一种冷冻水制备系统及其制冷方法与流程

本发明涉及一种冷冻水制备系统以及利用该冷冻水制备系统的制冷方法，其利用高真空度状态下水在低温仍然可以汽化吸热降低水温的基本原理，设计高效保温汽化器，其中装满比表面积较大的填料，在这一相对体积小、但比表面积大、蒸发面积大、汽化量大的汽化器中，大量的被水快速汽化，吸收汽化热、在不提供外部热能情况下集聚冷能，快速地降低水温获得冷冻水，一个相对较小体积的高效保温汽化器相当于一台高效制冷机，把水的温度降至零度以下从而得到冷冻水，按照本发明的技术方法制备冷冻水，冷冻水可用于空调、中央空调、冰箱、冰柜、冷藏等其他制冷装置制造，该制冷技术不需要压缩机、不需要氟烃类、烷烃类、液氨等现有的制冷剂，绿色、环保、安全、方便、节能，属于先进制造工业。

背景技术：

1、一般认为制冷剂的发展经历了四代更替历程。第一代制冷剂的特点是容易获得，大多数制冷剂都是一些常见的溶剂和其他的挥发性工质，如橡胶硫化物、二乙醚、二氧化碳(co2)、氨和二氧化硫(so2)等。几乎所有的第一代制冷剂都具有毒性或者可燃性，或具有较强的腐蚀性和不稳定性，易引发事故。第二代制冷剂的研发，开启了人工合成制冷剂的序幕。20世纪30年代，cfcs和hfcs的问世，使得该类化学品在制冷剂行业得到了广泛的应用，同时也使得制冷技术得到了快速发展。它们都是氯氟烃物质，这一代制冷剂的特点是安全、稳定、高效。上世纪70年代科学家发现含氯卤代烃的氯原子对臭氧层的巨大破坏作用，引起了国际社会对大气环境的关注，开始控制hfcs和hcfcs的产出与消耗。hfcs和hcfcs的淘汰促进了保护臭氧层的第三代制冷剂的出现。它们是不含氯元素的氢氟烃(hfcs)物质，如hfc-134a、hfc-125等。这类制冷剂具有不破坏臭氧层、无毒、稳定好等特点，缺点是仍没有完全满足理想制冷剂在odp、gwp、可燃性、毒性这四个方面的要求，而且它们难以达到原来cfcs或hcfcs的热力性能。第四代制冷剂的提出是为了应对面临的环境问题，应对气候变化，禁止温室效应潜值大于150的氢氟烃的使用和排放。

2、然而，目前为止研发的绿色制冷剂还没有一种纯工作介质流体能够完全达到理想制冷剂几个方面的要求，这促使人们关注和研究用环保的混合工质来替代现有的制冷剂，并对混合工质进行深入研究。

3、第四代制冷剂的研究进展

4、近年来，全球范围内的多个研发机构和公司都在开展替代制冷剂的研发和评价，并取得了一些重要成果。提出了三条具有应用价值的新工作介质替代路线：第一条是开发不饱和氟化烯烃类制冷工质；第二条是采用天然制冷工质；第三条是开发混合制冷剂工质。不饱和氟化烯烃(hfos)的优点是odp值为0、gwp较低、无毒性，缺点是大部分具有弱可燃性，目前价格比较昂贵。在制冷性能方面，单工质的hfos容积制冷量小，系统应用性能系数cop较低。hfos应用时的热稳定性、材料相容性、温度滑移等问题都需要考虑。目前，hfos的研究热点主要是四氟丙烯(hfo-1234yf、hfo-1234ze)，且只应用在替代hfc-134a的空调系统中，要大规模替换hcfc-22还需要开发新的制冷系统。hfo-1234yf化学分子式为cf3cf＝cf2，作为制冷剂具有较好的环境性能，它的odp值为0，gwp值为较低，整个生命周期碳排放量较低，毒性小，具有一定的可燃性(可控)，其热力性能与hfc-134a相近。但与hcfc-123h、hfc-134a制冷系统相比，它的能效较低。hfo-1234yf已应用于汽车空调器和大部分现在使用hfc-134a的制冷系统。hfo-1234ze化学分子式为cf3ch＝chf，作为制冷剂也具有较好的环境性能，其odp值为0、gwp值较低、毒性很小，而且几乎不易燃。

5、天然制冷剂

6、具有应用价值的天然制冷剂有氨(r717)、二氧化碳(r744)、丙烷(hc-290)和丁烷(hc-600)，其中烷烃制冷剂(hcs)在冷冻箱和家用电冰箱已被广泛使用。

7、液态二氧化碳(r744)具有优异的环境性能，是第四代制冷剂替代技术的研究热点。由于co2的饱和蒸汽压较高，制冷系统需要在高压条件下运转，co2需要进行跨临界循环，与使用普通制冷剂的压缩机相比，co2制冷系统具有工作压力高、压差大、压比小、运动部件间隙难以控制、润滑较困难等特点，因此，压缩机的开发是制约co2制冷剂替代技术发展的难点。

8、氨(r717)在冷冻冷藏和工业领域应用广泛，并且效率高，性能与hcfc-22相当。但是因为其易燃易爆并且有毒，在楼宇空调中被限制使用。如果能解决密封和防爆的问题，在制冷空调系统中，在空调系统中，氨将是hcfc-22最好的替代物。

9、烷烃(hcs)制冷剂不含氟和氯原子，odp值为0、gwp值低、无毒、理论制冷效率高，具有很好的环保特性，缺点是具有强可燃性。目前应用最为广泛的烷烃制冷剂是丙烷和异丁烷。丙烷(hc-290)与hcfc-22相比，其odp值为零，gwp值为20。在制冷效率方面，hc-290的循环质量流量较hcfc-22h小40％左右，且其换热温差较小，换热系数较高。hc-290性能优异，能够广泛应用于空调、热泵、冷冻冷藏等多个领域，唯一的缺点在于可燃性，需要通过技术手段确保使用安全。研究热点集中在减少系统充注量、安全性等方面。hc-290的推广使用或许短期内还需要一个适应过程，但应用前景十分广阔。

10、异丁烷(hc-600a)的物理性质与hcfc-12相近，已在冰箱中用作hcfc-12和hcfc-123a的替代制冷剂。由于hc-600a对润滑油的黏度和泡沫特性存在影响，阻碍了摩擦副烧结铁表面氧化层的形成，使轴承摩擦增大。

11、混合制冷剂

12、混合制冷剂是由两种或两种以上的纯工质按照一定比例混合而成的。按照是否具有共沸特性分为共沸混合工质和非共沸混合工质。早在第三代制冷剂时期，国际上已经采用了混合制冷剂的替代方案。典型的应用案，例如，r500混合制冷剂(cfc-12/hfc-152a共沸制冷剂)，该技术于1956年在电冰箱及冷柜中开始使用，但由于odp值较高，于1990年后停止使用。现在混合制冷剂的研究热点主要是hfcs混合制冷剂和hfos混合制冷剂。

13、hfcs混合制冷剂

14、hfcs混合制冷剂是现阶段研究最多和最成熟混合制冷剂。美国杜邦公司和英国帝国化学工业集团(ici)公司研发了十几种系列产品，其制冷效果优异，但gwp值较高。常用的混合制冷剂主要有hfc-410a、hfc-407c。hfc-410a是hfc-32/hfc-125的二元近共沸混合物，odp值为零，具有优良的传热特性和流动特性。由于hfc-125起到了改善hfc-32可燃性和压力高的效果，几乎不可燃，温度滑移小，但是排气压力、容积制冷量等较hcfc-22大很多，无法直接充灌，使用时需要重新设计压缩机及主要部件，在现有系统的改造中通常使用r407c。hfc-407c是hfc-2/hfc-25/hfc-34a的三元混合物，其odp值为零，其主要优点是能效比、压比(压气机出口总压与进口总压之比)接近hcfc-2，可以直接充灌，主要缺点是系统泄漏时成分会发生变化，对系统维修及性能产生影响。hfc-407c的缺点是传热特性较差，gwp值高达1500多，对温室效应具有很大的影响。我国研制的hfc-52a/hcfc-22混合制冷剂具有温室效应低、节电性能、安全性高的特点，其最大的优点在于技改费用低，国内企业在原有的生产线上略加改造即可实现新制冷剂的制冷设备。然而，其主要成分中仍含有hcfc-2，odp值较高。受到odp值的影响，正在逐渐的被环保制冷剂替代。hfc-2/hfc-34a为非共沸混合制冷剂，在等压下冷凝或蒸发时，其温度将发生滑移，在混合物组分为25∶75(物质的量比)、压力为500kpa时，泡点温度滑移值为7.3℃；而在2000kpa条件下，露点温度滑移值为5.8℃。利用这一特性进行不等温传热，通过正确布置蒸发器和冷凝器的管道内流体走向，可以降低传热温差，提高传热效率，提高循环效率。

15、hfc-52a/hfc-25为近共沸混合制冷剂，该混合制冷剂的蒸气压曲线与hcfc-2的比较相近。hfc-152a的缺陷是具有可燃性，加入一定量不可燃的hfc-125可以抑制其可燃性，尽管hfc-125的gwp值较高，但是hfc-152a的gwp值约为0，当其在混合物达到适当的比例时，混合物的gwp值将会降低到满意的程度。基于高gwp值的hfcs混合制冷剂，由于受到温室效益的约束，只能作为过渡性临时替代剂。

16、hfos混合制冷剂

17、hfos混合制冷剂是兼顾了环保和制冷两方面的性能而开发的新型制冷剂。目前，hfos混合制冷剂可分为二元混合、三元混合以及多元混合制冷剂。二元的混合制冷剂主要有：hfo-1234yf/hfc-32、hfo-1234yf/hfc1234a、hfo-1234ze/hfc-32、hfo-1234ze/hfc1234a。三元的混合制冷剂有：hfo-1234yf/hfc-32/hfc1234a,hfo-1234ze/hfc-32/hfc134a。

18、综上所述，hcfc-22制冷剂替代问题仍然没有完全解决。天然制冷剂尤其是r744和hc-290，在解决压缩机的密封性等机械问题后，将是非常理想的制冷剂。然而，以上问题的解决还需要时间和技术上的不断突破，混合工质制冷剂则是一种比较好的选择，开发和应用前景广阔。

19、hfcs混合制冷剂因为其具有较高的gwp值，属于《京都议定书》所列明的应实施减排的六大类温室气体之一，只能作为过渡制冷剂使用。hfos与hfcs组成的混合制冷剂，既可以降低hfos的可燃性，又能够提高hfos的制冷效率，还能有效地降低hfcs的gwp值，具有进一步作为替代制冷剂工质的潜力。此外，hcs由于可燃性问题也阻碍了它们的单独应用，而hfcs和hcs组成的混合工作介质一方面可以降低hcs的可燃性，另一方面可以改善hfcs与矿物冷冻油互溶性差的问题，且混合物的gwp值低于hfcs，同样具有较好的替代潜力。

20、当前，国内外使用的空调制冷剂都是氯氟烃物质，含氯元素的制冷剂既破坏大气臭氧层又是强的温室气体，比较先进的含氟制冷剂尽管对臭氧层无害但是其gwp值依然很高，是强温室气体。总而言之，目前还没有开发出满足性能、环保等要求的制冷剂和制冷技术。随着《巴黎协定》、《基加利协定》等气候变化条约的履行，各种odp、gwp值较高的氯氟烃类制冷剂终究要被完全禁止生产和销售，而相对环保的烷烃类、液氨制冷剂因为极易燃烧或其他因素也存在许多问题。因此，在空调行业研究和寻找既能满足制冷要求又环保的制冷技术，是当前亟需解决的世界难题，需要开展长期研究工作。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供一种冷冻水制备系统及其制冷方法。

2、本发明的冷冻水制备系统，基于在高真空度状态下水被汽化吸热降低体系内水温度的原理，制备冷冻水。本发明在制备冷冻水的过程中不需要压缩机，而是使用真空泵，也不需要现有技术中正在使用的各类氯氟烃、烷烃以及液氨等制冷剂，而是只需要使用水和防冻剂。尤其是，本发明利用在同等条件下水的蒸发面积越大蒸发量越大的基本原理，提出一种在很小的空间体积内增大蒸发面积、加快水的汽化速度、增加水汽化量的制冷方法，以加快水的降温速度而获得冷冻水。

3、本发明的冷冻水制备系统，包括进水系统、真空系统以及一个可连通地连接在进水系统与真空系统之间的高效保温汽化器，进水系统用于向高效保温汽化器供应水或水溶液，真空系统用于使得高效保温汽化器的内部空间形成真空环境。

4、本发明的主要发明点在于设计了多种不同结构的高效保温汽化器。

5、总体上，所述高效保温汽化器内的上层设有与进水系统连接的水分布器；该高效保温汽化器内的中层安装具有多根多边形汽化管的汽化管组，从所述水分布器分布的水或水溶液可被均匀加入到每根汽化管中；在高效保温汽化器内的中层或者下层再安装一套与外部循环水系统连接的热交换盘管，该热交换盘管或单独设立于汽化管组的下方，或者与所述汽化管组相互交替地盘绕设置。在该高效保温汽化器内的中层空间、汽化管组的每根汽化管中和/或热交换盘管的空隙中填满填料。在高真空状态下，所述高效保温汽化器内的水或水溶液被快速汽化，汽化过程中水吸收汽化热，从而快速降低水的温度，获得冷冻水。

6、作为进一步的改进，本发明设计了三种水分布器。

7、第一种水分布器：该水分布器的底面设有均匀分布的出水孔，并在水分布器的底部下方安装多根细水管(优选为聚四氟乙烯管)，细水管的数量与汽化管组的汽化管数量相同，这些细水管向下穿过一个多孔不锈钢薄板后再与对应的多个花洒喷头分别连接，所述水分布器分布的水通过花洒喷头被均匀加入到对应的汽化管中。

8、优选地，在第一种水分布器的下表面还可以安装旋转式罗盘水阀，通过该旋转式罗盘水阀再与多根细水管连接。

9、第二种水分布器：该水分布器的底部为平面螺旋形盘管，该平面螺旋形盘管上设有均匀分布的出水孔。

10、第三种水分布器：该水分布器包括一根水平主水管和与之垂直并向主水管两侧水平平行延伸的多根侧水管，主水管与侧水管相互连通并均设有均匀分布的出水孔，水分布器31的进水口连接至所述进水系统。

11、优选地，在第二种和第三种水分布器的下方均设有一个第一多孔不锈钢薄板。优选地，该多孔不锈钢薄板设置在高效保温汽化器3的上层与中层之间的连接面上。

12、作为进一步的改进，本发明还设计了三种不同结构和设置方式的汽化管组和热交换盘管。

13、第一种结构和设置方式的汽化管组和热交换盘管：

14、汽化管组和热交换盘管分别设置在高效保温汽化器内的中层和下层。其中，汽化管组具有紧密排列的多根竖向的多边形汽化管(优选为六边形汽化管)，所述水分布器分布的水被均匀加入到每根汽化管中。热交换盘管为立体螺旋形盘管，其直径略小于高效保温汽化器的壳体内径，该热交换盘管的进水口和出水口与所述外部循环水系统连接。此种设置方式可以称为“上下式结构”。

15、第二种结构和设置方式的汽化管组和热交换盘管：

16、汽化管组和热交换盘管均设置在高效保温汽化器内的中层，两者相互交替地盘绕设置。其中，汽化管组包括多根垂直汽化管，这些垂直汽化管呈u形环状连续设置。热交换盘管包括在竖向上相距一定距离的一根水平进水管和一根水平出水管，在进水管的水平面上，与之垂直地设有多根相互平行且连通的水平冷却管，在出水管的水平面上，与之垂直地设有多根相互平行且连通的水平冷却管，在上述两个水平面上的水平冷却管之间均匀分布地连接多根垂直冷却管，水平冷却管与垂直冷却管组成纵横交错、相互连通的网格状结构。而且，汽化管组的垂直汽化管呈u形环状连续地盘绕在热交换盘管的垂直冷却管外，相邻的垂直汽化管与垂直冷却管保持一定间距。此种设置方式可以称为“外套式结构”。

17、第三种结构和设置方式的汽化管组和热交换盘管：

18、汽化管组和热交换盘管均设置在高效保温汽化器内的中层，两者相互交替地盘绕设置。其中，汽化管组包括多根垂直汽化管，这些垂直汽化管呈u形环状地连续设置。热交换盘管包括在竖向上相距一定距离的一根水平进水管和一根水平出水管，在进水管与出水管之间呈u形环状地连续设有多根垂直冷却管，进水管、出水管和垂直冷却管相互连通。而且，热交换盘管的垂直冷却管被容置(内嵌)在汽化管组的垂直汽化管内，相邻的垂直冷却管与其外侧的垂直汽化管保持一定间距。此种设置方式可以称为“内嵌式结构”。

19、在以上三种结构和设置方式的汽化管组和热交换盘管的基础上，优选地，汽化管组的管口上面铺有一层不锈钢细丝纤维。优选地，在汽化管组的下方安装一个圆形的第二多孔不锈钢薄板，所述汽化管被彼此平行地固定在该第二多孔不锈钢薄板上。优选地，该第二多孔不锈钢薄板上铺有一层不锈钢细丝纤维。

20、优选地，本发明中填料的比表面积比较大，以此增加蒸发面积，填料的比表面积为100-6000m2/m3，优选200-5500m2/m3，优选300-5000m2/m3，优选400-4800m2/m3，优选500-4600m2/m3，优选600-4500m2/m3，例如700、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000m2/m3。优选地，本发明中的填料为不锈钢填料。这样，一个体积仅为几十升的高效保温汽化器，其截面积不到0.1平方米，由于填装了比表面积比较大的填料，其蒸发面积可以达到百平方米级别。因此，本发明的高效保温汽化器，其体积虽然比较小，但是水或水溶液在其内部填料上的总汽化面积却相当大，所以在高真空度状态下水汽化的效率极高，在一个小空间里因为水的高效快速汽化，使得通过多边形汽化管的水温快速下降，汽化管中填料的温度快速下降，可以获得5-7℃的冷冻水，或者摄氏零度以下，甚至零下5-7℃。

21、优选地，可以在水中加入乙二醇、甘油或丁二醇等防冻剂，以防止冷冻水结冰。

22、在本技术中，平面螺旋形盘管是指沿着水平方向螺旋(展开)的盘管，立体螺旋形盘管是指沿着垂直方向(上下方向)螺旋的盘管。

23、一般，向高效保温汽化器内加水，都加至下层确定的液面，即，水在整个过程中都要在下层确定液面之上。

24、一般，当汽化管组36与热交换盘管38是以相互盘绕方式设置时，仅在汽化管组36中有填料，而热交换盘管38内是没有填料的。

25、优选地，本发明在高效保温汽化器内的下层安装有水溶液液面传感器，用以检测水或水溶液的液面高度。

26、本发明还提供了一种利用所述冷冻水制备系统进行制冷的制冷方法，将所述冷冻水制备系统所制备的冷冻水与流经热交换盘管中的外部循环水进行热交换，实现对外部环境的制冷。

27、本发明中，在高效保温汽化器内的上层设计安装水分布器，是为了将水均匀分布到高效保温汽化器内的填料上，尽可能让每一块填料表面被润湿，提高表面利用率，这样，无论是将填料装填到多边形汽化管里和/或直接装填到中层的情况，还是将填料装填到热交换盘管的空隙中，水分布器都能够比较好地将水均匀分布到每一块填料上，润湿每一块填料的表面，从而最大限度地提高汽化效率。

28、本发明中，热交换盘管的作用是，将高效保温汽化器中的冷冻水通过与热交换盘管进行热交换的方式向外部输出；当然也可以直接将高效保温汽化器中的冷冻水向外循环输出。所制备的冷冻水作为工作介质，可以应用于家用空调、中央空调或其他制冷备进行制冷。

29、考虑到传统空调器的电制冷的能量转化率，本发明的冷冻水制备系统更加节省电能。

30、利用本发明的冷冻水制备系统制造冷冻水，只需要水、防冻剂、真空泵等、不需要压缩机，不需要氯氟烃类制冷剂、烷烃类制冷剂或液氨等制冷剂，是一种完全环保、安全、节能的颠覆性技术，对履行《巴黎协定》《蒙特利尔议定书》保护环境意义重大。本发明将对全球制冷行业的发展产生巨大影响。