黃成，吳昊凡，黃河源，夏立，孫寧，李學來

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螺旋刮削式流態(tài)冰制取性能的實驗研究

黃成，吳昊凡，黃河源，夏立，孫寧，李學來

（福州大學石油化工學院，福建福州 350116）

現(xiàn)有的流態(tài)冰制取技術受限于冰堵等問題一直難以實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定生產流態(tài)冰。為了改進技術、改善現(xiàn)有設備存在的問題，本文開發(fā)了一臺同時包含過冷法和壁面刮削法兩種制冰過程的新型螺旋式流態(tài)冰制取裝置，采用理論分析和實驗研究相結合的方法，以乙二醇水溶液為制冰溶液，對該流態(tài)冰制取裝置的性能進行研究。結果表明，這種流態(tài)冰制取裝置是可行的。所得流態(tài)冰分布均勻，最高含冰率達13.684%，具有良好流動性，流態(tài)冰中冰晶顆粒形狀一般呈現(xiàn)條狀和扁圓狀，平均冰晶顆粒面積10–9～10–8m2；裝置產生的流態(tài)冰含冰率隨時間先升后降，并將最終穩(wěn)定在一個恒定值；減小制冰溶液流量、降低冷卻液起始進口溫度，都有助于縮短裝置產生流態(tài)冰所需時間、提高產生流態(tài)冰含冰率；增大制冰溶液流量、提高刮削轉速，都能促使產生的流態(tài)冰中冰晶顆粒細化減小。

流態(tài)冰；傳熱；螺旋刮削；結晶；相變；含冰率

流態(tài)冰，也稱冰漿、二元冰或可泵冰，是一種處于流動狀態(tài)的冰水兩相混合物[1]，作為一種新型儲能介質和相變載冷劑，近年來不僅在食品加工[2-3]、物質保鮮[4]、醫(yī)療救治[2]、救災滅火[5]和管道清洗[6]等領域得到較多應用，更在區(qū)域性供冷及建筑工程[7-9]上因能應對“峰期電荒”問題取得了傲人成就。迄今為止流態(tài)冰制取主要有以下6種方法：即真空法、流體噴射法、流化床式制備法、降膜法、過冷法、刮削法。目前，前4種目前尚處于實驗室研究階段，只有刮削法和過冷法有部分商業(yè)應用。刮削法利用管殼結構使制冷劑在管外蒸發(fā)吸熱促使筒內水膜凝冰，經高速旋轉的刮片刮削后混溶形成流態(tài)冰[10]，其設備成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定、易操作，很早就得到歐美等國家研究人員重視，但其凝冰面積受筒內壁表面積限制，難以實現(xiàn)規(guī)?；a，且刮刀易磨損，驅動需額外耗能，實現(xiàn)冰晶與溶液摻混形成均勻流態(tài)冰需要另設攪拌設備都限制了其推廣[11-12]；過冷法則利用過冷器將制冰溶液降溫至過冷狀態(tài)，再通過過冷解除裝置解除過冷在溶液內部形成冰晶，從而實現(xiàn)流態(tài)冰生成[13]，由于過冷法中冰晶隨機產生于整個溶液中，可實現(xiàn)大規(guī)模流態(tài)冰生產，但其存在一次循環(huán)制取冰漿的含冰率低、過冷器中易發(fā)生冰堵等問題卻嚴重制約了該技術的發(fā)展[14-15]。

本文針對上述過冷法和壁面刮削法流態(tài)冰制取技術存在的問題，提出了一種新型的流態(tài)冰制取裝置——螺旋式流態(tài)冰制取裝置（見圖1）。該裝置利用旋轉葉片制造的螺旋不銹鋼立式刮刀作為攪拌刮削裝置，能有效防止冰堵；在完成冰晶刮削的同時利用其螺旋特性同步完成對冰晶與過冷溶液的混溶攪拌，實現(xiàn)系統(tǒng)簡化；充分利用設備對溶液的過冷處理提高裝置凝冰效率，并利用螺旋結構在完成對流態(tài)冰的向上提升輸運的同時實現(xiàn)了冰漿含冰率的提高。

1～5—熱電偶測試溫點位置

1 實驗裝置與測算方法

實驗系統(tǒng)流程如圖2所示，主要由螺旋式冰漿生成器、RH-DC精密低溫恒溫槽、刮削轉速控制器、溫控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冰晶質量觀測系統(tǒng)以及其他部件組成。RH-DC精密低溫恒溫槽中使用體積分數(shù)為40%的乙二醇水溶液為冷卻液，溫度可調范圍–20～100℃，精度為0.01℃。刮削轉速選用JJ-1型變頻器控制，范圍0～3500r/min。將制取所得流態(tài)冰冰晶樣本由過濾網(wǎng)中取出，放入圖3所示的冰晶質量觀測系統(tǒng)中進行觀察與圖像采集。

螺旋式冰漿生成器的簡化結構圖如圖1所示，電機選用功率300W的JJ-1型精密帶動電機；螺旋刮刀由22mm的不銹鋼桿和鋼制螺旋葉片焊接制成，套筒式換熱器內管63mm×2mm，外管89mm×2mm，材質為304不銹鋼，考慮到對環(huán)境的冷量散失，實驗時其外采用保溫材料進行隔熱處理；圖1中數(shù)字1～5處圓點表示熱電偶測溫點位置。

實驗中測算時間段內裝置產生的流態(tài)冰平均含冰率作為時間段中點含冰率值（IPF）；控制制冰溶液初始水溫9℃，計量裝置產生流態(tài)冰所需時間；使用圖3所示目鏡攝像設備完成對冰晶質量（直徑、形狀等）的影像采集，同一組流態(tài)冰樣本拍攝20張以上的顯微鏡冰晶照片，通過計算機軟件識別照片中冰晶顆粒外形，測算出冰晶面積、直徑等參數(shù)，用以后續(xù)分析。

1—恒溫冷卻槽；2—冷卻液(進)；3—螺旋式冰漿生成器；4—冷卻液（出）；5—帶動電機；6—轉速控制器；7—流態(tài)冰（出）；8—過濾網(wǎng)；9—水溶液儲槽；10—泵；11—水溶液（進）；12—溫度數(shù)據(jù)采集器；13—計算機；14—流量調節(jié)閥

1—恒溫冷卻槽；2—冷卻液（進）；3—冷卻液（出）；4—恒溫蓄冷臺；5—冰漿承裝容器；6—光電顯微鏡；7—目鏡攝像機；8—計算機

2 裝置內壁面冰晶生長速率的推導

在一定過冷條件下，非均質成核的晶核一旦形成，冰晶就開始進入生長階段，該階段中冰晶生長的具體過程細分為3個階段[16]，分別是冰晶完成潛熱釋放、水分子傳遞到達冰晶晶格分界表面、水分子在冰晶表面原有冰晶晶格基礎上組成新晶格使冰晶生長。

在冰晶生長的第一個階段——冰晶潛熱釋放階段，換熱器內水溶液發(fā)生相變釋放的潛熱將剛好與在溫差作用下冷卻液從換熱器內壁經由冰層向水溶液傳遞的冷量相當，二者將形成一個熱量平衡。這里相較冰層存在的熱阻，忽略不銹鋼壁厚熱阻可得式(1)。

在冰晶生長的第二個階段——水分子傳遞到達冰晶晶格分界表面階段，冰層與水溶液交接界面處的溶質濃度與溶液內部溶質濃度由于結晶與冰晶的生長將存在一定差值，由于此濃度差的存在會驅使溶液中的水分子傳遞到冰晶表面，而此質量傳遞過程中冰晶的生長速率MERSMANN等[17]已經推出，再根據(jù)陳燕等[18]的推導可知冰晶生長速率與溶液濃度存在關系，見式(2)。

在冰晶生長的第三個階段——水分子在冰晶表面原有冰晶晶格基礎上組成新晶格階段，第二階段中由于濃度差作用下聚集在冰層與溶液交界面處的水分子，會進一步地在冰層與水溶液界面處的實際溫度與相變平衡溫度存在的溫度差值驅使下，以氫鍵和冰晶內水分子鏈接加入到冰晶晶格中形成新的晶格，根據(jù)HUIGE[19]對純水、離子添加劑、醇類添加劑溶液的研究，水分子進入冰晶晶格的溫差驅動力可表示為式(3)。

(3)

將式(1)和式(2)帶入到式(3)中并結合陳燕等[18]對mass的推導，可得裝置內壁面冰層生長總速率為式(4)。

3 實驗結果與分析

3.1 流態(tài)冰含冰率隨時間變化規(guī)律

為了使研究出的裝置產生流態(tài)冰隨時間的變化規(guī)律具有普適性，在保持其他條件不變的前提下，每次只改變制冰溶液流量、刮刀轉速、制冰溶液濃度中的一個因素，觀察并測量裝置產生流態(tài)冰后不同時間含冰率值，實驗結果如圖4所示。

實驗結果表明裝置制取得到的流態(tài)冰的含冰率普遍具有隨時間先升高，達到一個峰值含冰率（略有波動）后降低，[l2] 。

裝置產生流態(tài)冰含冰率主要由換熱器通過內壁面向臨界水溶液傳遞的冷量和單位時間內刮刀有效刮削壁面冰晶面積兩個因素共同決定。流態(tài)冰開始產生時，冷卻液與水溶液間溫度差相對較大，冷量供應充足，含冰率主要由單位時間內刮刀有效刮削壁面冰晶面積決定。在凝冰剛開始時換熱器內壁面部分區(qū)域先快速結冰，并開始隨時間增加向換熱器內壁面整體擴展，完成冰層的生長與填滿空隙，使旋轉刮刀單位時間內可刮削的壁面冰晶有效面積逐漸增大，得到的冰晶質量會逐漸增多，含冰率逐漸上升，直到內筒壁面被冰晶全部覆蓋，刮刀有效刮削壁面冰晶面積達到最大，單位時間內刮削得到的冰晶質量達到極值，對應含冰率曲線上峰值出現(xiàn)。之后刮刀有效刮削壁面冰晶面積這個因素趨于穩(wěn)定不再起決定作用，相對的冷卻液與水溶液間溫度差將隨著換熱的進行開始逐漸變小，導致單位時間內傳遞的冷量逐漸減少，使得壁面冰晶生長變慢，造成含冰率逐漸降低，但當降低到一定程度后換熱器傳遞的冷量會趨于與恒溫冷卻槽對冷卻液提供的冷量相平衡，在含冰率曲線上的表現(xiàn)就是含冰率最后趨于穩(wěn)定。

3.2 制冰溶液流量對裝置產生流態(tài)冰所需時間和含冰率的影響

圖5、圖6分別給出體積分數(shù)為2%～5%乙二醇溶液為制冰溶液、流量20～50L/h、刮刀轉速300r/min條件下所得裝置產生流態(tài)冰所需時間和含冰率變化的實驗結果。

結果表明隨制冰溶液流量增加，裝置產生流態(tài)冰所需時間將延長，產生的流態(tài)冰中含冰率曲線將整體降低，含冰率峰值出現(xiàn)時間點延后，最終含冰率值呈現(xiàn)變小趨勢。根據(jù)傳熱學知識，制冰溶液流量越大，換熱進程中制冰溶液整體溫度下降速率就越慢，相同條件下裝置內制冰溶液達到過冷條件發(fā)生相變所需時間自然加長，而制冰溶液溫度下降速率變慢還將造成同一時刻換熱器內部內水溫變高，內壁面冰晶產生后冰層與水溶液界面處的實際溫度與相變平衡溫度決定的界面溫度差變小，由式(3)可知這將使得冰晶生長的界面溫度差驅動力變小，單位時間內冰層生長速率ice變慢，裝置單位時間內產生的冰晶也就越少，刮削混溶得到的流態(tài)冰含冰率自然也就越小，同樣的這也解釋了流量變大峰值含冰率的變化趨勢；而根據(jù)陳燕等[18]建立的冰層厚度隨時間變化的模型，制冰溶液流量增大，在冰晶剝離的第一階段由于流體沖擊造成的冰晶剝離速度就越快，總的冰晶生長速率就越慢，使螺旋刮刀單位時間內可刮削的壁面冰晶有效面積的增長速率變慢，從而導致單位時間內刮刀有效刮削壁面冰晶面積達到峰值時間點即峰含冰率時間點延后。

3.3 冷卻液進口溫度對裝置產生流態(tài)冰所需時間和含冰率的影響

圖7、圖8分別是以4%乙二醇為制冰溶液，控制冷卻液的起始進口溫度分別為–12℃、–15℃、–18℃實驗所得裝置產生流態(tài)冰所需時間和流態(tài)冰含冰率的結果。圖8(b)為了對比另行整理的峰值含冰率和最終含冰率隨進口溫度變化結果。

結果表明隨冷卻液起始進口溫度的升高，裝置產生流態(tài)冰所需時間逐漸變長。[l4] 時間內冷卻液通過壁面向水溶液傳遞的冷量=××Δ，是與冷卻液與水溶液間的溫度差成正比，制冰溶液起始溫度定為9℃，冷卻液起始溫度越高，Δ越小，單位時間內冷量傳遞就越少，水溶液降溫速率越慢，達到過冷條件裝置開始產生流態(tài)冰所需時間就會越長。

結果表明隨著冷卻液進口起始溫度的降低，產生的流態(tài)冰整體含冰率曲線將明顯上升，相應時間點流態(tài)冰含冰率也將明顯增大，而峰值含冰率出現(xiàn)的時間點隨著冷卻液起始溫度的降低，呈現(xiàn)逐漸前移的趨勢，最高含冰率和最終含冰率都會升高。

冷卻液起始溫度越低，相同條件下，在換熱器內制冰溶液達到過冷相變條件時相應的冷卻液溫度越低，對應換熱器內壁面溫度w也越低，由式(4)可知此時冰層生長速率ice越大，裝置單位時間內產生的冰晶也就越多，刮削混溶得到的流態(tài)冰含冰率值也就越大。而峰值含冰率前移的趨勢則是因為冷卻液起始溫度降低造成的冰晶生長速率加快，會使單位時間內螺旋刮刀可刮削的壁面冰晶有效面積增漲速率加快，從而導致單位時間內刮刀有效刮削壁面冰晶面積達到最大值出現(xiàn)的時間點即峰值含冰率出現(xiàn)的時間點提前。

3.4 轉速、溶液流量對流態(tài)冰冰晶顆粒的影響

實驗中通過使用圖3所示的冰晶觀測系統(tǒng)完成對裝置產生流態(tài)冰中冰晶顆粒的大量[l5] ，發(fā)現(xiàn)裝置刮削所制得的流態(tài)冰中冰晶顆粒形狀[見圖9(a)]與普通靜態(tài)加攪拌條件下制得的冰晶顆粒形狀[見圖9(b)]不盡相同：裝置得到的冰晶顆粒主要以條狀和扁圓狀為主，其中夾雜著一些不規(guī)則的其他形狀冰晶，相比主要呈現(xiàn)圓形由靜態(tài)攪拌條件下制得的冰晶顆粒，本裝置流態(tài)冰冰晶顆粒明顯要偏大很多。

圖10為制冰溶液流量30L/h情況下制得流態(tài)冰冰晶顆粒面積隨刮削轉速變化的實驗結果。從圖中可以看出，相同條件螺旋刮刀轉速越快，裝置制取得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒平均面積越小，表明冰晶顆粒越小。

制冰溶液流量一定，冷卻液起始溫度相同，意味著流態(tài)冰開始產生后裝置換熱器內壁的冰晶生長速率ice是一定的，當冰晶填滿與刮刀間隙后，刮刀轉速越快，兩次刮削同一冰晶生長點的時間間隔越小，冰晶生長時間越短，所得冰晶顆粒越小。

圖11為5%乙二醇為制冰溶液在控制螺旋刮刀轉速300r/min條件下流態(tài)冰冰晶顆粒平均面積隨制冰溶液流量變化的實驗結果。圖11中所示，隨著制冰溶液流量增大，相同條件下制取所得流態(tài)冰冰晶顆粒平均面積在逐漸減小，表明冰晶顆粒在逐漸變小。

進口水溶液流量越大，單位時間內換熱器中水溶液整體溫度下降速率就越慢，相同條件下?lián)Q熱器內壁內水溫就越高，內壁冰層與水溶液界面處的實際溫度與相變平衡溫度決定的界面溫度差也就越小，冰晶生長的界面溫度差驅動力就越小，單位時間內冰層生長速率ice也就越小。當冰晶生長填滿與刮刀間隙后，裝置螺旋刮刀轉速一定，表明兩次刮削同一冰晶生長點的時間間隔是一定的，大流量條件冰晶生長速率ice慢，在這段時間間隔內冰晶生長的體積就小，刮削得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒較小。

4 結論

本文通過研究得到如下結論。

（1）本項目提出的新型螺旋式冰漿制取方法是可行的，可以有效解決過冷法動態(tài)制冰漿遇到的含冰率低、易發(fā)生冰堵兩大問題，改進壁面刮削法制冰漿限于換熱面積小產量低的缺點。

（2）以乙二醇水溶液作為制冰溶液情況下，裝置最高制冰量為4.024kg/h，所制得流態(tài)冰均勻，具有良好的流動性，最高含冰率IPF可達13.684%，流態(tài)冰中冰晶顆粒形狀與前人在過冷攪拌條件下所得有明顯的差別，一般呈現(xiàn)條狀和扁圓狀，平均冰晶顆粒面積在10–9～10–8m2之間，顆粒相對較大。

（3）裝置產生的流態(tài)冰含冰率普遍具有隨時間先升高，達到一個峰值含冰率（略有波動）后降低，并最終趨于穩(wěn)定在一個固定的值不再變化的規(guī)律。

（4）制冰溶液流量對裝置產生流態(tài)冰所需時間、生成流態(tài)冰含冰率和得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒大小都有影響：制冰溶液流量越大，裝置產生流態(tài)冰所需時間就越長；裝置產生的流態(tài)冰整體含冰率曲線明顯下降，相應時間點流態(tài)冰含冰率減小，峰值含冰率和最終含冰率將降低，并且峰值含冰率出現(xiàn)的時間點呈現(xiàn)延后的趨勢；流態(tài)冰中冰晶顆粒尺寸將變小。

（5）冷卻液起始進口溫度對裝置性能的影響主要表現(xiàn)在影響裝置產生流態(tài)冰所需時間、生成流態(tài)冰含冰率上：冷卻液起始進口溫度越低，裝置產生流態(tài)冰所需時間越短；相應的產生的流態(tài)冰整體含冰率曲線將明顯上升，相應時間點流態(tài)冰含冰率明顯增大，峰值含冰率出現(xiàn)的時間點逐漸前移；流態(tài)冰峰值含冰率和最終含冰率都會升高。

（6）裝置螺旋刮刀轉速對裝置性能的影響主要表現(xiàn)在刮刀轉速越快，裝置制取得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒平均面積越小，冰晶顆粒越小；而刮刀轉速對裝置制取得到的流態(tài)冰含冰率的影響則不明顯。

符號說明

Gice——冰層生長速率，m/s Hf——單位水溶液凝固釋放潛熱，J/kg Kmass——分子質量傳遞系數(shù)，m/s； Ksurf，n——分別為由溶液性質決定的系數(shù)，純水、離子添加劑、醇類添加劑溶液中為Ksurf=2.7x10–3m/s，n=1.55（HUIGE[19]測出） MH2O——水的摩爾質量，g/mol Mliq——水溶液的摩爾質量，g/mol Tint——冰層與水溶液界面溫度，℃ Tw——換熱器內壁面溫度，℃ T*(xint)——冰層與水溶液界面處的對應的摩爾分數(shù)為xint時，溶液的相變平衡溫度，℃ T*(xb)——水溶液內部摩爾分數(shù)濃度為xb時，溶液的相變平衡溫度，℃ xb——水溶液內部溶質（即添加劑）的摩爾分數(shù)，% xint——冰層與水溶液交接界面處的溶質（添加劑）摩爾分數(shù)，% δice——已存在冰層厚度，m λice——冰的熱導率，W/(m·K) ρliq——水溶液密度，kg/m3 ρice——冰的密度，kg/m3

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Experimental study on the ice slurry produced by spiral scraping

HUANG Cheng，WU Haofan，HUANG Heyuan，XIA Li，SUN Ning，LI Xuelai

（College of Chemistry and Chemical Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，F(xiàn)ujian，China）

Constrained by technical problems such as ice barrier，the production method of ice slurry is currently difficult to guarantee the large scale steady production. In order to improve the current method and apparatus，a new dynamic ice slurry making apparatus named spiral scraping ice slurry generation was developed. It combines the supercooled ice-making method and scraping ice-making method. Taking glycol solution as the ice-making solution，the performance of the new apparatus was analyzed both theoretically and experimentally. The results showed that the new apparatus runs steadily and can be easily operated. The ice slurry as product has good flowability，with the maximum ice packing factor of 13.684%. The ice crystal particles in ice slurry distributes uniformly，and generally present as strip or oblate，with an average area of between 10–9m2and 10–8m2. The[w1] of the ice slurry would increase over time firstly and then decrease，and finally it would keep stable at a constant value. Decreasing the flow of ice-making solution or reducing the initial inlet temperature of the coolant would shorten the initiation time of apparatus producing ice slurry and increase the IPF of ice slurry. While increasing the flow of ice-making solution or accelerating the rotary speed of spiral slicker would make the ice crystal particles in ice slurry smaller.

ice slurry；heat transfer；spiral scrape；crystallization；phase change；IPF

TB657.1

A

1000–6613（2017）01–0059–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.008

2016-06-03；修改稿日期：2016-06-20。

國家基礎科學人才培養(yǎng)基金項目（J1103303）。

黃成（1991—），男，碩士研究生，研究方向為熱過程裝備及節(jié)能技術。聯(lián)系人：李學來，教授，主要從事非定常流制冷、強化傳熱技術、熱過程裝備節(jié)能技術研究。E-mail：lxl6632@sina.com。