冰浆在蓄冰池中的贮存与融化研究进展

马春红 青春耀 宋文吉 黄 冲 何世辉 冯自平

(1中国科学院广州能源研究所 广州 510640)

(2中国科学院研究生院 北京 100039)

1 引 言

冰浆是一种冰水混合物，又称流体冰、二元冰、可泵送冰。其概念在中外文献中尚没有完整而准确的定义，其中瑞士Egolf［1］的定义较为精准地描述了冰浆的基本特征:由液态水和具有平均特征直径不超过1mm冰晶粒子组成的浆状混合物。

冰浆含有高密度潜热冰晶粒子，故而在蓄能方面被广泛利用;因其具有流动性，因此其换热性能较好，释冷速率较高，在食品、建筑、医疗等行业被广泛应用。因此，冰浆成为国内外学者专家的研究热点。许多学者对冰浆的制备、流动、传热、压降作了深入细致的研究，得出了不少有意义的结果;而关于蓄冰池中冰浆的贮存及融化特性相关的理论及实验研究相对较少。冰浆在蓄冰池中贮存呈现不均匀性，故蓄冰池的利用率降低;同时融化取冷时会产生“沟道“效应［2］，进而使融冰释冷量不能持久满足末端负荷的要求。本文分析总结了蓄冰池内冰浆贮存与释冷特性的研究现状，并根据实验得出了定性的结论。

2 冰浆贮存研究

冰浆贮存，是冰浆得以应用于各行业的基础，特别在动态冰蓄冷的研究中。冰浆的贮存主要是研究冰浆在蓄冰池中贮存过程、贮存时冰晶变化物理机理及蓄冰池贮存效率优化等。

2.1 冰浆贮存的机理与实验研究

图1为冰浆含冰率(IPF值)分别为25%、50%时冰浆在蓄冰池中贮存状态。由图1可知，在无搅拌的情况下，冰浆并非匀质贮存，冰晶粒子上浮，分布不均匀。同时，冰浆在生成后到利用之前的这段时间，由于融化再结晶的原因而使其中的冰晶粒子不断板结，因此工程应用中多考虑在蓄冰池中加搅拌装置。这样不仅增加了成本，而且搅拌功转化为热，增加了冰浆的冷量损失。P.Pronka［3］等人从结晶动力学方面对冰浆贮存时的物理机理进行分析，认为冰浆贮存时冰晶受磨损、团聚和Ostwald熟化影响而引起冰晶粒子分布发生变化。他们的实验表明冰浆在氯化钠、乙二醇、乙醇、丙二醇溶液中贮存时冰晶大小会随时间变化而增长，而Ostwald熟化效应是使冰晶粒子直径增大的主要原因;增加溶液浓度能显著的降低熟化率;溶液类型不同对熟化率的影响也不同，质量浓度10%蔗糖溶液相比10%乙醇溶液熟化速率更大。K.Hayashi［4］等人开发了一种利用电导率差测量冰浆贮存时团聚率的方法，该方法对影响冰晶粒子粒径分布的团聚现象作出定量的评定。

图1 不同IPF时冰浆贮存状态Fig.1 Storage status of ice slurry at different IPF

在冰浆贮存的实际过程中，冰晶粒子往往粘结在蓄冰池的壁面上或相互粘结成团，造成在释冷时冰不能完全融化，而且释冷速度慢。Koji Matsumoto［5－6］等人提出了利用水－油混合搅拌生成冰浆来解决这一问题。原理是当混合物在容器中搅拌时，油由于摩擦带电，如果容器可以吸引带电的油，那么阻止冰粘结到壁面上就可以实现。如图2所示，Koji Matsumoto通过实验详细分析了蓄冰容器中施加常压电场电压对带电油特性的影响:当油水混合物中含水量50%时，电压在30 V到200 V伏即可使油吸附到壁面上;当含水量70%时这一效果明显减弱。这一方法的优点是采用硅硐油作为添加剂后，冰浆在贮存时冰晶分布较均匀，并且能够不粘结到壁面;缺点是要使用添加剂且需要搅拌，而工程应用中对蓄冰池施加电场也不易实现。

图2 冰在油水之间生成Fig.2 Ice’s formation between oil and water

2.2 冰浆贮存模型研究

在冰浆的贮存模型方面，Gute GD［7］等人开发了一套计算程序ICEPAC用于计算冰在长方体蓄冰池中堆积的形状。采用的模型从其它物质得到，如沙从一个平面正上方一个点出口流出堆积形成一个圆锥状物出发，考虑水的浮力，使用了一些经验计算公式，最终模型能够计算4个出冰口时堆积冰的形状。并且该程序可以用来计算对给定蓄冷量，蓄冰池的最小容积、确定蓄冰池中所蓄显热、潜热量等参数;该程序应用于制冰机和蓄冰池一体，制得的冰是柱状颗粒物的情况。

Yoshiyuki［8］，Masayuki［9－10］等人对过冷水生成的冰浆在圆柱形蓄冰池中的贮存特性作了实验及物理模型的详细的探讨。冰浆贮存过程实际上是冰晶粒子逐渐上浮并堆积形成一个“富冰层”的过程，两位学者使用了相同的模型，认为富冰层形成了一个在一段时间内结构不变的多孔介质体，冰堆积的过程中冰浆中的水在多孔介质体中渗流，模型示意图如图3所示。

图3 冰浆贮存富冰层形成过程示意图Fig.3 Schematic diagram of ice rich layer formation during ice slurry storage

以此模型计算出的结果分别与冰浆流量为0.33 kg/s、0.92 kg/s时的实验结果比较吻合。该模型结果可用来设计冰浆贮存时的流量、出流口的数量及空间布置情况，对蓄冰池设计有很大帮助。

Masahiko Yamada［11］等人从热平衡的角度对冰浆冷量贮存的特性加以模拟，假设蓄冰池中冰浆是均匀分布，得出了冰浆贮存时间及贮存冰浆的IPF对整个冰蓄冷系统性能的影响;Huei-Jiunn Chen［12］等人探索了在最小生存周期成本和最小蓄冰池效率下，冰蓄冷空调系统的优化，使用数值程序模拟，系统优化分析，获得制冷机和蓄冰池容量的最优值。该物理模型将蓄冰池简化为换热器，冰浆在其中贮存与环境换热，得出蓄冰池的效率;结合其它条件，分析得出蓄冰池容量最优值。

以上学者从冰浆贮存物理机理、加入添加剂、分析贮存物理模型等方面解决冰浆贮存分布不均、长期贮存的问题，取得了一定的成果。目前的研究结论对冰浆贮存物理机理有较为深入的认识，冰浆贮存模型往往以简化的模型为主，对蓄冰池中冰浆的贮存过程的研究较少。从现有的研究趋势来看，深入剖析蓄冰池内冰浆贮存的模型，得出相应贮存规律，从而解决上述问题是以后冰浆贮存研究的重要内容。因此研究针对:进入蓄冰池的冰浆流量;进入蓄冰池的冰浆固相含量;蓄冰池内初始液面高度;进入蓄冰池的布水管设置，4个参数对冰浆贮存动态特性的影响采用照像法，并结合图形处理做了相应的实验研究，得到了如图4所示的实验结果，限于篇幅，仅给出了不同流量下富冰层时变的堆积过程的实验结果，对实验结果的分析认为:

(1)冰浆在贮存过程中会形成富冰层，其形状随时间变化但基本呈现向入口流速方向凸起的圆弧状。

(2)富冰层的形成受到入口冰浆流速、入口冰浆固相含量、初始液面高度及出冰方式的影响，其中出冰方式对富冰层的影响程度最弱。

(3)增大入口冰浆流速不利于富冰层在蓄冰槽中心的堆积，但有利于增加富冰层的均匀程度。

(4)减小固相含量同样不利于富冰层在蓄冰槽中心的堆积而且最终堆积的富冰层均匀程度会因此降低。

(5)初始液面高度减小有助于富冰层初始阶段在蓄冰槽中心的堆积，但最终堆积的富冰层均匀程度却几乎不受此参数影响。

图4 不同流量下富冰层时变的堆积过程Fig.4 Piling process of ice rich layer at different flow rates

3 冰浆融化释冷研究

冰浆融化一般分为间接融化和直接接触式融化两种。许多学者对前者，冰浆在换热器［13］及管道［14］及容器［15］中流动融化的过程作了实验和理论研究，得出了较为一致的结论。而后者的研究则相对较少，对冰浆在蓄冰池中的取冷融化过程及相应模型的研究则更少。

Shigeo Aoyama［16］等人对容器中鼓入热空气时的冰浆融化特性作了实验研究，得到一些的关于温度效率、除湿效率和融化完成时间的经验关系式。

文献［17］实验研究了冰在蓄冰池中融化的特性。测量了方体、小石子及粒子类型的冰容积传热速率及融化持续的时间，指出循环热水的流动速率是影响传热速率的主要因素。文献［18］数值模拟了长方体池中冰粒子(平均直径22.23 mm，高25.4 mm圆柱状冰颗粒)融化过程并与实验数据进行了对比;在修改了一个三维的时间隐式欧拉有限差分格式的流体动力学开源程序MSOLA基础上开发了程序MELTCONTROL，分析了冰填充的表面形状，两种不同进口融化水分布—均匀分布和按蓄冰时冰进口分布时的冰层中融化水流的分布、出口水温变化，融化持续时间;给出了保持出口水温为0℃的条件。文献［9－11］给出了一个假设在圆柱形蓄冰池内贮存的冰浆均匀分布的一维融化模型，模型计算出的蓄冰池出水温度与实验数据吻合较好。

当贮存在容器中的冰层融化时，分布在冰层上方的进口水流易于形成一个通道贯穿冰层。一旦这一通道形成，水流将聚集在此通道，进一步增大通道的尺寸，因此阻止了冰层均匀融化及有效利用贮存冷量，这种现象本文称之为“沟道”效应。Okada M［2］等人测量和分析了在不同水流分布条件下的上述通道的形成过程。Chaedong Kang［19］等人研究了水溶液和平均直径0.2 mm的冰粒子形成冰浆堆积床，在水的直接或间接的喷射下的融化过程。在实验中也发现冰层中形成了通道，喷洒在冰层上部的水几乎不能渗入冰层，而是直接经通道流出。Chaedong Kang改变冰的质量、进口温度、和流率做了一系列融化实验，最终指出上述冰层融化的两种机理:水喷射的搅拌扰动使之与冰粒子换热作用;水在通道中流动与冰粒子的换热作用。

而在这两种机理中，前者起到了决定性作用。对上述机理的更为深入的研究有利于掌握贮存冰浆快速、均匀融化释冷的方法。

由于制取冰浆往往使用含有氯化钠、乙二醇、乙醇等的二元溶液，因此融化冰浆取冷时也会用到这种二元溶液，对这方面的研究目前还较少，M.Sugawaraa［20］等人数值和实验模拟水平平板冰在方形池中氯化钙溶液上部融化的过程，提出了能近似预测融化速率的二维模型。观察发现即使冰和液体之间没有起始温度差存在，平板冰融化自发的使融化前端温度降低。它们在融化实验过后观察到粗糙而奇怪的融化前端，见图5，这被认为是促进冰融化的原因;而在接近融化前端的浓度梯度则是引起复杂随机对流现象的决定因素。这个发现对今后研究冰浆二元溶液融化无疑具有很好的启示作用。

从以上学者的研究结果可以看出，大部分集中在冰或者冰粒(与前文冰浆的概念对应)、板状冰的融化研究，而蓄冰池中冰浆融化是与冰的颗粒大小、贮存时浮在水面上的冰及浸入水中冰的质量及形状，融化水的温度、流量、进口水管的几何尺寸及布置等参数相关的复杂过程，目前特别是近几年对其研究没有过多的研究。

图 5粗糙的类似鲨鱼皮的融化前端Fig.5 Rough melting front end similar to shark’s skin

4 结 论

综上所述，冰浆蓄冷贮存与融化取冷是一个综合流体流动、渗流、冰晶物理变化及传热传质的过程，相关研究较少。在冰浆贮存方面，前人和本文作者实验研究的结果表明:使用高浓度的二元溶液、蓄冰时进口冰浆采用高浓度或较高的流量都可以使冰浆达到较为均匀的贮存状态，从而提高蓄冰池的利用率;在冰浆融化取冷方面，增大融冰溶液的流量，增加扰动，均匀喷撒溶液，尽量避免“沟道”效应的出现是实现快速，均匀融冰有效手段。虽然研究者对之做了一定的工作，取得了一定的成果，但鉴于上述问题的复杂性，对问题实质性的解决尚有很大欠缺，以下几个方面亟待研究:

(1)针对贮存时冰晶粒子团聚现象，分析研究其中的机理，寻求减少团聚现象发生的方法;

(2)对不同几何形状蓄冰池内冰浆贮存过程的数学模型研究;

(3)实验及理论研究冰浆融化时产生通道效应的机理，建立模型，分析其对融冰速率的影响;

(4)对二元混合溶液融化冰浆的研究，分析溶液浓度对融化的影响;

(5)综合考虑各种因素，建立理想的冰浆融化过程的数学模型，对之进行数值模拟研究。

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