流态冰制取技术研究进展及实验初探

张小松 陈 瑶 殷勇高 闫俊海 李秀伟

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

流态冰制取技术研究进展及实验初探

张小松 陈 瑶 殷勇高 闫俊海 李秀伟

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

摘 要:系统地总结和分析了流态冰制取技术的研究现状和进展.在此基础上，提出并详细介绍了2类新型流态冰制取方法:溴化锂吸收式低压制冰和与溶液除湿相结合的流态冰制取方法.2类新方法都能利用温度为100℃左右的低位热源作为驱动能源，并通过溶液吸湿制造低压环境.相比传统方法，节省了大量电能.对新方法进行分析总结后，提出了溶液深度除湿蒸发冷冻预冷流态冰制取方法.建立了溶液深度除湿蒸发冷冻预冷实验装置，并进行了实验初探.结果表明，当空气含湿量被降低到3 g/kg时，该装置能有效地制取0℃左右的空气和冷冻水.实验验证了该系统的可行性，并对其优化提供了数据支持.

关键词:流态冰制取;溴化锂吸收式制冷;溶液深度除湿;蒸发冷冻

动态冰浆，又称流态冰，以其良好的热物理特性［1］被广泛地用于建筑空调、大规模区域供冷、工业生产、食品保鲜、交通运输、远洋捕捞、水产养殖、医疗卫生等领域［2］.冰蓄冷是如今最重要的节能技术之一，是电力“移峰填谷”和解决尖峰电力不足的有效方法.而应用流态冰的动态冰蓄冷技术具有系统灵活性大、占地面积小、初投资相对较少的优点，已领导了冰蓄冷技术发展的潮流.制取流态冰是实现动态冰蓄冷技术的第一步，也是最重要的一步，制取流态冰的技术方法已成为当前国内外相关领域的研究热点.

现有流态冰的制取方法众多，与传统的制冰设备(片状冰、块状冰)相比能够节省30% ～40%的能耗.所有的流态冰制取装置和系统中冰晶的结晶过程都包括溶液的过饱和、成核和冰晶的生长3个步骤.在这3个步骤完成后根据不同的需要将冰晶再进行一系列的改造，如摩擦、凝聚和成型.但是，这些改造过程并不是在所有的流态冰制取装置和系统中都存在的，只有在对冰晶的尺寸和形状有要求的情况下才有必要进行.因此，根据制取冰浆的效果和用途的不同，流态冰的各种制取方式之间也存在很多差异.

本文对现有的流态冰制取方法进行了分析，总结了该技术的发展现状.在此基础上详细介绍了东南大学制冷与低温实验室所进行的几种流态冰制取的新方法，并对其中的关键技术进行了实验初探.

1 流态冰制取方法及研究进展

1.1 壁面刮削法

壁面刮削式流态冰制取技术的基本原理是:水(溶液)在壳管式换热器内部通过换热壁面被冷却到低于冰点的过冷状态，然后利用机械刮削方式对壁面进行扰动，靠近壁面的过冷水被及时刮离壁面，从而确保了换热器壁面上不会生成冰晶.从壁面附近被刮出的过冷水随即进入水(溶液)侧的中心主流区，并在主流区中解除过冷，生成冰浆.

典型的壁面刮削式冰浆制取系统如图1所示.该系统主要由制冷循环和壳管式冰浆发生器2部分组成.其中，制冷循环为壳管式冰浆发生器提供制冷剂;壳管式冰浆发生器由内外两层同心套管组成，实际上在制冷循环中起到了蒸发器的作用.制冷剂在壳管式冰浆发生器的外管内吸热蒸发，冷却内管内流动的水(溶液)到过冷态.壳管式冰浆发生器的冰晶刮削方式分为旋转刮片式和行星转杆式(ORE)两大类，如图2所示.

图1 典型壁面刮削式冰浆制取系统图

图2 壳管式冰浆发生器

在流态冰制取方法的研究领域内，Stamatiou等［3］首先对其原理和方法进行了详细的总结;张海潮等［4］对自行研制的刮刀式系统进行了实验研究，得到了直径为 0.2 mm的冰晶;Matsumoto等［5］进行了收割式-壁面刮削法(harvest method)的实验研究，通过冷却乙烯-乙醇使冰晶在碳钢壁面上生成，然后利用刮刀将壁面上生成的冰晶刮落而获得流态冰.

到目前为止，该技术已经相对比较成熟，但只有少数方法被用于商业领域的流态冰制取，以加拿大Sunwell公司的旋转刮片式和美国Mueller公司的MaximICEORE技术为代表，他们的产品被广泛地用于HVAC的蓄能等相关领域.但是壁面刮削式制冰系统对于机械能的消耗相对较大，刮削装置容易损坏且结构较复杂，壁面上的冰层易积累而形成冰堵，这些都是限制其进一步发展的因素.

1.2 过冷法

几乎现有的流态冰制取方式都会涉及到水或水溶液的过冷态，过冷法也是目前研究最广泛的一种流态冰制取方法.其基本原理为:水或水溶液首先在热交换器中被冷却至过冷状态(水或水溶液被冷却至冻结点温度以下的亚稳定的液体状态)，然后过冷水或过冷溶液被输送至过冷却解除器中进行解冷，转变为细小的冰晶，这时的冰水混合物实际上就是流态冰，如图3所示.

图3 过冷法基本原理图

过冷法的研究主要集中在如何解决过冷换热器中冰堵和过冷度的控制等问题上.Inaba等［6］提出了一种判断系统中是否存在冰堵的方法，基于对冷却管内的热力学条件与参数间关系的考虑，给出了判断冰堵现象的无因次参数计算式;为了解决冰晶在换热器壁面黏附问题，Oda等［7］对管材与壁面的处理及用于冻结成冰的相变材料进行了研究，发现在各种不同的冷却条件下氟塑料管(fluoroplastics tube)能有效地防止冰晶黏附，水油乳浊液(water-oil emulsion)作为冻结成冰的相变材料在很多条件下优于乙烯乙二醇水溶液(ethylene glycol aqueous solution).

水或水溶液的过冷度太大，会造成制冷系统制冷系数下降，并增加冰晶在换热器管壁的黏附，对此可考虑利用其他一些外部条件如超声波、电场等或加入某些添加剂(如碘化银)以增加其核化率，相应地减小其过冷度.Inada等［8］最早对超声波影响过冷水成冰进行了深入的研究，发现超声波能够促进过冷水到冰的相变，并有效地控制过冷水的相变温度;Matsumoto等［9-10］在水中添加水油乳浊液，对混合溶液的静态过冷成冰过程进行了综合性研究:水油乳浊液会减缓过冷状态解除到成冰的过程，而超声波和直流电场的引入能有效地加速解冷过程并降低过冷混合溶液的过冷度，同时采取添加冰核的方式来促进成冰;Kumano等［11］进行了聚乙烯醇溶液(poly-vinyl alcohols)对水过冷影响的实验研究，结果表明聚乙烯醇的聚合度对水过冷度的影响并不明显，而皂化程度的增加能够增加其对水过冷度的影响.

在以上对水或溶液的静态过冷过程研究的基础上，流动的水或溶液结晶过程及过冷法综合系统也得到了广泛研究.何国庚等［12］建立了一套有效的实验室过冷水法冰浆制取装置.Mouneer等［13］设计了一种新型的过冷换热器作为流态冰生成器，如图4所示，通过在换热器内壁添加一定数量的过冷水喷射器来清除内壁上形成的冰层.Jean-Pierre等［14］进行了过冷法的综合性实验研究，研究了过冷度、流量及制冷剂温度等因素对结晶过程的影响，通过建立蒸发器的数学模型来研究蒸发器内的物理过程和结晶风险.

图4 带过冷水喷射器的过冷换热器示意图

总的来说，过冷法是流态冰制取方法研究中的一个热点，但是由于该方法存在诸多问题使得单纯的过冷水流态冰制取方法还处于实验室的研究状态，目前仅有日本的高砂热学等少数企业将其应用到商业领域.

1.3 直接接触换热法

直接接触换热法是将不溶于水的0℃以下的低温冷媒通过喷嘴喷入水槽，冷媒介质与水直接接触换热，水被冷却到冻结点温度以下时形成冰晶颗粒.直接接触法制流态冰技术由于存在的一些问题和系统的限制目前还未能在商业领域中得到应用，但一些实验室已对水与冷媒的换热过程和冰水固液相变传热进行了研究.

Wijeysundera 等［15］进行了冷冻剂 fluroinert FC-84的直接接触换热实验，获得质量分数为40%的冰浆，在实验的基础上建立了2个关于冷冻剂液滴与水的体积换热系数的模型.刘剑宁等［16］提出了一种直接接触喷射式冰浆制备方式，通过搭建实验台进行了实验研究，对系统的优化和冰堵的解决等问题进行了探讨.章学来等［17］以容积换热系数对二元冰蓄冷系统中的制冰罐的二元冰制备传热特性进行相关研究，结果表明喷口位置对二元冰制备过程的传热特性影响很大，在水中添加乙二醇将会减小其容积换热系数，所以应综合考虑乙二醇溶液浓度的影响.Hawlader等［18］针对制冷剂fluroinert FC-84液滴周围冰晶的形成、生长以及分离过程进行了实验并建立了理论模型，对影响液滴周围冰晶生长的可能因素进行了探索，如图5所示.结果表明，冰晶生长率与液滴直径和液滴初始温度有关，冰晶生长率随着液滴直径的增加和液滴初始温度的下降而增加.

图5 液滴直接接触换热模拟实验示意图

以上都是针对液液直接接触的研究，该方法的另一种形式为气液直接接触.相比而言，气液直接接触蓄冷系统采用二氧化碳、氮气等作为载冷剂与蓄冰溶液进行接触，气体容易从蓄冰溶液中分离出来，而且具有突出的环保效益，应用前景更加广阔.张学军等［19］利用氮气作为低温介质，搭建了气体直接接触式制冰实验台，对系统制冰性能和影响冰堵的因素进行了实验研究.郑克晴等［20］对直接接触式冰浆生成器的单气泡传热特性进行了研究，基于单个气泡在连续相中的上升特性，定性分析了各种因素对体积传热系数的影响.Thongwik等［21］对二氧化碳和水溶液直接接触制冰过程中的传热特性进行了实验研究，实验显示在该实验条件下二氧化碳和纯水的传热效率接近100%，进而进行了压缩机油和Tween-60的混合水溶液与二氧化碳的直接接触换热实验，依据实验建立2个集中模型分别用于预测纯水或水油混合溶液及冰晶的温度.

由于冷媒与水充分接触，该方法的换热效率是所有流态冰制取方法中最高的，而且其原理与设备结构都较简单，但存在的缺陷也很明显:① 由于采用的是冷媒直接喷射的方式，在制冰量较大时就需要较大的冷媒量.而该方法所采用的冷媒多为传统或新型的制冷剂，所以与其他流态冰制取方式相比其对制冷剂的需求量是最大的，无法用于建筑蓄冷等需大规模制冰的领域.②水与制冷剂直接接触，制冷剂与水难以分离，形成的冰晶不够清洁，不能用于食品保鲜等领域.③ 该方法同样存在冰堵问题.

1.4 流化床法

流化床换热器被广泛地应用于制造加工业，如废水或油乳胶的热处理过程.Meewisse等［22］和Pronk等［23］在工业用流化床换热器［24］的基础上开发了金属颗粒流化床流态冰制取装置，如图6所示，制冷剂在床体管外蒸发制冷，管内水呈紊流态向上流动并不断被冷却，直至有冰晶在床内壁生成，大量直径为1～5 mm的颗粒(不锈钢珠或瓷片或其他金属材料)混于水中，在水流的携带下不断向上运动并频繁地撞击壁面，使黏附于壁面的冰晶粒子破碎，避免了冰晶在壁面的沉积，金属颗粒的运动破坏了壁面边界层，使系统具有很高的传热速率.Peng等［25］则建立了类似的液液循环流化床制取流体冰的热态实验装置，在多工况条件下对该新技术的动态制冰特性进行了实验研究.

图6 金属颗粒流化床流态冰制取装置示意图

流化床技术虽然较成熟，在工业领域已经得到广泛的应用，但作为制取流体冰的一种新方法其研究还只是停留在实验室阶段，且进行该技术研究的学者也并不多，制冰过程中所遇到的冰堵及载冷剂消耗量大等问题也亟待解决.

1.5 真空法

与前述几种动态制冰方法不同，真空法无需用制冷剂或载冷剂而是通过水或溶液自生的蒸发作用而制冰，是一种特殊的新型流态冰制取方法.其基本原理为:水或溶液通过喷嘴雾化后被喷入真空室中，液滴在真空室内迅速蒸发形成水蒸气，维持真空室真空状态的机械压缩装置将水蒸气连续抽出，由于被抽出的水蒸气吸收了液滴大量热量，使得液滴温度不断下降，直至液滴形成冰晶颗粒.

Shin 等［26］和 Kim 等［27］对真空法的制冰过程进行了详细的理论和实验研究.其中Shin等［26］研究了扩散过程中冰粒形成的条件和发展过程，给出了描述液滴蒸发制冰过程的扩散控制蒸发模型，该模型成为真空法制冰研究的基础，并被研究者们广泛引用;Kim等［27］在文献［26］研究的基础上对实验系统进行了改进，其实验系统如图7所示，采用质量分数为7%的乙二醇溶液进行喷射，在真空室压力为0.44 kPa，凝结温度为－4℃条件下，获得直径约 300 μm 的球状冰晶颗粒.Lugo 等［28］进行了真空条件下对氨水和乙醇溶液中水蒸气分压力测量的实验研究，对实验数据进行了详细的分析，并将实验结果与热力学模型计算结果进行了对比.章学来等［29-30］对二元冰真空制备技术进行了总结，对现有的扩散控制蒸发模型提出了改进方法，并对电磁场强化真空水滴闪蒸成冰进行了理论分析.刘伟民等［31］进行了低压闪蒸液滴形态和温度变化的实验研究，系统描述了液滴闪蒸过程中的各种形态变化.Asaoka等［32-33］提出了一种用乙醇溶液在真空环境中制取流态冰的新方法，对乙醇溶液在20，30℃及冰点温度下的蒸汽溶液相平衡数据进行了实验测量，分析了乙醇溶液浓度对成冰特性的影响.金从卓等［34］引入了液滴与固体的碰撞理论对扩散控制蒸发模型进行了改进，并用改进的模型对不同的喷雾方式进行了理论分析.张琳等［35］对目前真空法中存在的问题进行了分析，提出了利用中介物质来降低真空制冰系统对运行真空度要求的方法，并对中介物质的特性及改进后系统的工作原理进行了分析.

图7 典型的真空法制流态冰系统示意图

真空法的优点是无需制冷剂，环保效益好，冰晶不在管道内生成，避免了前述几种方法普遍存在的冰堵问题.研究者们对真空法制流态冰技术进行大量的理论及实验研究，但是该方法还远未达到产业化的要求.该方法始终存在的问题是制冰过程中需要保持真空状态，为此需要消耗大量的机械能与电能，同时真空状态下容易产生各种气密性和安全性问题.

2 流态冰制取新方法

上述流态冰制取方法都有着各自的优势和缺陷，因此找到一种融合其优点，同时摒弃其缺点的流态冰高效制取方法是当前研究的热点.东南大学制冷与低温实验室进行了大量的流态冰制取新方法的理论与实验研究:① 提出了基于溴化锂吸收式制冷循环的流态冰制取新方法［36］;② 提出并建立了蒸发过冷流态冰制取新系统［37］，并对单个液滴的蒸发过冷过程进行了实验研究［38］;③对已有系统进行改进，提出了新型溶液深度除湿蒸发冷冻预冷制流态冰方案，并进行了蒸发冷冻预冷的实验初探.

2.1 溴化锂吸收式低压制冰系统

殷勇高等［36］将溴化锂吸收式制冷系统与真空法制冰系统相结合，设计了溴化锂吸收式低压制冰系统，如图8所示.该系统由溴化锂溶液循环和低压制冰室2部分构成.溴化锂溶液在吸收器中吸收来自低压制冰室中的水蒸气，通过稀释后的溴化锂溶液泵送到发生器中被加热再生，溴化锂溶液浓度得到提升，重新具有吸湿能力，然后经过冷却送至吸收器吸收水蒸气，实现对制冰室内低压环境的维持，溴化锂溶液如此不断循环.制冰室中的制冰流程采用闭式、连续式运行模式:吸收器的浓溶液不断吸收水蒸气造成制冰室的低压环境，水在低压制冰室中喷淋并不断蒸发达到过冷状态，过冷水再经制冰室中的解冷装置解冷，冰水混合物经冰水分离装置分离后即得到流态冰.

图8 溴化锂吸收式低压制流态冰系统示意图

此方法可以将工业余热、太阳能等温度为100℃左右的低位热源作为溴化锂发生器的驱动能源，可以节省大量的电能，实现能源利用的可持续性.该系统可直接由溴化锂吸收制冷装置改造而成，构造简单，运行稳定，可以克服真空法制冰中机械抽气制造真空磨损大、噪声大、连续运行困难的缺点.此新型系统为流态冰的制取提供了一种可行且新颖的思路，但是该系统的实际运行效果还有待进一步研究.

2.2 蒸发过冷式流态冰制取方法

李秀伟等［37，39］在对过冷法和真空法进行分析后，结合东南大学制冷与低温实验室在溶液除湿研究领域的优势［40-41］，提出了溶液除湿蒸发过冷式流态冰制取方法，并进一步分析指出，对于真空制冰而言，其本质的机理在于:在环境中的水蒸气分压力低于水滴边界层饱和水蒸气压力的情况下，水滴会持续蒸发，直到2个水蒸气分压力相等为止.因此，如果环境中的水蒸气分压力低于水的三相点对应的饱和水蒸气分压力(611 Pa)，就可以使水滴不断蒸发，水滴温度将最终降低到0℃以下并结冰.可见，真空室的目的就是要营造一个低水蒸气分压力的环境，但是为了获取低水蒸气分压力的环境，真空并不是绝对必须的，只要除去空气中的水蒸气，也就是说只要保持空气中的含湿量足够低，就能达到低水蒸气分压力的环境.

基于以上分析，构建溶液除湿蒸发过冷制流态冰实验系统如图9所示.整个系统由除湿循环、制冷循环、蒸发过冷循环3部分组成.首先通过除湿循环除去空气中的水分得到水蒸气分压力很低(611 Pa以下)的干空气，再使0℃以上的水在该空气中喷淋蒸发降低水滴的温度到0℃以下，之后解除水的过冷状态获得流态冰.

图9 溶液除湿蒸发过冷式流态冰制取系统示意图

依据上述系统的理论设计，文献［39-41］进行了蒸发过冷过程的理论及实验研究.整个实验在焓差室中进行，采用PDA测量水滴的粒径与速度，采用红外摄像仪来拍摄和观察水滴蒸发过冷过程的温度场，在成功制取冰晶颗粒的同时建立了描述水滴在低含湿量、低水蒸气分压力环境中的蒸发过冷的数学模型.

闫俊海等［38］在文献［39-41］研究的基础上进一步研究了水滴在低温、低湿空气中的蒸发过冷过程，建立了新的描述整个传热传质及液滴运动过程的数学模型，为流态冰制取过程中水滴群的雾化模拟提供了理论依据.通过实验分析指出，对雾化水滴进行预冷却不仅可提高系统制冰效率，还能减少水滴的蒸发损失.

综上所述，将溶液除湿控制空气含湿量结合水滴蒸发过冷的方法与当前的过冷法相比，由于水温在喷淋前一直保持在0℃以上，所以完全避免了冰堵，提高了制冰的稳定性.与真空法相比，该方法只需通过除湿，即将空气中的水汽除去，就能避免抽真空，节省了真空泵所要消耗的能量.水结冰过程所需的冷量大部分来自于水蒸发的潜热，水蒸发的潜热负荷转加给了溶液除湿循环，而溶液除湿循环可以利用低位能源，如太阳能、地热能以及各种废热余热进行驱动，因此，制冷所需的冷量就可以取自于低品位的热能，这就降低了系统对电能的依赖，起到了节能减排的效果.

2.3 溶液深度除湿蒸发冷冻预冷流态冰制取方法

图10 溶液深度除湿蒸发冷冻预冷制流态冰系统示意图

本文对溶液除湿蒸发过冷式流态冰制取系统进行了改进，改进后的系统如图10所示.该系统由蒸发冷冻预冷循环、溶液深度除湿再生循环、冷冻水蒸发过冷制冰3部分组成.相比原系统，增加了蒸发冷冻预冷循环，对溶液深度除湿再生循环的构造及与系统的结合方式进行了调整，形成了新的热泵驱动溶液深度除湿再生循环系统.系统工作原理为:常温水首先经循环水泵送入蒸发冷冻预冷装置中进行降温处理，当循环水的温度降低至接近0℃时，送入冷冻水箱作为蒸发过冷制冰时用于雾化喷淋的冷冻水;从蒸发冷冻预冷装置和蒸发过冷制冰室出来的含湿量较高的空气被送入溶液深度除湿器中进行除湿，除湿后的低含湿量空气一部分送入蒸发过冷制冰室中用于蒸发过冷制冰，另一部分则继续进行循环达到指定状态后继续用于蒸发冷冻预冷过程，而蒸发过冷后的过冷水经解冷装置解冷后即可获得流态冰.

改进后的溶液深度除湿蒸发冷冻预冷制流态冰新系统中，增加的蒸发冷冻预冷过程可以降低用于制冰过程的初始水温和空气温度，从而提高制冰效率.改造后的溶液深度除湿再生装置，在实现空气含湿量处理的同时，能够利用自身的冷凝热进行除湿后溶液的再生.更加合理地利用了制冷循环，整个系统的能源利用率也得到了提高.同时，系统得到了完善，能够真正地独立运行，不需要外部热量的补给.

3 溶液深度除湿蒸发冷冻预冷实验

3.1 实验装置及理论分析

溶液深度除湿蒸发冷冻预冷实验装置如图11所示.该系统为溶液深度除湿蒸发冷冻预冷制流态冰的一个子系统，仅进行空气的除湿和预冷处理，目的是对溶液除湿的强化和空气及水的预冷过程进行研究.该装置中，制冷循环系统中的蒸发器用于冷却除湿溶液，冷凝器用于加热再生溶液，因此整个循环的溶液除湿和再生能力得到了强化.

图11 溶液深度除湿蒸发冷冻预冷实验装置

选用常用的LiCl溶液进行该系统的除湿能力分析计算，在一定温度下，LiCl溶液的浓度越大除湿能力越强.从 Conde［42］总结的 LiCl溶液结晶曲线可以得到，一定温度下LiCl溶液可以配置的最大质量浓度.由空气与溶液接触的平衡态原理可知，在传热传质面积理想的情况下，该深度除湿装置最大的除湿能力分析计算如表1所示.

表1 溶液除湿能力分析计算

表1计算结果表明，利用溶液深度除湿循环可以将空气的含湿量最终控制在3 g/kg左右.此时空气的含湿量已经足够低，完全能够保证其水蒸气分压力低于水的三相点对应的饱和水蒸气分压力(611 Pa)，为蒸发冷冻预冷过程提供了条件.

3.2 模拟及实验结果

在保证空气含湿量足够低的基础上，建立数学模型，对溶液深度除湿蒸发冷冻预冷循环的效果进行模拟分析计算.模拟采用的基本工况为:初始进口空气干球温度30 ℃、流量1.74 kg/s、流速3.125 m/s、含湿量3 g/kg，初始进口水温26℃、流量0.6 kg/s，模拟结果如图12所示.

图12 溶液深度除湿蒸发冷冻预冷循环模拟结果

根据模拟结果得出溶液深度除湿蒸发冷冻预冷循环的机理为:第1次循环时，空气的进口温度为30℃，此时湿球温度为13.58℃，水的进口温度为26℃，远远高于空气的湿球温度;空气和水在填料中发生热质交换后，水的理论温度可以降低到13.58℃，而模拟得出水的第1次出口温度为14.59℃，证明该模拟过程的蒸发冷冻效率较高.第1次循环出口空气温度为19.70℃、含湿量为13 g/kg;若空气以此温度和含湿量进行第2次循环，那么入口空气的湿球温度将达到18.69℃，这个温度远高于第2次循环水的进口温度14.59℃，无法实现对水的继续降温.这时需要通过溶液除湿循环和换热器对出口空气进行处理.首先出口空气经过除湿器进行溶液除湿使得空气的含湿量回到3 g/kg，空气经过除湿后会有温升，不利于空气继续循环对水的降温，所以空气需要经除湿器后再经过换热器，使空气温度下降到除湿以前.水和空气就这样反复循环直到出口水温接近0℃.经过水循环、空气除湿循环和换热器中空气的冷却，蒸发冷冻循环得以保证和实现.

依据上述机理，对溶液深度除湿蒸发冷冻预冷过程进行实验初探，对整个装置的运行效果进行初步判断，实验结果如图13所示.图中，空气温度曲线指的是图11系统中蒸发冷冻器进出口温度的综合变化，其呈波动下降的原因是空气经蒸发冷冻器后温度下降，但是之后需再由溶液除湿器进行除湿处理从而导致温度有一定的回升;空气含湿量曲线指的是蒸发冷冻预冷器和溶液除湿器之间空气含湿量的综合变化情况，空气经蒸发冷冻预冷器吸收水分后含湿量会大幅上升，因此需经溶液除湿器进行除湿使其含湿量降低到原来水平甚至更低，以保证蒸发冷冻循环的进行;水温曲线是指蒸发冷冻预冷器中水温稳定降低的过程.初步的实验研究结果表明，溶液除湿蒸发冷冻预冷循环能够基本满足制取低温空气和冷冻水的需要.

图13 溶液深度除湿蒸发冷冻预冷过程初步实验结果

4 结语

本文总结了当前流态冰制取的主要方法，对各种流态冰制取方法的研究现状和改进技术进行了详细的描述和对比.虽然学者们对流态冰的各种制取技术进行了大量的理论和实验研究，但是到目前为止，只有壁面刮削法和过冷法在商业领域得到了一些应用，而其他方法仍处于实验室的研究阶段.

东南大学制冷与低温实验室结合自身在溴化锂制冷技术和溶液除湿技术方面的优势提出了溴化锂吸收式低压流态冰制取方法和与溶液除湿相结合的流态冰制取新方法，并对其中的关键技术进行了实验研究.这些新方法具有环保节能等众多优点，为流态冰的制取提供了新的思路.

本文对溶液深度除湿蒸发冷冻预冷循环的机理进行了详细的阐述并对该过程进行了实验初探，验证了应用该技术制取低温空气和冷冻水的效果.为以该循环为基础的溶液除湿蒸发冷冻预冷流态冰装置的优化设计提供了数据支持.由于该系统较复杂，使得其在溶液深度除湿、液滴群蒸发过冷、过冷状态解除等技术上仍有大量问题有待进一步研究.只有彻底掌握了这些关键技术，该方法才有可能成为一种真正实用稳定的流态冰制取方法和实现产业化.

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Research progress and tentative experimental study on ice slurry producing technology

Zhang Xiaosong Chen Yao Yin Yonggao Yan Junhai Li Xiuwei
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:The research actualities and developments of ice slurry producing technologies were reviewed and analyzed systematically.Two kinds of novel ice slurry producing systems，lithium-bromide absorption low-pressure system and the system combined with liquid dehumidification process，

were proposed.Both of these two methods can utilize a heat source around 100℃ as the driving energy，and create a low vapor pressure environment by using a moisture absorption solution.Compared with the conventional systems，the two new methods can alleviate the burden on electric power and raise the efficiency.Then an ice slurry producing system assisted by a deep liquid dehumidification process and an evaporative pre-cooling process was proposed.Moreover，a testing system was established，and tentative experimental study was carried out.The experiment results show that when the air is dehumidified to 3 g/kg，the air and chilled water around 0℃ can be produced effectively.The experiment validates the feasibility of the novel ice slurry producing system and lays the foundation for the system optimization.

Key words:ice slurry production;LiBr absorption refrigeration;liquid desiccant deep dehumidification;evaporative freezing

中图分类号:TU831.6

A

1001－0505(2013)06-1343-10

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.06.039

收稿日期:2013-04-20.

张小松(1960—)，男，博士，教授，博士生导师，rachpe@seu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(51036001)、“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ03B14).

引文格式:张小松，陈瑶，殷勇高，等.流态冰制取技术研究进展及实验初探［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(6):1343-1352.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.06.039］