超聲波作用下動態(tài)閃蒸制備冰漿

(上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所 上海 201306)

由于真空制備冰漿過程不需要使用氟氯烴類制冷劑，具有熱效率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點而被應(yīng)用于物體快速降溫方面，尤其在食品、制藥、工業(yè)冷卻等領(lǐng)域。冰漿的諸多優(yōu)勢不僅引起制冷界的廣泛關(guān)注也受到越來越多消費者的青睞[1-3]。I. Satoh等[4]通過改變液滴溫度和大小在70～100 Pa壓力下進行結(jié)冰實驗，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)冷凍可以分為穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)冷凍、泡沫化蒸發(fā)冷凍、氣泡破裂蒸發(fā)冷凍及閃蒸蒸發(fā)冷凍4種。 O. Miyatake等[5]通過實驗研究了真空閃蒸制冰的機理，探討了閃蒸過程的影響因素，得出經(jīng)驗公式。B. S. Kim等[6]設(shè)計了一套真空裝置，在440 Pa真空壓力下采用壓力噴嘴噴射質(zhì)量分數(shù)為7%的乙二醇溶液，制得300 μm的球狀冰晶顆粒。I. Aoki[7]理論分析了水閃蒸時傳熱系數(shù)與其飽和溫度的關(guān)系，給出了低壓條件下獲得最大傳熱系數(shù)的最佳噴射條件，包括噴流率、粒徑及噴霧時間。嚴俊杰等[8]研究了開式和閉式系統(tǒng)內(nèi)水膜的閃蒸，得到不同過熱度、壓力、液膜厚度情況下的閃蒸換熱特性曲線。劉偉明等[9-10]研究了低壓下液滴溫度變化與環(huán)境的關(guān)系，及低壓閃蒸液滴內(nèi)部形態(tài)和溫度的關(guān)系，描述了液滴閃蒸過程中的各種形態(tài)變化，給出了穩(wěn)態(tài)閃蒸和穩(wěn)態(tài)結(jié)冰過程中環(huán)境壓力和初始溫度對溫度變化的影響。張紹志等[11]建立了冰晶形成過程的數(shù)學(xué)模型，理論分析了初始速度、閃蒸壓力、水滴大小等對真空閃蒸制冰結(jié)冰率的影響，結(jié)果表明減少水滴直徑是提高結(jié)冰率的有效方法。金從卓等[12]以擴散蒸發(fā)模型為基礎(chǔ)，建立了真空噴霧法制備冰漿的分析模型，發(fā)現(xiàn)水的初始溫度和噴射方式對液滴結(jié)晶過程存在影響。黃亮等[13]設(shè)計了一套懸垂液滴的真空閃蒸可視化實驗裝置，研究了乙醇溶液液滴的降壓閃蒸特性。研究表明乙醇溶液的質(zhì)量濃度越高，液滴的凝固點越低，液滴結(jié)晶所需時間越長；還發(fā)現(xiàn)一定質(zhì)量濃度的乙醇溶液可以提高液滴結(jié)晶時的閃蒸室壓力，降低了對系統(tǒng)真空度的要求。

1真空泵；2制冷機組；3真空罐；4冷凝室；5安捷倫數(shù)據(jù)采集儀；6吸附室；7恒溫裝置；8超聲波發(fā)生器；9閃蒸室；10供水箱；11熱風(fēng)機；12計算機；13壓力傳感器；14熱電偶；15閥門；16流量泵。圖1 冰漿真空制備動態(tài)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of making ice slurry in vacuum

制冰過程中，需要降低水的過冷度以加速結(jié)冰過程。孫始財?shù)萚14-15]研究了可能影響水的過冷度的諸多因素如流速、冷卻時間、換熱材料種類及其結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、添加劑及外界因素等。早期R. Smith-Johannsen等[16]研究發(fā)現(xiàn)1 MHz的超聲波作用于水體30 s后，水的過冷度高達30 ℃，且維持了約2個月。A. Saito等[17]研究了頻率為0～500 kHz的超聲波對水的過冷度的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波對水的過冷度沒有顯著影響。T. Inaba等[18]研究了超聲波對過冷水制冰的影響，結(jié)果表明：超聲波大大促進過冷水結(jié)冰，改變超聲波頻率和功率可控制過冷水相變溫度，超聲作用可降低過冷水的過冷度。T. Hozumi等[19]研究發(fā)現(xiàn)不同聲強、頻率的超聲波對過冷水的結(jié)冰有一定影響,但隨實驗條件的不同冰核的位置也不同。R. Hickling[20]較早提出了空化理論，認為超聲波空化作用影響了材料的過冷度。M. Saclier等[21]實驗驗證了R. Hickling[20]的理論，認為超聲空化作用產(chǎn)生的氣泡破裂時產(chǎn)生局部高溫高壓，破壞了溶液的壓力平衡，促進溶液成核，降低過冷度。王葳等[15]研究發(fā)現(xiàn)800 kHz的超聲作用能夠有效降低水的過冷度，認為超聲現(xiàn)象與空化作用有關(guān)。B. W. Zeiger等[22]認為超聲波可以誘導(dǎo)各種物理現(xiàn)象，空化作用產(chǎn)生的微射流是引起成核降低過冷度的主要原因。

現(xiàn)有研究只涉及常壓下超聲波的空化作用及對水過冷度的影響，并未涉及將超聲波應(yīng)用于動態(tài)真空閃蒸中制備冰漿，雖然在一定真空度的環(huán)境下發(fā)射率小于常壓下的發(fā)射率，但超聲波作為影響材料相變的一種重要因素，其空化作用產(chǎn)生的微射流可增強傳熱傳質(zhì)并觸發(fā)二次結(jié)晶。為研究超聲波對一定真空度環(huán)境下制備冰漿的影響，本文設(shè)計了一套超聲波作用下動態(tài)閃蒸制備冰漿的實驗裝置，研究了不同超聲波功率、噴射體積流量及乙醇的添加對冰漿真空動態(tài)閃蒸特性的影響，為超聲波條件下工業(yè)真空閃蒸制備冰漿提供指導(dǎo)。

1 實驗裝置和方法

根據(jù)實驗設(shè)計，搭建的真空冰漿制備動態(tài)系統(tǒng)如圖1所示。主要包括真空泵、真空罐、冷凝室、吸附室等真空創(chuàng)建及維持設(shè)備，其中真空泵、冷凝室內(nèi)均安裝有冷凝盤管，盤管另一端與制冷機組相連；安捷倫和電腦等數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備；供水箱、流量泵等供水控制設(shè)備，供水裝置主要負責將水送入閃蒸室，并在閃蒸室內(nèi)噴口處充分霧化成小水滴。超聲波發(fā)生器原理如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)生器原理Fig.2 The principle of ultrasound generator

1超聲波發(fā)生器；2霧化的溶液；3鎧裝熱電偶；4變幅桿；5壓力傳感器；6可視化窗口。圖3 超聲作用下動態(tài)閃蒸原理Fig.3 The principle of dynamic flash evaporation under the effect of ultrasound

圖3所示為超聲作用下動態(tài)閃蒸原理。超聲設(shè)備為智能型超聲波發(fā)生器，嵌入安裝在閃蒸室的頂蓋，閃蒸室為冰漿生成裝置，上部有霧化噴頭，前后對稱分布6個可視化窗口，以便觀察實驗現(xiàn)象，其內(nèi)部裝有鎧裝T型熱電偶，精度為±0.05 ℃，熱響應(yīng)時間為0.4 s，其中最下端的測溫點位于距離閃蒸室底部5 mm處，用于測量落入至底端的冰漿溫度，其他3個測點分別位于距離閃蒸室底部28、50、75 mm處。實驗中，真空罐側(cè)面安裝的是YS-99KN-100-A型數(shù)顯壓力表，量程為0～105Pa。量程范圍大，讀數(shù)不夠精確，因此不進行數(shù)據(jù)采集，僅用于顯示使用。閃蒸室壓力數(shù)據(jù)采集使用高精度絕壓變送器MD-GA100，兩線制壓力傳感器的工作電壓為24 V，輸出電流為4～20 mA，測壓范圍為0～5 kPa，與輸出電流線性對應(yīng)，由安捷倫將電流信號轉(zhuǎn)換為壓力信號。

實驗前需要進行管路吹掃和真空檢漏。然后開啟安捷倫，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的類別分別進行設(shè)置。實驗過程為：1)向供水箱內(nèi)加入適量的水或質(zhì)量分數(shù)為5%的乙醇溶液；2)密封系統(tǒng)，開啟真空泵，同時開啟制冷機組，采集系統(tǒng)壓力、溫度數(shù)據(jù)；當閃蒸室壓力降至300 Pa時關(guān)閉真空泵；3)調(diào)節(jié)計量泵的旋鈕設(shè)定所需供水體積流量，打開供水閥門；4)預(yù)先設(shè)定超聲波發(fā)生儀功率，與供水閥同時開啟，維持制冷機組工作狀態(tài)；5)系統(tǒng)閃蒸開始，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)；6)分別研究不同流速、超聲功率以及添加添加劑后等參數(shù)對冰漿形成過程的影響；7)實驗結(jié)束后關(guān)閉超聲波發(fā)生儀、計量泵、制冷機組，開啟泄壓閥使系統(tǒng)壓力逐漸恢復(fù)大氣壓力；8)放出閃蒸室內(nèi)冰漿，測定冰漿含量；使用熱風(fēng)干燥機分別對閃蒸室、真空罐及冷凝室進行吹掃，排出系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣，保證每次實驗條件下的水蒸氣分壓力基本一致。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 超聲波功率對水閃蒸的影響

超聲作用下動態(tài)制冰設(shè)備的閃蒸室內(nèi)安裝有高壓霧化噴嘴。噴嘴的霧化依靠閃蒸室內(nèi)外壓差、水的自身重力及流量泵的共同作用，噴嘴型號為FN-10.0，供水體積流量通過調(diào)節(jié)流量泵閥門的開度來控制，供水水溫為13 ℃，起始壓力為300 Pa。通過調(diào)節(jié)流量泵閥門開度，研究了體積流量為10 L/h，超聲功率分別為720、840、960 W條件下的液滴真空動態(tài)閃蒸過程。閃蒸室內(nèi)溫度和壓力變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 體積流量為10 L/h時不同超聲作用下水閃蒸壓力的變化Fig.4 The variation of pressure in flash chamber under different ultrasonic power when the volume flow rate is 10 L/h

圖5 體積流量為10 L/h時不同超聲作用下水閃蒸溫度的變化Fig.5 The variation of temperature in flash chamber under different ultrasonic power when the volume flow rate is 10 L/h

由圖4和圖5可知，真空室內(nèi)的壓力和溫度變化趨勢基本一致。抽真空過程中由于閃蒸室內(nèi)壓力降低導(dǎo)致水管內(nèi)的一部分殘留液體進入閃蒸室內(nèi)，隨著壓力的進一步降低這部分蒸餾水開始閃蒸，從而導(dǎo)致閃蒸室內(nèi)溫度開始時呈下降趨勢；當壓力降至0.3 kPa時，開啟流量泵打開進水閥，同時開啟超聲波發(fā)生儀，液體進入閃蒸室形成噴霧時，閃蒸室內(nèi)壓力急劇上升至1 kPa以上，溫度也發(fā)生突變；但隨著閃蒸的持續(xù)進行，溫度和壓力逐漸降低，同時有冰晶生成。

當降至一定溫度時，不再繼續(xù)下降，慢慢達到平衡溫度，此時溫度和壓力均在一定范圍內(nèi)波動，從而達到傳質(zhì)、傳熱動態(tài)平衡。實驗過程中不同工況下均有一定量冰晶生成，隨著實驗的進行，冰晶開始結(jié)塊，從而失去冰漿的形態(tài)。

當體積流量一定時，可知超聲波的存在對水的過冷度影響并不明顯，但超聲波的添加增大了動態(tài)閃蒸的壓力峰值，而整體對比超聲作用下與無超聲作用下的速率變化，可知超聲作用下閃蒸的降溫降壓速率均高于無超聲作用下的閃蒸。分析認為，閃蒸過程的增強源于超聲波的霧化作用，該真空度下超聲波霧化作用明顯，增強了閃蒸強度。圖6所示為超聲波對液體的霧化效果，超聲波起到了較強的霧化作用，液體介質(zhì)中由于渦流或超聲波的物理作用，在某一區(qū)域會形成局部的暫時負壓區(qū)，在負壓區(qū)內(nèi)介質(zhì)分子間的平均距離會超過使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離，液體介質(zhì)就會發(fā)生斷裂, 可以使噴射進入閃蒸室的液滴進一步細化，使噴射出來的水滴粒徑更小，增大了液體的閃蒸面積，從而增大閃蒸強度，使降溫降壓更為迅速，說明超聲波的霧化作用可以有效增強閃蒸強度。且超聲波功率對降溫降壓速率有較大影響，功率越大，降溫降壓速率也越大。

圖6 超聲霧化效果圖Fig.6 Ultrasonic atomization image

2.2 超聲波作用下體積流量對水閃蒸的影響

圖7 超聲作用下體積流量對降壓速率的影響Fig.7 The effect of volume flow rate on pressure reduction rate under the effect of ultrasound

圖8 超聲作用下體積流量對降溫速率的影響 Fig.8 The effect of volume flow rate on temperature reduction rate under the effect of ultrasound

圖7和圖8所示分別為超聲作用下體積流量對降壓速率和降溫速率的影響。由圖7和圖8可知，同一體積流量下，超聲波功率越大，降溫降壓速率越大，結(jié)論與2.1結(jié)論一致。相同超聲條件下隨著體積流量的增大，降溫和降壓速率均大致呈下降趨勢，這是因為體積流量越大，在低壓環(huán)境下閃蒸的體量越大，而冷凝裝置的冷凝能力一定，當無法及時除去相當比例的水蒸氣時，造成液體閃蒸速率減慢，導(dǎo)致降溫降壓速率相對較小。當超聲功率為960 W時，隨著體積流量的增大降壓速率先上升后下降，在10 L/h時達到最大值，與其他實驗結(jié)果的規(guī)律存在一定差異，而水的最大降壓和降溫速率所對應(yīng)的體積流量為10 L/h，因此超聲波的存在對最佳降溫降壓所對應(yīng)的體積流量有影響。圖9所示為不同體積流量和超聲波條件下的平衡壓力變化，最終壓力對比表明，相同體積流量下隨著超聲功率的增大，最終平衡壓力增大；而同超聲功率下隨著體積流量的增大最終平衡壓力大概率呈增大趨勢。即較大體積流量不利于閃蒸的持續(xù)進行，而較高的超聲功率有助于增強閃蒸強度。

圖9 不同體積流量和超聲波條件下的平衡壓力變化Fig.9 The variation of equilibrium pressure under the condition of different volume flow rate and ultrasonic power

2.3 添加乙醇對水閃蒸的影響

圖10和圖11所示為720 W超聲波、5 L/h供水量條件下不同乙醇濃度下閃蒸室壓力和溫度的變化。(由2.1可知，超聲作用下閃蒸的降溫速率高于無超聲條件下的閃蒸，且閃蒸過程劇烈，閃蒸時間較短，即超聲波對動態(tài)閃蒸過程的熱效應(yīng)可忽略。)由圖10可知，在閃蒸過程中，乙醇溶液的壓力峰值均高于蒸餾水，且乙醇質(zhì)量濃度越高，壓力峰值越大。分析可知，同一溫度下，乙醇溶液的飽和蒸氣壓高于蒸餾水，其相變驅(qū)動力相對較大，在真空條件下會閃發(fā)更多的水蒸氣，使壓力峰值高于蒸餾水；乙醇質(zhì)量濃度越高，溶液飽和蒸氣壓力越高，閃發(fā)蒸氣量越大，壓力峰值越大。200 s后蒸餾水的壓力仍在下降，甚至低于5%的乙醇溶液真空閃發(fā)后穩(wěn)定時對應(yīng)的壓力，這是由于噴入的水，一部分閃發(fā)為水蒸氣，剩余的凝結(jié)為小冰晶，此時是水蒸氣和固體冰晶共存的狀態(tài)，冰的升華量很小，系統(tǒng)中水蒸氣的被捕集量大于產(chǎn)生量，使系統(tǒng)壓力不斷下降。質(zhì)量濃度為15%的乙醇溶液閃蒸后穩(wěn)定壓力最低。在圖11中，蒸餾水閃蒸過程中存在約3 ℃的過冷度，5%質(zhì)量濃度的乙醇添加，幾乎消除了水在閃蒸過程中的過冷度，減小了溶液結(jié)冰過程中所需的冷量，這對降低用于補水的冷凝設(shè)備的負荷有積極作用。而乙醇溶液質(zhì)量濃度為15%時，溫度一致緩慢降低，穩(wěn)定于-5 ℃左右，實驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)此工況下并沒有冰漿生成，分析后認為，在現(xiàn)有蒸氣捕集能力下，整個降溫過程中，溫度并未達到乙醇溶液冰點溫度，此工況不利于制冰，可以適當降低供水的體積流量或降低乙醇質(zhì)量濃度。噴入5%質(zhì)量濃度的乙醇溶液工況下生成的松散沙狀冰漿，而噴入蒸餾水，生成的冰漿積聚成塊狀，表明乙醇的添加可抑制冰晶的堆積生長。

圖10不同乙醇濃度下閃蒸室壓力的變化Fig.10 The pressure of flash chamber changes with different ethanol concentration

圖11不同乙醇濃度下閃蒸室溫度的變化Fig.11 The temperature of flash chamber changes with different ethanol concentration

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一套超聲波作用下動態(tài)閃蒸制備冰漿的實驗裝置，研究了相同真空度下，不同功率超聲波作用(720、840、960 W)、不同供水體積流量(5、10、15 L/h)和不同乙醇添加劑濃度(w(乙醇)=0、5%、15%)對真空閃蒸制冰過程的影響。主要結(jié)論如下：

1) 超聲波的存在對純水的過冷度影響不明顯，無論是否添加超聲波，水的動態(tài)閃蒸過冷度均維持在1 ℃左右，而超聲波的霧化作用可以有效增強閃蒸強度。在體積流量一定的情況下，隨著超聲波功率的增大，降溫降壓速率也增大，更有利于動態(tài)制冰。

2) 超聲波的存在會影響最佳降溫降壓條件所對應(yīng)的體積流量，而同一超聲波功率下隨著體積流量的增大最終平衡壓力大概率呈增大趨勢。較大體積流量不利于閃蒸的持續(xù)進行。

3) 乙醇的添加能促進溶液閃蒸降溫，獲得低于0 ℃的溫度，質(zhì)量濃度越高，溶液溫度越低，但系統(tǒng)壓力穩(wěn)定時所需時間增多。