一种含冰率可控的冰源热泵系统技术方案

本发明专利技术属于新能源技术领域，更具体地，涉及一种含冰率可控的冰源热泵系统。其包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。本发明专利技术不仅突破了传统水源热泵对于进水温度的限制，解决了传统机组在冬季因进水温度过低导致蒸发器结冰而无法工作的问题，而且实现了对系统中含冰率的控制，能够保证系统对相变潜热的最大利用，防止在冰浆输送过程中因含冰率过高而导致管道冻结堵塞。

【技术实现步骤摘要】
一种含冰率可控的冰源热泵系统
本专利技术属于新能源
，更具体地，涉及一种含冰率可控的冰源热泵系统。
技术介绍
近几年我国积极发展水源热泵技术，并且建设了大量的利用江水、湖水等地表水以及地下水的水源热泵，起到了良好的节能减排效果，但是受地下水的限制，水源热泵的推广存在障碍。此外，水源热泵对于进水温度存在要求，对于低于4℃的地表水，在使用过程中可能会导致蒸发器结冰而自动停机。而我国北方冬季河流存在结冻现象，南方流量较小的河流以及面积较小的湖泊温度较低，不适合作为低温热源。一种冰源热泵供能系统被提出并发展，该系统可利用过冷水作为低温热源，可利用过冷水在结冰过程中释放的相变潜热。比如中国专利CN106091077A公开的一种冰源热泵供能系统，该系统包括冰水混合物制备装置，其冰水混合物制备装置与冷凝器通过热量输送装置连接，使冰水混合物制备装置得到的相变潜热热量传输给冷凝器；该专利技术使过冷水部分结冰释放潜热，再利用乙二醇循环将低温热源的温差显热以及相变过程释放的潜热传输给热泵主机。该技术可以一定程度上解决低温热源利用困难的问题，同时降低了对水源的流量需求，但是在冰水混合物的制备过程中，冰水混合物中结冰量是随机的，实际运行时或者出现结冰量太少，相变潜热利用率太小；或者结冰量太大，出现冰堵现象，导致系统瘫痪。现有技术的供能系统不能有效解决潜热利用的比例控制。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种含冰率可控的冰源热泵系统，其目的在于通过采用超声波促晶的方式解除冰水混合物制备装置中的过冷水的过冷状态，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰，由此解决现有技术的冰源热泵供能系统不能对潜热利用的比例进行有效控制的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种含冰率可控的冰源热泵系统，包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；所述过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置构成循环回路；工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，流经所述过冷水热交换器，通过该热交换器将获得的热量传递给供能热泵主机；该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。优选地，所述超声波过冷解除装置包括壳体以及封装在所述壳体内部的超声波发生器，所述超声波过冷解除装置的进口与所述过冷水热交换器的出口相连，所述超声波过冷解除装置的出口与所述冰水混合物分离装置的进口相连。优选地，所述超声波过冷解除装置为竖直放置，其进口管以水平方向导入该装置的内腔，其出口管以水平方向导出内腔，且所述进口管和出口管分别位于所述内腔的上下两端，其超声波发生器的发射面正对所述内腔的中心轴。优选地，所述超声波过冷解除装置出口处还设置有压力传感器和流速传感器，用于监控所述超声波过冷解除装置出口管道内的压力和流速；同时在所述过冷水换热器和所述超声波过冷解除装置之间还设置有加热器，用于消除所述超声波过冷解除装置出口管道内的压力和流速不在预设范围内时的冰堵现象。优选地，所述冰水混合物分离装置和所述过冷水热交换器之间还设置有预热器，所述预热器用于防止过冷水在所述过冷水热交换器中过早的发生相变而使换热器堵塞。优选地，所述冰水混合物分离装置与所述预热器之间设置有冰晶过滤器；所述冰晶过滤器用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵；所述冰晶过滤器的进口与所述冰水混合物分离装置的出口相连，所述冰晶过滤器的出口与所述预热器的进口相连，所述预热器的出口与所述过冷水热交换器的进口相连。优选地，该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置中超声波的频率、声强和/或超声波发生器的功率来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。优选地，根据系统循环性能系数COP或综合部分负荷性能系数IPLV确定系统最佳含冰率，系统COP循环性能系数或综合部分负荷性能系数IPLV达到最大值相对应的含冰率为最佳含冰率。优选地，所述系统还包括热泵主机供能循环模块，该供能循环模块包括所述过冷水热交换器以及供能热泵主机；且所述冰水混合物制备循环模块与所述热泵主机供能循环模块共用该过冷水热交换器；工作时，通过该换热器将从所述冰水混合物制备循环模块中获得的热量传递给所述供能热泵主机。优选地，所述热泵主机供能循环模块的循环工质为乙二醇的水溶液。优选地，所述过冷水热交换器为板式换热器。优选地，所述过冷水热交换器与所述超声波过冷解除装置之间设置有冰晶传播阻断器，用于防止冰晶扩散导致所述过冷水热交换器内发生冰堵。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的一种含冰率可控的冰源热泵系统，采用超声波促晶的方式解除冰水混合物制备装置中的过冷水的过冷状态，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。通过控制含冰率，能够更大程度提高冰浆浓度以获得最大的相变潜热。(2)本专利技术提供的含冰率控制系统采用的超声波过冷解除装置通过超声波使得过冷水中的水分子成核，当超声波振子产生超声波时，声波会辐射过冷水，在声强的膨胀作用下，液体中会产生部分气泡，气泡在声强的膨胀作用下会继续扩大，但在声强变化为压缩性质时，气泡会被急剧压缩，在压缩过程中，气泡会破裂，并且放出较大的能量，此过程将超声波的能量转化为高温高压，在高温高压作用下，使冷水中产生晶核。通过控制超声波的频率、声强以及超声波发生器的功率，能够对超声波的机械作用机制和热机制的效果达到良好的控制，实现对结冰过程中冰晶生成数量以及生成速率的有效控制，从而控制含冰率。(3)本专利技术提供的含冰率控制系统通过在过冷水热交换器之前合适的位置设置预热器，将过冷水控制在合适的温度范围，并进一步设置冰晶过滤器，避免过冷水在热交换时过早发生相变而导致热交换过程发生冰堵。(4)本专利技术提供的含冰率控制系统最大效率潜热利用时对应的含冰率可以通过计算得到，根据系统COP或综合部分性能系数IPLV可推算系统最佳含冰率，系统COP或综合部分性能系数IPLV最大值时对应的含冰率即为最佳含冰率。(5)本专利技术提出的对制冰释放潜热过程中的含冰率进行控制，并具体通过利用超声波促晶的方式对冰水混合物制备过程中含冰率进行控制，有效解决了冰源热泵潜热利用的比例控制，保证了系统稳定正常运行，并且能够合理地利用相变潜热，减少所需低温热源供应量，提高了机组能效。(6)本专利技术公开了一种基于冰源热泵系统含冰率控制系统，其包括超声波过冷解除装置为核心的冰水混合物制备系统、过冷水热交换器、乙二醇循环、热泵主机等装置；本专利技术将超声波可控制冰技术与热泵供能系统结合，利用中介循环将超声波制冰释放的热量供给热泵热源侧。其中过冷水在冰水混合物装置中发生结冰，释放相变潜热，超声波扰动制约结冰过程控制系统含冰率，过冷水热交换器与乙二醇循环将相变潜热以及温差热传输给主机。本专利技术不仅突破了传统水源热泵对于进水温度的限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含冰率可控的冰源热泵系统，其特征在于，包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；所述过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置构成循环回路；工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，流经所述过冷水热交换器，通过该热交换器将获得的热量传递给供能热泵主机；该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。

【技术特征摘要】
1.一种含冰率可控的冰源热泵系统，其特征在于，包括冰水混合物制备循环模块，所述冰水混合物制备循环模块包括过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置；所述过冷水热交换器、超声波过冷解除装置和冰水混合物分离装置构成循环回路；工作时，过冷水在所述超声波过冷解除装置中利用超声波作用产生晶核，解除过冷状态，实现部分结冰，生成冰水混合物，并在所述冰水混合物分离装置中实现固液分离，固液分离得到的液态水从所述结冰过程中获得热量，流经所述过冷水热交换器，通过该热交换器将获得的热量传递给供能热泵主机；该系统工作时，通过控制所述超声波过冷解除装置的工作参数来控制生成的冰水混合物中的含冰率，实现可控结冰。2.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述超声波过冷解除装置包括壳体以及封装在所述壳体内部的超声波发生器，所述超声波过冷解除装置的进口与所述过冷水热交换器的出口相连，所述超声波过冷解除装置的出口与所述冰水混合物分离装置的进口相连。3.如权利要求2所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述超声波过冷解除装置为竖直放置，其进口管以水平方向导入该装置的内腔，其出口管以水平方向导出内腔，且所述进口管和出口管分别位于所述内腔的上下两端，其超声波发生器的发射面正对所述内腔的中心轴。4.如权利要求1所述的冰源热泵系统，其特征在于，所述冰水混合物分离装置和所述过冷水热交换器之间还设置有预热器，所述预热器用于防止过冷水在所述过冷水热交换器中过早的发生相变而使换热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志高，朱娜，胡平放，罗振宇，沈健，邱俊洁，康杰，李志华，王彦芳，徐连，吴一鸣，
申请(专利权)人：湖北风神净化空调设备工程有限公司，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42