冷水凝固熱的採集裝置的製作方法

2023-09-22 10:04:35 1

專利名稱：冷水凝固熱的採集裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種從冷水中採集凝固熱的裝置。
背景技術：
利用水源熱泵技術從環境中的水中取熱為建築物供暖與空調，可使電能的利用率提高到四倍。不僅利用了可再生能源，而且避免了用礦物燃料做熱源對環境不可避免的汙染。熱泵供熱技術已出現近百年，它早已被公認為一項既節能又環保的優秀技術。然而熱泵技術卻一直沒有得到普遍的推廣，原因在於適合做熱泵水源的環境中的水並非處處都有，事實上，合適水源的匱乏是熱泵技術推廣應用的瓶頸。人們已經找到的熱泵水源有A.淺層地下水源。該水源並非處處都有，多數地區打很深的井也不能獲得足量的水。人們不僅要付出高昂的打井費用，更主要的是由於回灌很難，採集地下水會引發水文地質問題。B.土壤源。這是一種變相的水源。將水管埋入土壤，利用水的循環獲取土壤中的熱能。該方法的主要缺點是需要付出高昂的埋管費用，因此至今也沒有獲得推廣應用。C.本專利申請人已發明了一種利用城市汙水提供能源的裝置(專利號ZL 03 1 32553.X)，該裝置經幾個實際的工程驗證是切實好用的。實踐已經證明，城市汙水是熱泵技術推廣不可多得的優良熱源。自然環境中還有一類數量極大的水資源，即溫度很低，甚至接近0℃的天然水。嚴寒地區冬季表面已經封凍的江、河、湖底，中原和部分南方地區冬季的江、河、湖中都是這類低溫水。這類冷水對上述A.B.C各種方法都是不可用的，原因是受到水的0℃冰點的限制。取熱過程必然要令水降溫，接近0℃的水就沒有降溫餘地了。另外，在C方法的推廣應用中發現，常常是在適合採用城市汙水源熱泵供熱的建築附近找不到水量足夠的汙水源。對北方地區而言，每一萬平方米建築需要100噸/小時的汙水量，平均7-8棟樓下排的生活汙水始夠一棟樓採暖用。若能在提取汙水顯熱的同時也提取其凝固熱，則本樓排放汙水中的熱能將足夠供本樓採暖與熱水供應用能。本專利就是為提取水中的凝固熱而設計的。用凍冰法採集凝固熱技術的關鍵是如何在滿足經濟效益的情況下使結的冰及時從換熱面上被剝離以及如何使冰水無堵塞地在管道中被疏運。在實際中已有一些相近的技術，並在冰蓄冷空調中已有所應用。比較成熟是球體蓄冰與盤管蓄冰兩種方法，盤管蓄冰又可分為內蓄冰與外蓄冰。隨著冷量的儲存與釋放，這些金屬壁面上交替進行凍冰與融冰兩個過程。顯然，此類技術不能滿足所要達到的連續從水中提取凝固熱的要求。據文獻記載，冰蓄冷空調技術中還有一類製取流體冰(冰漿)的方法，包括四種一、為圓筒機械內刮的方法。所提該方法只能用於海水，採用套管結構，環空間為冷媒，內管中有機械刮板快速轉動，以避免海水析出的冰晶顆粒凍結到管壁上。該方法目前沒有解決好冰筒數量少時換熱器體積過大或冰筒數量多設備複雜的問題。該方法不能滿足從淡水中提取凝固熱的要求。二、為直接用水作製冷劑，在壓縮製冷過程中形成冰漿的方法。該方法令水質很差的天然水直接參與壓縮製冷顯然是不行的。三、為過冷水動態製冰的方法，僅為提出的一個設想，並在研究過程中，如何過冷而不往壁面上凍結，且達到可靠運行，是難以想像的。四、為採用低於零度的非溶液體與水混合，令水在空間而不是在壁面上結冰的方法。該方法系正在研究，還沒有實際應用；須解決的關鍵問題為合適非溶液體的選取及水在非溶液體中的霧化和熱、質交換問題。為獲取大量天然水中的凝固熱，該方法顯然也不適用。

發明內容
本發明的目的是為解決現有凍冰換熱技術還不夠成熟，還缺乏冷水凝固熱有效採集手段的問題，提供一種冷水凝固熱的採集裝置。本發明具有結構簡單、取熱效率高的特點，它能夠在取熱過程中突破0℃的關卡，令水凍冰，以獲取水的凝固熱。本發明由取水管1、冷水泵2、換熱結冰器3、密封圈4、鏈條5、主軸6、電機減速器7、排水管8、循環泵9、循環出水管10、循環進水管11、換熱結冰管12、絞龍刮板13、冷水進口罩14和冰絮出口罩15組成；冷水進口罩14和冰絮出口罩15分別固定在換熱結冰器3的兩端上，取水管1的出口端與冷水進口罩14相連通，取水管1的入口端與冷水泵2的出口端相連通，冷水泵2的入口端與水源相連通，排水管8的入口端與冰絮出口罩15相連通，排水管8的出口端通水源，循環出水管10的入口端與換熱結冰器3的一側前端相連通，循環出水管10的出口端與循環泵9的入口端相連通，循環進水管11的入口端與換熱結冰器3的一側後端相連通，換熱結冰管12固定在換熱結冰器3內，換熱結冰管12與換熱結冰器3之間由密封圈4密封連接，換熱結冰管12與換熱結冰器3及密封圈4之間形成水-乙二醇空間16，換熱結冰管12內形成水-冰絮空間17，絞龍刮板13設置在換熱結冰管12內，絞龍刮板13的一端與設置在換熱結冰管12端頭上的主軸6固定連接，主軸6與設置在冷水進口罩14內的電機減速器7之間由鏈條5傳動連接。本發明的工作原理是在換熱結冰管外的水-乙二醇空間內裝有凝固點很低的乙二醇水溶液，其工作溫度為-6℃以下，對換熱結冰管內為正在被取熱凍冰的冰水混合液採用絞龍刮板以機械「削」、「刮」的形式將凍結在換熱結冰管內壁上的冰層從壁面上剝離下來，與水混合形成冰絮並隨水流走，以不斷的採集熱量。獲得的熱量由水-乙二醇溶液作為媒體在循環泵9的驅動下，在換熱結冰器3與熱泵機組的蒸發器之間循環。
水的凝固熱比水的顯熱大得多。每公斤水溫度降低1℃才釋放1千卡熱量，而令其結冰則會釋放出80千卡凝固熱。本發明也可應用於溫度較高的城市汙水的取熱工藝中，可以解決經常發生的汙水量不能滿足要求的情況。本發明採集凝固熱的方法，可以使本樓生活汙水中的熱能足夠本樓採暖用熱。本發明具有巨大的節能與環保效益。每採集一噸水的凝固熱，可獲得80000千卡的熱能，這相當於燃燒27公斤煤所能獲得的有效熱能，同時少向大氣排放二氧化碳80多公斤。本發明可用於大量接近零度天然水凝固熱的採集。本發明具有結構簡單、取熱效率高的優點，它能夠在取熱過程中突破0℃的關卡，令水凍冰，以獲取水的凝固熱。


圖1是本發明的整體結構示意圖，圖2是圖1的A-A剖視圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一(參見圖1、圖2)本實施方式由取水管1、冷水泵2、換熱結冰器3、密封圈4、鏈條5、主軸6、電機減速器7、排水管8、循環泵9、循環出水管10、循環進水管11、換熱結冰管12、絞龍刮板13、冷水進口罩14和冰絮出口罩15組成；冷水進口罩14和冰絮出口罩15分別固定在換熱結冰器3的兩端上，取水管1的出口端與冷水進口罩14相連通，取水管1的入口端與冷水泵2的出口端相連通，冷水泵2的入口端與水源相連通，排水管8的入口端與冰絮出口罩15相連通，排水管8的出口端通水源，循環出水管10的入口端與換熱結冰器3的一側前端相連通，循環出水管10的出口端與循環泵9的入口端相連通，循環進水管11的入口端與換熱結冰器3的一側後端相連通，換熱結冰管12固定在換熱結冰器3內，換熱結冰管12與換熱結冰器3之間由密封圈4密封連接，換熱結冰管12與換熱結冰器3及密封圈4之間形成水-乙二醇空間16，換熱結冰管12內形成水-冰絮空間17，絞龍刮板13設置在換熱結冰管12內，絞龍刮板13的一端與設置在換熱結冰管12端頭上的主軸6固定連接，主軸6與設置在冷水進口罩14內的電機減速器7之間由鏈條5傳動連接。本實施方式在使用時其取水管1與排水管8均位於水源處，例如江、河、湖的深處或城市汙水渠。對流動的江、河水及汙水渠中的生活汙水排水(冰)管應位於取水點的下遊，對不流動的湖水兩者應相距20m以上。換熱結冰管12和絞龍刮板13的材質為不鏽鋼。
具體實施方式
二(參見圖1、圖2)本實施方式的換熱結冰管12的內徑為60-100mm。換熱結冰管12的長度為5-8m。其根數由所需換熱結冰面積確定。諸多換熱結冰管12平行地排成數排，每排5-8根。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三(參見圖1、圖2)本實施方式的絞龍刮板13的斜角γ偏離軸向20度，絞龍刮板13的外徑比換熱結冰管12的內徑小0.5-1mm。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。通過絞龍刮板13的慢速旋轉(每分鐘1轉)將換熱結冰管內壁上結的冰刮、削下來，隨水流走，以確保後續管路無堵塞運行。
以上實施方式的設計計算軸向管內流速υ＝1m/s管內徑d＝0.06m加螺旋後壁面衝刷速度 (α為旋轉角，α＝20°)cos=10.94=1.06m/s]]>
管內放熱係數計算Nu＝0.023Re0.8Pr0.3Re=1.060.061.78910-6=35550]]>Pr＝13.67Nu＝0.023×355500.8×13.670.3＝220Nu=hd,]]>λ＝0.55 管外放熱係數計算管外為逆橫向衝刷，但流速不高，估算放熱係數為1000w/m2℃傳熱係數 (忽略了導熱熱阻)考慮金屬壁與冰層的導熱熱阻，將K值修正為667×0.8＝534w/m2℃傳熱溫差6℃(0℃與-6℃)結冰速度計算ω(m/s)在壁面上冰上的形成速度ρB冰的容重(kg/m3)ρB＝900kg/m3冰的凝固熱γ＝80×4190＝335200J/kgω·A·ρ·γ＝K·A·Δt =5346900335200=0.010610-3=0.0106mm/s]]>亦即每平米換熱面積產冰體積為0.0106×10-3m3/sm2＝0.0106mm/s單位面積產冰量G(kgm2s)=0.010610-3900=0.0095kg/m2s]]>每平方米換熱面積的換熱量K·Δt＝534×6＝3200w/m2
建築熱負荷60w/m2每萬平米建築的熱負荷Q萬=600kw＝600×103w每萬平米建築所需換熱面積600103320034=140m2]]>考慮安全係數，取換熱面積為A＝200m2A＝πdL換熱管總長L=2000.06=1061m]]>分為200根並聯，每根長度l=L200=1061200=5.3m]]>冰水總流量V=4d22001m/s=0.57m3/s]]>水中最大的冰流量G(kgm2s)A=0.0095200=1.9kg/s=1.9900=0.002m3/s]]>冰在冰水中所佔的體積比例=0.0020.57=0.35%]]>根據此比例，冰水應該能夠無堵塞的繼續流動。
耗功分析(絞龍刮板旋轉)結冰速度為ω＝0.0106mm/s，每分鐘為ω＝0.636mm/分為減少耗功，令絞龍每分鐘旋轉一轉。(很慢)設在1米寬的冰層上刮掉0.6mm厚度(剛剛結的冰，硬度不高)需力50N。則每平方米換熱面積的耗功為πd.50N＝π·0.06×50＝9.42w/m2≈10w/m2對萬平米的建築所選取的200m2換熱面積刮冰耗功為10×200＝2kw考慮到傳動損失，電機效率等因素，取為3kw；而萬米建築設備所獲取的凝固熱為600kw；
耗功與獲熱之比為3600=0.005=0.5%,]]>微不足道。
可見設備是經濟可行的。
第二種設計計算軸向管內流速υ＝0.5m/s管內徑d＝0.1m加螺旋後壁面衝刷速度 (α為旋轉角，α＝20°)cos=0.50.94=0.53m/s]]>管內放熱係數計算Nu＝0.023Re0.8Pr0.3Re=0.530.11.78910-6=29625]]>Pr＝13.67Nu＝0.023×296250.8×13.670.3＝191Nu=hd,]]>λ＝0.55 管外放熱係數計算管外為逆橫向衝刷，但流速不高，估算放熱係數為1000w/m2℃傳熱係數 (忽略了導熱熱阻)考慮金屬壁與冰層的導熱熱阻，將K值修正為500×0.8＝400w/m2℃傳熱溫差6℃(0℃與-6℃)結冰速度計算ω(m/s)在壁面上冰上的形成速度ρB冰的容重(kg/m3)ρB＝900kg/m3冰的凝固熱γ＝80×4190＝335200J/kg
ω·A·ρ·γ＝K·A·Δt =4006900335200=0.00810-3=0.008mm/s]]>亦即每平米換熱面積產冰體積為0.008×10-3m3/sm2＝0.008mm/s單位面積產冰量G(kgm2s)=0.00810-3900=0.0072kg/m2s]]>每平方米換熱面積的換熱量K·Δt＝400×6＝2400w/m2建築熱負荷60w/m2每萬平米建築的熱負荷Q萬＝600kw＝600×103w每萬平米建築所需換熱面積600103240034=187.5m2]]>考慮安全係數1.1，取換熱面積為A＝200m2A＝πdL換熱管總長L=2000.1=634m]]>分為120根並聯，每根長度l=L120=634120=5.3m]]>冰水總流量V=4d21200.5m/s=0.471m3/s]]>水中最大的冰流量G(kgm2s)A=0.0072200=1.44kg/s=1.44900=0.0016m3/s]]>冰在冰水中所佔的體積比例=0.00160.471=0.34%]]>根據此比例，冰水應該能夠無堵塞的繼續流動。
耗功分析(絞龍刮板旋轉)結冰速度為ω＝0.008mm/s，每分鐘為ω＝0.48mm/分，旋轉角α＝20°為減少耗功，令絞龍每分鐘旋轉一轉。(很慢)
設在1米寬的冰層上刮掉0.5mm厚度(剛剛結的冰，硬度不高)需力50N。則每平方米換熱面積的耗功為πd·50N＝π·0.10×50≈16w/m2對萬平米的建築所選取的200m2換熱面積刮冰耗功為16×200＝3.2kw考慮到傳動損失，電機效率等因素，取為4kw；而萬米建築設備所獲取的凝固熱為600kw；耗功與獲熱之比為4600=0.0067=0.67%,]]>微不足道。
可見設備是經濟可行的。
權利要求
1.一種冷水凝固熱的採集裝置，它由取水管(1)、冷水泵(2)、換熱結冰器(3)、密封圈(4)、鏈條(5)、主軸(6)、電機減速器(7)、排水管(8)、循環泵(9)、循環出水管(10)、循環進水管(11)、換熱結冰管(12)、絞龍刮板(13)、冷水進口罩(14)和冰絮出口罩(15)組成；冷水進口罩(14)和冰絮出口罩(15)分別固定在換熱結冰器(3)的兩端上，取水管(1)的出口端與冷水進口罩(14)相連通，取水管(1)的入口端與冷水泵(2)的出口端相連通，冷水泵(2)的入口端與水源相連通，排水管(8)的入口端與冰絮出口罩(15)相連通，排水管(8)的出口端通水源，循環出水管(10)的入口端與換熱結冰器(3)的一側前端相連通，循環出水管(10)的出口端與循環泵(9)的入口端相連通，循環進水管(11)的入口端與換熱結冰器(3)的一側後端相連通，其特徵在於換熱結冰管(12)固定在換熱結冰器(3)內，換熱結冰管(12)與換熱結冰器(3)之間由密封圈(4)密封連接，換熱結冰管(12)與換熱結冰器(3)及密封圈(4)之間形成水-乙二醇空間(16)，換熱結冰管(12)內形成水-冰絮空間(17)，絞龍刮板(13)設置在換熱結冰管(12)內，絞龍刮板(13)的一端與設置在換熱結冰管(12)端頭上的主軸(6)固定連接，主軸(6)與設置在冷水進口罩(14)內的電機減速器(7)之間由鏈條(5)傳動連接。
2.根據權利要求1所述的冷水凝固熱的採集裝置，其特徵在於換熱結冰管(12)的內徑為60-100mm。
3.根據權利要求1所述的冷水凝固熱的採集裝置，其特徵在於換熱結冰管(12)的長度為5-8m。
4.根據權利要求1所述的冷水凝固熱的採集裝置，其特徵在於絞龍刮板(13)的斜角γ偏離軸向20度。
5.根據權利要求1所述的冷水凝固熱的採集裝置，其特徵在於絞龍刮板(13)的外徑比換熱結冰管(12)的內徑小0.5-1mm。
6.根據權利要求1所述的冷水凝固熱的採集裝置，其特徵在於換熱結冰管(12)和絞龍刮板(13)的材質為不鏽鋼。
全文摘要
冷水凝固熱的採集裝置，它涉及一種從冷水中採集凝固熱的裝置。本發明的目的是為解決現有凍冰換熱的相關技術還不夠成熟，還缺乏冷水凝固熱有效採集手段的問題。本發明換熱結冰管(12)固定在換熱結冰器(3)內，換熱結冰管(12)與換熱結冰器(3)之間由密封圈(4)密封連接，換熱結冰管(12)與換熱結冰器(3)及密封圈(4)之間形成水－乙二醇空間(16)，換熱結冰管(12)內形成水－冰絮空間(17)，絞龍刮板(13)設置在換熱結冰管(12)內，絞龍刮板(13)的一端與設置在換熱結冰管(12)端頭上的主軸(6)固定連接，主軸(6)與設置在冷水進口罩(14)內的電機減速器(7)之間由鏈條(5)傳動連接。本發明具有結構簡單、取熱效率高的優點，它能夠在取熱過程中突破0℃的關卡，令水凍冰，以獲取水的凝固熱。
文檔編號F25C1/00GK1800746SQ20061000961
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月12日 優先權日2006年1月12日
發明者孫德興, 張承虎, 吳榮華, 劉志斌 申請人:哈爾濱工業大學