冰蓄冷場合流動冰漿快速制取實驗研究

尹少武，李鴻坤，賈震雄，王 立，童莉葛

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冰蓄冷場合流動冰漿快速制取實驗研究

尹少武1,2，李鴻坤1，賈震雄1，王 立1,2，童莉葛1,2

（1北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2北京科技大學(xué)冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100083）

冰漿具有良好的導(dǎo)熱性和流動性，在冰蓄冷場合廣泛應(yīng)用。采用“氣體直接接觸式”方法制取冰漿，通過添加預(yù)冷套、外部真空絕熱保溫層、多噴嘴供氣等措施設(shè)計了氣體直接接觸式冰漿快速制取裝置。首先考察了預(yù)冷套、外部真空絕熱保溫層、多噴嘴供氣等措施對制冰速率的影響，然后分析了添加分子篩、鋼珠和玻璃珠作為擾動顆粒對冰堵的影響，最后討論了添加劑種類和濃度對冰漿質(zhì)量的影響。在對多種添加劑的對照實驗中得到了不同溶質(zhì)對質(zhì)量含冰率、制取時間、制取效率的影響，結(jié)合實驗現(xiàn)象和所測得的實驗數(shù)據(jù)，對不同溶質(zhì)制得的冰漿進(jìn)行了分析。通過對比各溶液的冰漿制得情況，提出提高冰漿制取效率的方法和在工業(yè)、生活實際中對不同添加劑的選取。結(jié)果得到添加劑使用醇類時效果明顯好于鹽類，在醇類的實驗結(jié)果對比中可知添加表面活性劑的體積分?jǐn)?shù)為15%的丙三醇溶液制取冰漿效果最佳。

冰漿；冰蓄冷；快速制取；氣體直接接觸

相變蓄熱技術(shù)由于蓄熱密度大、溫度恒定，在國內(nèi)外得到廣泛的研究與應(yīng)用，尤其在能源供給不連續(xù)或者能源使用波動范圍大的情況下，應(yīng)用尤其廣泛。相變儲熱系統(tǒng)作為解決能源供應(yīng)時間與空間矛盾的有效手段，是提高能源利用率的重要途徑之一[1]。目前中國許多大中城市的空調(diào)用電占其高峰用電的20%以上，電網(wǎng)晝夜峰谷負(fù)荷差值高達(dá)40%左右，造成夜間電力資源極大閑置和浪費(fèi)。冰蓄冷技術(shù)是利用夜間電網(wǎng)低谷時間的低價電制冰蓄冷將冷量儲存起來，白天用電高峰時溶水，與冷凍機(jī)組共同供冷，而在白天空調(diào)高峰負(fù)荷時，將所蓄冰冷量釋放滿足空調(diào)高峰負(fù)荷需要的成套技術(shù)[2]。

冰漿是由微小的冰晶和溶液組成，它具有良好的流動性，能夠用泵進(jìn)行管路輸送，同時具有良好的熱物性和蓄冷潛熱，應(yīng)用于蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可使整個系統(tǒng)小巧緊湊，因而具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者通常采用常規(guī)過冷法、刮片式制冰法、真空噴射式制冰法、降膜法以及直接噴射冷凍法等來制取冰漿。國內(nèi)學(xué)者陶樂仁等[4]利用低溫顯微實驗臺記錄了異相成核時冰晶的生成和生長情況，分析了異相成核情況下冷卻速率對冰晶生長速率及冰晶形狀的影響；曲凱陽等[5]研究了結(jié)冰基體表面粗糙度、表面材料、表面面積、水的流動狀態(tài)以及對水的磁化等對過冷水發(fā)生結(jié)冰的影響。日本學(xué)者稲葉英男等[6]對溶液的種類及濃度、過冷溫度及過冷度、雜志顆粒大小和壁面粗糙度等因素對結(jié)晶的影響做了研究；荷蘭Delft大學(xué)JMEEWISSE[7]在工業(yè)用流化床換熱器基礎(chǔ)上開發(fā)了冰漿制取裝置，制冷劑在管外蒸發(fā)，管內(nèi)水在向上的紊流中，大量直徑1～5 mm的不銹鋼珠頻繁地撞擊和破碎黏附于壁面的冰晶粒子，避免了冰晶在壁面的沉積并保持很高的傳熱速率。

近幾年來也興起一種新的方法，被稱為“氣體直接接觸式”冰漿制取，該方法也可以獲取冰漿。直接接觸式換熱具有很高的換熱系數(shù)，用來制冰是將冷媒通入制冰溶液中，與之直接接觸換熱來制取冰漿。這種方式和間壁式換熱不同，換熱發(fā)生在流體接觸表面而不是固體表面，因此不僅換熱系數(shù)高，而且存在強(qiáng)烈的擾動，從而更容易獲得冰漿。張學(xué)軍等[8]利用氮?dú)庾鳛橹苯咏佑|制冰系統(tǒng)的低溫介質(zhì)進(jìn)行了制冰實驗，分析了流量、流速、溫度等因素對系統(tǒng)換熱性能和冰堵的影響；中國科學(xué)院廣州能源研究所[9]研制了采用內(nèi)置換熱/外置促晶的氣體水合物蓄冷裝置，采用 HCFC-141b為致水合介質(zhì)，蓄冷密度為161.1 MJ/m3。新加坡國立大學(xué)WIJEYSUNDERA等[10]采用一種特殊的冷凍劑[Fluroinert，F(xiàn)C-84，密度1730 kg/m3，熱導(dǎo)率0.6 W/(m?K)]制取冰晶，入射溫度為-5 ℃。

目前使用最廣泛的技術(shù)是將比熱容較大的溶液做成冰球形式來存儲冷量，制冷劑從冰球間流過以達(dá)到換熱目的。通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)可以通過改善現(xiàn)有的制取方法，采用更加高效經(jīng)濟(jì)的方式，使得此換熱過程的效率進(jìn)一步提高，即使用具有良好流動性的“冰漿”代替冰球以達(dá)到提高換熱過程效率的目的。

本文采用“氣體直接接觸式”方法制取冰漿，通過添加預(yù)冷套、外部真空絕熱保溫層、多噴嘴供氣等措施設(shè)計了改進(jìn)型氣體直接接觸式冰漿快速制取裝置，分析了這些措施對制冰速率的影響，然后考察了添加分子篩、鋼珠和玻璃珠作為擾動顆粒對冰堵的影響，最后討論了添加劑種類和濃度對冰漿質(zhì)量的影響。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗設(shè)備

改進(jìn)型直接接觸式冰漿快速制取裝置如圖1所示，包括裝有冷劑氣體儲氣罐、觀察其管內(nèi)氣體壓強(qiáng)大小的壓力表、控制流出氣體流量的轉(zhuǎn)子流量計、盛裝液氮的冷源、連接導(dǎo)管（聚四氟乙烯管或其它材料）、保溫材料和冰漿發(fā)生裝置等。

1.2 冰漿發(fā)生器設(shè)計

本實驗中冰漿發(fā)生器由有機(jī)玻璃構(gòu)成，其隔熱性良好且強(qiáng)度較高，能夠適應(yīng)本工作在實驗中向其充入氣體和加水溶液并進(jìn)行反應(yīng)的條件。有機(jī)玻璃通體透明，有利于對實驗進(jìn)程的把控。根據(jù)溶液中氣泡的大小和多少，能直觀地觀察管內(nèi)的反應(yīng)速度，以便及時通過外部的閥門對整個實驗速度進(jìn)行良好控制。將冰漿發(fā)生器設(shè)計為內(nèi)外兩層，外層使用真空處理，隔絕外界的熱量，一方面減少了由于環(huán)境因素對實驗造成的影響，另一方面，本工作從內(nèi)向外控制了導(dǎo)熱和對流的途徑，使得氮?dú)饨?jīng)由液氮帶來的冷量不會散失，而且進(jìn)一步減小了水溶液乃至制取出來的冰漿被環(huán)境溫度加熱的可能性，進(jìn)而也起到了節(jié)約材料、能源的作用。

1.3 實驗過程

氮?dú)馔ㄟ^閥門從氮?dú)馄恐辛鞒?，進(jìn)入內(nèi)外徑分別為7 mm和9 mm的聚四氟乙烯軟管（后文簡稱塑料軟管），通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計對管中的氮?dú)饬髁孔鋈瘫O(jiān)控，并結(jié)合氮?dú)馄靠诓糠值拈y門，對實驗反應(yīng)速率進(jìn)行時時調(diào)整。氮?dú)饨?jīng)流量計后經(jīng)塑料軟管進(jìn)入被浸在液氮中的紫銅管中進(jìn)行冷卻（通過調(diào)節(jié)紫銅管浸入液氮的高度可以對出口氮?dú)獾臏囟冗M(jìn)行調(diào)節(jié)）。經(jīng)過冷卻后的氮?dú)庖琅f進(jìn)入塑料軟管，但后面的所有管道均由保溫材料包被，以盡可能地減少冷量的散失。在氮?dú)膺_(dá)到實驗裝置主體前，采用熱電阻對管內(nèi)氮?dú)膺M(jìn)行溫度測量，如有溫度不符合實驗要求的情況即用上述調(diào)節(jié)紫銅管高度的方法進(jìn)行調(diào)控。測量溫度并確保氮?dú)夂细竦臈l件下，氣體開始進(jìn)入實驗裝置主體，并通過直接接觸式方法進(jìn)行反應(yīng)。

1.4 評價參數(shù)

本文中需要提及的重要評價參數(shù)如下。

IPF（ice packing factor）：質(zhì)量含冰率，表示單位體積內(nèi)含冰的質(zhì)量（其值越高，冰漿中冰的含量越高，冰漿品質(zhì)越好）；Efficiency：質(zhì)量含冰率與制取時間（h）之比（其值越高，說明在綜合考慮質(zhì)量含冰率和制取時間的關(guān)系時效率越高）；LMTD（log mean temperature difference）：對數(shù)平均溫差（其值越高，說明在體系中換熱效果越好），可由式(1)計算

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 載冷氣體種類對制冰速率的影響

由于氮?dú)獬杀据^高，大規(guī)模生產(chǎn)時經(jīng)濟(jì)性不佳，其次在制備氮?dú)獾倪^程中消耗大量能源，所以本實驗考慮使用空氣代替氮?dú)膺M(jìn)行試驗，并進(jìn)行對比試驗，為控制變量，在二者進(jìn)行實驗時均增加預(yù)冷套、噴頭，采用抽真空的方式，分別觀察并記錄冰漿開始生成時間、單位質(zhì)量含冰率與冰漿細(xì)膩程度，表1為氮?dú)馀c空氣的制冰漿效果數(shù)據(jù)（實驗條件：乙二醇與水體積配比為1∶20；流量為1600 L/h）。

分別使用氮?dú)夂涂諝庾鳛檩d冷氣體時，實驗過程中裝置內(nèi)液體溫度變化曲線如圖 2所示。使用兩種氣體作為載冷劑時，使裝置內(nèi)部液體降溫的效率基本相同，且達(dá)到冰點(diǎn)所需降溫的時間相差不超過3 min。此現(xiàn)象證明：將本裝置由實驗室階段推廣到工業(yè)化生產(chǎn)階段時，可以摒棄較為昂貴的氮?dú)?，改為使用廉價的壓縮空氣。且空氣與氮?dú)獾男再|(zhì)相近：氮?dú)獾南鄬Ψ肿淤|(zhì)量為28，空氣約為29，密度相差無幾，所以在選用轉(zhuǎn)子流量計等器材時，可近似將數(shù)值取為相等。

表1 載冷氣體種類對制冰速率的影響對比

乙二醇與水體積配比為1∶20；流量為1600 L/h；載冷劑氣體為氮?dú)狻?/p>

2.2 不同裝置效果對比

本文所述冰漿發(fā)生器添加各裝置的制冷效果對比數(shù)據(jù)如表2所示，圖3顯示了添加雙層真空隔層、盤管式預(yù)冷套、噴嘴裝置給實驗效果帶來的影響。圖中斜率最大的曲線是同時添加上述3種裝置時對乙二醇溶液的制冷效果，溶液降溫速度快，1.7 ℃的乙二醇溶液在20 min時就可達(dá)到-2 ℃的冰點(diǎn)，制冷效果良好。相比之下，不添加上述裝置的乙二醇溶液需要約38 min的時間才能達(dá)到相同的效果?？梢?種改進(jìn)裝置的添加有利于快速制取冰漿。

2.3 擾動顆粒對冰堵的影響

為了分析冰漿制取過程中冰堵的形成機(jī)理，本實驗采用純凈水溶液，容量為100 mL，冷卻介質(zhì)為氮?dú)?，流量?500 L/h。分別考察添加染色分子篩、鋼珠和玻璃珠作為擾動顆粒對冰堵的影響。

實驗中，自下而上產(chǎn)生大量氣泡，氣泡分散情況好且擾動強(qiáng)烈，氣泡形成高度為210～240 mm。同時，首先在裝置底部產(chǎn)生小塊固態(tài)冰，冰晶直接從噴嘴出口成核并形成月牙狀的管狀冰，連接在出氣口外側(cè)，逐漸長大，在其上部漸漸封口而留下眾多小孔使低溫氮?dú)馊匀荒軌蝽樌ㄟ^。隨著實驗持續(xù)，在噴嘴處的冰塊體積繼續(xù)長大，其周圍的小孔數(shù)量急劇減小，在很大程度上堵住氣體進(jìn)口，使進(jìn)氣量從原來設(shè)定的1500 L/h 迅速減小到200～300 L/h，若此時不及時停止給氣或破壞已產(chǎn)生的塊狀冰，將造成嚴(yán)重的冰堵。多次重復(fù)實驗表明，實驗持續(xù)7～8 min后均形成相似的冰堵，如圖4所示。

表2 裝置效果對比實驗記錄表

乙二醇與水體積配比為1∶20；流量為1600 L/h；載冷劑氣體為氮?dú)狻?/p>

為了解決冰堵問題，通過往裝置中添加染色分子篩、鋼珠、玻璃珠作為擾動顆粒，對比了它們對冰堵的影響效果，如圖5所示。開始時，密度小于水的分子篩分散在水溶液中，起到了擾動作用，隨著分子篩吸水后開始沉降至容器底部，擾動作用減弱，并且在噴嘴處有固態(tài)冰成核時，分子篩反而增加了成核機(jī)會，在體系中形成帶有顏色分子篩的冰塊，加劇了冰堵。添加密度遠(yuǎn)大于水的鋼珠時，鋼珠迅速沉降至容器底部，擾動效果不明顯，低溫更使鋼珠成為水的成核載體，實驗結(jié)束時發(fā)現(xiàn)冰塊包覆在鋼珠表面，但鋼珠具有蓄冷作用。利用密度略大于水的玻璃珠作為擾動顆粒時，隨著氮?dú)鈴牡撞窟M(jìn)入，玻璃珠在容器內(nèi)沸騰流化，一方面促進(jìn)了玻璃珠與氮?dú)饧八g的換熱，另一方面起到良好的擾動作用，防止了冰堵的形成。

2.4 醇類添加劑對冰漿形成的影響

2.4.1 添加劑種類的影響

在10%和20%兩個添加劑體積分?jǐn)?shù)的條件下，分別研究3種不同添加劑對實驗的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)：使用純水作為介質(zhì)時，并不能產(chǎn)生良好的冰漿產(chǎn)物，但是在適當(dāng)添加了醇類添加劑后得到了如圖6～8所示的冰漿效果圖。

添加劑體積分?jǐn)?shù)為10%時不同醇類的實驗結(jié)果見表3。隨著實驗過程的進(jìn)行和實驗組數(shù)的不斷增加，可知不同醇類對冰漿產(chǎn)生效果有不同影響。分析表中數(shù)據(jù)可以得到，使用體積分?jǐn)?shù)為10%的丙三醇可以得到較高的質(zhì)量含冰率和最好的換熱效果，然而在考慮制取時間的條件下，其效率并沒有同樣濃度的乙醇或乙二醇高。

添加劑體積分?jǐn)?shù)為20%時，3種醇類作為添加劑的冰漿產(chǎn)物效果圖如圖9～11所示，相應(yīng)實驗結(jié)果見表4。分析表中數(shù)據(jù)，可以得到相似的結(jié)論，使用20%丙三醇可以得到較高的質(zhì)量含冰率和最好的換熱效果，然而在考慮制取時間的條件下，其效率并沒有同樣濃度的乙醇或乙二醇高。首先，從上文兩組效果圖可以看出，通過使用添加劑，可以用同樣的裝置產(chǎn)生出純度較好且細(xì)膩程度很高的冰漿。

表3 添加劑體積分?jǐn)?shù)為10%時不同醇類的實驗結(jié)果

其次，通過上面兩組圖片以及實驗室中的實驗數(shù)據(jù)可以分析得出：①從質(zhì)量含冰率考慮，相同濃度乙二醇與丙三醇的效果相近且均好于乙醇；②從制備效率考慮，即綜合了質(zhì)量含冰率以及制備時間的效率問題，相同濃度下的乙醇和乙二醇接近且高于丙三醇的制備能力；③考慮到LMTD時，從兩張圖中均可明顯看出相同濃度的醇類溶液，丙三醇的換熱效果好于乙醇，乙二醇的換熱效果最差。

表4 添加劑體積分?jǐn)?shù)為20%時不同醇類的實驗結(jié)果

綜上所述，乙醇的制備高濃度冰漿的能力不如乙二醇和丙三醇，但由于其制備所需時間短，所以如果要考慮到迅速制冰，則應(yīng)考慮使用乙醇制取冰漿。乙二醇在上述兩個條件下都體現(xiàn)出最佳的能力，所以在考慮制冰效率的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮使用乙二醇作為溶液的添加劑。同時三者的換熱效果體現(xiàn)出的是蓄冷能力的不同。因此如果考慮在冰蓄冷場合下的冰漿制取，而淡化由于制備時間而帶來的電量變化的情況下，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用丙三醇（且丙三醇還具有無毒、低腐蝕性的特點(diǎn)，這個特點(diǎn)使其在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中成為取代乙二醇的新型添加劑）。

2.4.2 添加劑濃度的影響

相同濃度的不同醇類有著不同的制冰效果表現(xiàn)，而同一種醇在不同濃度條件下同樣能夠產(chǎn)生不同的制冰效果。丙三醇不同濃度時制取冰漿的效果圖如圖12～15所示，相應(yīng)實驗結(jié)果見表5。使用丙三醇作為添加劑，隨著丙三醇濃度的增加，質(zhì)量含冰率和制取時間都有所加長，在丙三醇濃度為15%時，Efficiency值較高，LMTD值最高，其換熱效果最好。

表5 添加不同濃度丙三醇的制取冰漿對比

續(xù)表5

3 結(jié) 論

本文采用“氣體直接接觸式”方法制取冰漿，通過添加預(yù)冷套、外部真空絕熱保溫層、多噴嘴供氣等措施設(shè)計并搭建了氣體直接接觸式冰漿快速制取裝置，在此基礎(chǔ)上開展實驗研究，得到結(jié)論如下。

（1）采用雙層儲存器利用真空隔熱原理，將兩層中間部分抽成真空以便減少載冷劑氣體在裝置中流動過程當(dāng)中向環(huán)境的冷量散失；采用雙層真空隔層冰漿發(fā)生器、盤管式預(yù)冷套、噴嘴裝置，有效縮減了冰漿開始產(chǎn)生的時間，明顯提高了質(zhì)量含冰率并改善了冰漿的品質(zhì)。

（2）采用相比于氮?dú)飧畠r的空氣作為載冷氣體，可以在不影響制備冰漿效果的前提下有效降低制備成本。

（3）利用密度略大于水的玻璃珠作為擾動顆粒，促進(jìn)玻璃珠與氮?dú)饧八g換熱的同時，還可起到良好的擾動作用，防止發(fā)生器內(nèi)形成冰堵。

（4）添加劑為濃度15%的丙三醇時，Efficiency值較高，LMTD值最高，其換熱效果最好，是本工作實驗條件下相對較優(yōu)的添加劑種類和添加濃度。

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Experimental study on rapid preparation of ice storage appilications

YIN Shaowu1,2, LI Hongkun1, JIA Zhenxiong1, WANG Li1,2, TONG Lige1,2

(1School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

Ice slurries have good thermal conductivity and fluidity, and hence are widely used in ice storage. In this work, a gas direct contact device was designed for rapid ice slurry preparation by using pre-cooling jacket, external vacuum insulation layer and multi-nozzle filling gas, and studied for the effects of these devices on the ice slurry production rate. The effects of the addition of molecular sieves, steel beads and glass beads as perturbation particles were then studied on the ice blockage. Finally, the effects of types and concentrations of additives on the quality of the ice slurry were discussed. By comparing the effect of each of the solutions, a method for improving the production efficiency of ice was put forward. It was showed that the use of alcohols as the additive was better than the use of salts, and, of all the alcohols studied, the use of 15% of glycerol gave the best performance.

ice slurry; ice storage; rapid preparation; gas direct contact

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0055

TK 02

A

2095-4239（2017）04-701-07

2017-04-26；

2017-06-02。

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFB0601100）。

尹少武（1979—），男，副教授，主要研究方向為能源轉(zhuǎn)換、儲存與利用，E-mail：yinsw@ustb.edu.cn。