螺旋刮削式流态冰制取性能的实验研究

黄成，吴昊凡，黄河源，夏立，孙宁，李学来



螺旋刮削式流态冰制取性能的实验研究

黄成，吴昊凡，黄河源，夏立，孙宁，李学来

（福州大学石油化工学院，福建福州 350116）

现有的流态冰制取技术受限于冰堵等问题一直难以实现大规模稳定生产流态冰。为了改进技术、改善现有设备存在的问题，本文开发了一台同时包含过冷法和壁面刮削法两种制冰过程的新型螺旋式流态冰制取装置，采用理论分析和实验研究相结合的方法，以乙二醇水溶液为制冰溶液，对该流态冰制取装置的性能进行研究。结果表明，这种流态冰制取装置是可行的。所得流态冰分布均匀，最高含冰率达13.684%，具有良好流动性，流态冰中冰晶颗粒形状一般呈现条状和扁圆状，平均冰晶颗粒面积10–9～10–8m2；装置产生的流态冰含冰率随时间先升后降，并将最终稳定在一个恒定值；减小制冰溶液流量、降低冷却液起始进口温度，都有助于缩短装置产生流态冰所需时间、提高产生流态冰含冰率；增大制冰溶液流量、提高刮削转速，都能促使产生的流态冰中冰晶颗粒细化减小。

流态冰；传热；螺旋刮削；结晶；相变；含冰率

流态冰，也称冰浆、二元冰或可泵冰，是一种处于流动状态的冰水两相混合物[1]，作为一种新型储能介质和相变载冷剂，近年来不仅在食品加工[2-3]、物质保鲜[4]、医疗救治[2]、救灾灭火[5]和管道清洗[6]等领域得到较多应用，更在区域性供冷及建筑工程[7-9]上因能应对“峰期电荒”问题取得了傲人成就。迄今为止流态冰制取主要有以下6种方法：即真空法、流体喷射法、流化床式制备法、降膜法、过冷法、刮削法。目前，前4种目前尚处于实验室研究阶段，只有刮削法和过冷法有部分商业应用。刮削法利用管壳结构使制冷剂在管外蒸发吸热促使筒内水膜凝冰，经高速旋转的刮片刮削后混溶形成流态冰[10]，其设备成本低、系统稳定、易操作，很早就得到欧美等国家研究人员重视，但其凝冰面积受筒内壁表面积限制，难以实现规模化生产，且刮刀易磨损，驱动需额外耗能，实现冰晶与溶液掺混形成均匀流态冰需要另设搅拌设备都限制了其推广[11-12]；过冷法则利用过冷器将制冰溶液降温至过冷状态，再通过过冷解除装置解除过冷在溶液内部形成冰晶，从而实现流态冰生成[13]，由于过冷法中冰晶随机产生于整个溶液中，可实现大规模流态冰生产，但其存在一次循环制取冰浆的含冰率低、过冷器中易发生冰堵等问题却严重制约了该技术的发展[14-15]。

本文针对上述过冷法和壁面刮削法流态冰制取技术存在的问题，提出了一种新型的流态冰制取装置——螺旋式流态冰制取装置（见图1）。该装置利用旋转叶片制造的螺旋不锈钢立式刮刀作为搅拌刮削装置，能有效防止冰堵；在完成冰晶刮削的同时利用其螺旋特性同步完成对冰晶与过冷溶液的混溶搅拌，实现系统简化；充分利用设备对溶液的过冷处理提高装置凝冰效率，并利用螺旋结构在完成对流态冰的向上提升输运的同时实现了冰浆含冰率的提高。

1～5—热电偶测试温点位置

1 实验装置与测算方法

实验系统流程如图2所示，主要由螺旋式冰浆生成器、RH-DC精密低温恒温槽、刮削转速控制器、温控数据采集系统、冰晶质量观测系统以及其他部件组成。RH-DC精密低温恒温槽中使用体积分数为40%的乙二醇水溶液为冷却液，温度可调范围–20～100℃，精度为0.01℃。刮削转速选用JJ-1型变频器控制，范围0～3500r/min。将制取所得流态冰冰晶样本由过滤网中取出，放入图3所示的冰晶质量观测系统中进行观察与图像采集。

螺旋式冰浆生成器的简化结构图如图1所示，电机选用功率300W的JJ-1型精密带动电机；螺旋刮刀由22mm的不锈钢杆和钢制螺旋叶片焊接制成，套筒式换热器内管63mm×2mm，外管89mm×2mm，材质为304不锈钢，考虑到对环境的冷量散失，实验时其外采用保温材料进行隔热处理；图1中数字1～5处圆点表示热电偶测温点位置。

实验中测算时间段内装置产生的流态冰平均含冰率作为时间段中点含冰率值（IPF）；控制制冰溶液初始水温9℃，计量装置产生流态冰所需时间；使用图3所示目镜摄像设备完成对冰晶质量（直径、形状等）的影像采集，同一组流态冰样本拍摄20张以上的显微镜冰晶照片，通过计算机软件识别照片中冰晶颗粒外形，测算出冰晶面积、直径等参数，用以后续分析。

1—恒温冷却槽；2—冷却液(进)；3—螺旋式冰浆生成器；4—冷却液（出）；5—带动电机；6—转速控制器；7—流态冰（出）；8—过滤网；9—水溶液储槽；10—泵；11—水溶液（进）；12—温度数据采集器；13—计算机；14—流量调节阀

1—恒温冷却槽；2—冷却液（进）；3—冷却液（出）；4—恒温蓄冷台；5—冰浆承装容器；6—光电显微镜；7—目镜摄像机；8—计算机

2 装置内壁面冰晶生长速率的推导

在一定过冷条件下，非均质成核的晶核一旦形成，冰晶就开始进入生长阶段，该阶段中冰晶生长的具体过程细分为3个阶段[16]，分别是冰晶完成潜热释放、水分子传递到达冰晶晶格分界表面、水分子在冰晶表面原有冰晶晶格基础上组成新晶格使冰晶生长。

在冰晶生长的第一个阶段——冰晶潜热释放阶段，换热器内水溶液发生相变释放的潜热将刚好与在温差作用下冷却液从换热器内壁经由冰层向水溶液传递的冷量相当，二者将形成一个热量平衡。这里相较冰层存在的热阻，忽略不锈钢壁厚热阻可得式(1)。

在冰晶生长的第二个阶段——水分子传递到达冰晶晶格分界表面阶段，冰层与水溶液交接界面处的溶质浓度与溶液内部溶质浓度由于结晶与冰晶的生长将存在一定差值，由于此浓度差的存在会驱使溶液中的水分子传递到冰晶表面，而此质量传递过程中冰晶的生长速率MERSMANN等[17]已经推出，再根据陈燕等[18]的推导可知冰晶生长速率与溶液浓度存在关系，见式(2)。

在冰晶生长的第三个阶段——水分子在冰晶表面原有冰晶晶格基础上组成新晶格阶段，第二阶段中由于浓度差作用下聚集在冰层与溶液交界面处的水分子，会进一步地在冰层与水溶液界面处的实际温度与相变平衡温度存在的温度差值驱使下，以氢键和冰晶内水分子链接加入到冰晶晶格中形成新的晶格，根据HUIGE[19]对纯水、离子添加剂、醇类添加剂溶液的研究，水分子进入冰晶晶格的温差驱动力可表示为式(3)。

(3)

将式(1)和式(2)带入到式(3)中并结合陈燕等[18]对mass的推导，可得装置内壁面冰层生长总速率为式(4)。

3 实验结果与分析

3.1 流态冰含冰率随时间变化规律

为了使研究出的装置产生流态冰随时间的变化规律具有普适性，在保持其他条件不变的前提下，每次只改变制冰溶液流量、刮刀转速、制冰溶液浓度中的一个因素，观察并测量装置产生流态冰后不同时间含冰率值，实验结果如图4所示。

实验结果表明装置制取得到的流态冰的含冰率普遍具有随时间先升高，达到一个峰值含冰率（略有波动）后降低，[l2] 。

装置产生流态冰含冰率主要由换热器通过内壁面向临界水溶液传递的冷量和单位时间内刮刀有效刮削壁面冰晶面积两个因素共同决定。流态冰开始产生时，冷却液与水溶液间温度差相对较大，冷量供应充足，含冰率主要由单位时间内刮刀有效刮削壁面冰晶面积决定。在凝冰刚开始时换热器内壁面部分区域先快速结冰，并开始随时间增加向换热器内壁面整体扩展，完成冰层的生长与填满空隙，使旋转刮刀单位时间内可刮削的壁面冰晶有效面积逐渐增大，得到的冰晶质量会逐渐增多，含冰率逐渐上升，直到内筒壁面被冰晶全部覆盖，刮刀有效刮削壁面冰晶面积达到最大，单位时间内刮削得到的冰晶质量达到极值，对应含冰率曲线上峰值出现。之后刮刀有效刮削壁面冰晶面积这个因素趋于稳定不再起决定作用，相对的冷却液与水溶液间温度差将随着换热的进行开始逐渐变小，导致单位时间内传递的冷量逐渐减少，使得壁面冰晶生长变慢，造成含冰率逐渐降低，但当降低到一定程度后换热器传递的冷量会趋于与恒温冷却槽对冷却液提供的冷量相平衡，在含冰率曲线上的表现就是含冰率最后趋于稳定。

3.2 制冰溶液流量对装置产生流态冰所需时间和含冰率的影响

图5、图6分别给出体积分数为2%～5%乙二醇溶液为制冰溶液、流量20～50L/h、刮刀转速300r/min条件下所得装置产生流态冰所需时间和含冰率变化的实验结果。

结果表明随制冰溶液流量增加，装置产生流态冰所需时间将延长，产生的流态冰中含冰率曲线将整体降低，含冰率峰值出现时间点延后，最终含冰率值呈现变小趋势。根据传热学知识，制冰溶液流量越大，换热进程中制冰溶液整体温度下降速率就越慢，相同条件下装置内制冰溶液达到过冷条件发生相变所需时间自然加长，而制冰溶液温度下降速率变慢还将造成同一时刻换热器内部内水温变高，内壁面冰晶产生后冰层与水溶液界面处的实际温度与相变平衡温度决定的界面温度差变小，由式(3)可知这将使得冰晶生长的界面温度差驱动力变小，单位时间内冰层生长速率ice变慢，装置单位时间内产生的冰晶也就越少，刮削混溶得到的流态冰含冰率自然也就越小，同样的这也解释了流量变大峰值含冰率的变化趋势；而根据陈燕等[18]建立的冰层厚度随时间变化的模型，制冰溶液流量增大，在冰晶剥离的第一阶段由于流体冲击造成的冰晶剥离速度就越快，总的冰晶生长速率就越慢，使螺旋刮刀单位时间内可刮削的壁面冰晶有效面积的增长速率变慢，从而导致单位时间内刮刀有效刮削壁面冰晶面积达到峰值时间点即峰含冰率时间点延后。

3.3 冷却液进口温度对装置产生流态冰所需时间和含冰率的影响

图7、图8分别是以4%乙二醇为制冰溶液，控制冷却液的起始进口温度分别为–12℃、–15℃、–18℃实验所得装置产生流态冰所需时间和流态冰含冰率的结果。图8(b)为了对比另行整理的峰值含冰率和最终含冰率随进口温度变化结果。

结果表明随冷却液起始进口温度的升高，装置产生流态冰所需时间逐渐变长。[l4] 时间内冷却液通过壁面向水溶液传递的冷量=××Δ，是与冷却液与水溶液间的温度差成正比，制冰溶液起始温度定为9℃，冷却液起始温度越高，Δ越小，单位时间内冷量传递就越少，水溶液降温速率越慢，达到过冷条件装置开始产生流态冰所需时间就会越长。

结果表明随着冷却液进口起始温度的降低，产生的流态冰整体含冰率曲线将明显上升，相应时间点流态冰含冰率也将明显增大，而峰值含冰率出现的时间点随着冷却液起始温度的降低，呈现逐渐前移的趋势，最高含冰率和最终含冰率都会升高。

冷却液起始温度越低，相同条件下，在换热器内制冰溶液达到过冷相变条件时相应的冷却液温度越低，对应换热器内壁面温度w也越低，由式(4)可知此时冰层生长速率ice越大，装置单位时间内产生的冰晶也就越多，刮削混溶得到的流态冰含冰率值也就越大。而峰值含冰率前移的趋势则是因为冷却液起始温度降低造成的冰晶生长速率加快，会使单位时间内螺旋刮刀可刮削的壁面冰晶有效面积增涨速率加快，从而导致单位时间内刮刀有效刮削壁面冰晶面积达到最大值出现的时间点即峰值含冰率出现的时间点提前。

3.4 转速、溶液流量对流态冰冰晶颗粒的影响

实验中通过使用图3所示的冰晶观测系统完成对装置产生流态冰中冰晶颗粒的大量[l5] ，发现装置刮削所制得的流态冰中冰晶颗粒形状[见图9(a)]与普通静态加搅拌条件下制得的冰晶颗粒形状[见图9(b)]不尽相同：装置得到的冰晶颗粒主要以条状和扁圆状为主，其中夹杂着一些不规则的其他形状冰晶，相比主要呈现圆形由静态搅拌条件下制得的冰晶颗粒，本装置流态冰冰晶颗粒明显要偏大很多。

图10为制冰溶液流量30L/h情况下制得流态冰冰晶颗粒面积随刮削转速变化的实验结果。从图中可以看出，相同条件螺旋刮刀转速越快，装置制取得到的流态冰中冰晶颗粒平均面积越小，表明冰晶颗粒越小。

制冰溶液流量一定，冷却液起始温度相同，意味着流态冰开始产生后装置换热器内壁的冰晶生长速率ice是一定的，当冰晶填满与刮刀间隙后，刮刀转速越快，两次刮削同一冰晶生长点的时间间隔越小，冰晶生长时间越短，所得冰晶颗粒越小。

图11为5%乙二醇为制冰溶液在控制螺旋刮刀转速300r/min条件下流态冰冰晶颗粒平均面积随制冰溶液流量变化的实验结果。图11中所示，随着制冰溶液流量增大，相同条件下制取所得流态冰冰晶颗粒平均面积在逐渐减小，表明冰晶颗粒在逐渐变小。

进口水溶液流量越大，单位时间内换热器中水溶液整体温度下降速率就越慢，相同条件下换热器内壁内水温就越高，内壁冰层与水溶液界面处的实际温度与相变平衡温度决定的界面温度差也就越小，冰晶生长的界面温度差驱动力就越小，单位时间内冰层生长速率ice也就越小。当冰晶生长填满与刮刀间隙后，装置螺旋刮刀转速一定，表明两次刮削同一冰晶生长点的时间间隔是一定的，大流量条件冰晶生长速率ice慢，在这段时间间隔内冰晶生长的体积就小，刮削得到的流态冰中冰晶颗粒较小。

4 结论

本文通过研究得到如下结论。

（1）本项目提出的新型螺旋式冰浆制取方法是可行的，可以有效解决过冷法动态制冰浆遇到的含冰率低、易发生冰堵两大问题，改进壁面刮削法制冰浆限于换热面积小产量低的缺点。

（2）以乙二醇水溶液作为制冰溶液情况下，装置最高制冰量为4.024kg/h，所制得流态冰均匀，具有良好的流动性，最高含冰率IPF可达13.684%，流态冰中冰晶颗粒形状与前人在过冷搅拌条件下所得有明显的差别，一般呈现条状和扁圆状，平均冰晶颗粒面积在10–9～10–8m2之间，颗粒相对较大。

（3）装置产生的流态冰含冰率普遍具有随时间先升高，达到一个峰值含冰率（略有波动）后降低，并最终趋于稳定在一个固定的值不再变化的规律。

（4）制冰溶液流量对装置产生流态冰所需时间、生成流态冰含冰率和得到的流态冰中冰晶颗粒大小都有影响：制冰溶液流量越大，装置产生流态冰所需时间就越长；装置产生的流态冰整体含冰率曲线明显下降，相应时间点流态冰含冰率减小，峰值含冰率和最终含冰率将降低，并且峰值含冰率出现的时间点呈现延后的趋势；流态冰中冰晶颗粒尺寸将变小。

（5）冷却液起始进口温度对装置性能的影响主要表现在影响装置产生流态冰所需时间、生成流态冰含冰率上：冷却液起始进口温度越低，装置产生流态冰所需时间越短；相应的产生的流态冰整体含冰率曲线将明显上升，相应时间点流态冰含冰率明显增大，峰值含冰率出现的时间点逐渐前移；流态冰峰值含冰率和最终含冰率都会升高。

（6）装置螺旋刮刀转速对装置性能的影响主要表现在刮刀转速越快，装置制取得到的流态冰中冰晶颗粒平均面积越小，冰晶颗粒越小；而刮刀转速对装置制取得到的流态冰含冰率的影响则不明显。

符号说明

Gice——冰层生长速率，m/s Hf——单位水溶液凝固释放潜热，J/kg Kmass——分子质量传递系数，m/s； Ksurf，n——分别为由溶液性质决定的系数，纯水、离子添加剂、醇类添加剂溶液中为Ksurf=2.7x10–3m/s，n=1.55（HUIGE[19]测出） MH2O——水的摩尔质量，g/mol Mliq——水溶液的摩尔质量，g/mol Tint——冰层与水溶液界面温度，℃ Tw——换热器内壁面温度，℃ T*(xint)——冰层与水溶液界面处的对应的摩尔分数为xint时，溶液的相变平衡温度，℃ T*(xb)——水溶液内部摩尔分数浓度为xb时，溶液的相变平衡温度，℃ xb——水溶液内部溶质（即添加剂）的摩尔分数，% xint——冰层与水溶液交接界面处的溶质（添加剂）摩尔分数，% δice——已存在冰层厚度，m λice——冰的热导率，W/(m·K) ρliq——水溶液密度，kg/m3 ρice——冰的密度，kg/m3

[1] EGOLF P W，KAUFFELD M. From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications[J]. International Journal of Refrigeration，2005，28（1）：4-12.

[2] KAUFFELD M，WANG M J，GOLDSTEIN V，et al. Ice slurry applications[J]. International Journal of Refrigeration，2010，33（8）：1491-1505.

[3] GLADIS S. Ice slurry thermal cooling，Part 2[J]. Energy Storage for Cheese Process ASHRAE，1997，103：725-729.

[4] CECILIA Hägg. Ice slurry as secondary fluid in refrigeration systems[D]. Stockholm：School of Industrial Engineering and Management，2005.

[5] ROBERT L A. Fire-fighting apparatus and a method of fighting fire：UK0206813.8[P]. 2002-09-16.

[6] QUARINI J. Ice-pigging to reduce and remove fouling and to achieve clean-in-place[J]. Applied Thermal Engineering，2002，22：747-753.

[7] WANG M J，KUSUMOTO N. Ice slurry based thermal storage in multifunctional buildings[J]. Heat Mass Transfer，2001，37： 594-604.

[8] 董凯军，冯自平，郑瑞芸，等. 冰浆潜热输送矿井空调设计及其经济分析[J]. 制冷与空调，2011，25（1）：1-6.

DONG K J，FENG Z P，ZHENG R Y，et al. Design and economic analysis of mine air-conditioning system using ice slurry for latent-heat transportation[J]. Refrigeration and Air Conditioning，2011，25（1）：1-6.

[9] 姚豪，周春艳，梁德清，等. 水合物浆和冰浆高密度潜热输送研究进展[J]. 化工学报，2003，54（s1）：57-61.

YAO H，ZHOU C Y，LIANG D Q，et al. Recent research advances on hydrate slurry and ice slurry for high density latent-heat transportation[J]. CIESC Journal，2003，54（s1）：57-61.

[10] MA Z W，ZHANG P，WANG R Z. Review of recent patents on ice slurry generation[J]. Recent Patents on Engineering，2011，5（2）：103-112.

[11] MOUNEER T A，EL-MORSI M S，NOSIER M A，et al. Heat transfer performance of a newly developed ice slurry generator：a comparative study[J]. Ain Shams Journal of Mechanical Engineering，2010，1（2）：147-157.

[12] DAITOKU T，UTAKA Y. An effect of surface properties on detachment of adhered solid to cooling surface for formation of clathrate hydrate slurry[J]. Transactions of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers，2007，36（8）：489-500.

[13] 斎藤彬夫. 機能性二次冷媒の動向と展望[J]. 冷凍，2005，80（2）：79-87.

[14] 谢若非，于航. 过冷法制备冰浆中控制参数对制冰的影响[J]. 建筑节能，2012（3）：14-18.

XIE R F，YU H. Effect of control parameters to ice-making of dynamic ice slurry generation based on supercooled method[J]. Building Energy Efficiency，2012（3）：14-18.

[15] 于航，詹光毅，孟二林，等. 过冷却器结冰影响机制的实验[J]. 同济大学学报（自然科学版），2015，43（9）：1395-1399.

YU H，ZHAN G Y，MENG E L，et al. Experimental study on the influence mechanism of icing in supercooler[J]. Journal of Tongji University(Natural Science)，2015，43（9）：1395-1399.

[16] MYERSON A S. Handbook of industrial crystallization[M]. Butter-worth Heinemann Series in Chemical Engineering，1992.

[17] MERSMANN A，EBLE A，HEYER C. Crystallization Technology Hand-book[M]. 2nd ed. New York：Marcel Dekker，2001.

[18] 陈燕，刘佩，刘良泉，等. 冰浆生成器壁面冰层生成与预防机理研究[J]. 建筑热能通风空调，2013，32（3）：13-16.

CHEN Y，LIU P，LIU L Q，et al. Study of the ice slurry forming on the generator wall and the prevention mechanism[J]. Building Energy & Environment，2013，32（3）：13-16.

[19] HUIGE N. Nucleation and growth of ice crystals from water and sugar solutions in continuous sturred tank crystallizers[D]. The Netherlands：Eindhoven University of Technology，1972.

Experimental study on the ice slurry produced by spiral scraping

HUANG Cheng，WU Haofan，HUANG Heyuan，XIA Li，SUN Ning，LI Xuelai

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350116，Fujian，China）

Constrained by technical problems such as ice barrier，the production method of ice slurry is currently difficult to guarantee the large scale steady production. In order to improve the current method and apparatus，a new dynamic ice slurry making apparatus named spiral scraping ice slurry generation was developed. It combines the supercooled ice-making method and scraping ice-making method. Taking glycol solution as the ice-making solution，the performance of the new apparatus was analyzed both theoretically and experimentally. The results showed that the new apparatus runs steadily and can be easily operated. The ice slurry as product has good flowability，with the maximum ice packing factor of 13.684%. The ice crystal particles in ice slurry distributes uniformly，and generally present as strip or oblate，with an average area of between 10–9m2and 10–8m2. The[w1] of the ice slurry would increase over time firstly and then decrease，and finally it would keep stable at a constant value. Decreasing the flow of ice-making solution or reducing the initial inlet temperature of the coolant would shorten the initiation time of apparatus producing ice slurry and increase the IPF of ice slurry. While increasing the flow of ice-making solution or accelerating the rotary speed of spiral slicker would make the ice crystal particles in ice slurry smaller.

ice slurry；heat transfer；spiral scrape；crystallization；phase change；IPF

TB657.1

A

1000–6613（2017）01–0059–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.008

2016-06-03；修改稿日期：2016-06-20。

国家基础科学人才培养基金项目（J1103303）。

黄成（1991—），男，硕士研究生，研究方向为热过程装备及节能技术。联系人：李学来，教授，主要从事非定常流制冷、强化传热技术、热过程装备节能技术研究。E-mail：lxl6632@sina.com。