冰浆的研究现状与发展趋势

高蕊笑，张庆钢，王艺，甄仌，公绪金，王颖，贾永

（哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150028）

0 引言

为了加快第一代制冷剂的淘汰步伐，寻找新的代替品成为了行业的重中之重，冰浆是一种冰水混合物，冰晶粒子的直径平均不超过1 mm，溶液通常是由水和冰点调节剂组成[1]，是一种绝对环保型制冷剂；与常规冷冻水相比，冷冻能力高出5～6倍[2]。由于冰浆优异的传热与流动特性，使换热器的流量、水泵的能耗以及相应管道、设备的尺寸大大减小，从而降低了装置与运行费用[3]。以冰浆作为蓄冷介质的空调系统，能实现“移峰填谷”均衡电网负荷，是改善电力供需矛盾的主要措施之一[4]。冰浆可应用于医疗、食品冷冻冷藏、区域供冷和消防[5]等方面，在人民的生产生活中扮演着越来越重要的角色，也成为近年来的研究热点。笔者总结了冰浆的制取方法、贮存方式以及冰浆的流动特性和传热特性，介绍了冰浆可应用的领域。目前有关冰浆的应用刚刚兴起，结合冰浆的特性可更好地进行应用开发，例如将冰浆中的水分离用于人工造雪。

1 冰浆的制备与贮存

1.1 冰浆的制备

1.1.1 壁面刮削法

目前商用系统中性能最稳定的制取冰浆方式为壁面刮削法。刮片式制取冰浆的换热器通常采用壳管式，制冷剂在管外侧蒸发，管内部的旋转刮片高速旋转刮削壁面粘附的冰晶。刘瑞见等[5]为了降低驱动成本，对机体旋转结构进行优化，使用刮刀系统驱动并简化了原系统。张海潮等[6]自行研制动态冰浆制造系统，探究水泵流量变化对蓄冰槽内溶液温度特性的影响，与自接蒸发盘管式冰蓄冷制冰系统相比，其传热系数、单位制冷量的制冰速度、相同制冰量能耗和系统COP都有很大的改善。图1所示为刮片式冰浆发生器[4]。

图1 刮片式冰浆发生器

1.1.2 过冷法

过冷法制取冰浆根据过冷原理，即纯水迅速降温时，低于0℃时仍为液态，过冷水不稳定，通过施加外部条件解除过冷可得冰浆溶液，施加外部条件如下：1）碰撞及冲击：通过撞击可降低水的动量并且温度升高，可破坏过冷态；2）利用超声波：利用频率为28 kHz的超声波振动诱发成核；3）采用低温：利用小型电子制冷设备等方式产生局部低温，水的过冷状态会被破坏。

在理论研究方面，王军等[7]设计了过冷水制冰蓄冰装置，并测定了过冷水温度与时间变化的关系。谢若菲等[8]探讨了过冷法制取冰浆时，制冰效果受溶液流速、载冷剂温度、搅拌速度、生成器的粗糙程度等参数的影响情况。在装置开发方面，张君瑛[9]构建了一套封闭式的过冷水制冰浆装置，探究了流量、蒸发温度对冰浆制取效果的影响；吴锐[10]设计了一套过冷法制取冰浆装置，研究了冰浆生成过程中管内流动对其影响，并测算该装置所生成冰浆的各项参数。

1.1.3 流化床法

荷兰 DELFT大学在流化床换热器基础上开发了冰浆制取装置(如图2)，制冷剂在管外蒸发，水在管内高速向上流动，多个直径1～5 mm的不锈钢珠不断撞击壁面，目的是击碎壁面粘附的冰晶粒子，可避免冰晶堆积还可以保持较高的传热效率[11]，并且结构设计简洁，成本低。

图2 流化床法冰浆制取装置

1.1.4 直接接触法

直接接触法制取冰浆的原理是用特制喷嘴把不溶于水的低温冷媒喷入冰浆发生器，水降温生成冰晶。图3所示为新加坡采用特制的冷冻剂直接喷射制取冰浆[12]。章学来等[13]研究了添加剂对水合物的影响，搭建了国内第一个直接接触式水合物蓄冷实验台。刘剑宁[14]对直接接触喷射式制冰装置进行设计，解决了冷媒与水分离以及冰堵等问题，运用预冷、引射技术提高了整个装置的效率以及系统运行的可靠性。王炜[15]对直接接触式冰浆生成器的传热研究及熵进行分析，得到气-液直接接触传热的关联式，对系统提出了设计优化方案。

图3 直接喷射式制取冰浆

1.1.5 真空法

根据三相点原理制取冰浆。当水所处的环境压力下降时，水的沸点降低，水在真空环境中会发生闪蒸，由于水的汽化潜热远远大于凝固热，水在闪蒸过程中吸热，使剩余的水温度降低，当温度达到凝结温度时，凝结成冰晶。

马军等[16]建立了可视化真空法制取冰浆的实验台，研究了冰浆含冰率的影响因素。刘曦等[17]设计了一套真空搅拌流态冰制取装置，观测可知真空状态下冰浆的制取需要经历溶液蒸发、沸腾、过冷及冰晶生成；冰晶生成瞬间系统压力突增。

1.2 冰浆的储存

冰浆的储存是冰浆在各行业得以应用的基础。冰浆在储存过程中会形成富冰层，基本呈圆弧状。青春耀等[18]对动态冰蓄冷中蓄冰槽蓄冰过程的动态特性进行实验研究，结果表明对富冰层变形影响较大的是冰浆流量与固相含量，其次是初始液面高度及入口管布置，为了提高富冰层的均匀性可以增大冰浆流量与固相含量，蓄冰槽的有效利用率也会提高。马春红等[19]研究了各个参数对储存和融化特性的影响，发现为使冰浆储存得更均匀，可使用高浓度的二元溶液、高含量冰浆固相以及增大进口流量的方法；随着融冰溶液的流量以及扰动的增加可使融冰更加快速、均匀。赵美等[20]观察富冰层发展变化特征，研究冰浆储存的均匀性，结果表明富冰层的轮廓发展状态受冰浆入口流量、冰浆入口含冰率和蓄冰槽初始液面高度的影响；提高冰浆的入口流量可有效提高蓄冰槽的容积蓄冰率。刘志强等[21]采用数群平衡模型研究了添加剂种类、含冰率、耗损率以及质量分数对冰浆储存时冰晶演化过程的影响，结果表明，储存过程中冰晶粒子是不断增长的，正确选择添加剂的种类以及适当增加其质量分数是抑制冰晶生长的最有效手段。刘曦等[22]探讨纳米二氧化硅对冰晶平均粒径与分布特征性的影响，可知纳米二氧化硅有细化晶粒的作用，而且浓度越高细化程度越明显，这对冰浆流动和传热性能的改善具有重要的应用价值。MATSUMOTO 等[23]研究长期储存的冰浆中的冰粒子，通过冰浆的储存时间不同测量冰粒子的平均直径，发现冰粒子凝聚力的影响因素，提出粒子内聚力无量纲关联式。

2 冰浆的传热特性及流动特性

想要深入地探索冰浆的流动特性和传热特性，对其热物性的研究必不可少，而且其热物性还与冰浆系统的设计与优化有着密切联系。冰晶的浓度对动态冰浆的各种物性参数都有很大的影响，所以在研究过程中要选取合适的物性参数模型。

2.1 传热特性

冰浆的热物性由冰晶热物性和载流体热物性决定。冰浆中的热物性受添加剂的类别及浓度、冰晶粒子的体积分数和尺寸的影响。赵腾磊等[24]选取含冰率在20%以下的冰浆热物性模型进行实验，分析冰浆的密度、导热系数、比热和动力黏度。张曼等[25]建立了动态冰浆传热特性的数理模型，得知冰浆的传热系数随冰浆浓度的增加而增加；在不同管径内流动时，冰浆的传热系数差别与冰浆浓度呈反比，与冰浆流速呈正比。简夕忠[26]建立数学模型研究了冰浆在管道内层流和湍流的换热情况，讨论了多种参数对冰浆在管内换热效果的影响。郝玲[27]从数值模拟和实验分析两个角度研究定热流边界条件冰浆在直管中的流动情况，冰浆浓度增高使冰浆黏度增加，导致黏滞阻力增大，所以在实际应用中，含冰率不是越高越好，选择合适的冰晶浓度、控制流速以及管径均很重要。白银等[28]研究了冰浆在水平管内的传热性能，发现出口温度达到-3.95℃以后，进出口温度处于急剧升温阶段，水平管内部冰浆持续时间随质量流速和加热功率的增大而减少。国外研究人员用实验来确定不同换热器的局部和平均传热特点及相应的Nu，如表1所示。

表1 冰浆Nu的计算

2.2 流动特性

为了确保冰浆安全输送，必须要保证其处于完全悬浮的流态。均匀流动和非均匀流动都属于悬浮流态的范畴，同时也是冰浆流动的两种基本形式[33]。冰浆流动有其自身的特殊性，国内外学者认为在含冰率低于 25%的情况下可以把冰浆流体作为牛顿流体来研究[34]。

明岗等[35]提出冰浆流动的絮网结构机理和阻力计算模型，可较好地描述冰浆的流动工况，这为冰浆流动时的传热研究提供依据。杨帆等[36]对动态冰浆在水平直管内的流动压降研究，阐述了动态冰浆流变性质的Bingham模型，并计算了冰浆在层流和湍流状态下的摩擦因子，得到了压降曲线。李叶[37]采用双流体 Eulerian模型对冰浆管内流动进行数值模拟分析发现冰浆在管内安全运输的顶部冰粒子最大含冰率为0.501。粱坤峰等[38]对冰浆在离心泵内的流动特性进行了数值模拟研究，得到冰浆流体在泵内的高速区域主要集中在叶轮的旋转区域，且叶轮工作面压力较大，冰晶颗粒的粒径较小时，颗粒主要分布在靠近蜗壳内侧的叶轮流道内；反之则在叶轮工作面聚集。王继红等[39]采用CFD模拟了冰浆在水平面上90°弯管内三维等温流动情况，可知冰浆在弯管内湍流流动过程中，出现二次流现象；在水平管流动时冰粒子沿管道截面呈梯级分布；流入 90°弯管段时，由于二次流动现象促进了冰粒子与载流体的混合过程；在水平管道内冰浆流动阻力特性的实验研究中，冰浆流动的流变特性满足幂律流变特性。BORDET等[40]对等温冰浆在水平管内流动进行可视化压力降研究，冰浆由含有9.5%的丙二醇添加剂组成，发现在高含冰率时，冰粒聚集会导致压力骤增。NIEZGODA-ZELASKO等[41]研究了冰浆在矩形和小截面的管内流动的特性，流动过程中考虑相变因素，发现流动中的运动类型和截面对压降和传热系数都有影响。

3 冰浆的应用

3.1 冰浆在区域供冷中的应用

集中供冷供热能带来巨大的环境效益和社会效益，对于大规模的住宅区，为长远地防止公害、节能及安全和管理有深远的意义。在部分发达地区，区域供热供冷已经成为城市现代化建设的基础设施之一[42]。工程应用上，日本的Nahanoshima集中供冷/热网采用冰浆对地下3,000～4,000 m深的矿井进行空调供冷，与传统空调系统相比可节省40%的初投资。随着煤炭业的发展，煤炭热害问题愈发严重，部分国家提出把冰浆运送到矿井内，尝试利用冰浆冷却系统给矿井操作空间进行降温，取得不错的成绩[43]。

3.2 冰浆在食品保鲜中的应用

在水产品保鲜中可应用流化冰预冷作为高端工艺，能有效提高后续的生产加工效率。冰浆不仅可以快速预冷水产品并使其所需温度恒定，还可保持产品表面湿润光滑，体表不会干化，保证外观品质；储存过程中融化后的冰浆还可冲洗去除鱼体表面的外界污染物，有抑菌保鲜的作用[44]。有学者采用冰浆预冷与冰温储存相结合，分别对新鲜鳕鱼、澳洲肺鱼、大黄鱼、熟沙丁鱼及琵琶鱼进行实验，结果表明均可延长其保质期，并保证水产品具有良好的品质[45-50]。国内外许多学者[51-54]就鱼类储存在冰浆和传统片冰或碎冰中进行了实验对比，结果表明在冰浆储存的鱼类的弹性和咀嚼性更好，色泽、微生物和生物化学质量更好。

市面上已出现用于零售食品商场的新型冰浆制冷系统，动态冰浆也可用于奶酪食品加工车间，动态冰浆蓄冷技术可应用于果蔬湿冷冷库制冷系统中，湿冷技术可提高果蔬储存的质量并且可避免果蔬冻伤，节省运行费用，降低果蔬保鲜成本[55]。

3.3 冰浆在医疗中的应用

由于冰浆有小于 0.1 mm的冰粒悬浮在生物相容的载体液体中，可用于微创腹腔手术中的保护性降温。为了减少常规手术中的局部缺血损伤，在器官周围置放冰浆，用来帮助诱导保护性低温，可减少缺血性损伤并延长手术时间超过30 min。冰浆还可用于心脏手术的保护性降温，以及在器官移植手术中帮助器官恢复[52]。心脏手术过程中对温度的控制十分严格，研究表明达到医疗标准采用冰浆体积只有冷冻水体积的三分之一，体积小、效率高，这非常有利于手术的顺利进行[56]。

3.4 冰浆在建筑行业中的应用

关于冰浆的应用，在建筑行业是最广泛的。因为冰浆良好的冷却能力，一些研究人员提出在暖通空调系统中用冰浆代替冷冻水，实际运行结果表明冰浆系统的运行费用是吸收式制冷系统运行费用的三分之二；此外，对于蓄冷技术是近年来的研究热点，包括冰蓄冷及二氧化碳水合物浆在蓄冷空调的应用[57-58]。冰浆蓄冷对电力负荷的“移峰填谷”作用明显[59]。在法国和德国安装了基于冰浆冷却系统的大型厨房，2007年这种大型厨房最多一天可供应6,000餐[60]。上述系统还可用于卡车的冷藏或冷冻食品的配送，冰浆制冷系统的运行效率远远高于标准车载冷却系统。该制冷系统的CO2排放量可减少20%～30%，而且货物装卸过程中停止卡车的发动机也可保证货物质量，减少了废气的排放和噪声污染。在中国的铁路运输中[61]，采用冰浆冷却，把浆料填充在货舱周围的空隙中，这种做法类似把传统冰块用于冷却货物，但是冰浆的冷却效果及能源利用方面都有更好的效果。

4 结论

本文总结了冰浆制备的方法及特点，冰浆的传热和流动特性还有相关冰浆的应用，研究了冰浆发展的过程，得到以下结论：

1）对于传统冰浆的制取，目前只有壁面刮削法术较为成熟可以应用于工商业中，但是壁面刮削系统稳定性不佳，刮片转动需要额外的机动设备，生产成本高；过冷法制取冰浆系统较稳定，但是一次循环冰浆生成率低，可以改变过冷解除方式或者是添加成核剂来提高冰浆生成率；真空法制取冰浆节能环保，值得深入研究；

2）冰浆的制备及储存都要涉及冰晶成核理论，分析不同添加剂对冰晶形成的影响可以让研究事半功倍；冰浆在储存时会发生聚团和冰晶粒子大小分布不均等问题，这些问题也同样涉及到冰浆的流动运输等方面，研究其中的机理可以提升对冰浆研究领域的认知，有利于生产生活应用；

3）机械法去除换热器和管道污垢是较传统的清理方法，但是对于复杂的换热器结构，机械法不但不能清理干净还会损坏设备，故可以用质量分数为10%的冰浆溶液进行清理，清理效果良好；冰浆还可用于消防，灭火装置和喷嘴输送浓度为30%的冰浆溶液，灭火效果良好且灭火迅速；

4）为响应国家“三亿人上冰雪”的号召，人工造雪成为当下的研究热点：应用过冷法制取冰浆，经过冰水分离后形成雪，这种造雪方式不受环境制约，解决了传统人工造雪技术的弊端，雪的品质优于自然雪，满足国家级冰雪赛事的要求。