平板过冷却器内结冰行为的实验研究

王锦辉 郑闽锋 李月玲 刘 曦,3 李学来

(1 福州大学石油化工学院 福州 350116；2 福建工程学院生态环境与城市建设学院 福州 350118；3福州大学光催化研究所 福州 350116)

为解决用电峰谷矛盾，有效提高能源利用率，近年来各类蓄能技术得到大力发展[1-4]。冰浆作为一种具有良好换热性能和流动性能的高密度蓄冷及快速降温介质，得到国内外学者的关注[5]。冰浆可广泛应用于建筑物蓄冷、食品预冷保鲜等领域[6-8]，对实现电网的移峰填谷和促进高附加值速冻食品行业的发展具有重要意义。同时，冰浆还可应用于矿井降温、管道清洁、医疗冷却、运动员体温调节等国民经济的各行各业[9-12]，应用前景十分广阔。但市场调研显示，冰浆技术在我国的应用并不普遍，主要是因现有的冰浆制备技术尚不能完全实现冰浆的高效、可靠及大规模生产。因此研究开发稳定、高效、节能的冰浆制备系统具有十分重要的意义。

过冷法动态制冰技术是近年来冰浆制备技术中较为热门的研究方向，具有设备结构简单、制造成本低、传热效率高等优点。过冷却器作为过冷法动态制冰系统的核心部件，是保证该系统稳定可靠、节能高效的关键，但过冷却器内的过冷水处于亚稳态，易发生结冰行为，导致系统冰堵，因此研究过冷却器内的结冰行为，解决制冰系统的冰堵问题具有重要意义[13]。

在20世纪90年代，日本学者较系统地研究了有关因素对静止过冷水过冷度的影响，但仍未完全解决流动过冷水在过冷却器内发生结冰的问题[14]。近20年，国内外学者对过冷却器内冰堵问题进行了更深入的研究。曲凯阳等[15-17]实验研究了Re在0～10 000范围内的圆管水流状态对管内结冰行为发生的影响，最终认为圆管内水流结冰只与壁面最低温度有关，与流动无关；并在探究高性能连续制冰系统时发现，冰晶颗粒进入过冷却器会诱导其内部过冷水发生结冰行为，破坏制冰系统的稳定性；在上述研究基础上，进一步研究不同结冰表面的材质、粗糙度、面积对过冷水发生结冰行为的影响。何国庚等[18]研究表明，当管式过冷却器内溶液流速较慢，流动状态为层流时，位于近壁面的水层具有较大的温度梯度，这将促进过冷水提前解除过冷，发生结冰行为，生成的冰晶附着于壁面上，进一步导致系统发生冰堵。谢若非等[19]研究发现水流速与载冷剂进口温度共同影响过冷度，从而影响过冷水发生结冰行为，且微小冰晶颗粒的存在也会诱导过冷水解除过冷态。J.P.Bédécarrats等[20]实验结果表明，过冷却器内发生结冰具有随机性，当过冷水的过冷度超过2.0 ℃，一定会发生结冰，在特定工况下可以稳定得到过冷度为1.6 ℃的过冷水。Wang Hong等[21]研究发现过冷度在0.7～1.8 ℃范围内，才能确保得到稳定的制冰系统，这意味着系统冰产量仅能达到很低的程度(约2%)。为有效提高过冷却器效率，Liu Shengchun等[22]研究了过冷水在过冷却器壁面的结冰机理，分析粗糙度和抑制剂浓度对不同材料表面的结冰温度、过冷和异质成核能的影响。M.Faucheux等[23]研究了平板表面粗糙度对水溶液过冷度的影响，实验结果表明粗糙度越大，水溶液过冷度越低。

为预防结冰行为及避免冰堵现象在过冷却器内发生，国内外学者在换热壁面特性和新型过冷却器的开发方面进行了研究。部分学者认为高接触角的疏水或超疏水表面可以有效延缓过冷水发生结冰，但G.Heydari等[24]研究发现，与超疏水表面化学性质相似的平坦疏水表面具有更好延缓结冰的效果。U.Oechsle等[25]研究表明，纳米结构涂层可有效降低过冷水的成核温度，预防过冷水在换热表面发生结冰行为，从而得到更高的过冷度，提高系统效率。Wang Hong等[26-28]研究发现，纳米氟碳涂层对降低换热壁面的表面自由能，抑制过冷水在换热壁面表面成核结晶并生长有着良好的效果，但涂层加工困难、成本高，因此很难应用和普及。黄成等[29]在过冷却器中加入螺旋刮片，利用螺旋刮片的高速旋转刮落在换热壁面粘附生长的冰晶，从而避免冰堵现象的发生。

上述研究取得了大量成果，但对于平板过冷却器内水溶液结冰条件、结冰区域及有关因素影响方面的研究尚未见报道。本文设计并搭建了一套过冷水动态制冰系统，开发了一种可视化平板过冷却器，通过实验研究流动和换热对过冷却器内结冰行为的影响及其作用机理。

1 实验装置和方法

动态制冰系统如图1所示，该系统主要由4个循环组成：制冰溶液循环、解冻溶液循环、载冷剂循环以及制冷剂循环。制冰溶液循环中，制冰溶液被泵送至过冷却器上层通道中吸收冷量并不断降温，然后回到制冰溶液桶中。解冻溶液循环的作用：在冰堵初期，形成的冰晶较为松软、厚度较薄，可通过加压泵入常温的解冻溶液，使过冷却器内冰晶融化、迅速升温。载冷剂循环和制冷剂循环由一体式低温槽来完成，控温范围-20.0～100.0 ℃。

1 过冷却器；2 载冷剂溶液槽；3 离心泵；4 膨胀阀；5 冷凝器；6 压缩机；7 蒸发器；8 解冻溶液桶；9 制冰溶液桶；10 涡轮流量计。图1 动态制冰系统原理Fig.1 Principle of dynamic ice-making system

过冷却器是自行设计的双层平板换热器，制冰溶液在上层流动，载冷剂在下层流动，两者为对流传热。上盖板由透明有机玻璃制成，便于观测发生结冰行为时的现象，除上盖板外，过冷却器采用304不锈钢制成，结构参数如表1所示。系统管路及过冷却器均采用保温材料进行保温处理。

表1 平板过冷却器尺寸Tab.1 Dimensions of flat-plate supercooler

本文测量的参数包括制冰溶液流量、载冷剂进出口温度、制冰溶液进出口温度以及平板过冷却器4个位置的壁面温度，其中制冰溶液流量、载冷剂和制冰溶液进出口温度的测点布置如图1所示，而壁面温度的测点布置需定义一个无量纲距离：过冷却器内换热壁面任意位置距出口相对距离d=l/L，l为绝对距离，L为流道长度，如图2所示。制冰溶液流量的测量采用涡轮流量计；温度测量采用Pt100铂电阻，精度为0.1 ℃；温度数据采集使用拓普瑞TP系列温度数据采集仪，采集间隔为1 s。

图2 壁面测温点布置Fig.2 Layout of temperature measuring points on the wall

2 实验结果与分析

2.1 典型实验现象分析

为观测不同传热温差和流动速度下平板过冷却器内的结冰行为，以载冷剂进口温度和制冷溶液流量为变量，进行单因素实验，实验变量设置值如表2所示。实验中制冰溶液为自来水。因过冷水的结冰具有一定的随机性，故每种工况重复40组实验。

表2 实验参数Tab.2 Experimental parameters

经过大量实验发现，过冷却器内存在两种典型实验现象，分别称为结冰行为一和结冰行为二。

1)结冰行为一。过冷却器内水溶液保持过冷态，换热壁面未发生结冰，动态制冰系统可连续制取冰浆。实验过程温度变化如图3所示，制冰溶液进出口温度、相对距离d为0.15和0.35处的壁面温度均随着运行时间的延长而降低，且随着运行时间的延长，降温速率逐渐降低。在运行过程中壁面温度未出现温度阶跃，可判断在换热壁面上并未发生结冰，且通过对储冰桶内部的连续观测，发现当制冰溶液出口温度达到-0.5 ℃后，储冰桶内逐渐出现冰晶颗粒，在连续制冰后，桶内冰浆如图4所示。

图3 温度变化(结冰行为一)Fig.3 Temperature change(freezing behavior 1)

图4 储冰桶内冰浆(结冰行为一)Fig.4 Ice slurry in ice bucket (freezing behavior 1)

2)结冰行为二。过冷却器内水溶液未达到过冷状态，换热壁面发生结冰行为，动态制冰系统无法有效制取冰浆。系统运行一段时间后，过冷却器内发生结冰，即在换热壁面上的局部区域成片发生结冰，结晶相变过程释放出较多的热量，导致不同区域的壁面温度曲线先后出现阶跃(如图5所示)。冰层缓慢变厚并沿壁面生长(如图6所示)，生长到一定程度时，由于热阻不断增大，系统进入热平衡阶段，制冰溶液进出口温度基本稳定，均大于相变温度，未达到过冷状态，系统虽未发生完全冰堵现象，但无法有效制取冰浆。

图5 温度变化(结冰行为二)Fig.5 Temperature change (freezing behavior 2)

图6 过冷却器内附壁冰层(结冰行为二)Fig.6 Ice on the wall of supercooler (freezing behavior 2)

分析出现该现象的原因是：成核结晶主要受壁面温度和流体扰动的影响，成核结晶优先发生在层流底层。当载冷剂温度较低、流动的扰动较强或较弱时，根据边界层理论和经典成核理论可得出：近壁面处的层流底层中黏滞力起主导作用，制冰溶液保持层流特征，使近壁面处过冷水的过冷度更大，成核所需的形核能较小，因此近壁面处易发生结冰，导致结冰行为二的出现。

对比上述两种典型结冰行为可知，结冰行为一与结冰行为二的差异较大，具体如表3所示。结冰行为二表现出的过冷却器内发生结冰的现象，正是造成过冷却器发生冰堵的原因，因此下文将结冰行为二作为主要研究对象，进行进一步研究和分析。

表3 结冰行为一与结冰行为二的差异Tab.3 The differences between freezing behavior 1 and freezing behavior 2

2.2 载冷剂进口温度对结冰行为的影响

保持制冰溶液体积流量为0.5 m3/h不变，研究载冷剂进口温度对结冰行为的影响。由图7可知，随着载冷剂进口温度的升高，结冰行为一出现的概率大幅提高，结冰行为二出现的概率大幅降低。当载冷剂进口温度为-6.0 ℃时，结冰行为二出现的概率，即过冷却器内换热表面发生结冰的概率仅为12.5%；当载冷剂进口温度为-12.0 ℃时，换热表面发生结冰的概率高达95%。这是因为当流量一定时，载冷剂进口温度越低，导致换热壁面温度也越低，毗邻壁面的水溶液温度也越低，其过冷态越不稳定，壁面越易发生结冰。

图7 载冷剂进口温度对结冰行为出现概率的影响Fig.7 Effect of secondary refrigerant′s inlet temperature on the occurrence probability of freezing behavior

图8所示为制冰溶液流量不变时，载冷剂进口温度对平板过冷却器内各测温点发生结冰时温度的影响。由图8可知，载冷剂进口温度越低，各测温点发生结冰时的温度越低，且相对距离d为0.25、0.35和0.45这3处发生结冰时的温度明显高于d为0.15处发生结冰时的温度，这是由于d为0.15处优先发生结冰，已生成的冰晶会持续诱导近壁面的过冷水结晶成核，导致其余位置发生结冰的温度较高。根据文献[30]，结冰发生时，过冷水的温度处于介稳区，故发生结冰的随机性很大，结晶温度波动也较大。

图8 载冷剂进口温度对发生结冰时温度的影响Fig.8 Effect of secondary refrigerant′s inlet temperature on the freezing temperature

2.3 制冰溶液流量对结冰行为的影响

图9所示为载冷剂进口温度为-8.0 ℃时，不同结冰行为出现的概率随制冰溶液流量变化的实验结果。由图9可知，随着流量的增大，结冰行为二出现的概率先降后升，而结冰行为一出现的概率则相反。由于近壁面处过冷水发生结冰受两个因素影响：1)温度梯度，大温度梯度会促进过冷解除，导致提前发生结冰；2)流体扰动，流体扰动越大，体系内能量涨落程度越大，导致能量波动水平达到形核功的概率增加，发生结冰的可能性增大。因此流量较小时，较大的温度梯度大大促进过冷却器内发生结冰行为二；流量较大时，由于能量波动水平达到形核功的概率增加，也使结冰行为二更易发生。因此流量过大或过小均会促进结冰行为二的出现，不利于系统的制冰稳定性，应当选取一个相对可靠的制冰溶液流量。

图9 制冰溶液流量对结冰行为出现概率的影响Fig.9 Effect of solution flow rate on the occurrence probability of freezing behavior

图10所示为载冷剂进口温度不变时，制冰溶液流量对平板过冷却器内各测温点发生结冰时温度的影响。由图10可知，各测温位置发生结冰时的温度随流量的增大而出现上下波动。随着流量的增大，层流底层过冷水的温度梯度减小，能量波动水平增大，但因影响程度不同，导致出现上述情况。由图10还可知，在任意工况下，相对距离d为0.25、0.35和0.45的这3处发生结冰时的温度明显高于相对距离d为0.15处发生结冰时的温度，原因与2.2节中所述相同。

图10 制冰溶液流量对发生结冰时温度的影响Fig.10 Effect of solution flow rate on the freezing temperature

2.4 优先发生结冰及其局部条件

针对结冰行为二，对过冷却器内优先发生结冰的位置及其局部条件进行研究。定义测得第一次出现温度阶跃的时间为时间零点t0，可得4个测温位置发生结冰的时间间隔(重复40组实验，故取平均值)如图11所示，发现任意工况下，优先发生结冰的位置均为相对距离d为0.15处的换热壁面，由于该处生成的冰晶沿d增大的方向不断诱导换热壁面发生结冰，因此相对距离d越大的位置，越晚发生结冰。已生成的冰晶沿d增大的方向不断诱导换热壁面发生结冰的行为主要受流体流动和换热壁面温度共同影响，制冰溶液流速沿d增大的方向呈线性变化，但换热壁面温度沿d增大的方向呈非线性递增，因此实际上发生结冰的时间间隔随d的增大呈非线性增大。

图11 各测温点发生结冰的时间间隔Fig.11 The time interval of occurring freezing in different temperature measuring points

图12所示为t0时刻各测温位置的壁面温度，可发现在任意工况下，相对距离d为0.15处的壁面温度明显低于d为0.25、0.35和0.45处的壁面温度，这与对流换热的原理相符。相比于其余3个测温位置，d为0.15处具有更低的壁面温度，流经其表面的过冷水温度也更低，这大幅提高了过冷水发生结冰的概率，最终导致该处总是优先发生结冰，这也表明具有更低的壁面温度是优先发生结冰的局部条件。

图12 t0时刻各测温点壁面温度Fig.12 The wall temperature at t0 moment in different temperature measuring points

3 结论

本文通过实验对平板过冷却器内发生的结冰行为进行研究，总结了两种典型结冰行为的特点，分析了载冷剂进口温度、制冰溶液流量对结冰行为二的影响规律，确定了优先发生结冰的区域及其局部条件，得到如下结论：

1)平板过冷却器内出现两种典型结冰行为：结冰行为一表现为过冷却器内不出现结冰，过冷却器出口水溶液可达到过冷态，系统可连续制取冰浆；结冰行为二表现为过冷却器内发生结冰，过冷却器出口水溶液达不到过冷态，系统不能制取冰浆。过冷却器内发生的结冰行为主要受壁面温度和流体扰动的影响。

2)载冷剂进口温度过低，过冷却器壁面温度降低过快，将会促进过冷却器内结冰行为二的出现，使制冰系统稳定性大幅降低。

3)制冰溶液流量较小时，近壁面处的过冷水存在较大的温度梯度，将促进结冰行为二的发生；而制冰溶液流量较大时，由于能量波动水平达到形核功的概率增加，也使结冰行为二更易发生。因此制冰溶液流量过大或过小均会促进过冷却器内结冰行为二的发生，不利于系统稳定持续制冰，应当选取一个相对可靠的制冰溶液流量，本研究中0.5 m3/h是一个相对可靠的流量。

4)结冰行为二出现的情况下，过冷却器内相对距离d为0.15的壁面温度明显低于d为0.25、0.35和0.45的壁面温度，且d为0.15处总是优先发生结冰。因此具有更低的壁面温度是优先发生结冰的局部条件。