冰漿的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

高蕊笑，張慶鋼，王藝，甄仌，公緒金，王穎，賈永

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028）

0 引言

為了加快第一代制冷劑的淘汰步伐，尋找新的代替品成為了行業(yè)的重中之重，冰漿是一種冰水混合物，冰晶粒子的直徑平均不超過(guò)1 mm，溶液通常是由水和冰點(diǎn)調(diào)節(jié)劑組成[1]，是一種絕對(duì)環(huán)保型制冷劑；與常規(guī)冷凍水相比，冷凍能力高出5～6倍[2]。由于冰漿優(yōu)異的傳熱與流動(dòng)特性，使換熱器的流量、水泵的能耗以及相應(yīng)管道、設(shè)備的尺寸大大減小，從而降低了裝置與運(yùn)行費(fèi)用[3]。以冰漿作為蓄冷介質(zhì)的空調(diào)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)“移峰填谷”均衡電網(wǎng)負(fù)荷，是改善電力供需矛盾的主要措施之一[4]。冰漿可應(yīng)用于醫(yī)療、食品冷凍冷藏、區(qū)域供冷和消防[5]等方面，在人民的生產(chǎn)生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。筆者總結(jié)了冰漿的制取方法、貯存方式以及冰漿的流動(dòng)特性和傳熱特性，介紹了冰漿可應(yīng)用的領(lǐng)域。目前有關(guān)冰漿的應(yīng)用剛剛興起，結(jié)合冰漿的特性可更好地進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，例如將冰漿中的水分離用于人工造雪。

1 冰漿的制備與貯存

1.1 冰漿的制備

1.1.1 壁面刮削法

目前商用系統(tǒng)中性能最穩(wěn)定的制取冰漿方式為壁面刮削法。刮片式制取冰漿的換熱器通常采用殼管式，制冷劑在管外側(cè)蒸發(fā)，管內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)刮片高速旋轉(zhuǎn)刮削壁面粘附的冰晶。劉瑞見等[5]為了降低驅(qū)動(dòng)成本，對(duì)機(jī)體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使用刮刀系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)并簡(jiǎn)化了原系統(tǒng)。張海潮等[6]自行研制動(dòng)態(tài)冰漿制造系統(tǒng)，探究水泵流量變化對(duì)蓄冰槽內(nèi)溶液溫度特性的影響，與自接蒸發(fā)盤管式冰蓄冷制冰系統(tǒng)相比，其傳熱系數(shù)、單位制冷量的制冰速度、相同制冰量能耗和系統(tǒng)COP都有很大的改善。圖1所示為刮片式冰漿發(fā)生器[4]。

圖1 刮片式冰漿發(fā)生器

1.1.2 過(guò)冷法

過(guò)冷法制取冰漿根據(jù)過(guò)冷原理，即純水迅速降溫時(shí)，低于0℃時(shí)仍為液態(tài)，過(guò)冷水不穩(wěn)定，通過(guò)施加外部條件解除過(guò)冷可得冰漿溶液，施加外部條件如下：1）碰撞及沖擊：通過(guò)撞擊可降低水的動(dòng)量并且溫度升高，可破壞過(guò)冷態(tài)；2）利用超聲波：利用頻率為28 kHz的超聲波振動(dòng)誘發(fā)成核；3）采用低溫：利用小型電子制冷設(shè)備等方式產(chǎn)生局部低溫，水的過(guò)冷狀態(tài)會(huì)被破壞。

在理論研究方面，王軍等[7]設(shè)計(jì)了過(guò)冷水制冰蓄冰裝置，并測(cè)定了過(guò)冷水溫度與時(shí)間變化的關(guān)系。謝若菲等[8]探討了過(guò)冷法制取冰漿時(shí)，制冰效果受溶液流速、載冷劑溫度、攪拌速度、生成器的粗糙程度等參數(shù)的影響情況。在裝置開發(fā)方面，張君瑛[9]構(gòu)建了一套封閉式的過(guò)冷水制冰漿裝置，探究了流量、蒸發(fā)溫度對(duì)冰漿制取效果的影響；吳銳[10]設(shè)計(jì)了一套過(guò)冷法制取冰漿裝置，研究了冰漿生成過(guò)程中管內(nèi)流動(dòng)對(duì)其影響，并測(cè)算該裝置所生成冰漿的各項(xiàng)參數(shù)。

1.1.3 流化床法

荷蘭 DELFT大學(xué)在流化床換熱器基礎(chǔ)上開發(fā)了冰漿制取裝置(如圖2)，制冷劑在管外蒸發(fā)，水在管內(nèi)高速向上流動(dòng)，多個(gè)直徑1～5 mm的不銹鋼珠不斷撞擊壁面，目的是擊碎壁面粘附的冰晶粒子，可避免冰晶堆積還可以保持較高的傳熱效率[11]，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，成本低。

圖2 流化床法冰漿制取裝置

1.1.4 直接接觸法

直接接觸法制取冰漿的原理是用特制噴嘴把不溶于水的低溫冷媒噴入冰漿發(fā)生器，水降溫生成冰晶。圖3所示為新加坡采用特制的冷凍劑直接噴射制取冰漿[12]。章學(xué)來(lái)等[13]研究了添加劑對(duì)水合物的影響，搭建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)直接接觸式水合物蓄冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)。劉劍寧[14]對(duì)直接接觸噴射式制冰裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了冷媒與水分離以及冰堵等問題，運(yùn)用預(yù)冷、引射技術(shù)提高了整個(gè)裝置的效率以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。王煒[15]對(duì)直接接觸式冰漿生成器的傳熱研究及熵進(jìn)行分析，得到氣-液直接接觸傳熱的關(guān)聯(lián)式，對(duì)系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

圖3 直接噴射式制取冰漿

1.1.5 真空法

根據(jù)三相點(diǎn)原理制取冰漿。當(dāng)水所處的環(huán)境壓力下降時(shí)，水的沸點(diǎn)降低，水在真空環(huán)境中會(huì)發(fā)生閃蒸，由于水的汽化潛熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凝固熱，水在閃蒸過(guò)程中吸熱，使剩余的水溫度降低，當(dāng)溫度達(dá)到凝結(jié)溫度時(shí)，凝結(jié)成冰晶。

馬軍等[16]建立了可視化真空法制取冰漿的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了冰漿含冰率的影響因素。劉曦等[17]設(shè)計(jì)了一套真空攪拌流態(tài)冰制取裝置，觀測(cè)可知真空狀態(tài)下冰漿的制取需要經(jīng)歷溶液蒸發(fā)、沸騰、過(guò)冷及冰晶生成；冰晶生成瞬間系統(tǒng)壓力突增。

1.2 冰漿的儲(chǔ)存

冰漿的儲(chǔ)存是冰漿在各行業(yè)得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。冰漿在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)形成富冰層，基本呈圓弧狀。青春耀等[18]對(duì)動(dòng)態(tài)冰蓄冷中蓄冰槽蓄冰過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明對(duì)富冰層變形影響較大的是冰漿流量與固相含量，其次是初始液面高度及入口管布置，為了提高富冰層的均勻性可以增大冰漿流量與固相含量，蓄冰槽的有效利用率也會(huì)提高。馬春紅等[19]研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)儲(chǔ)存和融化特性的影響，發(fā)現(xiàn)為使冰漿儲(chǔ)存得更均勻，可使用高濃度的二元溶液、高含量冰漿固相以及增大進(jìn)口流量的方法；隨著融冰溶液的流量以及擾動(dòng)的增加可使融冰更加快速、均勻。趙美等[20]觀察富冰層發(fā)展變化特征，研究冰漿儲(chǔ)存的均勻性，結(jié)果表明富冰層的輪廓發(fā)展?fàn)顟B(tài)受冰漿入口流量、冰漿入口含冰率和蓄冰槽初始液面高度的影響；提高冰漿的入口流量可有效提高蓄冰槽的容積蓄冰率。劉志強(qiáng)等[21]采用數(shù)群平衡模型研究了添加劑種類、含冰率、耗損率以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)冰漿儲(chǔ)存時(shí)冰晶演化過(guò)程的影響，結(jié)果表明，儲(chǔ)存過(guò)程中冰晶粒子是不斷增長(zhǎng)的，正確選擇添加劑的種類以及適當(dāng)增加其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是抑制冰晶生長(zhǎng)的最有效手段。劉曦等[22]探討納米二氧化硅對(duì)冰晶平均粒徑與分布特征性的影響，可知納米二氧化硅有細(xì)化晶粒的作用，而且濃度越高細(xì)化程度越明顯，這對(duì)冰漿流動(dòng)和傳熱性能的改善具有重要的應(yīng)用價(jià)值。MATSUMOTO 等[23]研究長(zhǎng)期儲(chǔ)存的冰漿中的冰粒子，通過(guò)冰漿的儲(chǔ)存時(shí)間不同測(cè)量冰粒子的平均直徑，發(fā)現(xiàn)冰粒子凝聚力的影響因素，提出粒子內(nèi)聚力無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式。

2 冰漿的傳熱特性及流動(dòng)特性

想要深入地探索冰漿的流動(dòng)特性和傳熱特性，對(duì)其熱物性的研究必不可少，而且其熱物性還與冰漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有著密切聯(lián)系。冰晶的濃度對(duì)動(dòng)態(tài)冰漿的各種物性參數(shù)都有很大的影響，所以在研究過(guò)程中要選取合適的物性參數(shù)模型。

2.1 傳熱特性

冰漿的熱物性由冰晶熱物性和載流體熱物性決定。冰漿中的熱物性受添加劑的類別及濃度、冰晶粒子的體積分?jǐn)?shù)和尺寸的影響。趙騰磊等[24]選取含冰率在20%以下的冰漿熱物性模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析冰漿的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和動(dòng)力黏度。張曼等[25]建立了動(dòng)態(tài)冰漿傳熱特性的數(shù)理模型，得知冰漿的傳熱系數(shù)隨冰漿濃度的增加而增加；在不同管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)，冰漿的傳熱系數(shù)差別與冰漿濃度呈反比，與冰漿流速呈正比。簡(jiǎn)夕忠[26]建立數(shù)學(xué)模型研究了冰漿在管道內(nèi)層流和湍流的換熱情況，討論了多種參數(shù)對(duì)冰漿在管內(nèi)換熱效果的影響。郝玲[27]從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析兩個(gè)角度研究定熱流邊界條件冰漿在直管中的流動(dòng)情況，冰漿濃度增高使冰漿黏度增加，導(dǎo)致黏滯阻力增大，所以在實(shí)際應(yīng)用中，含冰率不是越高越好，選擇合適的冰晶濃度、控制流速以及管徑均很重要。白銀等[28]研究了冰漿在水平管內(nèi)的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)出口溫度達(dá)到-3.95℃以后，進(jìn)出口溫度處于急劇升溫階段，水平管內(nèi)部冰漿持續(xù)時(shí)間隨質(zhì)量流速和加熱功率的增大而減少。國(guó)外研究人員用實(shí)驗(yàn)來(lái)確定不同換熱器的局部和平均傳熱特點(diǎn)及相應(yīng)的Nu，如表1所示。

表1 冰漿Nu的計(jì)算

2.2 流動(dòng)特性

為了確保冰漿安全輸送，必須要保證其處于完全懸浮的流態(tài)。均勻流動(dòng)和非均勻流動(dòng)都屬于懸浮流態(tài)的范疇，同時(shí)也是冰漿流動(dòng)的兩種基本形式[33]。冰漿流動(dòng)有其自身的特殊性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為在含冰率低于 25%的情況下可以把冰漿流體作為牛頓流體來(lái)研究[34]。

明崗等[35]提出冰漿流動(dòng)的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)機(jī)理和阻力計(jì)算模型，可較好地描述冰漿的流動(dòng)工況，這為冰漿流動(dòng)時(shí)的傳熱研究提供依據(jù)。楊帆等[36]對(duì)動(dòng)態(tài)冰漿在水平直管內(nèi)的流動(dòng)壓降研究，闡述了動(dòng)態(tài)冰漿流變性質(zhì)的Bingham模型，并計(jì)算了冰漿在層流和湍流狀態(tài)下的摩擦因子，得到了壓降曲線。李葉[37]采用雙流體 Eulerian模型對(duì)冰漿管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)冰漿在管內(nèi)安全運(yùn)輸?shù)捻敳勘Ｗ幼畲蠛蕿?.501。粱坤峰等[38]對(duì)冰漿在離心泵內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到冰漿流體在泵內(nèi)的高速區(qū)域主要集中在葉輪的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，且葉輪工作面壓力較大，冰晶顆粒的粒徑較小時(shí)，顆粒主要分布在靠近蝸殼內(nèi)側(cè)的葉輪流道內(nèi)；反之則在葉輪工作面聚集。王繼紅等[39]采用CFD模擬了冰漿在水平面上90°彎管內(nèi)三維等溫流動(dòng)情況，可知冰漿在彎管內(nèi)湍流流動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)二次流現(xiàn)象；在水平管流動(dòng)時(shí)冰粒子沿管道截面呈梯級(jí)分布；流入 90°彎管段時(shí)，由于二次流動(dòng)現(xiàn)象促進(jìn)了冰粒子與載流體的混合過(guò)程；在水平管道內(nèi)冰漿流動(dòng)阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究中，冰漿流動(dòng)的流變特性滿足冪律流變特性。BORDET等[40]對(duì)等溫冰漿在水平管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行可視化壓力降研究，冰漿由含有9.5%的丙二醇添加劑組成，發(fā)現(xiàn)在高含冰率時(shí)，冰粒聚集會(huì)導(dǎo)致壓力驟增。NIEZGODA-ZELASKO等[41]研究了冰漿在矩形和小截面的管內(nèi)流動(dòng)的特性，流動(dòng)過(guò)程中考慮相變因素，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)類型和截面對(duì)壓降和傳熱系數(shù)都有影響。

3 冰漿的應(yīng)用

3.1 冰漿在區(qū)域供冷中的應(yīng)用

集中供冷供熱能帶來(lái)巨大的環(huán)境效益和社會(huì)效益，對(duì)于大規(guī)模的住宅區(qū)，為長(zhǎng)遠(yuǎn)地防止公害、節(jié)能及安全和管理有深遠(yuǎn)的意義。在部分發(fā)達(dá)地區(qū)，區(qū)域供熱供冷已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施之一[42]。工程應(yīng)用上，日本的Nahanoshima集中供冷/熱網(wǎng)采用冰漿對(duì)地下3,000～4,000 m深的礦井進(jìn)行空調(diào)供冷，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比可節(jié)省40%的初投資。隨著煤炭業(yè)的發(fā)展，煤炭熱害問題愈發(fā)嚴(yán)重，部分國(guó)家提出把冰漿運(yùn)送到礦井內(nèi)，嘗試?yán)帽鶟{冷卻系統(tǒng)給礦井操作空間進(jìn)行降溫，取得不錯(cuò)的成績(jī)[43]。

3.2 冰漿在食品保鮮中的應(yīng)用

在水產(chǎn)品保鮮中可應(yīng)用流化冰預(yù)冷作為高端工藝，能有效提高后續(xù)的生產(chǎn)加工效率。冰漿不僅可以快速預(yù)冷水產(chǎn)品并使其所需溫度恒定，還可保持產(chǎn)品表面濕潤(rùn)光滑，體表不會(huì)干化，保證外觀品質(zhì)；儲(chǔ)存過(guò)程中融化后的冰漿還可沖洗去除魚體表面的外界污染物，有抑菌保鮮的作用[44]。有學(xué)者采用冰漿預(yù)冷與冰溫儲(chǔ)存相結(jié)合，分別對(duì)新鮮鱈魚、澳洲肺魚、大黃魚、熟沙丁魚及琵琶魚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明均可延長(zhǎng)其保質(zhì)期，并保證水產(chǎn)品具有良好的品質(zhì)[45-50]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[51-54]就魚類儲(chǔ)存在冰漿和傳統(tǒng)片冰或碎冰中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明在冰漿儲(chǔ)存的魚類的彈性和咀嚼性更好，色澤、微生物和生物化學(xué)質(zhì)量更好。

市面上已出現(xiàn)用于零售食品商場(chǎng)的新型冰漿制冷系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)冰漿也可用于奶酪食品加工車間，動(dòng)態(tài)冰漿蓄冷技術(shù)可應(yīng)用于果蔬濕冷冷庫(kù)制冷系統(tǒng)中，濕冷技術(shù)可提高果蔬儲(chǔ)存的質(zhì)量并且可避免果蔬凍傷，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，降低果蔬保鮮成本[55]。

3.3 冰漿在醫(yī)療中的應(yīng)用

由于冰漿有小于 0.1 mm的冰粒懸浮在生物相容的載體液體中，可用于微創(chuàng)腹腔手術(shù)中的保護(hù)性降溫。為了減少常規(guī)手術(shù)中的局部缺血損傷，在器官周圍置放冰漿，用來(lái)幫助誘導(dǎo)保護(hù)性低溫，可減少缺血性損傷并延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間超過(guò)30 min。冰漿還可用于心臟手術(shù)的保護(hù)性降溫，以及在器官移植手術(shù)中幫助器官恢復(fù)[52]。心臟手術(shù)過(guò)程中對(duì)溫度的控制十分嚴(yán)格，研究表明達(dá)到醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)采用冰漿體積只有冷凍水體積的三分之一，體積小、效率高，這非常有利于手術(shù)的順利進(jìn)行[56]。

3.4 冰漿在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

關(guān)于冰漿的應(yīng)用，在建筑行業(yè)是最廣泛的。因?yàn)楸鶟{良好的冷卻能力，一些研究人員提出在暖通空調(diào)系統(tǒng)中用冰漿代替冷凍水，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明冰漿系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用是吸收式制冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的三分之二；此外，對(duì)于蓄冷技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，包括冰蓄冷及二氧化碳水合物漿在蓄冷空調(diào)的應(yīng)用[57-58]。冰漿蓄冷對(duì)電力負(fù)荷的“移峰填谷”作用明顯[59]。在法國(guó)和德國(guó)安裝了基于冰漿冷卻系統(tǒng)的大型廚房，2007年這種大型廚房最多一天可供應(yīng)6,000餐[60]。上述系統(tǒng)還可用于卡車的冷藏或冷凍食品的配送，冰漿制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)車載冷卻系統(tǒng)。該制冷系統(tǒng)的CO2排放量可減少20%～30%，而且貨物裝卸過(guò)程中停止卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)也可保證貨物質(zhì)量，減少了廢氣的排放和噪聲污染。在中國(guó)的鐵路運(yùn)輸中[61]，采用冰漿冷卻，把漿料填充在貨艙周圍的空隙中，這種做法類似把傳統(tǒng)冰塊用于冷卻貨物，但是冰漿的冷卻效果及能源利用方面都有更好的效果。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了冰漿制備的方法及特點(diǎn)，冰漿的傳熱和流動(dòng)特性還有相關(guān)冰漿的應(yīng)用，研究了冰漿發(fā)展的過(guò)程，得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于傳統(tǒng)冰漿的制取，目前只有壁面刮削法術(shù)較為成熟可以應(yīng)用于工商業(yè)中，但是壁面刮削系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳，刮片轉(zhuǎn)動(dòng)需要額外的機(jī)動(dòng)設(shè)備，生產(chǎn)成本高；過(guò)冷法制取冰漿系統(tǒng)較穩(wěn)定，但是一次循環(huán)冰漿生成率低，可以改變過(guò)冷解除方式或者是添加成核劑來(lái)提高冰漿生成率；真空法制取冰漿節(jié)能環(huán)保，值得深入研究；

2）冰漿的制備及儲(chǔ)存都要涉及冰晶成核理論，分析不同添加劑對(duì)冰晶形成的影響可以讓研究事半功倍；冰漿在儲(chǔ)存時(shí)會(huì)發(fā)生聚團(tuán)和冰晶粒子大小分布不均等問題，這些問題也同樣涉及到冰漿的流動(dòng)運(yùn)輸?shù)确矫?，研究其中的機(jī)理可以提升對(duì)冰漿研究領(lǐng)域的認(rèn)知，有利于生產(chǎn)生活應(yīng)用；

3）機(jī)械法去除換熱器和管道污垢是較傳統(tǒng)的清理方法，但是對(duì)于復(fù)雜的換熱器結(jié)構(gòu)，機(jī)械法不但不能清理干凈還會(huì)損壞設(shè)備，故可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的冰漿溶液進(jìn)行清理，清理效果良好；冰漿還可用于消防，滅火裝置和噴嘴輸送濃度為30%的冰漿溶液，滅火效果良好且滅火迅速；

4）為響應(yīng)國(guó)家“三億人上冰雪”的號(hào)召，人工造雪成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)：應(yīng)用過(guò)冷法制取冰漿，經(jīng)過(guò)冰水分離后形成雪，這種造雪方式不受環(huán)境制約，解決了傳統(tǒng)人工造雪技術(shù)的弊端，雪的品質(zhì)優(yōu)于自然雪，滿足國(guó)家級(jí)冰雪賽事的要求。