流態冰制取技術研究進展及實驗初探

張小松 陳 瑤 殷勇高 閆俊海 李秀偉

(東南大學能源與環境學院，南京 210096)

流態冰制取技術研究進展及實驗初探

張小松 陳 瑤 殷勇高 閆俊海 李秀偉

(東南大學能源與環境學院，南京 210096)

摘 要:系統地總結和分析了流態冰制取技術的研究現狀和進展.在此基礎上，提出并詳細介紹了2類新型流態冰制取方法:溴化鋰吸收式低壓制冰和與溶液除濕相結合的流態冰制取方法.2類新方法都能利用溫度為100℃左右的低位熱源作為驅動能源，并通過溶液吸濕制造低壓環境.相比傳統方法，節省了大量電能.對新方法進行分析總結后，提出了溶液深度除濕蒸發冷凍預冷流態冰制取方法.建立了溶液深度除濕蒸發冷凍預冷實驗裝置，并進行了實驗初探.結果表明，當空氣含濕量被降低到3 g/kg時，該裝置能有效地制取0℃左右的空氣和冷凍水.實驗驗證了該系統的可行性，并對其優化提供了數據支持.

關鍵詞:流態冰制取;溴化鋰吸收式制冷;溶液深度除濕;蒸發冷凍

動態冰漿，又稱流態冰，以其良好的熱物理特性［1］被廣泛地用于建筑空調、大規模區域供冷、工業生產、食品保鮮、交通運輸、遠洋捕撈、水產養殖、醫療衛生等領域［2］.冰蓄冷是如今最重要的節能技術之一，是電力“移峰填谷”和解決尖峰電力不足的有效方法.而應用流態冰的動態冰蓄冷技術具有系統靈活性大、占地面積小、初投資相對較少的優點，已領導了冰蓄冷技術發展的潮流.制取流態冰是實現動態冰蓄冷技術的第一步，也是最重要的一步，制取流態冰的技術方法已成為當前國內外相關領域的研究熱點.

現有流態冰的制取方法眾多，與傳統的制冰設備(片狀冰、塊狀冰)相比能夠節省30% ～40%的能耗.所有的流態冰制取裝置和系統中冰晶的結晶過程都包括溶液的過飽和、成核和冰晶的生長3個步驟.在這3個步驟完成后根據不同的需要將冰晶再進行一系列的改造，如摩擦、凝聚和成型.但是，這些改造過程并不是在所有的流態冰制取裝置和系統中都存在的，只有在對冰晶的尺寸和形狀有要求的情況下才有必要進行.因此，根據制取冰漿的效果和用途的不同，流態冰的各種制取方式之間也存在很多差異.

本文對現有的流態冰制取方法進行了分析，總結了該技術的發展現狀.在此基礎上詳細介紹了東南大學制冷與低溫實驗室所進行的幾種流態冰制取的新方法，并對其中的關鍵技術進行了實驗初探.

1 流態冰制取方法及研究進展

1.1 壁面刮削法

壁面刮削式流態冰制取技術的基本原理是:水(溶液)在殼管式換熱器內部通過換熱壁面被冷卻到低于冰點的過冷狀態，然后利用機械刮削方式對壁面進行擾動，靠近壁面的過冷水被及時刮離壁面，從而確保了換熱器壁面上不會生成冰晶.從壁面附近被刮出的過冷水隨即進入水(溶液)側的中心主流區，并在主流區中解除過冷，生成冰漿.

典型的壁面刮削式冰漿制取系統如圖1所示.該系統主要由制冷循環和殼管式冰漿發生器2部分組成.其中，制冷循環為殼管式冰漿發生器提供制冷劑;殼管式冰漿發生器由內外兩層同心套管組成，實際上在制冷循環中起到了蒸發器的作用.制冷劑在殼管式冰漿發生器的外管內吸熱蒸發，冷卻內管內流動的水(溶液)到過冷態.殼管式冰漿發生器的冰晶刮削方式分為旋轉刮片式和行星轉桿式(ORE)兩大類，如圖2所示.

圖1 典型壁面刮削式冰漿制取系統圖

圖2 殼管式冰漿發生器

在流態冰制取方法的研究領域內，Stamatiou等［3］首先對其原理和方法進行了詳細的總結;張海潮等［4］對自行研制的刮刀式系統進行了實驗研究，得到了直徑為 0.2 mm的冰晶;Matsumoto等［5］進行了收割式-壁面刮削法(harvest method)的實驗研究，通過冷卻乙烯-乙醇使冰晶在碳鋼壁面上生成，然后利用刮刀將壁面上生成的冰晶刮落而獲得流態冰.

到目前為止，該技術已經相對比較成熟，但只有少數方法被用于商業領域的流態冰制取，以加拿大Sunwell公司的旋轉刮片式和美國Mueller公司的MaximICEORE技術為代表，他們的產品被廣泛地用于HVAC的蓄能等相關領域.但是壁面刮削式制冰系統對于機械能的消耗相對較大，刮削裝置容易損壞且結構較復雜，壁面上的冰層易積累而形成冰堵，這些都是限制其進一步發展的因素.

1.2 過冷法

幾乎現有的流態冰制取方式都會涉及到水或水溶液的過冷態，過冷法也是目前研究最廣泛的一種流態冰制取方法.其基本原理為:水或水溶液首先在熱交換器中被冷卻至過冷狀態(水或水溶液被冷卻至凍結點溫度以下的亞穩定的液體狀態)，然后過冷水或過冷溶液被輸送至過冷卻解除器中進行解冷，轉變為細小的冰晶，這時的冰水混合物實際上就是流態冰，如圖3所示.

圖3 過冷法基本原理圖

過冷法的研究主要集中在如何解決過冷換熱器中冰堵和過冷度的控制等問題上.Inaba等［6］提出了一種判斷系統中是否存在冰堵的方法，基于對冷卻管內的熱力學條件與參數間關系的考慮，給出了判斷冰堵現象的無因次參數計算式;為了解決冰晶在換熱器壁面黏附問題，Oda等［7］對管材與壁面的處理及用于凍結成冰的相變材料進行了研究，發現在各種不同的冷卻條件下氟塑料管(fluoroplastics tube)能有效地防止冰晶黏附，水油乳濁液(water-oil emulsion)作為凍結成冰的相變材料在很多條件下優于乙烯乙二醇水溶液(ethylene glycol aqueous solution).

水或水溶液的過冷度太大，會造成制冷系統制冷系數下降，并增加冰晶在換熱器管壁的黏附，對此可考慮利用其他一些外部條件如超聲波、電場等或加入某些添加劑(如碘化銀)以增加其核化率，相應地減小其過冷度.Inada等［8］最早對超聲波影響過冷水成冰進行了深入的研究，發現超聲波能夠促進過冷水到冰的相變，并有效地控制過冷水的相變溫度;Matsumoto等［9-10］在水中添加水油乳濁液，對混合溶液的靜態過冷成冰過程進行了綜合性研究:水油乳濁液會減緩過冷狀態解除到成冰的過程，而超聲波和直流電場的引入能有效地加速解冷過程并降低過冷混合溶液的過冷度，同時采取添加冰核的方式來促進成冰;Kumano等［11］進行了聚乙烯醇溶液(poly-vinyl alcohols)對水過冷影響的實驗研究，結果表明聚乙烯醇的聚合度對水過冷度的影響并不明顯，而皂化程度的增加能夠增加其對水過冷度的影響.

在以上對水或溶液的靜態過冷過程研究的基礎上，流動的水或溶液結晶過程及過冷法綜合系統也得到了廣泛研究.何國庚等［12］建立了一套有效的實驗室過冷水法冰漿制取裝置.Mouneer等［13］設計了一種新型的過冷換熱器作為流態冰生成器，如圖4所示，通過在換熱器內壁添加一定數量的過冷水噴射器來清除內壁上形成的冰層.Jean-Pierre等［14］進行了過冷法的綜合性實驗研究，研究了過冷度、流量及制冷劑溫度等因素對結晶過程的影響，通過建立蒸發器的數學模型來研究蒸發器內的物理過程和結晶風險.

圖4 帶過冷水噴射器的過冷換熱器示意圖

總的來說，過冷法是流態冰制取方法研究中的一個熱點，但是由于該方法存在諸多問題使得單純的過冷水流態冰制取方法還處于實驗室的研究狀態，目前僅有日本的高砂熱學等少數企業將其應用到商業領域.

1.3 直接接觸換熱法

直接接觸換熱法是將不溶于水的0℃以下的低溫冷媒通過噴嘴噴入水槽，冷媒介質與水直接接觸換熱，水被冷卻到凍結點溫度以下時形成冰晶顆粒.直接接觸法制流態冰技術由于存在的一些問題和系統的限制目前還未能在商業領域中得到應用，但一些實驗室已對水與冷媒的換熱過程和冰水固液相變傳熱進行了研究.

Wijeysundera 等［15］進行了冷凍劑 fluroinert FC-84的直接接觸換熱實驗，獲得質量分數為40%的冰漿，在實驗的基礎上建立了2個關于冷凍劑液滴與水的體積換熱系數的模型.劉劍寧等［16］提出了一種直接接觸噴射式冰漿制備方式，通過搭建實驗臺進行了實驗研究，對系統的優化和冰堵的解決等問題進行了探討.章學來等［17］以容積換熱系數對二元冰蓄冷系統中的制冰罐的二元冰制備傳熱特性進行相關研究，結果表明噴口位置對二元冰制備過程的傳熱特性影響很大，在水中添加乙二醇將會減小其容積換熱系數，所以應綜合考慮乙二醇溶液濃度的影響.Hawlader等［18］針對制冷劑fluroinert FC-84液滴周圍冰晶的形成、生長以及分離過程進行了實驗并建立了理論模型，對影響液滴周圍冰晶生長的可能因素進行了探索，如圖5所示.結果表明，冰晶生長率與液滴直徑和液滴初始溫度有關，冰晶生長率隨著液滴直徑的增加和液滴初始溫度的下降而增加.

圖5 液滴直接接觸換熱模擬實驗示意圖

以上都是針對液液直接接觸的研究，該方法的另一種形式為氣液直接接觸.相比而言，氣液直接接觸蓄冷系統采用二氧化碳、氮氣等作為載冷劑與蓄冰溶液進行接觸，氣體容易從蓄冰溶液中分離出來，而且具有突出的環保效益，應用前景更加廣闊.張學軍等［19］利用氮氣作為低溫介質，搭建了氣體直接接觸式制冰實驗臺，對系統制冰性能和影響冰堵的因素進行了實驗研究.鄭克晴等［20］對直接接觸式冰漿生成器的單氣泡傳熱特性進行了研究，基于單個氣泡在連續相中的上升特性，定性分析了各種因素對體積傳熱系數的影響.Thongwik等［21］對二氧化碳和水溶液直接接觸制冰過程中的傳熱特性進行了實驗研究，實驗顯示在該實驗條件下二氧化碳和純水的傳熱效率接近100%，進而進行了壓縮機油和Tween-60的混合水溶液與二氧化碳的直接接觸換熱實驗，依據實驗建立2個集中模型分別用于預測純水或水油混合溶液及冰晶的溫度.

由于冷媒與水充分接觸，該方法的換熱效率是所有流態冰制取方法中最高的，而且其原理與設備結構都較簡單，但存在的缺陷也很明顯:① 由于采用的是冷媒直接噴射的方式，在制冰量較大時就需要較大的冷媒量.而該方法所采用的冷媒多為傳統或新型的制冷劑，所以與其他流態冰制取方式相比其對制冷劑的需求量是最大的，無法用于建筑蓄冷等需大規模制冰的領域.②水與制冷劑直接接觸，制冷劑與水難以分離，形成的冰晶不夠清潔，不能用于食品保鮮等領域.③ 該方法同樣存在冰堵問題.

1.4 流化床法

流化床換熱器被廣泛地應用于制造加工業，如廢水或油乳膠的熱處理過程.Meewisse等［22］和Pronk等［23］在工業用流化床換熱器［24］的基礎上開發了金屬顆粒流化床流態冰制取裝置，如圖6所示，制冷劑在床體管外蒸發制冷，管內水呈紊流態向上流動并不斷被冷卻，直至有冰晶在床內壁生成，大量直徑為1～5 mm的顆粒(不銹鋼珠或瓷片或其他金屬材料)混于水中，在水流的攜帶下不斷向上運動并頻繁地撞擊壁面，使黏附于壁面的冰晶粒子破碎，避免了冰晶在壁面的沉積，金屬顆粒的運動破壞了壁面邊界層，使系統具有很高的傳熱速率.Peng等［25］則建立了類似的液液循環流化床制取流體冰的熱態實驗裝置，在多工況條件下對該新技術的動態制冰特性進行了實驗研究.

圖6 金屬顆粒流化床流態冰制取裝置示意圖

流化床技術雖然較成熟，在工業領域已經得到廣泛的應用，但作為制取流體冰的一種新方法其研究還只是停留在實驗室階段，且進行該技術研究的學者也并不多，制冰過程中所遇到的冰堵及載冷劑消耗量大等問題也亟待解決.

1.5 真空法

與前述幾種動態制冰方法不同，真空法無需用制冷劑或載冷劑而是通過水或溶液自生的蒸發作用而制冰，是一種特殊的新型流態冰制取方法.其基本原理為:水或溶液通過噴嘴霧化后被噴入真空室中，液滴在真空室內迅速蒸發形成水蒸氣，維持真空室真空狀態的機械壓縮裝置將水蒸氣連續抽出，由于被抽出的水蒸氣吸收了液滴大量熱量，使得液滴溫度不斷下降，直至液滴形成冰晶顆粒.

Shin 等［26］和 Kim 等［27］對真空法的制冰過程進行了詳細的理論和實驗研究.其中Shin等［26］研究了擴散過程中冰粒形成的條件和發展過程，給出了描述液滴蒸發制冰過程的擴散控制蒸發模型，該模型成為真空法制冰研究的基礎，并被研究者們廣泛引用;Kim等［27］在文獻［26］研究的基礎上對實驗系統進行了改進，其實驗系統如圖7所示，采用質量分數為7%的乙二醇溶液進行噴射，在真空室壓力為0.44 kPa，凝結溫度為－4℃條件下，獲得直徑約 300 μm 的球狀冰晶顆粒.Lugo 等［28］進行了真空條件下對氨水和乙醇溶液中水蒸氣分壓力測量的實驗研究，對實驗數據進行了詳細的分析，并將實驗結果與熱力學模型計算結果進行了對比.章學來等［29-30］對二元冰真空制備技術進行了總結，對現有的擴散控制蒸發模型提出了改進方法，并對電磁場強化真空水滴閃蒸成冰進行了理論分析.劉偉民等［31］進行了低壓閃蒸液滴形態和溫度變化的實驗研究，系統描述了液滴閃蒸過程中的各種形態變化.Asaoka等［32-33］提出了一種用乙醇溶液在真空環境中制取流態冰的新方法，對乙醇溶液在20，30℃及冰點溫度下的蒸汽溶液相平衡數據進行了實驗測量，分析了乙醇溶液濃度對成冰特性的影響.金從卓等［34］引入了液滴與固體的碰撞理論對擴散控制蒸發模型進行了改進，并用改進的模型對不同的噴霧方式進行了理論分析.張琳等［35］對目前真空法中存在的問題進行了分析，提出了利用中介物質來降低真空制冰系統對運行真空度要求的方法，并對中介物質的特性及改進后系統的工作原理進行了分析.

圖7 典型的真空法制流態冰系統示意圖

真空法的優點是無需制冷劑，環保效益好，冰晶不在管道內生成，避免了前述幾種方法普遍存在的冰堵問題.研究者們對真空法制流態冰技術進行大量的理論及實驗研究，但是該方法還遠未達到產業化的要求.該方法始終存在的問題是制冰過程中需要保持真空狀態，為此需要消耗大量的機械能與電能，同時真空狀態下容易產生各種氣密性和安全性問題.

2 流態冰制取新方法

上述流態冰制取方法都有著各自的優勢和缺陷，因此找到一種融合其優點，同時摒棄其缺點的流態冰高效制取方法是當前研究的熱點.東南大學制冷與低溫實驗室進行了大量的流態冰制取新方法的理論與實驗研究:① 提出了基于溴化鋰吸收式制冷循環的流態冰制取新方法［36］;② 提出并建立了蒸發過冷流態冰制取新系統［37］，并對單個液滴的蒸發過冷過程進行了實驗研究［38］;③對已有系統進行改進，提出了新型溶液深度除濕蒸發冷凍預冷制流態冰方案，并進行了蒸發冷凍預冷的實驗初探.

2.1 溴化鋰吸收式低壓制冰系統

殷勇高等［36］將溴化鋰吸收式制冷系統與真空法制冰系統相結合，設計了溴化鋰吸收式低壓制冰系統，如圖8所示.該系統由溴化鋰溶液循環和低壓制冰室2部分構成.溴化鋰溶液在吸收器中吸收來自低壓制冰室中的水蒸氣，通過稀釋后的溴化鋰溶液泵送到發生器中被加熱再生，溴化鋰溶液濃度得到提升，重新具有吸濕能力，然后經過冷卻送至吸收器吸收水蒸氣，實現對制冰室內低壓環境的維持，溴化鋰溶液如此不斷循環.制冰室中的制冰流程采用閉式、連續式運行模式:吸收器的濃溶液不斷吸收水蒸氣造成制冰室的低壓環境，水在低壓制冰室中噴淋并不斷蒸發達到過冷狀態，過冷水再經制冰室中的解冷裝置解冷，冰水混合物經冰水分離裝置分離后即得到流態冰.

圖8 溴化鋰吸收式低壓制流態冰系統示意圖

此方法可以將工業余熱、太陽能等溫度為100℃左右的低位熱源作為溴化鋰發生器的驅動能源，可以節省大量的電能，實現能源利用的可持續性.該系統可直接由溴化鋰吸收制冷裝置改造而成，構造簡單，運行穩定，可以克服真空法制冰中機械抽氣制造真空磨損大、噪聲大、連續運行困難的缺點.此新型系統為流態冰的制取提供了一種可行且新穎的思路，但是該系統的實際運行效果還有待進一步研究.

2.2 蒸發過冷式流態冰制取方法

李秀偉等［37，39］在對過冷法和真空法進行分析后，結合東南大學制冷與低溫實驗室在溶液除濕研究領域的優勢［40-41］，提出了溶液除濕蒸發過冷式流態冰制取方法，并進一步分析指出，對于真空制冰而言，其本質的機理在于:在環境中的水蒸氣分壓力低于水滴邊界層飽和水蒸氣壓力的情況下，水滴會持續蒸發，直到2個水蒸氣分壓力相等為止.因此，如果環境中的水蒸氣分壓力低于水的三相點對應的飽和水蒸氣分壓力(611 Pa)，就可以使水滴不斷蒸發，水滴溫度將最終降低到0℃以下并結冰.可見，真空室的目的就是要營造一個低水蒸氣分壓力的環境，但是為了獲取低水蒸氣分壓力的環境，真空并不是絕對必須的，只要除去空氣中的水蒸氣，也就是說只要保持空氣中的含濕量足夠低，就能達到低水蒸氣分壓力的環境.

基于以上分析，構建溶液除濕蒸發過冷制流態冰實驗系統如圖9所示.整個系統由除濕循環、制冷循環、蒸發過冷循環3部分組成.首先通過除濕循環除去空氣中的水分得到水蒸氣分壓力很低(611 Pa以下)的干空氣，再使0℃以上的水在該空氣中噴淋蒸發降低水滴的溫度到0℃以下，之后解除水的過冷狀態獲得流態冰.

圖9 溶液除濕蒸發過冷式流態冰制取系統示意圖

依據上述系統的理論設計，文獻［39-41］進行了蒸發過冷過程的理論及實驗研究.整個實驗在焓差室中進行，采用PDA測量水滴的粒徑與速度，采用紅外攝像儀來拍攝和觀察水滴蒸發過冷過程的溫度場，在成功制取冰晶顆粒的同時建立了描述水滴在低含濕量、低水蒸氣分壓力環境中的蒸發過冷的數學模型.

閆俊海等［38］在文獻［39-41］研究的基礎上進一步研究了水滴在低溫、低濕空氣中的蒸發過冷過程，建立了新的描述整個傳熱傳質及液滴運動過程的數學模型，為流態冰制取過程中水滴群的霧化模擬提供了理論依據.通過實驗分析指出，對霧化水滴進行預冷卻不僅可提高系統制冰效率，還能減少水滴的蒸發損失.

綜上所述，將溶液除濕控制空氣含濕量結合水滴蒸發過冷的方法與當前的過冷法相比，由于水溫在噴淋前一直保持在0℃以上，所以完全避免了冰堵，提高了制冰的穩定性.與真空法相比，該方法只需通過除濕，即將空氣中的水汽除去，就能避免抽真空，節省了真空泵所要消耗的能量.水結冰過程所需的冷量大部分來自于水蒸發的潛熱，水蒸發的潛熱負荷轉加給了溶液除濕循環，而溶液除濕循環可以利用低位能源，如太陽能、地熱能以及各種廢熱余熱進行驅動，因此，制冷所需的冷量就可以取自于低品位的熱能，這就降低了系統對電能的依賴，起到了節能減排的效果.

2.3 溶液深度除濕蒸發冷凍預冷流態冰制取方法

圖10 溶液深度除濕蒸發冷凍預冷制流態冰系統示意圖

本文對溶液除濕蒸發過冷式流態冰制取系統進行了改進，改進后的系統如圖10所示.該系統由蒸發冷凍預冷循環、溶液深度除濕再生循環、冷凍水蒸發過冷制冰3部分組成.相比原系統，增加了蒸發冷凍預冷循環，對溶液深度除濕再生循環的構造及與系統的結合方式進行了調整，形成了新的熱泵驅動溶液深度除濕再生循環系統.系統工作原理為:常溫水首先經循環水泵送入蒸發冷凍預冷裝置中進行降溫處理，當循環水的溫度降低至接近0℃時，送入冷凍水箱作為蒸發過冷制冰時用于霧化噴淋的冷凍水;從蒸發冷凍預冷裝置和蒸發過冷制冰室出來的含濕量較高的空氣被送入溶液深度除濕器中進行除濕，除濕后的低含濕量空氣一部分送入蒸發過冷制冰室中用于蒸發過冷制冰，另一部分則繼續進行循環達到指定狀態后繼續用于蒸發冷凍預冷過程，而蒸發過冷后的過冷水經解冷裝置解冷后即可獲得流態冰.

改進后的溶液深度除濕蒸發冷凍預冷制流態冰新系統中，增加的蒸發冷凍預冷過程可以降低用于制冰過程的初始水溫和空氣溫度，從而提高制冰效率.改造后的溶液深度除濕再生裝置，在實現空氣含濕量處理的同時，能夠利用自身的冷凝熱進行除濕后溶液的再生.更加合理地利用了制冷循環，整個系統的能源利用率也得到了提高.同時，系統得到了完善，能夠真正地獨立運行，不需要外部熱量的補給.

3 溶液深度除濕蒸發冷凍預冷實驗

3.1 實驗裝置及理論分析

溶液深度除濕蒸發冷凍預冷實驗裝置如圖11所示.該系統為溶液深度除濕蒸發冷凍預冷制流態冰的一個子系統，僅進行空氣的除濕和預冷處理，目的是對溶液除濕的強化和空氣及水的預冷過程進行研究.該裝置中，制冷循環系統中的蒸發器用于冷卻除濕溶液，冷凝器用于加熱再生溶液，因此整個循環的溶液除濕和再生能力得到了強化.

圖11 溶液深度除濕蒸發冷凍預冷實驗裝置

選用常用的LiCl溶液進行該系統的除濕能力分析計算，在一定溫度下，LiCl溶液的濃度越大除濕能力越強.從 Conde［42］總結的 LiCl溶液結晶曲線可以得到，一定溫度下LiCl溶液可以配置的最大質量濃度.由空氣與溶液接觸的平衡態原理可知，在傳熱傳質面積理想的情況下，該深度除濕裝置最大的除濕能力分析計算如表1所示.

表1 溶液除濕能力分析計算

表1計算結果表明，利用溶液深度除濕循環可以將空氣的含濕量最終控制在3 g/kg左右.此時空氣的含濕量已經足夠低，完全能夠保證其水蒸氣分壓力低于水的三相點對應的飽和水蒸氣分壓力(611 Pa)，為蒸發冷凍預冷過程提供了條件.

3.2 模擬及實驗結果

在保證空氣含濕量足夠低的基礎上，建立數學模型，對溶液深度除濕蒸發冷凍預冷循環的效果進行模擬分析計算.模擬采用的基本工況為:初始進口空氣干球溫度30 ℃、流量1.74 kg/s、流速3.125 m/s、含濕量3 g/kg，初始進口水溫26℃、流量0.6 kg/s，模擬結果如圖12所示.

圖12 溶液深度除濕蒸發冷凍預冷循環模擬結果

根據模擬結果得出溶液深度除濕蒸發冷凍預冷循環的機理為:第1次循環時，空氣的進口溫度為30℃，此時濕球溫度為13.58℃，水的進口溫度為26℃，遠遠高于空氣的濕球溫度;空氣和水在填料中發生熱質交換后，水的理論溫度可以降低到13.58℃，而模擬得出水的第1次出口溫度為14.59℃，證明該模擬過程的蒸發冷凍效率較高.第1次循環出口空氣溫度為19.70℃、含濕量為13 g/kg;若空氣以此溫度和含濕量進行第2次循環，那么入口空氣的濕球溫度將達到18.69℃，這個溫度遠高于第2次循環水的進口溫度14.59℃，無法實現對水的繼續降溫.這時需要通過溶液除濕循環和換熱器對出口空氣進行處理.首先出口空氣經過除濕器進行溶液除濕使得空氣的含濕量回到3 g/kg，空氣經過除濕后會有溫升，不利于空氣繼續循環對水的降溫，所以空氣需要經除濕器后再經過換熱器，使空氣溫度下降到除濕以前.水和空氣就這樣反復循環直到出口水溫接近0℃.經過水循環、空氣除濕循環和換熱器中空氣的冷卻，蒸發冷凍循環得以保證和實現.

依據上述機理，對溶液深度除濕蒸發冷凍預冷過程進行實驗初探，對整個裝置的運行效果進行初步判斷，實驗結果如圖13所示.圖中，空氣溫度曲線指的是圖11系統中蒸發冷凍器進出口溫度的綜合變化，其呈波動下降的原因是空氣經蒸發冷凍器后溫度下降，但是之后需再由溶液除濕器進行除濕處理從而導致溫度有一定的回升;空氣含濕量曲線指的是蒸發冷凍預冷器和溶液除濕器之間空氣含濕量的綜合變化情況，空氣經蒸發冷凍預冷器吸收水分后含濕量會大幅上升，因此需經溶液除濕器進行除濕使其含濕量降低到原來水平甚至更低，以保證蒸發冷凍循環的進行;水溫曲線是指蒸發冷凍預冷器中水溫穩定降低的過程.初步的實驗研究結果表明，溶液除濕蒸發冷凍預冷循環能夠基本滿足制取低溫空氣和冷凍水的需要.

圖13 溶液深度除濕蒸發冷凍預冷過程初步實驗結果

4 結語

本文總結了當前流態冰制取的主要方法，對各種流態冰制取方法的研究現狀和改進技術進行了詳細的描述和對比.雖然學者們對流態冰的各種制取技術進行了大量的理論和實驗研究，但是到目前為止，只有壁面刮削法和過冷法在商業領域得到了一些應用，而其他方法仍處于實驗室的研究階段.

東南大學制冷與低溫實驗室結合自身在溴化鋰制冷技術和溶液除濕技術方面的優勢提出了溴化鋰吸收式低壓流態冰制取方法和與溶液除濕相結合的流態冰制取新方法，并對其中的關鍵技術進行了實驗研究.這些新方法具有環保節能等眾多優點，為流態冰的制取提供了新的思路.

本文對溶液深度除濕蒸發冷凍預冷循環的機理進行了詳細的闡述并對該過程進行了實驗初探，驗證了應用該技術制取低溫空氣和冷凍水的效果.為以該循環為基礎的溶液除濕蒸發冷凍預冷流態冰裝置的優化設計提供了數據支持.由于該系統較復雜，使得其在溶液深度除濕、液滴群蒸發過冷、過冷狀態解除等技術上仍有大量問題有待進一步研究.只有徹底掌握了這些關鍵技術，該方法才有可能成為一種真正實用穩定的流態冰制取方法和實現產業化.

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Research progress and tentative experimental study on ice slurry producing technology

Zhang Xiaosong Chen Yao Yin Yonggao Yan Junhai Li Xiuwei
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:The research actualities and developments of ice slurry producing technologies were reviewed and analyzed systematically.Two kinds of novel ice slurry producing systems，lithium-bromide absorption low-pressure system and the system combined with liquid dehumidification process，

were proposed.Both of these two methods can utilize a heat source around 100℃ as the driving energy，and create a low vapor pressure environment by using a moisture absorption solution.Compared with the conventional systems，the two new methods can alleviate the burden on electric power and raise the efficiency.Then an ice slurry producing system assisted by a deep liquid dehumidification process and an evaporative pre-cooling process was proposed.Moreover，a testing system was established，and tentative experimental study was carried out.The experiment results show that when the air is dehumidified to 3 g/kg，the air and chilled water around 0℃ can be produced effectively.The experiment validates the feasibility of the novel ice slurry producing system and lays the foundation for the system optimization.

Key words:ice slurry production;LiBr absorption refrigeration;liquid desiccant deep dehumidification;evaporative freezing

中圖分類號:TU831.6

A

1001－0505(2013)06-1343-10

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.06.039

收稿日期:2013-04-20.

張小松(1960—)，男，博士，教授，博士生導師，rachpe@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金重點資助項目(51036001)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ03B14).

引文格式:張小松，陳瑤，殷勇高，等.流態冰制取技術研究進展及實驗初探［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(6):1343-1352.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.06.039］