螺旋刮削式流態(tài)冰制取性能的實(shí)驗(yàn)研究

黃成，吳昊凡，黃河源，夏立，孫寧，李學(xué)來

?

螺旋刮削式流態(tài)冰制取性能的實(shí)驗(yàn)研究

黃成，吳昊凡，黃河源，夏立，孫寧，李學(xué)來

（福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建福州 350116）

現(xiàn)有的流態(tài)冰制取技術(shù)受限于冰堵等問題一直難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)流態(tài)冰。為了改進(jìn)技術(shù)、改善現(xiàn)有設(shè)備存在的問題，本文開發(fā)了一臺同時(shí)包含過冷法和壁面刮削法兩種制冰過程的新型螺旋式流態(tài)冰制取裝置，采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，以乙二醇水溶液為制冰溶液，對該流態(tài)冰制取裝置的性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，這種流態(tài)冰制取裝置是可行的。所得流態(tài)冰分布均勻，最高含冰率達(dá)13.684%，具有良好流動(dòng)性，流態(tài)冰中冰晶顆粒形狀一般呈現(xiàn)條狀和扁圓狀，平均冰晶顆粒面積10–9～10–8m2；裝置產(chǎn)生的流態(tài)冰含冰率隨時(shí)間先升后降，并將最終穩(wěn)定在一個(gè)恒定值；減小制冰溶液流量、降低冷卻液起始進(jìn)口溫度，都有助于縮短裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間、提高產(chǎn)生流態(tài)冰含冰率；增大制冰溶液流量、提高刮削轉(zhuǎn)速，都能促使產(chǎn)生的流態(tài)冰中冰晶顆粒細(xì)化減小。

流態(tài)冰；傳熱；螺旋刮削；結(jié)晶；相變；含冰率

流態(tài)冰，也稱冰漿、二元冰或可泵冰，是一種處于流動(dòng)狀態(tài)的冰水兩相混合物[1]，作為一種新型儲能介質(zhì)和相變載冷劑，近年來不僅在食品加工[2-3]、物質(zhì)保鮮[4]、醫(yī)療救治[2]、救災(zāi)滅火[5]和管道清洗[6]等領(lǐng)域得到較多應(yīng)用，更在區(qū)域性供冷及建筑工程[7-9]上因能應(yīng)對“峰期電荒”問題取得了傲人成就。迄今為止流態(tài)冰制取主要有以下6種方法：即真空法、流體噴射法、流化床式制備法、降膜法、過冷法、刮削法。目前，前4種目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，只有刮削法和過冷法有部分商業(yè)應(yīng)用。刮削法利用管殼結(jié)構(gòu)使制冷劑在管外蒸發(fā)吸熱促使筒內(nèi)水膜凝冰，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的刮片刮削后混溶形成流態(tài)冰[10]，其設(shè)備成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定、易操作，很早就得到歐美等國家研究人員重視，但其凝冰面積受筒內(nèi)壁表面積限制，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，且刮刀易磨損，驅(qū)動(dòng)需額外耗能，實(shí)現(xiàn)冰晶與溶液摻混形成均勻流態(tài)冰需要另設(shè)攪拌設(shè)備都限制了其推廣[11-12]；過冷法則利用過冷器將制冰溶液降溫至過冷狀態(tài)，再通過過冷解除裝置解除過冷在溶液內(nèi)部形成冰晶，從而實(shí)現(xiàn)流態(tài)冰生成[13]，由于過冷法中冰晶隨機(jī)產(chǎn)生于整個(gè)溶液中，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流態(tài)冰生產(chǎn)，但其存在一次循環(huán)制取冰漿的含冰率低、過冷器中易發(fā)生冰堵等問題卻嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展[14-15]。

本文針對上述過冷法和壁面刮削法流態(tài)冰制取技術(shù)存在的問題，提出了一種新型的流態(tài)冰制取裝置——螺旋式流態(tài)冰制取裝置（見圖1）。該裝置利用旋轉(zhuǎn)葉片制造的螺旋不銹鋼立式刮刀作為攪拌刮削裝置，能有效防止冰堵；在完成冰晶刮削的同時(shí)利用其螺旋特性同步完成對冰晶與過冷溶液的混溶攪拌，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡化；充分利用設(shè)備對溶液的過冷處理提高裝置凝冰效率，并利用螺旋結(jié)構(gòu)在完成對流態(tài)冰的向上提升輸運(yùn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了冰漿含冰率的提高。

1～5—熱電偶測試溫點(diǎn)位置

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測算方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖2所示，主要由螺旋式冰漿生成器、RH-DC精密低溫恒溫槽、刮削轉(zhuǎn)速控制器、溫控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冰晶質(zhì)量觀測系統(tǒng)以及其他部件組成。RH-DC精密低溫恒溫槽中使用體積分?jǐn)?shù)為40%的乙二醇水溶液為冷卻液，溫度可調(diào)范圍–20～100℃，精度為0.01℃。刮削轉(zhuǎn)速選用JJ-1型變頻器控制，范圍0～3500r/min。將制取所得流態(tài)冰冰晶樣本由過濾網(wǎng)中取出，放入圖3所示的冰晶質(zhì)量觀測系統(tǒng)中進(jìn)行觀察與圖像采集。

螺旋式冰漿生成器的簡化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，電機(jī)選用功率300W的JJ-1型精密帶動(dòng)電機(jī)；螺旋刮刀由22mm的不銹鋼桿和鋼制螺旋葉片焊接制成，套筒式換熱器內(nèi)管63mm×2mm，外管89mm×2mm，材質(zhì)為304不銹鋼，考慮到對環(huán)境的冷量散失，實(shí)驗(yàn)時(shí)其外采用保溫材料進(jìn)行隔熱處理；圖1中數(shù)字1～5處圓點(diǎn)表示熱電偶測溫點(diǎn)位置。

實(shí)驗(yàn)中測算時(shí)間段內(nèi)裝置產(chǎn)生的流態(tài)冰平均含冰率作為時(shí)間段中點(diǎn)含冰率值（IPF）；控制制冰溶液初始水溫9℃，計(jì)量裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間；使用圖3所示目鏡攝像設(shè)備完成對冰晶質(zhì)量（直徑、形狀等）的影像采集，同一組流態(tài)冰樣本拍攝20張以上的顯微鏡冰晶照片，通過計(jì)算機(jī)軟件識別照片中冰晶顆粒外形，測算出冰晶面積、直徑等參數(shù)，用以后續(xù)分析。

1—恒溫冷卻槽；2—冷卻液(進(jìn))；3—螺旋式冰漿生成器；4—冷卻液（出）；5—帶動(dòng)電機(jī)；6—轉(zhuǎn)速控制器；7—流態(tài)冰（出）；8—過濾網(wǎng)；9—水溶液儲槽；10—泵；11—水溶液（進(jìn)）；12—溫度數(shù)據(jù)采集器；13—計(jì)算機(jī)；14—流量調(diào)節(jié)閥

1—恒溫冷卻槽；2—冷卻液（進(jìn)）；3—冷卻液（出）；4—恒溫蓄冷臺；5—冰漿承裝容器；6—光電顯微鏡；7—目鏡攝像機(jī)；8—計(jì)算機(jī)

2 裝置內(nèi)壁面冰晶生長速率的推導(dǎo)

在一定過冷條件下，非均質(zhì)成核的晶核一旦形成，冰晶就開始進(jìn)入生長階段，該階段中冰晶生長的具體過程細(xì)分為3個(gè)階段[16]，分別是冰晶完成潛熱釋放、水分子傳遞到達(dá)冰晶晶格分界表面、水分子在冰晶表面原有冰晶晶格基礎(chǔ)上組成新晶格使冰晶生長。

在冰晶生長的第一個(gè)階段——冰晶潛熱釋放階段，換熱器內(nèi)水溶液發(fā)生相變釋放的潛熱將剛好與在溫差作用下冷卻液從換熱器內(nèi)壁經(jīng)由冰層向水溶液傳遞的冷量相當(dāng)，二者將形成一個(gè)熱量平衡。這里相較冰層存在的熱阻，忽略不銹鋼壁厚熱阻可得式(1)。

在冰晶生長的第二個(gè)階段——水分子傳遞到達(dá)冰晶晶格分界表面階段，冰層與水溶液交接界面處的溶質(zhì)濃度與溶液內(nèi)部溶質(zhì)濃度由于結(jié)晶與冰晶的生長將存在一定差值，由于此濃度差的存在會驅(qū)使溶液中的水分子傳遞到冰晶表面，而此質(zhì)量傳遞過程中冰晶的生長速率MERSMANN等[17]已經(jīng)推出，再根據(jù)陳燕等[18]的推導(dǎo)可知冰晶生長速率與溶液濃度存在關(guān)系，見式(2)。

在冰晶生長的第三個(gè)階段——水分子在冰晶表面原有冰晶晶格基礎(chǔ)上組成新晶格階段，第二階段中由于濃度差作用下聚集在冰層與溶液交界面處的水分子，會進(jìn)一步地在冰層與水溶液界面處的實(shí)際溫度與相變平衡溫度存在的溫度差值驅(qū)使下，以氫鍵和冰晶內(nèi)水分子鏈接加入到冰晶晶格中形成新的晶格，根據(jù)HUIGE[19]對純水、離子添加劑、醇類添加劑溶液的研究，水分子進(jìn)入冰晶晶格的溫差驅(qū)動(dòng)力可表示為式(3)。

(3)

將式(1)和式(2)帶入到式(3)中并結(jié)合陳燕等[18]對mass的推導(dǎo)，可得裝置內(nèi)壁面冰層生長總速率為式(4)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流態(tài)冰含冰率隨時(shí)間變化規(guī)律

為了使研究出的裝置產(chǎn)生流態(tài)冰隨時(shí)間的變化規(guī)律具有普適性，在保持其他條件不變的前提下，每次只改變制冰溶液流量、刮刀轉(zhuǎn)速、制冰溶液濃度中的一個(gè)因素，觀察并測量裝置產(chǎn)生流態(tài)冰后不同時(shí)間含冰率值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裝置制取得到的流態(tài)冰的含冰率普遍具有隨時(shí)間先升高，達(dá)到一個(gè)峰值含冰率（略有波動(dòng)）后降低，[l2] 。

裝置產(chǎn)生流態(tài)冰含冰率主要由換熱器通過內(nèi)壁面向臨界水溶液傳遞的冷量和單位時(shí)間內(nèi)刮刀有效刮削壁面冰晶面積兩個(gè)因素共同決定。流態(tài)冰開始產(chǎn)生時(shí)，冷卻液與水溶液間溫度差相對較大，冷量供應(yīng)充足，含冰率主要由單位時(shí)間內(nèi)刮刀有效刮削壁面冰晶面積決定。在凝冰剛開始時(shí)換熱器內(nèi)壁面部分區(qū)域先快速結(jié)冰，并開始隨時(shí)間增加向換熱器內(nèi)壁面整體擴(kuò)展，完成冰層的生長與填滿空隙，使旋轉(zhuǎn)刮刀單位時(shí)間內(nèi)可刮削的壁面冰晶有效面積逐漸增大，得到的冰晶質(zhì)量會逐漸增多，含冰率逐漸上升，直到內(nèi)筒壁面被冰晶全部覆蓋，刮刀有效刮削壁面冰晶面積達(dá)到最大，單位時(shí)間內(nèi)刮削得到的冰晶質(zhì)量達(dá)到極值，對應(yīng)含冰率曲線上峰值出現(xiàn)。之后刮刀有效刮削壁面冰晶面積這個(gè)因素趨于穩(wěn)定不再起決定作用，相對的冷卻液與水溶液間溫度差將隨著換熱的進(jìn)行開始逐漸變小，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)傳遞的冷量逐漸減少，使得壁面冰晶生長變慢，造成含冰率逐漸降低，但當(dāng)降低到一定程度后換熱器傳遞的冷量會趨于與恒溫冷卻槽對冷卻液提供的冷量相平衡，在含冰率曲線上的表現(xiàn)就是含冰率最后趨于穩(wěn)定。

3.2 制冰溶液流量對裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間和含冰率的影響

圖5、圖6分別給出體積分?jǐn)?shù)為2%～5%乙二醇溶液為制冰溶液、流量20～50L/h、刮刀轉(zhuǎn)速300r/min條件下所得裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間和含冰率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

結(jié)果表明隨制冰溶液流量增加，裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間將延長，產(chǎn)生的流態(tài)冰中含冰率曲線將整體降低，含冰率峰值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)延后，最終含冰率值呈現(xiàn)變小趨勢。根據(jù)傳熱學(xué)知識，制冰溶液流量越大，換熱進(jìn)程中制冰溶液整體溫度下降速率就越慢，相同條件下裝置內(nèi)制冰溶液達(dá)到過冷條件發(fā)生相變所需時(shí)間自然加長，而制冰溶液溫度下降速率變慢還將造成同一時(shí)刻換熱器內(nèi)部內(nèi)水溫變高，內(nèi)壁面冰晶產(chǎn)生后冰層與水溶液界面處的實(shí)際溫度與相變平衡溫度決定的界面溫度差變小，由式(3)可知這將使得冰晶生長的界面溫度差驅(qū)動(dòng)力變小，單位時(shí)間內(nèi)冰層生長速率ice變慢，裝置單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的冰晶也就越少，刮削混溶得到的流態(tài)冰含冰率自然也就越小，同樣的這也解釋了流量變大峰值含冰率的變化趨勢；而根據(jù)陳燕等[18]建立的冰層厚度隨時(shí)間變化的模型，制冰溶液流量增大，在冰晶剝離的第一階段由于流體沖擊造成的冰晶剝離速度就越快，總的冰晶生長速率就越慢，使螺旋刮刀單位時(shí)間內(nèi)可刮削的壁面冰晶有效面積的增長速率變慢，從而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)刮刀有效刮削壁面冰晶面積達(dá)到峰值時(shí)間點(diǎn)即峰含冰率時(shí)間點(diǎn)延后。

3.3 冷卻液進(jìn)口溫度對裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間和含冰率的影響

圖7、圖8分別是以4%乙二醇為制冰溶液，控制冷卻液的起始進(jìn)口溫度分別為–12℃、–15℃、–18℃實(shí)驗(yàn)所得裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間和流態(tài)冰含冰率的結(jié)果。圖8(b)為了對比另行整理的峰值含冰率和最終含冰率隨進(jìn)口溫度變化結(jié)果。

結(jié)果表明隨冷卻液起始進(jìn)口溫度的升高，裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間逐漸變長。[l4] 時(shí)間內(nèi)冷卻液通過壁面向水溶液傳遞的冷量=××Δ，是與冷卻液與水溶液間的溫度差成正比，制冰溶液起始溫度定為9℃，冷卻液起始溫度越高，Δ越小，單位時(shí)間內(nèi)冷量傳遞就越少，水溶液降溫速率越慢，達(dá)到過冷條件裝置開始產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間就會越長。

結(jié)果表明隨著冷卻液進(jìn)口起始溫度的降低，產(chǎn)生的流態(tài)冰整體含冰率曲線將明顯上升，相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流態(tài)冰含冰率也將明顯增大，而峰值含冰率出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)隨著冷卻液起始溫度的降低，呈現(xiàn)逐漸前移的趨勢，最高含冰率和最終含冰率都會升高。

冷卻液起始溫度越低，相同條件下，在換熱器內(nèi)制冰溶液達(dá)到過冷相變條件時(shí)相應(yīng)的冷卻液溫度越低，對應(yīng)換熱器內(nèi)壁面溫度w也越低，由式(4)可知此時(shí)冰層生長速率ice越大，裝置單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的冰晶也就越多，刮削混溶得到的流態(tài)冰含冰率值也就越大。而峰值含冰率前移的趨勢則是因?yàn)槔鋮s液起始溫度降低造成的冰晶生長速率加快，會使單位時(shí)間內(nèi)螺旋刮刀可刮削的壁面冰晶有效面積增漲速率加快，從而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)刮刀有效刮削壁面冰晶面積達(dá)到最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)即峰值含冰率出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)提前。

3.4 轉(zhuǎn)速、溶液流量對流態(tài)冰冰晶顆粒的影響

實(shí)驗(yàn)中通過使用圖3所示的冰晶觀測系統(tǒng)完成對裝置產(chǎn)生流態(tài)冰中冰晶顆粒的大量[l5] ，發(fā)現(xiàn)裝置刮削所制得的流態(tài)冰中冰晶顆粒形狀[見圖9(a)]與普通靜態(tài)加攪拌條件下制得的冰晶顆粒形狀[見圖9(b)]不盡相同：裝置得到的冰晶顆粒主要以條狀和扁圓狀為主，其中夾雜著一些不規(guī)則的其他形狀冰晶，相比主要呈現(xiàn)圓形由靜態(tài)攪拌條件下制得的冰晶顆粒，本裝置流態(tài)冰冰晶顆粒明顯要偏大很多。

圖10為制冰溶液流量30L/h情況下制得流態(tài)冰冰晶顆粒面積隨刮削轉(zhuǎn)速變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，相同條件螺旋刮刀轉(zhuǎn)速越快，裝置制取得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒平均面積越小，表明冰晶顆粒越小。

制冰溶液流量一定，冷卻液起始溫度相同，意味著流態(tài)冰開始產(chǎn)生后裝置換熱器內(nèi)壁的冰晶生長速率ice是一定的，當(dāng)冰晶填滿與刮刀間隙后，刮刀轉(zhuǎn)速越快，兩次刮削同一冰晶生長點(diǎn)的時(shí)間間隔越小，冰晶生長時(shí)間越短，所得冰晶顆粒越小。

圖11為5%乙二醇為制冰溶液在控制螺旋刮刀轉(zhuǎn)速300r/min條件下流態(tài)冰冰晶顆粒平均面積隨制冰溶液流量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖11中所示，隨著制冰溶液流量增大，相同條件下制取所得流態(tài)冰冰晶顆粒平均面積在逐漸減小，表明冰晶顆粒在逐漸變小。

進(jìn)口水溶液流量越大，單位時(shí)間內(nèi)換熱器中水溶液整體溫度下降速率就越慢，相同條件下?lián)Q熱器內(nèi)壁內(nèi)水溫就越高，內(nèi)壁冰層與水溶液界面處的實(shí)際溫度與相變平衡溫度決定的界面溫度差也就越小，冰晶生長的界面溫度差驅(qū)動(dòng)力就越小，單位時(shí)間內(nèi)冰層生長速率ice也就越小。當(dāng)冰晶生長填滿與刮刀間隙后，裝置螺旋刮刀轉(zhuǎn)速一定，表明兩次刮削同一冰晶生長點(diǎn)的時(shí)間間隔是一定的，大流量條件冰晶生長速率ice慢，在這段時(shí)間間隔內(nèi)冰晶生長的體積就小，刮削得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒較小。

4 結(jié)論

本文通過研究得到如下結(jié)論。

（1）本項(xiàng)目提出的新型螺旋式冰漿制取方法是可行的，可以有效解決過冷法動(dòng)態(tài)制冰漿遇到的含冰率低、易發(fā)生冰堵兩大問題，改進(jìn)壁面刮削法制冰漿限于換熱面積小產(chǎn)量低的缺點(diǎn)。

（2）以乙二醇水溶液作為制冰溶液情況下，裝置最高制冰量為4.024kg/h，所制得流態(tài)冰均勻，具有良好的流動(dòng)性，最高含冰率IPF可達(dá)13.684%，流態(tài)冰中冰晶顆粒形狀與前人在過冷攪拌條件下所得有明顯的差別，一般呈現(xiàn)條狀和扁圓狀，平均冰晶顆粒面積在10–9～10–8m2之間，顆粒相對較大。

（3）裝置產(chǎn)生的流態(tài)冰含冰率普遍具有隨時(shí)間先升高，達(dá)到一個(gè)峰值含冰率（略有波動(dòng)）后降低，并最終趨于穩(wěn)定在一個(gè)固定的值不再變化的規(guī)律。

（4）制冰溶液流量對裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間、生成流態(tài)冰含冰率和得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒大小都有影響：制冰溶液流量越大，裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間就越長；裝置產(chǎn)生的流態(tài)冰整體含冰率曲線明顯下降，相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流態(tài)冰含冰率減小，峰值含冰率和最終含冰率將降低，并且峰值含冰率出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)呈現(xiàn)延后的趨勢；流態(tài)冰中冰晶顆粒尺寸將變小。

（5）冷卻液起始進(jìn)口溫度對裝置性能的影響主要表現(xiàn)在影響裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間、生成流態(tài)冰含冰率上：冷卻液起始進(jìn)口溫度越低，裝置產(chǎn)生流態(tài)冰所需時(shí)間越短；相應(yīng)的產(chǎn)生的流態(tài)冰整體含冰率曲線將明顯上升，相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流態(tài)冰含冰率明顯增大，峰值含冰率出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)逐漸前移；流態(tài)冰峰值含冰率和最終含冰率都會升高。

（6）裝置螺旋刮刀轉(zhuǎn)速對裝置性能的影響主要表現(xiàn)在刮刀轉(zhuǎn)速越快，裝置制取得到的流態(tài)冰中冰晶顆粒平均面積越小，冰晶顆粒越?。欢蔚掇D(zhuǎn)速對裝置制取得到的流態(tài)冰含冰率的影響則不明顯。

符號說明

Gice——冰層生長速率，m/s Hf——單位水溶液凝固釋放潛熱，J/kg Kmass——分子質(zhì)量傳遞系數(shù)，m/s； Ksurf，n——分別為由溶液性質(zhì)決定的系數(shù)，純水、離子添加劑、醇類添加劑溶液中為Ksurf=2.7x10–3m/s，n=1.55（HUIGE[19]測出） MH2O——水的摩爾質(zhì)量，g/mol Mliq——水溶液的摩爾質(zhì)量，g/mol Tint——冰層與水溶液界面溫度，℃ Tw——換熱器內(nèi)壁面溫度，℃ T*(xint)——冰層與水溶液界面處的對應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)為xint時(shí)，溶液的相變平衡溫度，℃ T*(xb)——水溶液內(nèi)部摩爾分?jǐn)?shù)濃度為xb時(shí)，溶液的相變平衡溫度，℃ xb——水溶液內(nèi)部溶質(zhì)（即添加劑）的摩爾分?jǐn)?shù)，% xint——冰層與水溶液交接界面處的溶質(zhì)（添加劑）摩爾分?jǐn)?shù)，% δice——已存在冰層厚度，m λice——冰的熱導(dǎo)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 H?gg. 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] 董凱軍，馮自平，鄭瑞蕓，等. 冰漿潛熱輸送礦井空調(diào)設(shè)計(jì)及其經(jīng)濟(jì)分析[J]. 制冷與空調(diào)，2011，25（1）：1-6.

DONG K J，F(xiàn)ENG 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，周春艷，梁德清，等. 水合物漿和冰漿高密度潛熱輸送研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào)，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(jī)能性二次冷媒の動(dòng)向と展望[J]. 冷凍，2005，80（2）：79-87.

[14] 謝若非，于航. 過冷法制備冰漿中控制參數(shù)對制冰的影響[J]. 建筑節(jié)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. 過冷卻器結(jié)冰影響機(jī)制的實(shí)驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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] 陳燕，劉佩，劉良泉，等. 冰漿生成器壁面冰層生成與預(yù)防機(jī)理研究[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，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，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，F(xiàn)ujian，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。

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目（J1103303）。

黃成（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊徇^程裝備及節(jié)能技術(shù)。聯(lián)系人：李學(xué)來，教授，主要從事非定常流制冷、強(qiáng)化傳熱技術(shù)、熱過程裝備節(jié)能技術(shù)研究。E-mail：lxl6632@sina.com。