曹世楠 張衛(wèi)義 劉阿珍

（北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617）

1 冰蓄冷應(yīng)用技術(shù)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(yú)類(lèi)延長(zhǎng)貨架期。冰漿與臭氧結(jié)合有效預(yù)防魚(yú)肉的變質(zhì)。劉圣春[2]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)采用冰漿儲(chǔ)存魚(yú)類(lèi)與傳統(tǒng)的冷凍存儲(chǔ)相比，蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)氨的降解速度由3 d增加到6 d，比傳統(tǒng)冷凍應(yīng)用前景廣泛。

董凱軍[3]通過(guò)冰漿蓄冷為不同的乳品加工過(guò)程提供了不同溫度的冷水，降低每噸牛奶產(chǎn)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(shè)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(yùn)行費(fèi)用。光俊杰設(shè)計(jì)用冰漿蓄冷制冷的空調(diào)系統(tǒng)，減少18%的制冷機(jī)裝機(jī)容量，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用110萬(wàn)。我國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)，電力峰谷差引起的電力浪費(fèi)是減少溫室氣體排放的1個(gè)重要手段，冰蓄冷技術(shù)能夠有效地減少電力峰谷差，是未來(lái)制冷技術(shù)發(fā)展的1個(gè)主要方向。目前冰蓄冷技術(shù)已有部分進(jìn)行了實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，但是還需要繼續(xù)對(duì)理論進(jìn)行深入研究。

2 冰漿制取方法分析

冰漿制取方法分為動(dòng)態(tài)與靜態(tài)2種。靜態(tài)制取冰漿一般是將制取冰漿的液體灌入1個(gè)特制容器中，然后利用制冷劑對(duì)容器制冷，制取冰漿的液體的通過(guò)容器的制冷作用而產(chǎn)生冰漿，在制冰溶液成功結(jié)冰后，采用特殊手段將冰漿與制冷容器分離，達(dá)到成功制取冰漿的目的。靜態(tài)制冰方法是應(yīng)用最早的制冷方法，在一些技術(shù)落后的地區(qū)，靜態(tài)制冰是主要的制取冰漿方法。雖然靜態(tài)制取冰漿法具有制冰設(shè)備簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但是存在傳熱效率隨制冰層厚度降低較快的缺點(diǎn)。動(dòng)態(tài)制冰能夠克服傳熱效率下降的缺點(diǎn)。動(dòng)態(tài)制取冰漿的方法主要包括以下4種。

2.1 過(guò)冷法

過(guò)冷法是目前比較成熟的制取冰漿的方法，在國(guó)內(nèi)外的一些制冷領(lǐng)域中，過(guò)冷法制取冰漿已經(jīng)進(jìn)行了工業(yè)制冷的應(yīng)用。過(guò)冷法制取冰漿是通過(guò)控制液體流態(tài)與溫度，最后通過(guò)接觸液體的過(guò)冷態(tài)產(chǎn)生冰漿。曲凱陽(yáng)研制出制冷裝置、過(guò)冷卻器、過(guò)冷水過(guò)冷態(tài)的解除裝置的冰漿制取系統(tǒng)，并研究了雷諾數(shù)、過(guò)冷器特性、溶液流態(tài)相關(guān)因素對(duì)冰漿生產(chǎn)的效率與過(guò)冷度的解除的影響作用。為過(guò)冷法制取冰漿的理論研究提供了支撐。

過(guò)冷法制取裝置如圖1所示，液體從入口1流入，經(jīng)過(guò)制冷后由出口3流入容器5中，通過(guò)5的解除過(guò)冷態(tài)作用產(chǎn)生冰漿。過(guò)冷法制取冰漿系統(tǒng)簡(jiǎn)單，換熱系數(shù)大，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冰，但是存在冰堵問(wèn)題。過(guò)冷法已經(jīng)成功地用于工業(yè)技術(shù)中，但是過(guò)冷法在制取冰漿時(shí)存在的冰堵問(wèn)題制約了該技術(shù)在工業(yè)中大規(guī)模地應(yīng)用。過(guò)冷法是比較成熟的1種制取冰漿方法，在未來(lái)，過(guò)冷法技術(shù)需要解決制冰過(guò)程的冰堵問(wèn)題，隨著過(guò)冷法技術(shù)越來(lái)越成熟，其具有較大的商業(yè)應(yīng)用潛力。

圖1 過(guò)冷法制取冰漿裝置簡(jiǎn)圖

2.2 直接接觸法

為了克服過(guò)冷法制取冰漿的缺點(diǎn)，提高制取冰漿時(shí)的傳染效率，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)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(zhì)與液體直接接觸制冷，通過(guò)制冷劑與液體的直接接觸，保證在制取冰漿過(guò)程中具有較高的換熱效率。制冷劑與產(chǎn)生冰漿的溶液直接接觸還能夠避免過(guò)冷法中存在冰堵大的問(wèn)題。張學(xué)軍設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了1套新型直接接觸式制取冰漿系統(tǒng)，系統(tǒng)采用相變制冷（圖3），其制冷效率可達(dá)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(xù)制冰。對(duì)裝置的氣密性要求嚴(yán)格。直接接觸制取冰漿能夠有效地避免過(guò)冷法制取冰漿時(shí)存在的冰堵問(wèn)題，但是，由于刮削存在機(jī)械能的消耗，因此制取冰漿用的刮板需要經(jīng)常更換，制冰費(fèi)用也相應(yīng)地增加了，同時(shí)刮削過(guò)程也消耗冷量，造成能源的消耗。上述缺點(diǎn)是直接接觸法制取冰漿推廣應(yīng)用的主要障礙。直接接觸法在進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，需要克服制冰費(fèi)用高和消耗冷量大的缺點(diǎn)，同時(shí)接觸法對(duì)操作技術(shù)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(shí)例，距商業(yè)應(yīng)用還有較大的差距。

圖3 氮?dú)庵苯咏佑|制冷裝備

2.3 刮削法

刮削法是以傳統(tǒng)的工業(yè)換熱器為基礎(chǔ)的1種新型冰漿制取方法。液體在制冷的同時(shí)有刮刀對(duì)殼體壁進(jìn)行刮削，因此不會(huì)出現(xiàn)過(guò)冷法制取冰漿時(shí)換熱管道堵塞的問(wèn)題，同時(shí)能夠保證具有較高的傳熱系數(shù)。

國(guó)外學(xué)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(huán)流動(dòng)，冰漿生產(chǎn)液在換熱管內(nèi)被冷卻，為了避免管道內(nèi)部產(chǎn)生冰漿，利用電機(jī)帶動(dòng)刮片在換熱管道內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，有效地解決了管道內(nèi)的冰堵問(wèn)題。我國(guó)學(xué)者黃成在總結(jié)和研究國(guó)外刮削法制取冰漿技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shí)電機(jī)帶動(dòng)刮刀以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了冰堵的發(fā)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(shí)通過(guò)改進(jìn)刮片的彈性模量，克服了國(guó)外刮削法制取冰漿時(shí)刮片磨損較大的缺點(diǎn)。雖然刮削法制取冰漿的換熱效率與過(guò)冷法和接觸法相比較低，但是不發(fā)生冰堵，能夠連續(xù)制冰，存在刮削器磨損嚴(yán)重的缺陷，設(shè)備需要經(jīng)常維修更換的缺點(diǎn)。刮削法制取冰漿未來(lái)需要解決刮片壽命短問(wèn)題。隨著各種新材料和新工藝的出現(xiàn)，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(chǎn)生冰點(diǎn)的壓力，液滴在制冷容器內(nèi)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(dá)到冰點(diǎn)，形成冰漿。

馬軍設(shè)計(jì)了另一種真空制取冰漿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)分為供水與保持系統(tǒng)2個(gè)部分。通過(guò)安裝在真空灌中的探針來(lái)檢測(cè)真空灌中的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。

圖5 真空法制取冰漿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖6為國(guó)外的1種真空法制取冰漿裝置，該裝置能夠在-4 ℃時(shí)制取冰漿，采用的制冷劑為乙二醇溶液，相對(duì)于其他采用氣體制冷劑，制冷法具有設(shè)備氣密性要求低、設(shè)備安全性高的優(yōu)點(diǎn)。

真空法相比其他制取冰漿方法目前也只是在實(shí)驗(yàn)中成功地制取冰漿，真空法對(duì)設(shè)備的加工精度要求極高，造成了該種方法制取冰漿時(shí)的成本大。未來(lái)真空法不僅需要解決操作條件苛刻的問(wèn)題，而且需要降低對(duì)設(shè)備加工精度的要求。對(duì)真空法的研究越來(lái)越深入，技術(shù)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(shù)

流態(tài)化是固體顆粒在氣體或液體的作用下表現(xiàn)為流體的1種特性。流化床技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制藥、干燥以及食品等工業(yè)中?；ぴO(shè)備主要采用流化床技術(shù)防止換熱器管道堵塞。而固體顆粒對(duì)換熱管的碰撞作用也能夠提高換熱效率。固體顆粒對(duì)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(shí)能夠防止換熱管的冰堵發(fā)生。北京石油化工學(xué)院的張衛(wèi)義[6]團(tuán)隊(duì)在查閱文獻(xiàn)后，設(shè)計(jì)了1套流化床制取冰漿裝置（圖7），并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，成功地制取了冰漿，制冰時(shí)間較其他動(dòng)態(tài)制取冰漿時(shí)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(gè)技術(shù)難題。但是試驗(yàn)證明流化床法制取冰漿具有換熱效率高、不發(fā)生冰堵等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)制取冰漿方法的1種發(fā)展趨勢(shì)。

圖7 流化床制取冰漿裝置

4 結(jié)論

采用冰漿進(jìn)行蓄冷具有蓄冷能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，冰蓄冷技術(shù)隨著冰漿制取技術(shù)的成熟，必將取代部分空調(diào)制冷技術(shù)。

流化床法制取冰漿技術(shù)具有傳熱效率高、不發(fā)生冰堵以及換熱管道無(wú)摩擦的優(yōu)點(diǎn)，隨著對(duì)流化床冰漿制取技術(shù)研究的深入，該方法在冰蓄冷的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中具有較大的潛力。