冰浆冰蓄冷方法发展现状分析

曹世楠 张卫义 刘阿珍

（北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617）

1 冰蓄冷应用技术分析

冰浆作为1种新型的蓄冷与制冷混合物被广泛使用。张皖君[1]采用冰浆保鲜温带鱼类延长货架期。冰浆与臭氧结合有效预防鱼肉的变质。刘圣春[2]通过研究发现采用冰浆储存鱼类与传统的冷冻存储相比，蛋白质和非蛋白质氨的降解速度由3 d增加到6 d，比传统冷冻应用前景广泛。

董凯军[3]通过冰浆蓄冷为不同的乳品加工过程提供了不同温度的冷水，降低每吨牛奶产品的耗能。江燕涛[4]提出采用混合制冷方法能够降低制冷设备投掷成本。杨丽[5]研究了采用冰浆降低矿井温度的可行性。董凯军提出采用冰浆制冷降低矿井温度，减少初期投资和运行费用。光俊杰设计用冰浆蓄冷制冷的空调系统，减少18%的制冷机装机容量，节约运行费用110万。我国越来越重视环境保护，电力峰谷差引起的电力浪费是减少温室气体排放的1个重要手段，冰蓄冷技术能够有效地减少电力峰谷差，是未来制冷技术发展的1个主要方向。目前冰蓄冷技术已有部分进行了实际的工业应用，但是还需要继续对理论进行深入研究。

2 冰浆制取方法分析

冰浆制取方法分为动态与静态2种。静态制取冰浆一般是将制取冰浆的液体灌入1个特制容器中，然后利用制冷剂对容器制冷，制取冰浆的液体的通过容器的制冷作用而产生冰浆，在制冰溶液成功结冰后，采用特殊手段将冰浆与制冷容器分离，达到成功制取冰浆的目的。静态制冰方法是应用最早的制冷方法，在一些技术落后的地区，静态制冰是主要的制取冰浆方法。虽然静态制取冰浆法具有制冰设备简单、控制方便等优点，但是存在传热效率随制冰层厚度降低较快的缺点。动态制冰能够克服传热效率下降的缺点。动态制取冰浆的方法主要包括以下4种。

2.1 过冷法

过冷法是目前比较成熟的制取冰浆的方法，在国内外的一些制冷领域中，过冷法制取冰浆已经进行了工业制冷的应用。过冷法制取冰浆是通过控制液体流态与温度，最后通过接触液体的过冷态产生冰浆。曲凯阳研制出制冷装置、过冷却器、过冷水过冷态的解除装置的冰浆制取系统，并研究了雷诺数、过冷器特性、溶液流态相关因素对冰浆生产的效率与过冷度的解除的影响作用。为过冷法制取冰浆的理论研究提供了支撑。

过冷法制取装置如图1所示，液体从入口1流入，经过制冷后由出口3流入容器5中，通过5的解除过冷态作用产生冰浆。过冷法制取冰浆系统简单，换热系数大，能够实现实现连续制冰，但是存在冰堵问题。过冷法已经成功地用于工业技术中，但是过冷法在制取冰浆时存在的冰堵问题制约了该技术在工业中大规模地应用。过冷法是比较成熟的1种制取冰浆方法，在未来，过冷法技术需要解决制冰过程的冰堵问题，随着过冷法技术越来越成熟，其具有较大的商业应用潜力。

图1 过冷法制取冰浆装置简图

2.2 直接接触法

为了克服过冷法制取冰浆的缺点，提高制取冰浆时的传染效率，国内外许多学者提出采用直接接触法制取冰浆。直接接触法是制冷剂与液体直接接触制取冰浆。采用不溶于液体的冷却介质与液体直接接触制冷，通过制冷剂与液体的直接接触，保证在制取冰浆过程中具有较高的换热效率。制冷剂与产生冰浆的溶液直接接触还能够避免过冷法中存在冰堵大的问题。张学军设计图2的气液直接接触式制冰装置，成功地制取出了冰浆，研究了不同的气体喷出速度的换热效率。

图2 气体直接接触法制取冰浆装置

胡桃设计了1套新型直接接触式制取冰浆系统，系统采用相变制冷（图3），其制冷效率可达6.59。直接接触法具有较高的传热效率，但是制冷剂喷嘴易冰堵，不能够连续制冰。对装置的气密性要求严格。直接接触制取冰浆能够有效地避免过冷法制取冰浆时存在的冰堵问题，但是，由于刮削存在机械能的消耗，因此制取冰浆用的刮板需要经常更换，制冰费用也相应地增加了，同时刮削过程也消耗冷量，造成能源的消耗。上述缺点是直接接触法制取冰浆推广应用的主要障碍。直接接触法在进行大规模应用时，需要克服制冰费用高和消耗冷量大的缺点，同时接触法对操作技术具有较高的要求。目前在论文中有采用该方法成功制冰的实例，距商业应用还有较大的差距。

图3 氮气直接接触制冷装备

2.3 刮削法

刮削法是以传统的工业换热器为基础的1种新型冰浆制取方法。液体在制冷的同时有刮刀对壳体壁进行刮削，因此不会出现过冷法制取冰浆时换热管道堵塞的问题，同时能够保证具有较高的传热系数。

国外学者提出了1种刮片制取冰浆方法，与化工换热器相同，冷却液在换热管道外循环流动，冰浆生产液在换热管内被冷却，为了避免管道内部产生冰浆，利用电机带动刮片在换热管道内转动，有效地解决了管道内的冰堵问题。我国学者黄成在总结和研究国外刮削法制取冰浆技术的基础上设计了1种新型刮削式制取冰浆装置，如图4所示。该装置采用乙二醇制冷，制取冰浆时电机带动刮刀以一定速度转动，避免了冰堵的发生，提高了装置的制冰效率。利用该装置不仅成功地制取出了冰浆，同时通过改进刮片的弹性模量，克服了国外刮削法制取冰浆时刮片磨损较大的缺点。虽然刮削法制取冰浆的换热效率与过冷法和接触法相比较低，但是不发生冰堵，能够连续制冰，存在刮削器磨损严重的缺陷，设备需要经常维修更换的缺点。刮削法制取冰浆未来需要解决刮片寿命短问题。随着各种新材料和新工艺的出现，刮削法刮片的寿命必将得到提升。

图4 螺旋冰浆生成装置

2.4 真空法

真空法是在真空容器中制取冰浆的1种方式。制冷容器的压力控制在液体产生冰点的压力，液滴在制冷容器内汽化，汽化气体由气体出口即使排出，随着液滴温度的下降直到达到冰点，形成冰浆。

马军设计了另一种真空制取冰浆实验平台，试验台分为供水与保持系统2个部分。通过安装在真空灌中的探针来检测真空灌中的状态，实验台如图5所示。

图5 真空法制取冰浆实验系统

图6为国外的1种真空法制取冰浆装置，该装置能够在-4 ℃时制取冰浆，采用的制冷剂为乙二醇溶液，相对于其他采用气体制冷剂，制冷法具有设备气密性要求低、设备安全性高的优点。

真空法相比其他制取冰浆方法目前也只是在实验中成功地制取冰浆，真空法对设备的加工精度要求极高，造成了该种方法制取冰浆时的成本大。未来真空法不仅需要解决操作条件苛刻的问题，而且需要降低对设备加工精度的要求。对真空法的研究越来越深入，技术也逐渐成熟，其成为了1种安全性较高的冰浆制取方法。

图6 乙二醇真空法制取冰浆装置

3 流化床法制取冰浆技术

流态化是固体颗粒在气体或液体的作用下表现为流体的1种特性。流化床技术已经被广泛应用于制药、干燥以及食品等工业中。化工设备主要采用流化床技术防止换热器管道堵塞。而固体颗粒对换热管的碰撞作用也能够提高换热效率。固体颗粒对换热管的碰撞不仅可以防止水垢的形成，而且在制取冰浆时能够防止换热管的冰堵发生。北京石油化工学院的张卫义[6]团队在查阅文献后，设计了1套流化床制取冰浆装置（图7），并进行了相关试验，成功地制取了冰浆，制冰时间较其他动态制取冰浆时间明显减小，具有更高的换热效率，但是存在换热管道冻裂的缺陷，是需要攻克的1个技术难题。但是试验证明流化床法制取冰浆具有换热效率高、不发生冰堵等优点，是未来制取冰浆方法的1种发展趋势。

图7 流化床制取冰浆装置

4 结论

采用冰浆进行蓄冷具有蓄冷能力强、应用范围广的优点，冰蓄冷技术随着冰浆制取技术的成熟，必将取代部分空调制冷技术。

流化床法制取冰浆技术具有传热效率高、不发生冰堵以及换热管道无摩擦的优点，随着对流化床冰浆制取技术研究的深入，该方法在冰蓄冷的商业应用领域中具有较大的潜力。