冰漿冰蓄冷方法發展現狀分析

曹世楠 張衛義 劉阿珍

（北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617）

1 冰蓄冷應用技術分析

冰漿作為1種新型的蓄冷與制冷混合物被廣泛使用。張皖君[1]采用冰漿保鮮溫帶魚類延長貨架期。冰漿與臭氧結合有效預防魚肉的變質。劉圣春[2]通過研究發現采用冰漿儲存魚類與傳統的冷凍存儲相比，蛋白質和非蛋白質氨的降解速度由3 d增加到6 d，比傳統冷凍應用前景廣泛。

董凱軍[3]通過冰漿蓄冷為不同的乳品加工過程提供了不同溫度的冷水，降低每噸牛奶產品的耗能。江燕濤[4]提出采用混合制冷方法能夠降低制冷設備投擲成本。楊麗[5]研究了采用冰漿降低礦井溫度的可行性。董凱軍提出采用冰漿制冷降低礦井溫度，減少初期投資和運行費用。光俊杰設計用冰漿蓄冷制冷的空調系統，減少18%的制冷機裝機容量，節約運行費用110萬。我國越來越重視環境保護，電力峰谷差引起的電力浪費是減少溫室氣體排放的1個重要手段，冰蓄冷技術能夠有效地減少電力峰谷差，是未來制冷技術發展的1個主要方向。目前冰蓄冷技術已有部分進行了實際的工業應用，但是還需要繼續對理論進行深入研究。

2 冰漿制取方法分析

冰漿制取方法分為動態與靜態2種。靜態制取冰漿一般是將制取冰漿的液體灌入1個特制容器中，然后利用制冷劑對容器制冷，制取冰漿的液體的通過容器的制冷作用而產生冰漿，在制冰溶液成功結冰后，采用特殊手段將冰漿與制冷容器分離，達到成功制取冰漿的目的。靜態制冰方法是應用最早的制冷方法，在一些技術落后的地區，靜態制冰是主要的制取冰漿方法。雖然靜態制取冰漿法具有制冰設備簡單、控制方便等優點，但是存在傳熱效率隨制冰層厚度降低較快的缺點。動態制冰能夠克服傳熱效率下降的缺點。動態制取冰漿的方法主要包括以下4種。

2.1 過冷法

過冷法是目前比較成熟的制取冰漿的方法，在國內外的一些制冷領域中，過冷法制取冰漿已經進行了工業制冷的應用。過冷法制取冰漿是通過控制液體流態與溫度，最后通過接觸液體的過冷態產生冰漿。曲凱陽研制出制冷裝置、過冷卻器、過冷水過冷態的解除裝置的冰漿制取系統，并研究了雷諾數、過冷器特性、溶液流態相關因素對冰漿生產的效率與過冷度的解除的影響作用。為過冷法制取冰漿的理論研究提供了支撐。

過冷法制取裝置如圖1所示，液體從入口1流入，經過制冷后由出口3流入容器5中，通過5的解除過冷態作用產生冰漿。過冷法制取冰漿系統簡單，換熱系數大，能夠實現實現連續制冰，但是存在冰堵問題。過冷法已經成功地用于工業技術中，但是過冷法在制取冰漿時存在的冰堵問題制約了該技術在工業中大規模地應用。過冷法是比較成熟的1種制取冰漿方法，在未來，過冷法技術需要解決制冰過程的冰堵問題，隨著過冷法技術越來越成熟，其具有較大的商業應用潛力。

圖1 過冷法制取冰漿裝置簡圖

2.2 直接接觸法

為了克服過冷法制取冰漿的缺點，提高制取冰漿時的傳染效率，國內外許多學者提出采用直接接觸法制取冰漿。直接接觸法是制冷劑與液體直接接觸制取冰漿。采用不溶于液體的冷卻介質與液體直接接觸制冷，通過制冷劑與液體的直接接觸，保證在制取冰漿過程中具有較高的換熱效率。制冷劑與產生冰漿的溶液直接接觸還能夠避免過冷法中存在冰堵大的問題。張學軍設計圖2的氣液直接接觸式制冰裝置，成功地制取出了冰漿，研究了不同的氣體噴出速度的換熱效率。

圖2 氣體直接接觸法制取冰漿裝置

胡桃設計了1套新型直接接觸式制取冰漿系統，系統采用相變制冷（圖3），其制冷效率可達6.59。直接接觸法具有較高的傳熱效率，但是制冷劑噴嘴易冰堵，不能夠連續制冰。對裝置的氣密性要求嚴格。直接接觸制取冰漿能夠有效地避免過冷法制取冰漿時存在的冰堵問題，但是，由于刮削存在機械能的消耗，因此制取冰漿用的刮板需要經常更換，制冰費用也相應地增加了，同時刮削過程也消耗冷量，造成能源的消耗。上述缺點是直接接觸法制取冰漿推廣應用的主要障礙。直接接觸法在進行大規模應用時，需要克服制冰費用高和消耗冷量大的缺點，同時接觸法對操作技術具有較高的要求。目前在論文中有采用該方法成功制冰的實例，距商業應用還有較大的差距。

圖3 氮氣直接接觸制冷裝備

2.3 刮削法

刮削法是以傳統的工業換熱器為基礎的1種新型冰漿制取方法。液體在制冷的同時有刮刀對殼體壁進行刮削，因此不會出現過冷法制取冰漿時換熱管道堵塞的問題，同時能夠保證具有較高的傳熱系數。

國外學者提出了1種刮片制取冰漿方法，與化工換熱器相同，冷卻液在換熱管道外循環流動，冰漿生產液在換熱管內被冷卻，為了避免管道內部產生冰漿，利用電機帶動刮片在換熱管道內轉動，有效地解決了管道內的冰堵問題。我國學者黃成在總結和研究國外刮削法制取冰漿技術的基礎上設計了1種新型刮削式制取冰漿裝置，如圖4所示。該裝置采用乙二醇制冷，制取冰漿時電機帶動刮刀以一定速度轉動，避免了冰堵的發生，提高了裝置的制冰效率。利用該裝置不僅成功地制取出了冰漿，同時通過改進刮片的彈性模量，克服了國外刮削法制取冰漿時刮片磨損較大的缺點。雖然刮削法制取冰漿的換熱效率與過冷法和接觸法相比較低，但是不發生冰堵，能夠連續制冰，存在刮削器磨損嚴重的缺陷，設備需要經常維修更換的缺點。刮削法制取冰漿未來需要解決刮片壽命短問題。隨著各種新材料和新工藝的出現，刮削法刮片的壽命必將得到提升。

圖4 螺旋冰漿生成裝置

2.4 真空法

真空法是在真空容器中制取冰漿的1種方式。制冷容器的壓力控制在液體產生冰點的壓力，液滴在制冷容器內汽化，汽化氣體由氣體出口即使排出，隨著液滴溫度的下降直到達到冰點，形成冰漿。

馬軍設計了另一種真空制取冰漿實驗平臺，試驗臺分為供水與保持系統2個部分。通過安裝在真空灌中的探針來檢測真空灌中的狀態，實驗臺如圖5所示。

圖5 真空法制取冰漿實驗系統

圖6為國外的1種真空法制取冰漿裝置，該裝置能夠在-4 ℃時制取冰漿，采用的制冷劑為乙二醇溶液，相對于其他采用氣體制冷劑，制冷法具有設備氣密性要求低、設備安全性高的優點。

真空法相比其他制取冰漿方法目前也只是在實驗中成功地制取冰漿，真空法對設備的加工精度要求極高，造成了該種方法制取冰漿時的成本大。未來真空法不僅需要解決操作條件苛刻的問題，而且需要降低對設備加工精度的要求。對真空法的研究越來越深入，技術也逐漸成熟，其成為了1種安全性較高的冰漿制取方法。

圖6 乙二醇真空法制取冰漿裝置

3 流化床法制取冰漿技術

流態化是固體顆粒在氣體或液體的作用下表現為流體的1種特性。流化床技術已經被廣泛應用于制藥、干燥以及食品等工業中。化工設備主要采用流化床技術防止換熱器管道堵塞。而固體顆粒對換熱管的碰撞作用也能夠提高換熱效率。固體顆粒對換熱管的碰撞不僅可以防止水垢的形成，而且在制取冰漿時能夠防止換熱管的冰堵發生。北京石油化工學院的張衛義[6]團隊在查閱文獻后，設計了1套流化床制取冰漿裝置（圖7），并進行了相關試驗，成功地制取了冰漿，制冰時間較其他動態制取冰漿時間明顯減小，具有更高的換熱效率，但是存在換熱管道凍裂的缺陷，是需要攻克的1個技術難題。但是試驗證明流化床法制取冰漿具有換熱效率高、不發生冰堵等優點，是未來制取冰漿方法的1種發展趨勢。

圖7 流化床制取冰漿裝置

4 結論

采用冰漿進行蓄冷具有蓄冷能力強、應用范圍廣的優點，冰蓄冷技術隨著冰漿制取技術的成熟，必將取代部分空調制冷技術。

流化床法制取冰漿技術具有傳熱效率高、不發生冰堵以及換熱管道無摩擦的優點，隨著對流化床冰漿制取技術研究的深入，該方法在冰蓄冷的商業應用領域中具有較大的潛力。