从冰点水取热的方法与冰点水取热器

技术领域

本发明涉及热交换技术，特别是涉及从冰点水取热的方法与冰点水取热器。

背景技术

利用江河湖海水作为热源，通过水源热泵制造热水，对建筑、工农业、水产养殖等热用户进行供热，可以减少传统能源的消耗，保护大气环境，达到废物利用的目的，是资源再生利用、发展循环经济、建设节约型社会、维护友好环境的重要措施。

借助水源热泵，实现了废热的有效利用，变废为宝，是新型的可再生清洁能源利用技术，符合可持续发展、建设资源节约型社会的要求。将热泵系统技术与水利用技术相结合，在扩大水利用范围、拓展水治理效益方面具有深远意义。

水源热泵是依靠热泵机组内部制冷剂的物态循环变化，以消耗少量电能作为代价，通过热泵机组，以消耗少量电能作为代价，把水中的大量热量传递给建筑物等热用户，从而实现供热。水源热能替代了传统能源，具有高效节能、绿色环保、安全可靠等突出优点。

在水源热能利用的广阔范围内，目前已在两个温度区间获得成功的推广。一个是在40℃到100℃的中高温段，这其中主要是工业废热水，直接利用换热器进行回收，用于生产或供暖；另一个是10℃到20℃的中低温段，这其中主要是城市污水，利用热泵技术提升到40℃以上，对建筑进行供暖，已经大面积在为民造福。目前在0℃到10℃的低温段的水的利用方面，还有很大的障碍，还没有真正的开展起来。

在0℃到10℃的低温段的水的利用方面，其实有很大的市场前景，一是在一年的寒冷季节，各地都有丰富的0℃到10℃的低温段的水；二是寒冷季节有大量希望得到热量的利用的热用户，比如建筑供暖，水产养殖户加热养殖水池。

没能开展起来对0℃到10℃的低温段的水的利用，特别是没能开展起来对0℃冰点水的利用，主要的技术困难在于从0℃冰点水中吸热，导致0℃冰点水中降温后立刻结冰，固体的冰附着在换热器壁面上后，换热器换热效果大打折扣，甚至发生换热器堵塞，换热器彻底报废。

关于低温水，甚至冰点水利用，各地都有人在探索，提出了一些解决方案，从应用的实际情况来看，目前这一问题还是没彻底解决，市场还是没有真正打开。

目前，利用低温水的冰点水源热泵系统，在我国的许多城市，尤其在希望利用冰点海水热源的沿海城市，正在进行研究探索，市场潜力巨大。

随着整个社会节约能源、环保意识的提高，冰点水源换热技术引起极大重视，已经提到议事日程，一旦攻克这一个技术难关，它的应用领域很大，除了在城市空调、制取生活热水，还在食品、生化、制药工业、农林种植、水产养殖及农副产品加工储藏领域均将得到推广。应该充分挖掘利用各类可再生的低温热源或废热热源，包括冰点水资源，完善和推广冰点水源换热和热泵技术，向着建立节约型社会发展。

冰点水源热泵可分为直接式冰点水源热泵与间接式冰点水源热泵两类。直接式系统中，与冰点水换热的介质为制冷剂，间接式系统中，与冰点水换热的介质为中介水或防冻液。

前者冰点水与制冷剂之间经换热器壁面直接换热；后者则存在中介媒质，从而传热热阻增加，导致热泵系统效率随之下降。利用冰点水热源的直接式冰点水源热泵，将是巨大的挑战，也是巨大的机遇。

在热泵供暖系统中，利用冰点水作热源比利用空气作热源有很大的优点，主要是：在同样的环境条件下，冰点水热容大，利用冰点水可取出更多的热量。与利用空气取热相比，热泵工质蒸发温度可提5℃左右，热泵机组效率得以很大提高，系统总的耗电量可降低15％以上。

这一切美好前景，都有赖于冰点水吸热器的成功开发。

上述有关背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、赵军，戴传山主编，地源热泵技术与建筑节能应用，北京：中国建筑工业出版社，2009。

2、(美)沙拉，塞库利克著，程林译，换热器设计技术，北京：机械工业出版社，2010。

3、陈东，谢继红编，热泵技术手册，北京：化学工业出版社，2012。

发明内容

本发明的目的是给出从冰点水取热的方法与冰点水取热器。

一种从冰点水取热的方法，它由下列步骤组成：

(1)在取热器内，冰点水沿着倾斜的流道向下流淌；

(2)将第二种流体滴落到冰点水流表面；

(3)第二种流体从冰点水吸热，蒸发产生蒸汽，蒸汽流出取热器，用于对外供热；

(4)冰点水放热产生冰晶，形成冰水混合物，冰水混合物与第二种流体形成流体混合物；

(5)流体混合物流到取热器底部前，第二种流体已经全部蒸发，冰水混合物从底部流出。

该方法的特征在于：所说的第二种流体是制冷剂。

一种从冰点水取热的方法，所述制冷剂是不溶于水的沸点低于0℃的制冷剂。

一种冰点水取热器，它的结构包括：上封头、筒体、下封头、进液管、出气管、进水管、出水管、流道、空间、积水室和排污管。

冰点水通过筒体上方的进水管，流入冰点水取热器，在倾斜的流道上向下流淌；

制冷剂通过筒体上方的进液管，流入冰点水取热器，滴落并漂浮在冰点水流上；

制冷剂从冰点水吸热，制冷剂蒸发产生蒸汽，冰点水放热产生冰晶；

在流道上方空间有一个出气管，它的出口外接压缩机的进口端，不断地将制冷剂蒸汽抽出，送往供热器；

冰点水与冰晶形成冰水混合物，表面悬浮着制冷剂，在到达流道底部的积水室之前，制冷剂已经全部蒸发，冰水混合物流入积水室，并从积水室侧壁上的出水管流出。

所说的制冷剂是异丁烯。

一种冰点水取热器，所述倾斜的流道，它是竖立的圆柱螺旋流道，圆柱螺旋流道的外径等于冰点水取热器的筒体的内径，圆柱螺旋流道的内径等外径的二分之一，圆柱螺旋流道的内挡水边的高度等于螺旋节距的二分之一。

本发明的优是：

1，本发明的冰点水取热器，不需要对冰点水进行严格净化。冰点水直接进入冰点水取热装置，换热器中的冰点水流通管路不会被堵塞，能够长时间稳定工作。

2，在冰点水取热器中，冰点水直接与制冷剂进行热量交换，制冷剂是得到热量，制冷剂在其中可以实现较大的温升，从冰点水得到较多的热量，热泵机组效率得以很大提高。

4，尽管冰点水取热器筒体内侧置于冰点水流道中，但由于筒体不吸热，没有冷壁面，内表面不会结冰。

附图说明

图1是本发明从冰点水取热的方法步骤说明图；

图2是本发明冰点水取热器实施例的结构图；

图3是本发明冰点水取热器实施例的应用系统图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明从冰点水取热的方法步骤说明图。

本发明从冰点水取热的方法的步骤如下：

1，适量的冰点水通过进水管110，流入冰点水取热器，在支架170上的倾斜的流道130上，形成一个薄层，缓缓向下流淌；

2，适量的制冷剂通过进液管120，流入冰点水取热器，滴落在流道130上的冰点水流上；

3，选用的制冷剂不溶于水，比重比水小，所以制冷剂漂浮在冰点水流表面上，也形成一个薄层，沿着倾斜的流道，与冰点水一起向下流淌；

4，制冷剂从冰点水吸热，制冷剂受热蒸发产生蒸汽，冰点水放热产生冰晶；

5，在流道130上方空间160，有一个出气管135，它的出口外接一个抽气装置，不断地将制冷剂蒸发产生的蒸汽抽出，制冷剂蒸汽携带着从冰点水吸取的热能，被送往供热设备；

6，在流道130上，冰点水表面很快出现大量冰晶，形成冰水混合物，沿着倾斜的流道，继续向下流淌；

7，冰水混合物流到底部的积水室180前，制冷剂已经全部蒸发，积水室180壁面上有一个出水管140，外接一个抽水泵，将冰水混合物抽出。

图2给出了本发明冰点水取热器实施例的结构图。

本发明冰点水取热器实施例，它是一个立放的换热器，具体结构包括：上封头115，筒体105，下封头125，进液管120，出气管135，进水管110，出水管140，流道130，空间160，积水室180，排污管150。

本发明冰点水取热器实施例，它相当于热泵的蒸发器，所不同之处在于：在取热器内，制冷剂与热源水之间的换热是直接接触式换热，同时，它允许热源水放热时结冰。

具体流程为

1，冰点水通过筒体105上方的进水管110，流入冰点水取热器，在环形的倾斜的流道130上，形成一个薄层，缓缓绕圈向下流淌；

2，制冷剂通过筒体105上方的进液管120，流入冰点水取热器，滴落在流道上的冰点水流上；

3，选用的制冷剂不溶于水，比重比水小，所以制冷剂漂浮在冰点水流上，也形成一个薄层，沿着倾斜旋转的流道，一起向下流淌；

4，制冷剂从冰点水吸热，制冷剂蒸发产生蒸汽，冰点水放热产生冰晶；

5，在流道130中间，围起来的筒形空间160上方，有一个出气管135，它的出口外接压缩机的进口端，不断地将制冷剂蒸发产生的蒸汽抽出，制冷剂蒸汽携带着从冰点水吸取的热能，被送往供热器；

6，冰点水向制冷剂传热，冰点水散热，冰点水表面很快出现大量冰晶，产生的冰水混合物，沿着回转倾斜的流道，一起继续向下流淌；

7，到达流道底部的积水室180之前，制冷剂已经全部蒸发，剩下纯净的冰水混合物流入积水室180，积水室180壁面上有一个出水管140，冰水混合物从出水管140流出。

所述倾斜的流道，它是竖立的圆柱螺旋流道，圆柱螺旋流道的外径等于冰点水取热器的筒体的内径，圆柱螺旋流道的内径等外径的二分之一，圆柱螺旋流道的内挡水边的高度等于螺旋节距的二分之一。

在本发明冰点水取热器实施例中，制冷剂是冰点水和供暖循环水中间的传热媒质，相当于热泵中的制冷工质，本发明所选用的制冷剂需要具备以下性质：

1，它不溶于水；

2，在工作温度下，它有合适的压力；

3，无毒，便宜。

符合这些条件的制冷剂有几种，例如：异丁烯、1-丁烯、2-丁烯。

图3给出了本发明冰点水取热器实施例的应用系统图。

本发明冰点水取热器实施例的应用系统，它主要由以下几部分组成：取热器100，供热器300，压缩机200，膨胀阀400，几个阀门和几条管路。

取热器100是一个竖立设置的换热器，其功能相当于普通热泵的蒸发器，它有上下椭圆封头和中间一个圆形的筒体，冰点水进水管110从筒体上部水平引入，冰水出水管140从筒体靠下部引出，在底部封头有排污管150。从筒体上部，水平引入制冷剂进液管120它的另一端与膨胀阀400的一端相接。在上封头，有制冷剂管出气管135，它的另一端连到螺杆压缩机200的进口端。

螺杆压缩机200的出口端，通过制冷剂进气管310，连接到供热器300的筒体上部。供热器300是一个水平设置的壳管式换热器，它的功能相当于热泵的冷凝器，它有前后两个椭圆封头和一个卧式的圆形的筒体。供热器300的一端封头上，有水平设置的循环水进水管320和循环水出水管330。供热器300通过筒体底部的制冷剂出液管340，连接到膨胀阀400的进口端。

本发明冰点水取热器实施例的应用系统中，制冷剂在管路中的流动方向如实线箭头所示。通过膨胀阀400的制冷剂两相流，经过制冷剂管进液管120进入蒸发器100中。作为热源的冰点水，经过冰点水进水管110，也进入蒸发器100中。冰点水与制冷剂在蒸发器中换热，，产生的制冷剂蒸汽从制冷剂管出气管135流出，经压缩机200压缩升温后，经过制冷剂进气管310，从上部进入冷凝器300。

在冷凝器300中，制冷剂蒸汽与传热管中的循环水进行换热，制冷剂蒸汽凝结，而循环水被加温。产生的液态制冷剂从冷凝器300底部的制冷剂出液管340流出，流向膨胀阀400。而从循环水进水管320进入的循环水，被加热后，从循环水出水管330流出。