冰浆蓄冷技术的应用简介及冰浆制备方法分析

赵润青

（长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：赵润青（1991－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，供热、供燃气、通风及空调工程专业。

摘 要：动态冰浆蓄冷技术作为目前蓄冷的最新发展方向，不仅能发挥冰蓄冷原有的“移峰填谷”及平衡电网负荷的作用，而且能利用冰浆拥有的巨大的相变潜热和低温显热，能更高效的制冷。本文对冰浆的应用进行了简介，并列举了目前冰浆的多种制备方法。通过与其他方法的比较，着重对真空法制冰浆的优势、研究状况和发展进行了说明。

关键词：动态冰浆；应用；制取；真空法

Abstract：Dynamic ice slurry storage technology，as the latest developments in the direction of the current storage，not only can play the original＂peak load shifting＂role and the role of network load balancing，using the huge latent heat and sensible heat temperature of ice slurry can make cooling more efficiently．In this paper，the application of ice slurry are briefly intro－duced，as well as citing a variety of current ice slurry preparation methods．By comparison with other methods，we emphasize the advantages，recent researches and future development of the vacuum method of ice slurry．

Key words：Dynamic ice slurry；Application；Producing；Vacuum method

1 引言

蓄冷作为解决峰谷电力不平衡的重要方法之一，得到了很广泛的发展。目前在蓄冷领域，最新的研究方向之一是以冰浆技术为基础的动态蓄能方式［1］。研究的目的主要在于使冰浆成为一种高密度的冷量输送介质，以获得节能高效的间接的冷却方式［2］。

冰浆，即二元冰，是指一种含有大量悬浮冰晶粒子的固液两相溶液，又称“流体冰”或“可泵冰”，其中冰晶粒子的平均尺寸不超过1mm［3］。冰浆的相变潜热和低温显热巨大，如含冰率5wt％～30wt％的冰浆，传热系数为3k W／（m2·K），是相同条件下常规冷冻水冷却能力的5～6倍［4］。由于冰浆中冰晶粒子直径很小，一般在微米级，因此这种冰晶粒子与水组成的两相溶液的热物性和传输性能良好，能够如普通流体一般用管道运输或者贮存于冰槽中［5］。相对于静态蓄冷的方式，能充分发挥相变流体强化传热的优势。此外，和其他形式的冰相比，冰浆还可以流入缝隙中，而提供更高的冷却速率与更大的换热面积［6］。

2 冰浆在多领域中的应用

鉴于冰浆具有相变潜热和低温显热巨大、流动性好、换热面积大、能源形式环保等优势，在许多领域中得到了应用。动态冰浆除了在建筑空调供冷上进行动态冰浆蓄冷外，在深矿井降温，食品加工，医疗保护，消防等领域都有很广泛的应用与发展。

2．1 冰浆在建筑供冷上的应用［7］

动态冰浆的蓄冷储能密度大，所占空间只有水蓄冷的25％～30％，这使得整个系统小巧、紧凑；动态冰浆蓄冷装置可就地制造，从而节约大量资金；动态冰浆蓄冷空调送风温度低，使整个空调系统的风管、水管尺寸减小［8］，冷负荷输送的功率也大为降低，运行成本减小。目前，日本是将动态冰浆系统应用于建筑供冷最多的国家。

2．2 冰浆在深矿井降温中的应用［9］

我国拥有高居世界第一的煤矿产量，而其中95％的煤矿开采来自地下，且开采深度大都在900～1300m，井下高温的作业环境对工人的健康与安全、井下设备的安全运行及生产效率造成了极大的危害和影响。因此采用井下降温对改善矿井高温热害有着非常重要的意义。受井下空间狭小，制冷设备放置不方便等因素的影响，作为一种流动的蓄冷介质，动态冰浆成为解决深井热害的最优选择。在地面上，生成冰浆的设备将生成好的动态冰浆通过保温管道以及冰浆泵输送到井下，与井下回水管道中的水混合后，再输送到需要降温的作业面，从而实现喷淋冷却降温［10］。

2．3 冰浆在食品加工储藏上的应用［11］

冰浆在食品冷冻冷藏行业得以广泛应用，在新鲜鱼类冷却保鲜和奶制品的冷却加工中具有很好的冷却性能。这是因为冰晶融化释放潜热，使其具有高储能密度，又由于无数的颗粒形成了很大的换热表面积，所以它还具有较快冷却速率。冰浆在冷却过程中始终维持低温水平，并提供比水或其他单相液体高的热传递系数。

2．4 冰浆在其他方面的应用

冰浆除了在上述领域应用外，对医疗保护（治疗心脏病突发等）、消防灭火等有着重要的研究意义。同时，动态冰浆还应用于仪器的冷却、清洗换热器表面、混凝土余热的去除、交通运输及人工造雪等领域［12］。

3 动态冰浆的制取方法

鉴于冰浆在多领域的广泛的应用前景，因此，对具有稳定性能的动态冰浆的稳定制取成为学术研究的重点之一。冰浆的制取方法很多，包括过冷法，刮削法，流化床法，直接接触法，真空法等。目前工程上使用的装置主要采用壁面刮削式和过冷式，其他方式则基本处于试验阶段。

3．1 过冷水法

过冷水法制取冰浆的方法在日本已经得到了一定的应用。在国内，中科院广州能源研究所的空调与蓄能技术实验室经过3年多的科技攻关，建成了我国第一个用过冷水法制取冰浆的动态冰蓄冷示范工程——广州能源所综合楼。

过冷水制取冰浆是基于水的过冷结晶原理：水被冷却时，加入载冷剂（如盐水或者乙二醇溶液等），使温度降低至凝固点以下而短时间内不结冰。通过控制水的温度和流态，并在过冷装置中进行特殊扰动，从而消除过冷状态，产生连续不断的冰浆。冰浆制取过程一般包括三部分：过冷却器，过冷解除装置和蓄冰槽（如图1所示）［13］。

过冷法具有系统简单、换热效率高的优点，但IPF（蓄冰率，Ice Packing Factor）较低，过冷水不易在管路里维持过冷度，容易发生冰堵。

3．2 壁面刮削法

目前，刮削法技术成熟，在商用系统中运行稳定，在北美的应用较为广泛。这类系统可分为旋转刮片式和行星刮片式两类，原理示意如图2和图3，性能比较如表1［14］。

旋转刮片式系统主要由套管式换热器、转轴和刮片组成，而行星转杆式系统则由换热管和转杆组成。这两类系统相比，前者刮片极易磨损，须定时更换，后者克服了这一缺陷，但系统相对复杂。

图1 过冷水动态制冰系统示意

图2 旋转刮片式示意图

表1 刮削制冰浆产品性能比较表

3．3 流化床法

J．W．Meewisse［15］利用工业用流化床换热器开发了一种新型冰浆制取装置，如图4所示。其冰浆制备的原理是：在管外，制冷剂从上往下蒸发；在管内，水自下而上流动，同时伴随着许多直径在1～5mm之间的钢珠不断碰撞并破碎壁面上粘附着的冰晶粒子，从而在管内形成冰浆。不锈钢珠的撞击，在保证了良好地换热速率的同时，也防止冰粒子在壁面沉积。不同实验条件下装置的参数如表2所示。

图3 转杆ORE式示意图

流化床系统运行时，必须要控制好水的流速和壁面温度，还需要防止换热管内的冰堵。该方式的优点是传热效率高、壳管设计简单、装置价格低廉。

图4 流化床法制取冰浆系统图

表2 不同实验条件下装置参数比较表

3．4 直接接触法

直接接触法制备冰浆的基本方法是将不溶于水的低温冷媒经过特制的喷嘴射入储水槽，冷媒与水直接接触换热，使水的温度降低到冰点，湍流和冷却效率很高，在储水槽中生成冰晶。刘道平［16］总结了该技术的研究现状，指出对该方法的研究尚未系统化，研究重点在于冰－水固液相变传热和液滴的冷却结晶过程。此类方法可分为冷冻剂直接喷射式和制冷剂直接喷射式，分别如图5和6所示［17］。

图5 冷冻剂直接喷射式系统示意图

图6 制冷剂直接喷射式系统示意图

直接接触法的显著优点是传热热阻极小、传热效率高，但需要注意喷嘴的设计及安装位置，冰浆与冷冻剂和水的分离，并防止水进入制冷循环造成堵塞及喷口处的冰堵［18］。

3．5 真空法

3．5．1 系统原理

真空法的本质是三相点原理：即当水的温度为0．01℃时，水到达液、固、气三相平衡点，如果平衡破坏，水就趋于一相或者两相。通过向真空容器内喷射水溶液将水雾化闪蒸，使容器压力始终低于溶液冰点温度对应的饱和压力。在下降过程中，液滴表面不断汽化，真空泵将产生的气体带走。在这一过程中，液滴温度逐渐降低，当达到冰点温度时，凝结成冰晶。韩国B．S．Kim［19－20］开发了采用7wt％乙二醇溶液喷射制取冰晶的装置，如图7所示。

图7 真空法制取装置示意图

真空喷雾法运行中需要的设备比较简单，主要有水泵、保持真空压力的真空泵、水在其中蒸发凝结的真空罐体以及其他的辅助设备。由于真空法制备冰浆的关键是维持真空闪蒸室一定的真空度，所以选择合适的真空泵尤为重要［21］。将蒸汽冷凝后进入冷凝捕水器则是为了使得真空室内液滴表面蒸发生成的水蒸汽及时冷凝，从而避免其对真空室内真空度的影响，一定程度上来降低真空泵的耗能。所以及时抽走真空室内水蒸汽对于真空度的维持也是至关重要的。为了提高真空室内水表面与内部的换热速率，所以要选取合适的喷头，将喷入的低温水雾化，增加其换热面积，强化换热［22］。

3．5．2 研究现状

作为一种环保、节能、高效的制冰方法，国内外众多学者都对真空室内冰浆的形成机理做出了研究。

国外许多专家、学者，如韩国的Shin和Kim［23］等人、日本的Asaoka［24，25］等和Isao Sa－toh［26，27］等、法国的Lugo［28］等进行了初步研究。其中，Isao Satoh等人研究了温度对低压下纯水液滴结冰过程的影响，并对过冷现象进行了讨论；Kim等人建立了扩散控制模型，对单个水滴在真空室内的蒸发过程进行研究，从而给出了在降落过程中水滴温度的变化情况；Lugo等人对氨水溶液、乙醇水溶液的冰－液－气三相平衡进行了实验，并提供了相平衡参考数据；Asaoka等人用乙醇溶液制备了冰浆，并实验测得了乙醇溶液在20℃时，冻结温度的气液相平衡数据，同时测算出相较其他冰浆制备系统，该系统的COP值高。

一些国内的研究人员对用真空法制取冰浆也进行了一定的研究。其中，上海海事大学的章学来等人［29］已初步制备出真空法制取冰浆的样机，并进行了利用溶液吸收来维持真空度以制备冰浆的研究；浙江大学的陈光明等人［30］从理论角度分析了真空环境下二元冰晶形成过程，并建立了冰晶形成过程的数学模型，用此模型分析了水滴直径、初始速度、闪蒸器内蒸汽压等因素对结冰率的影响，提出了提高结冰率的有效方法之一是减小水滴直径；中南大学徐爱祥［31］提出冷却真空罐罐体来促进罐内液滴结晶的方法，并进行了理论分析。西安交通大学的金从卓［32］通过理论分析提出采用从下向上喷水的方法来减少真空室高度。

3．5．3 与其他方法比较［33］

相较于冰浆制取的其他方法，真空法的优点如下：

（1）换热效率高，不存在传热间壁：真空法是利用闪蒸的方式，在真空罐里使雾化后的水滴一部分闪蒸，另外一部分温度降低形成冰晶，在水滴自身内部进行热量传递，属于直接换热，而且因为汽化潜热远远大于凝固热（在0℃时水的汽化潜热是2500k J／kg，凝固热是335k J／kg［34］），其换热效率远高于其他制冰方法。

（2）控制简单：真空法在开始时只需要控制水的流量，开启真空泵，维持真空罐的真空度。

（3）运动装置少，部件加工要求精度低，噪音小。

（4）不易发生冰堵：真空法利用喷头喷雾，形成冰晶小颗粒，不易发生冰堵的现象。

但真空法制备冰浆也存在许多缺点，比如从真空罐抽取冰浆困难，维持真空环境的真空泵耗功多等。因此，此方法正处于研究实验阶段。

3．5．4 发展方向

目前大多数对真空法制取冰浆的研究偏向于单个液滴在真空室内生成冰晶的机理进行了研究，而真空室内存在射流雾化、液滴蒸发和结晶过程，是大量液滴所发生的行为，涉及气液固三相传热传质过程，必须要从整体上研究真空室内发生的真实热物理过程，然而现在对系统整体热力性能和制冰性能做出清晰阐释的文献甚少，因此，迫切需要探索和发展新理论、新方法对真空喷雾法制备冰浆的热力性能进行系统深入的考察和调研。

4 结语

由于冰浆流体的特殊物理特性，使得冰浆系统在区域集中供冷中具有很大的优势。冰浆系统中最重要的环节是冰浆的制备，不同的制备方式有不同的优缺点。目前，过冷法与刮削法一定程度上已经得到综合应用，而其他方法的研究有待继续。鉴于真空法具有不易发生冰堵、机械简单等显著优点，笔者认为此方法在得到更多的理论数据与实验研究后，将在今后的得到更广泛的发展。

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