冷凝风扇设置在翅片式冷凝外侧；所述压缩机、气液分离器或壳管式蒸发器、膨胀阀放置在下层，所述压缩机、气液分离器或壳管式蒸发器固定在底座上，所述膨胀阀设置在下层上部空间中；

15、所述压缩机排气管与翅片式冷凝器的集气管连通，所述翅片式蒸发器的集液管与膨胀阀进口连通；

16、采取制冷剂蒸发方式制取流态冰时，使用所述气液分离器，所述气液分离器用于完成蒸发气态制冷剂的气液分离；所述膨胀阀出口通过液体截止阀，与所述冰浆制取器的载冷/制冷剂流入口连通，所述冰浆制取器的载冷/制冷剂流出口，通过气体截止阀最终与气液分离器的进口连通，所述气液分离器的出口与压缩机吸气管连通；

17、采取载冷剂换热方式制取流态冰时，使用所述壳管式蒸发器，所述壳管式蒸发器用于载冷剂的降温；所述膨胀阀出口与壳管式蒸发器的制冷剂进液管连通，所述壳管式蒸发器的制冷剂出气管与压缩机回气管连通；

18、节流的液态制冷剂在所述壳管式蒸发器的换热管中流动，与流入所述壳管式蒸发器的载冷剂进行蒸发换热，变为低温载冷剂后最终循环在所述流态冰制取器的壳体及换热管所围成密封空间内流动，持续降低在所述流态冰制取器换热管中流动的冰水温度，成为过冷水；

19、所述壳管式蒸发器的进水管，最终与流态冰制取器的载冷/制冷剂流出口连通，所述壳管式蒸发器的出水管，通过循环水泵与所述流态冰制取器的载冷/制冷剂流入口连通；

20、所述冰水分离器用于从流态冰制取器流出，混合有流态冰的冰水分离；所述冰水分离器为柜式结构，包括浮球阀、分离器换热管及冰水泵；所述冰水分离器上部设置分离器冰水进口，中部位置设置过滤网，用于过滤流态冰，过滤的流态冰集中收集后使用；所述冰水储存槽设置在冰水分离器上部，用于经过所述过滤器过滤的冰水储存；所述浮球阀设置在冰水储存槽上部，外接补充水源管路，用于制取流态冰的水源补充。

21、上述的流态冰制取装置，采取本发明的流态冰制取器、制冷设备及冰水分离器，循环制取流态冰，整个装置所需要的设备较少，有效保证了装置设备的运行可靠性，至少能达到高效、可靠地制取流态冰的效果。

22、本发明还提供一种采用上述流态冰制取装置，用于制取流态冰制取方法，步骤为：

23、步骤s1 ：经过所述冰水分离器分离的0℃的冰水，通过所述冰水泵，泵入流态冰制取器中，循环流入所述换热管中；

24、步骤s2: 通过所述制冷设备的壳管式蒸发器制取的-10～-4℃的载冷剂，或者冷凝后经过节流的液态制冷剂，流入所述流态冰制取器的壳体及换热管所围成密封空间内，在所述换热管和/或搅拌器，沿所述换热管的轴线方向相互转动下，不断搅拌流入所述换热管内腔中的冰水，载冷剂或节流的液态制冷剂与在所述换热管中流动的冰水进行换热，冰水温度持续降低，成为过冷水，不断产生流态冰，从所述流态冰制取器中流出；

25、步骤s3:从所述流态冰制取器中流出的混合有流态冰的冰水，流入所述冰水分离器中，过滤的冰水则通过所述冰水泵，泵入流态冰制取器中循环制取流态冰；

26、步骤s4: 经过所述冰水分离器的分离的流态冰，提供终端用户使用，融化的冰水则循环提供所述流态冰制取器制取流态冰。

27、步骤s5;完成流态冰的制取后，需要停止工作时，所述制冷设备停止工作，所述流态冰制取器停止制取流态冰，所述冰水分离器停止流态冰的分离。

28、采取上述方法制取流态冰，能至少达到以较为简单的操作步骤，实现连续可靠制取流态冰的效果。