冰漿的研究現狀與發展趨勢

高蕊笑，張慶鋼，王藝，甄仌，公緒金，王穎，賈永

（哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150028）

0 引言

為了加快第一代制冷劑的淘汰步伐，尋找新的代替品成為了行業的重中之重，冰漿是一種冰水混合物，冰晶粒子的直徑平均不超過1 mm，溶液通常是由水和冰點調節劑組成[1]，是一種絕對環保型制冷劑；與常規冷凍水相比，冷凍能力高出5～6倍[2]。由于冰漿優異的傳熱與流動特性，使換熱器的流量、水泵的能耗以及相應管道、設備的尺寸大大減小，從而降低了裝置與運行費用[3]。以冰漿作為蓄冷介質的空調系統，能實現“移峰填谷”均衡電網負荷，是改善電力供需矛盾的主要措施之一[4]。冰漿可應用于醫療、食品冷凍冷藏、區域供冷和消防[5]等方面，在人民的生產生活中扮演著越來越重要的角色，也成為近年來的研究熱點。筆者總結了冰漿的制取方法、貯存方式以及冰漿的流動特性和傳熱特性，介紹了冰漿可應用的領域。目前有關冰漿的應用剛剛興起，結合冰漿的特性可更好地進行應用開發，例如將冰漿中的水分離用于人工造雪。

1 冰漿的制備與貯存

1.1 冰漿的制備

1.1.1 壁面刮削法

目前商用系統中性能最穩定的制取冰漿方式為壁面刮削法。刮片式制取冰漿的換熱器通常采用殼管式，制冷劑在管外側蒸發，管內部的旋轉刮片高速旋轉刮削壁面粘附的冰晶。劉瑞見等[5]為了降低驅動成本，對機體旋轉結構進行優化，使用刮刀系統驅動并簡化了原系統。張海潮等[6]自行研制動態冰漿制造系統，探究水泵流量變化對蓄冰槽內溶液溫度特性的影響，與自接蒸發盤管式冰蓄冷制冰系統相比，其傳熱系數、單位制冷量的制冰速度、相同制冰量能耗和系統COP都有很大的改善。圖1所示為刮片式冰漿發生器[4]。

圖1 刮片式冰漿發生器

1.1.2 過冷法

過冷法制取冰漿根據過冷原理，即純水迅速降溫時，低于0℃時仍為液態，過冷水不穩定，通過施加外部條件解除過冷可得冰漿溶液，施加外部條件如下：1）碰撞及沖擊：通過撞擊可降低水的動量并且溫度升高，可破壞過冷態；2）利用超聲波：利用頻率為28 kHz的超聲波振動誘發成核；3）采用低溫：利用小型電子制冷設備等方式產生局部低溫，水的過冷狀態會被破壞。

在理論研究方面，王軍等[7]設計了過冷水制冰蓄冰裝置，并測定了過冷水溫度與時間變化的關系。謝若菲等[8]探討了過冷法制取冰漿時，制冰效果受溶液流速、載冷劑溫度、攪拌速度、生成器的粗糙程度等參數的影響情況。在裝置開發方面，張君瑛[9]構建了一套封閉式的過冷水制冰漿裝置，探究了流量、蒸發溫度對冰漿制取效果的影響；吳銳[10]設計了一套過冷法制取冰漿裝置，研究了冰漿生成過程中管內流動對其影響，并測算該裝置所生成冰漿的各項參數。

1.1.3 流化床法

荷蘭 DELFT大學在流化床換熱器基礎上開發了冰漿制取裝置(如圖2)，制冷劑在管外蒸發，水在管內高速向上流動，多個直徑1～5 mm的不銹鋼珠不斷撞擊壁面，目的是擊碎壁面粘附的冰晶粒子，可避免冰晶堆積還可以保持較高的傳熱效率[11]，并且結構設計簡潔，成本低。

圖2 流化床法冰漿制取裝置

1.1.4 直接接觸法

直接接觸法制取冰漿的原理是用特制噴嘴把不溶于水的低溫冷媒噴入冰漿發生器，水降溫生成冰晶。圖3所示為新加坡采用特制的冷凍劑直接噴射制取冰漿[12]。章學來等[13]研究了添加劑對水合物的影響，搭建了國內第一個直接接觸式水合物蓄冷實驗臺。劉劍寧[14]對直接接觸噴射式制冰裝置進行設計，解決了冷媒與水分離以及冰堵等問題，運用預冷、引射技術提高了整個裝置的效率以及系統運行的可靠性。王煒[15]對直接接觸式冰漿生成器的傳熱研究及熵進行分析，得到氣-液直接接觸傳熱的關聯式，對系統提出了設計優化方案。

圖3 直接噴射式制取冰漿

1.1.5 真空法

根據三相點原理制取冰漿。當水所處的環境壓力下降時，水的沸點降低，水在真空環境中會發生閃蒸，由于水的汽化潛熱遠遠大于凝固熱，水在閃蒸過程中吸熱，使剩余的水溫度降低，當溫度達到凝結溫度時，凝結成冰晶。

馬軍等[16]建立了可視化真空法制取冰漿的實驗臺，研究了冰漿含冰率的影響因素。劉曦等[17]設計了一套真空攪拌流態冰制取裝置，觀測可知真空狀態下冰漿的制取需要經歷溶液蒸發、沸騰、過冷及冰晶生成；冰晶生成瞬間系統壓力突增。

1.2 冰漿的儲存

冰漿的儲存是冰漿在各行業得以應用的基礎。冰漿在儲存過程中會形成富冰層，基本呈圓弧狀。青春耀等[18]對動態冰蓄冷中蓄冰槽蓄冰過程的動態特性進行實驗研究，結果表明對富冰層變形影響較大的是冰漿流量與固相含量，其次是初始液面高度及入口管布置，為了提高富冰層的均勻性可以增大冰漿流量與固相含量，蓄冰槽的有效利用率也會提高。馬春紅等[19]研究了各個參數對儲存和融化特性的影響，發現為使冰漿儲存得更均勻，可使用高濃度的二元溶液、高含量冰漿固相以及增大進口流量的方法；隨著融冰溶液的流量以及擾動的增加可使融冰更加快速、均勻。趙美等[20]觀察富冰層發展變化特征，研究冰漿儲存的均勻性，結果表明富冰層的輪廓發展狀態受冰漿入口流量、冰漿入口含冰率和蓄冰槽初始液面高度的影響；提高冰漿的入口流量可有效提高蓄冰槽的容積蓄冰率。劉志強等[21]采用數群平衡模型研究了添加劑種類、含冰率、耗損率以及質量分數對冰漿儲存時冰晶演化過程的影響，結果表明，儲存過程中冰晶粒子是不斷增長的，正確選擇添加劑的種類以及適當增加其質量分數是抑制冰晶生長的最有效手段。劉曦等[22]探討納米二氧化硅對冰晶平均粒徑與分布特征性的影響，可知納米二氧化硅有細化晶粒的作用，而且濃度越高細化程度越明顯，這對冰漿流動和傳熱性能的改善具有重要的應用價值。MATSUMOTO 等[23]研究長期儲存的冰漿中的冰粒子，通過冰漿的儲存時間不同測量冰粒子的平均直徑，發現冰粒子凝聚力的影響因素，提出粒子內聚力無量綱關聯式。

2 冰漿的傳熱特性及流動特性

想要深入地探索冰漿的流動特性和傳熱特性，對其熱物性的研究必不可少，而且其熱物性還與冰漿系統的設計與優化有著密切聯系。冰晶的濃度對動態冰漿的各種物性參數都有很大的影響，所以在研究過程中要選取合適的物性參數模型。

2.1 傳熱特性

冰漿的熱物性由冰晶熱物性和載流體熱物性決定。冰漿中的熱物性受添加劑的類別及濃度、冰晶粒子的體積分數和尺寸的影響。趙騰磊等[24]選取含冰率在20%以下的冰漿熱物性模型進行實驗，分析冰漿的密度、導熱系數、比熱和動力黏度。張曼等[25]建立了動態冰漿傳熱特性的數理模型，得知冰漿的傳熱系數隨冰漿濃度的增加而增加；在不同管徑內流動時，冰漿的傳熱系數差別與冰漿濃度呈反比，與冰漿流速呈正比。簡夕忠[26]建立數學模型研究了冰漿在管道內層流和湍流的換熱情況，討論了多種參數對冰漿在管內換熱效果的影響。郝玲[27]從數值模擬和實驗分析兩個角度研究定熱流邊界條件冰漿在直管中的流動情況，冰漿濃度增高使冰漿黏度增加，導致黏滯阻力增大，所以在實際應用中，含冰率不是越高越好，選擇合適的冰晶濃度、控制流速以及管徑均很重要。白銀等[28]研究了冰漿在水平管內的傳熱性能，發現出口溫度達到-3.95℃以后，進出口溫度處于急劇升溫階段，水平管內部冰漿持續時間隨質量流速和加熱功率的增大而減少。國外研究人員用實驗來確定不同換熱器的局部和平均傳熱特點及相應的Nu，如表1所示。

表1 冰漿Nu的計算

2.2 流動特性

為了確保冰漿安全輸送，必須要保證其處于完全懸浮的流態。均勻流動和非均勻流動都屬于懸浮流態的范疇，同時也是冰漿流動的兩種基本形式[33]。冰漿流動有其自身的特殊性，國內外學者認為在含冰率低于 25%的情況下可以把冰漿流體作為牛頓流體來研究[34]。

明崗等[35]提出冰漿流動的絮網結構機理和阻力計算模型，可較好地描述冰漿的流動工況，這為冰漿流動時的傳熱研究提供依據。楊帆等[36]對動態冰漿在水平直管內的流動壓降研究，闡述了動態冰漿流變性質的Bingham模型，并計算了冰漿在層流和湍流狀態下的摩擦因子，得到了壓降曲線。李葉[37]采用雙流體 Eulerian模型對冰漿管內流動進行數值模擬分析發現冰漿在管內安全運輸的頂部冰粒子最大含冰率為0.501。粱坤峰等[38]對冰漿在離心泵內的流動特性進行了數值模擬研究，得到冰漿流體在泵內的高速區域主要集中在葉輪的旋轉區域，且葉輪工作面壓力較大，冰晶顆粒的粒徑較小時，顆粒主要分布在靠近蝸殼內側的葉輪流道內；反之則在葉輪工作面聚集。王繼紅等[39]采用CFD模擬了冰漿在水平面上90°彎管內三維等溫流動情況，可知冰漿在彎管內湍流流動過程中，出現二次流現象；在水平管流動時冰粒子沿管道截面呈梯級分布；流入 90°彎管段時，由于二次流動現象促進了冰粒子與載流體的混合過程；在水平管道內冰漿流動阻力特性的實驗研究中，冰漿流動的流變特性滿足冪律流變特性。BORDET等[40]對等溫冰漿在水平管內流動進行可視化壓力降研究，冰漿由含有9.5%的丙二醇添加劑組成，發現在高含冰率時，冰粒聚集會導致壓力驟增。NIEZGODA-ZELASKO等[41]研究了冰漿在矩形和小截面的管內流動的特性，流動過程中考慮相變因素，發現流動中的運動類型和截面對壓降和傳熱系數都有影響。

3 冰漿的應用

3.1 冰漿在區域供冷中的應用

集中供冷供熱能帶來巨大的環境效益和社會效益，對于大規模的住宅區，為長遠地防止公害、節能及安全和管理有深遠的意義。在部分發達地區，區域供熱供冷已經成為城市現代化建設的基礎設施之一[42]。工程應用上，日本的Nahanoshima集中供冷/熱網采用冰漿對地下3,000～4,000 m深的礦井進行空調供冷，與傳統空調系統相比可節省40%的初投資。隨著煤炭業的發展，煤炭熱害問題愈發嚴重，部分國家提出把冰漿運送到礦井內，嘗試利用冰漿冷卻系統給礦井操作空間進行降溫，取得不錯的成績[43]。

3.2 冰漿在食品保鮮中的應用

在水產品保鮮中可應用流化冰預冷作為高端工藝，能有效提高后續的生產加工效率。冰漿不僅可以快速預冷水產品并使其所需溫度恒定，還可保持產品表面濕潤光滑，體表不會干化，保證外觀品質；儲存過程中融化后的冰漿還可沖洗去除魚體表面的外界污染物，有抑菌保鮮的作用[44]。有學者采用冰漿預冷與冰溫儲存相結合，分別對新鮮鱈魚、澳洲肺魚、大黃魚、熟沙丁魚及琵琶魚進行實驗，結果表明均可延長其保質期，并保證水產品具有良好的品質[45-50]。國內外許多學者[51-54]就魚類儲存在冰漿和傳統片冰或碎冰中進行了實驗對比，結果表明在冰漿儲存的魚類的彈性和咀嚼性更好，色澤、微生物和生物化學質量更好。

市面上已出現用于零售食品商場的新型冰漿制冷系統，動態冰漿也可用于奶酪食品加工車間，動態冰漿蓄冷技術可應用于果蔬濕冷冷庫制冷系統中，濕冷技術可提高果蔬儲存的質量并且可避免果蔬凍傷，節省運行費用，降低果蔬保鮮成本[55]。

3.3 冰漿在醫療中的應用

由于冰漿有小于 0.1 mm的冰粒懸浮在生物相容的載體液體中，可用于微創腹腔手術中的保護性降溫。為了減少常規手術中的局部缺血損傷，在器官周圍置放冰漿，用來幫助誘導保護性低溫，可減少缺血性損傷并延長手術時間超過30 min。冰漿還可用于心臟手術的保護性降溫，以及在器官移植手術中幫助器官恢復[52]。心臟手術過程中對溫度的控制十分嚴格，研究表明達到醫療標準采用冰漿體積只有冷凍水體積的三分之一，體積小、效率高，這非常有利于手術的順利進行[56]。

3.4 冰漿在建筑行業中的應用

關于冰漿的應用，在建筑行業是最廣泛的。因為冰漿良好的冷卻能力，一些研究人員提出在暖通空調系統中用冰漿代替冷凍水，實際運行結果表明冰漿系統的運行費用是吸收式制冷系統運行費用的三分之二；此外，對于蓄冷技術是近年來的研究熱點，包括冰蓄冷及二氧化碳水合物漿在蓄冷空調的應用[57-58]。冰漿蓄冷對電力負荷的“移峰填谷”作用明顯[59]。在法國和德國安裝了基于冰漿冷卻系統的大型廚房，2007年這種大型廚房最多一天可供應6,000餐[60]。上述系統還可用于卡車的冷藏或冷凍食品的配送，冰漿制冷系統的運行效率遠遠高于標準車載冷卻系統。該制冷系統的CO2排放量可減少20%～30%，而且貨物裝卸過程中停止卡車的發動機也可保證貨物質量，減少了廢氣的排放和噪聲污染。在中國的鐵路運輸中[61]，采用冰漿冷卻，把漿料填充在貨艙周圍的空隙中，這種做法類似把傳統冰塊用于冷卻貨物，但是冰漿的冷卻效果及能源利用方面都有更好的效果。

4 結論

本文總結了冰漿制備的方法及特點，冰漿的傳熱和流動特性還有相關冰漿的應用，研究了冰漿發展的過程，得到以下結論：

1）對于傳統冰漿的制取，目前只有壁面刮削法術較為成熟可以應用于工商業中，但是壁面刮削系統穩定性不佳，刮片轉動需要額外的機動設備，生產成本高；過冷法制取冰漿系統較穩定，但是一次循環冰漿生成率低，可以改變過冷解除方式或者是添加成核劑來提高冰漿生成率；真空法制取冰漿節能環保，值得深入研究；

2）冰漿的制備及儲存都要涉及冰晶成核理論，分析不同添加劑對冰晶形成的影響可以讓研究事半功倍；冰漿在儲存時會發生聚團和冰晶粒子大小分布不均等問題，這些問題也同樣涉及到冰漿的流動運輸等方面，研究其中的機理可以提升對冰漿研究領域的認知，有利于生產生活應用；

3）機械法去除換熱器和管道污垢是較傳統的清理方法，但是對于復雜的換熱器結構，機械法不但不能清理干凈還會損壞設備，故可以用質量分數為10%的冰漿溶液進行清理，清理效果良好；冰漿還可用于消防，滅火裝置和噴嘴輸送濃度為30%的冰漿溶液，滅火效果良好且滅火迅速；

4）為響應國家“三億人上冰雪”的號召，人工造雪成為當下的研究熱點：應用過冷法制取冰漿，經過冰水分離后形成雪，這種造雪方式不受環境制約，解決了傳統人工造雪技術的弊端，雪的品質優于自然雪，滿足國家級冰雪賽事的要求。