本發(fā)明涉及海水利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用超聲波促進(jìn)海水流化冰成核的裝置及其方法。

背景技術(shù)：

目前市面上大多數(shù)海水產(chǎn)品保鮮的方法主要有碎冰保鮮法，冷海水保鮮技術(shù)，冷凍保鮮技術(shù)，然而這些方法均存在不足之處。比如碎冰保鮮法由于碎冰的形狀不規(guī)則，會(huì)破壞海水產(chǎn)品自身肌肉組織，品質(zhì)和口感都會(huì)受到影響。且由于碎冰顆粒較大，與海水產(chǎn)品的接觸面積小，容易造成海水產(chǎn)品局部裸露，導(dǎo)致保鮮效果不佳。冷海水保鮮技術(shù)由于海水產(chǎn)品在冷海水中浸泡的時(shí)間過長(zhǎng)，吸取水分和鹽分，使魚體膨脹、魚肉口味變咸，體表容易變色。同時(shí)，船身的擺動(dòng)使魚體容易出現(xiàn)損傷和脫鱗等現(xiàn)象。另外，海水產(chǎn)生的泡沫也會(huì)對(duì)海水產(chǎn)品造成污染，魚體鮮度下降速度比同溫度的冰藏魚要快，加上冷卻海水裝置需一次性投資，導(dǎo)致船艙制作的要求高。冷凍保鮮技術(shù)由于在冷凍過程中魚體內(nèi)水分結(jié)成冰晶的速度和冰晶大小對(duì)海水產(chǎn)品的品質(zhì)造成影響，可使魚體水分不斷轉(zhuǎn)移到凍結(jié)器表面結(jié)霜，導(dǎo)致肉質(zhì)變硬、變色，魚體表面發(fā)干。

現(xiàn)有公開號(hào)為cn102589221a為一種利用超聲波制備流態(tài)冰的方法和裝置；制備裝置包括：超聲波霧化噴淋裝置和流態(tài)冰制冰室；超聲波霧化噴淋裝置包括超聲波發(fā)生器、能量轉(zhuǎn)換器和超聲波噴嘴。制備方法是將儲(chǔ)存在冷凍水箱中的冷凍水抽出并送入超聲波霧化裝置中，霧化成均勻的霧狀顆粒通過超聲波噴嘴噴淋入流態(tài)冰制冰室中；低含濕量空氣經(jīng)空氣入口被送入流態(tài)冰制冰室，使霧化冷凍水溫度降低凝結(jié)成小冰晶。這種裝置和方法不適用大批量的產(chǎn)出流化冰，過冷狀態(tài)的水難以保存，容易結(jié)成塊狀的冰，將海水制成流化冰更是困難，需要將海水抽到冷凍箱中保存，再?gòu)睦鋬鱿渲谐槌鲞^冷狀態(tài)的海水至流態(tài)冰制冰室中，制冰時(shí)間比較長(zhǎng)，不能達(dá)到隨時(shí)需要隨時(shí)制?。磺抑恍枰僭S的流態(tài)冰，也需抽取較多的海水，水的利用率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種利用超聲波促進(jìn)海水流化冰成核的裝置及其方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種利用超聲波促進(jìn)海水流化冰成核的裝置及其方法，其包括以下步驟：

s1，變頻壓縮機(jī)從制冰筒中的外腔抽取并壓縮氣態(tài)制冷劑，將受到壓縮的氣態(tài)制冷劑輸送至冷凝器中并使其液化；

s2，冷凝水泵抽取海水并使海水從冷凝器中通過，冷凝器中海水吸收冷凝器中的熱量；呈液態(tài)的制冷劑通過電子膨脹閥進(jìn)入制冰筒的外腔中，并在制冰筒的外腔中氣化；

s3，制冰水泵為制冰筒輸送海水，使海水在制冰筒中遇冷并呈過冷狀態(tài)，超聲波發(fā)生器為制冰筒提供頻率為25khz到40khz的超聲波，使得內(nèi)圓筒中海水產(chǎn)生空化效應(yīng)，進(jìn)而使得內(nèi)圓筒中海水結(jié)晶成流化冰。

進(jìn)一步的，在步驟s2中，冷凝器中的氣態(tài)制冷劑和冷凝器中的海水處在不同的區(qū)域，冷凝器中的海水吸取氣態(tài)制冷劑中的熱量，吸熱后的海水從冷凝器中排出。

進(jìn)一步的，在步驟s3中，25khz到40khz的超聲波使制冰筒的外腔中液態(tài)制冷劑產(chǎn)生湍流。

進(jìn)一步地，在步驟s3中，制冰水泵持續(xù)為內(nèi)圓筒輸送海水，讓內(nèi)圓筒中的海水始終處于動(dòng)態(tài)。

進(jìn)一步地，包括：

制冰筒；其具有內(nèi)圓筒和外圓筒，外圓筒與內(nèi)圓筒圍成外腔，內(nèi)圓筒的內(nèi)腔用于制冷海水以及將海水結(jié)晶成流化冰，制冰筒的外腔用于氣化液態(tài)制冷劑；

制冰水泵；用于為制冰筒輸送海水；

超聲波發(fā)生器；用于產(chǎn)生超聲波并將超聲波輸入至制冰筒中；

冷凝水泵、冷凝器、變頻壓縮機(jī)；所述冷凝水泵為冷凝器輸送海水并通過所述海水吸收熱量液化氣態(tài)制冷劑；所述變頻壓縮機(jī)用于從制冰筒的外腔中抽取以及壓縮氣態(tài)制冷劑，將壓縮后的氣態(tài)制冷劑輸送至冷凝器中并使其液化；

電子膨脹閥；用于調(diào)節(jié)液態(tài)制冷劑的流量。

進(jìn)一步地，還包括減速電機(jī)，所述電機(jī)帶動(dòng)所述內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，還包括流量調(diào)節(jié)閥，其設(shè)置于制冷筒與制冰水泵之間。

進(jìn)一步地，還包括保鮮箱，所述保鮮箱與所述內(nèi)圓筒的內(nèi)腔連通。

進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)生器具有四個(gè)超聲波振子，所述超聲波振子為鐵質(zhì)超聲波振子，或?yàn)殇撡|(zhì)超聲波振子，或?yàn)殁伜辖鸪暡ㄕ褡?；所述超聲波振子呈圓形，或呈矩形，或?yàn)榱庑巍?/p>

進(jìn)一步地，所述內(nèi)圓筒的外壁套有多個(gè)圓圈。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、能夠直接將海水轉(zhuǎn)化為流化冰，海水的利用率很高，制取的效率高，可以隨時(shí)需要隨時(shí)制取。

2、產(chǎn)出的海水流化冰，冰晶顆粒圓潤(rùn)、直徑微小，便于輸送且冷卻水產(chǎn)品的速度快，制冰過程連續(xù)封閉，提高了流化冰的清潔度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明連接示意圖；

圖2為本發(fā)明的超聲波振子的立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本發(fā)明的內(nèi)圓筒的剖視圖；

圖4為本發(fā)明中22℃海水進(jìn)入-13℃環(huán)境下，在不同頻率超聲波中，海水的溫度與時(shí)間的折線圖；

圖5為本發(fā)明中22℃海水進(jìn)入-13℃環(huán)境下，在不同頻率超聲波中，海水結(jié)晶時(shí)間的條形圖。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)：“流化冰”；所述“流化冰”為一種含有懸浮冰晶顆粒的固液兩相溶液，冰晶粒子微小，直徑不超過1mm，流動(dòng)性強(qiáng)，可利用泵輸送。

請(qǐng)參照?qǐng)D1-圖5，本發(fā)明一種利用超聲波促進(jìn)海水流化冰成核的裝置及其方法，其包括制冰筒100、制冰水泵200、超聲波發(fā)生器300、冷凝水泵400、冷凝器500、變頻壓縮機(jī)600和電子膨脹閥700。

所述制冰筒100與具有內(nèi)圓筒110和外圓筒，外圓筒與內(nèi)圓筒110圍成外腔，內(nèi)圓筒110的內(nèi)腔用于制冷海水以及將海水結(jié)晶成流化冰，制冰筒100的外腔用于氣化液態(tài)制冷劑。

制冰筒100上設(shè)有減速電機(jī)800，減速電機(jī)800帶動(dòng)內(nèi)圓筒110轉(zhuǎn)動(dòng)，制冰筒100的內(nèi)圓筒110與外圓筒同軸。

所述制冰水泵200用于為制冰筒100輸送海水，制冰水泵200與所述制冰筒100之間設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥900，所述流量調(diào)節(jié)閥900可以調(diào)節(jié)海水進(jìn)入制冰筒100中的流量。

超聲波發(fā)生器300用于產(chǎn)生超聲波并將超聲波輸入至制冰筒100中；讓制冰筒100中具有較大的聲壓。

冷凝水泵400、冷凝器500、變頻壓縮機(jī)600；所述冷凝水泵400為冷凝器500輸送海水并通過所述海水吸收熱量液化氣態(tài)制冷劑；所述變頻壓縮機(jī)600用于從制冰筒100的外腔中抽取以及壓縮氣態(tài)制冷劑，將壓縮后的氣態(tài)制冷劑輸送至冷凝器500中并使其液化。

電子膨脹閥700用于調(diào)節(jié)液態(tài)制冷劑的流量，電子膨脹閥700可以根據(jù)預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)液態(tài)制冷劑通過所述電子膨脹閥700的流量，電子膨脹閥700還可以調(diào)節(jié)液態(tài)制冷劑的壓強(qiáng)，液態(tài)制冷劑在冷凝器500中為高壓狀態(tài)，電子膨脹閥700將高壓狀態(tài)的液態(tài)制冷劑調(diào)節(jié)為低壓液態(tài)制冷劑，電子膨脹閥700的控制硬件為單片機(jī)，利用單片機(jī)或其他控制器可以將電子膨脹閥700大范圍的流量調(diào)節(jié)特性與變頻壓縮機(jī)600的變頻特性結(jié)合起來。

所述保鮮箱與所述內(nèi)圓筒110的內(nèi)腔連通，內(nèi)圓筒110的流化冰通過輸冰管輸送至保鮮箱中。

在制冰筒100中，將海水制冷的過程：

冷凝器500通過電子膨脹閥700向制冰筒100中的外腔中，輸送液態(tài)制冷劑，而變頻壓縮機(jī)600持續(xù)的在抽取制冰筒100中的外腔中氣態(tài)制冷劑使得制冰筒100中的外腔中的壓強(qiáng)降低，制冷劑在低壓環(huán)境下氣化并吸收大量的熱量，使得制冰筒100的內(nèi)圓筒110溫度驟降，內(nèi)圓筒110的低溫讓輸入內(nèi)圓筒110的海水處于過冷狀態(tài)。

在制冰筒100中，將海水結(jié)晶成流化冰的過程：

首先啟動(dòng)超聲波發(fā)生器300，通過發(fā)送電信號(hào)至超聲波電信號(hào)傳輸裝置。然后超聲波電信號(hào)傳輸裝置將電信號(hào)傳至超聲波振子310上，接受到電信號(hào)后，超聲波振子310發(fā)出超聲波，進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。

海水溶液受到超聲波的作用，液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為空化氣泡。而且液體本身也存在一些微小氣泡，這些產(chǎn)生的和原本存在的氣泡為海水結(jié)晶提供了結(jié)晶核，促進(jìn)其結(jié)晶成冰。此外，這些所有的氣泡在超聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振蕩等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱超聲波空化作用。由于超聲波空化作用的影響，打破原有平衡，消除過冷度，有效促進(jìn)海水流化冰的生成。

此外，超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)對(duì)制冰劑的流態(tài)也會(huì)產(chǎn)生明顯干擾，使其產(chǎn)生湍流。而產(chǎn)生的湍流能夠加強(qiáng)制冰劑與海水的冷熱交換速率，提高換熱量，進(jìn)而再次促進(jìn)海水流化冰生成。

在海水流化冰制備過程中，需要啟動(dòng)超聲波發(fā)生器，超聲波電信號(hào)傳輸裝置，超聲波振子310一直工作來保持超聲波的生成，實(shí)現(xiàn)海水流化冰的持續(xù)產(chǎn)出。在制冰結(jié)束后，及時(shí)關(guān)閉相關(guān)裝置。

圖4為超聲波的頻率分時(shí)為0khz、25khz、28khz、33khz以及40khz時(shí)，海水在一個(gè)恒定溫度為-13℃的環(huán)境中降溫折線圖，經(jīng)過超聲波作用的海水溶液降溫速度隨超聲波頻率的增大而減小，頻率為40.0khz時(shí)海水溶液結(jié)晶過程中溫度降低速度最慢。

圖5為超聲波的頻率分時(shí)為0khz、25khz、28khz、33khz以及40khz時(shí)，海水在一個(gè)恒定溫度為-13℃的環(huán)境中結(jié)晶時(shí)間的條形圖；有超聲波作用下可以加速海水溶液結(jié)晶速率，且隨著頻率的增大而減小。聲場(chǎng)中溶液分子的振動(dòng)對(duì)縮短海水溶液的結(jié)晶啟始時(shí)間比空化效應(yīng)低的多。這是由于空化效應(yīng)比聲場(chǎng)中溶液分子振動(dòng)更利于晶核的形成，即超聲空化效應(yīng)是加快海水溶液結(jié)晶速率的主要因素。

海水溶液在降溫過程中受到超聲波作用時(shí)，低頻率超聲波作用的海水溶液中更易于形成溶質(zhì)晶核，結(jié)晶速率更大，結(jié)晶過程中溫度降低速率更小；有超聲波作用下海水溶液結(jié)晶速率可以得到加強(qiáng)，聲場(chǎng)中溶液分子的振動(dòng)對(duì)縮短海水溶液的結(jié)晶啟始時(shí)間比空化效應(yīng)低，即超聲空化效應(yīng)是加快海水溶液結(jié)晶速率的主要因素；不同頻率超聲波對(duì)晶體粒徑的作用影響并不是很明顯，但對(duì)海水結(jié)晶過冷度的影響極為顯著；高功率超聲波作用的海水溶液結(jié)晶時(shí)更易于形成溶質(zhì)晶核，結(jié)晶速率更迅速，結(jié)晶過程中溫度降低速率更小；不同功率超聲波對(duì)晶體粒徑的作用影響不是很明顯，但對(duì)海水結(jié)晶時(shí)過冷度的影響極為顯著(最高可達(dá)8.3℃)。

海水溶液降溫速度隨超聲波功率的增大而減小，功率為600.0w，25.0khz時(shí)結(jié)晶過程中溫度降低最慢，結(jié)晶速率最大。此外，超聲波作用海水溶液結(jié)晶得到的冰晶顆粒更微小，對(duì)制冷劑換熱有促進(jìn)作用。

關(guān)于超聲波振子310的形狀，探索何種形狀的超聲波振子310發(fā)出的超聲波作用效果最佳。主要研究的形狀為圓形、矩形及菱形。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，圓形的超聲波振子310發(fā)出的超聲波最為可靠穩(wěn)定，矩形次之，菱形的效果最差。所以選取圓形的超聲波振子310為最終發(fā)聲裝置。

關(guān)于超聲波振子310的材質(zhì)，因?yàn)椴煌牟馁|(zhì)發(fā)出的超聲波性能不盡相同。主要研究的超聲波材質(zhì)有鐵質(zhì)超聲波振子、鋼制超神波振子及鈦合金超聲波振子。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鐵質(zhì)超聲波振子聲傳遞效率高，但材料強(qiáng)度低，易開裂和螺孔滑絲；鋼制超聲波振子強(qiáng)度高，但聲阻抗相對(duì)較大；鈦合金超聲波振子綜合性能好。所以選取鐵質(zhì)超聲波振子為最終的超聲波發(fā)聲裝置。

關(guān)于超聲波振子310合理數(shù)量，因?yàn)槿绻褡舆^多，發(fā)出的超聲波之間可能會(huì)相互干擾；因?yàn)槿绻褡舆^少，發(fā)出的超聲波可能不能達(dá)到海水流化冰制備要求。數(shù)量可以為3個(gè)，4個(gè)，5個(gè)。4個(gè)超聲波振子310完全可以滿足該設(shè)備要求。

利用超聲波促進(jìn)海水流化冰成核的方法，具有以下步驟：

s1，變頻壓縮機(jī)600從制冰筒100中的外腔抽取并壓縮氣態(tài)制冷劑，將受到壓縮的氣態(tài)制冷劑輸送至冷凝器500中并使其液化；制冷劑液化放出大量的熱，使得冷凝器500中的溫度較高。

s2，冷凝水泵400抽取海水并使海水從冷凝器500中通過，冷凝器500中海水吸收冷凝器500中的熱量；呈液態(tài)的制冷劑通過電子膨脹閥700進(jìn)入制冰筒100的外腔中，并在制冰筒100的外腔中氣化；制冷劑氣化吸收大量的熱，使得制冰筒100中的溫度驟降。

s3，制冰水泵400為制冰筒100輸送海水，使海水在制冰筒100中遇冷并呈過冷狀態(tài)，超聲波發(fā)生器300為制冰筒100提供頻率為25khz到40khz的超聲波，使得內(nèi)圓筒110中海水產(chǎn)生空化效應(yīng)，進(jìn)而使得內(nèi)圓筒100中海水結(jié)晶成流化冰。

在步驟s2中，冷凝器500中的氣態(tài)制冷劑和冷凝器500中的海水處在不同的區(qū)域，冷凝器500中的海水吸取氣態(tài)制冷劑中的熱量，吸熱后的海水從冷凝器500中排出。

在步驟s3中，25khz到40khz的超聲波使制冰筒100的外腔中液態(tài)制冷劑產(chǎn)生湍流，制冷劑湍流提高制冷劑與海水的換熱效率。

在步驟s3中，制冰水泵200持續(xù)為內(nèi)圓筒110輸送海水，讓內(nèi)圓筒110中的海水始終處于動(dòng)態(tài)，其中減速電機(jī)800帶動(dòng)內(nèi)圓筒110轉(zhuǎn)動(dòng)，讓內(nèi)圓筒110中的海水處于流動(dòng)的狀態(tài)，從而避免生成結(jié)塊的冰。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。