（制冷及低温工程专业论文）冰浆生成器壁面冰层形成机理研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n i u ll l l li l l l l l llllll l l l l l l ll ullliil y 2 19 9 7 7 1 r e s e a r c ho nf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi c e l a y e ro ni c es l u r r yg e n e r a t o r s u r f a c e a p p l i c a n t ：。m u 曼延l 蠼g m 璺羁。 s u p e r v i s o r ：里艘熙曼盹玉三随豹曼弛娩赡 m a j o r ：r 金靳i g 蚋漫照q 娶蕊d f ：1 5 1 罂雹醚邕羁娶氍 ! l 髓塾& 口。 s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 2 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：到蛊塞日期：三盟l 年月30e l 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：刻奁袅 导师日期：迎年上月卫e l 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 冰浆具有高蓄冷密度，是一种可流动的固液两相混合载冷剂，它 的推广应用可以有效缓解高峰电力供需缺口的压力，扩大天然制冷剂 的适用范围，在“移峰填谷”和保护环境方面有重要意义。在冰浆制 备过程中，冰晶易粘附在低温换热壁面，形成冰层，影响冰浆系统稳 定性和能效性。研究冰浆生成器壁面冰层变化规律，有利于制定合理 的系统运行方案，提高系统能效，推广冰浆技术的应用。 本论文研究了冰层在低温换热壁面的形成机理，主要包括冰层形 成时冰晶成核、生长和粘附过程。首先，通过比较临界成核能分析了 成核位置与壁面冰层的关系，壁面会降低冰晶临界成核能，易诱发异 质成核，导致冰层的出现。离子类和醇类添加剂会增大溶液内部和壁 面临界成核能差，不能减小壁面诱发成核对冰层的影响；而表面活性 剂可以降低整个溶液的临界成核能，抑制壁面成核从而抑制冰层出 现。成核添d i ：i - n 可以降低溶液内部临界成核能，改变成核位置关系， 起到间接延缓壁面冰层的目的。然后，从晶体生长动力的角度分析了 各种因素对冰层生长速率的影响规律，冰层的生长速率会随着抑制结 晶添d l ：i 齐u 浓度增大、壁面温度增高、冰层厚度增大以及制冰溶液流速 减小而减小。溶液中含有较高浓度抑制结晶添加剂时，添d l ：i n 所引起 的质量传递阻力是抑制冰层生长的主要因素。另外分析了抑制结晶添 加剂对冰晶粘附力的影响规律，冰晶粘附力与粘附能和冰晶粒径正相 关，在离子类和醇类添加剂水溶液中，冰层中冰晶粒径组成是影响冰 层粘附特性的主要因素。 最后，基于对冰层形成机理的研究结果，提出冰堵判断条件。当 溶液相变温度与壁面温度差大于临界温差时，冰堵发生；当溶液相变 温度与壁面温度差小于临界温差时，冰堵不发生，该临界温差与添加 剂浓度呈近似线性关系。此外，提出冰层厚度预测方法，为制定冰浆 制备系统控制、运行方案提供指导。 关键词蓄能，冰浆，冰层生长，冰晶，粘附 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i c es l u r r yh a sah i g he n e r g ys t o r a g ed e n s i t ya n dg o o df l o wp r o p e r t i e s ， b e c a u s eo fc o n s i s t i n go fa q u e o u ss o l u t i o n si nw h i c hs m a l li c ec r y s t a l sa r e p r e s e n t i t u s ef o rp h a s ec h a n g i n gs e c o n d a r yr e f r i g e r a n te n a b l es h i f t e l e c t r i c i t yl o a d so rs h a v ee l e c t r i c i t yp e a ka n dp r o t e c t0 1 1 1 e n v i r o n m e n t i c e c r y s t a li se a s i l ys t i c k st om e t a l l i cw a l l sa tl o w e rt e m p e r a t u r e w h i c h d i r e c t l yh i n d e r sc o n t i n u o u si c ef o r m a t i o nd u et ot h ei n c r e a s eo ff l o wa n d t h e r m a lr e s i s t a n c e r e s e a r c ho np r e v e n t i o no fb u i l d u po fi c el a y e r so n i c es l u r r yg e n e r a t o rs u r f a c ei st h e r e f o r er e q u i r e d t h et h i c k n e s s e so fi c el a y e ri sd e t e r m i n e db yi c en u c l e a t i o n i c e c r y s t a lg r o w t h ，a d h e s i o na n dr e m o v ep r o g r e s s f i r s t ，r e l a t i o nb e t w e e ni c e l a y e ro c c u r r e n c ea n dp l a c eo fn u c l e a t i o nw a sa n a l y z e db yc o m p a r i n g c r i t i c a lw o r ko fn u c l e a t i o n i t si n d i c a t et h a th e a te x c h a n g e rs u r f a c ec o u l d i n d u c ei c el a y e rb e c a u s en u c l e a t i o nc o u l de a s i l yo c c u ro ni t o r g a n i ca n d g l y c o lf r e e z i n gp o i n td e p r e s s a n t sh a v en oe f f e c to nr e d u c ei n f l u e n c eo f h e a te x c h a n g e rs u r f a c e ，w h i l es u r f a c t a n t sc o u l dr e d u c ei n f l u e n c eo n n u c l e a t i o no fh e a te x c h a n g e rs u r f a c e n u c l e a t i o na d d i t i v ec o u l di n h i b i t t h eo c c u r r e n c eo ft h ei c el a y e rb e c a u s ei tc a nc h a n g et h ep l a c eo f n u c l e a t i o nf r o mh e a te x c h a n g e rs u r f a c et ot h eb u 墩o ft h es o l u t i o n t h e n ，g r o w t hr a t eo fi c el a y e rw a sa n a l y z e db a s eo nc r y s t a lg r o w t h k i n e t i c s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o no ff r e e z i n g p o i n td e p r e s s a n t s ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r eo ft h es u r f a c e ，t h et h i n n e r t h ei c el a y e r ，a n dt h es m a l l e rt h ef l o wr a t eo ff l u i d ，t h es m a l l e rt h eg r o w t h r a t eo fi c el a y e r t h er e s i s t a n c et og r o w t hi sm a i n l yd e t e r m i n e db ym a s s t r a n s f e r ，w h i c hi n d u c e sb yf r e e z i n gp o i n td e p r e s s a n t s b e s i d e st h a t ，t h e m e c h a n i s mo fd e c r e a s ea d h e s i v es t r e s so fi c ec r y s t a lb yf r e e z i n gp o i n t d e p r e s s a n t sw a sa n a l y z e db a s e o nt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r yr e s e a r c h ，i t s f o u n dt h a tt h em a i nr e a s o n si st h a tt h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no ff r e e z i n g p o i n td e p r e s s a n t sc o u l dd e c r e a s et h es i z eo f i c ec r y s t a l l a s t ，c r i t i c a lj u d g m e n tc o n d i t i o no fi c es c a l i n gw a sp o s e d ，t h e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sl i n e a rw i t ht h ec o n c e n 仃a t i o no f i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t f r e e z i n gp o i n td e p r e s s a n t s a n dt h em e t h o do fc a l c u l a t et h i c k n e s so fi c e l a y e rw a sa l s op o s e d ，w h i c hp r o v i d ec o n t r o la n do p e r a t i o ns t r a t e g y k e yw o r d s e n e r g ys t o r a g e ，i c es l u r r y ，g r o w t ho fi c el a y e r ，i c e c r y s t a l ，a d h e s i o n i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 符号说明v i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状3 1 1 1 冰浆简介3 1 2 2 冰浆制备方法研究现状4 1 2 3 冰浆制备方法的比较6 1 2 4 冰堵研究现状8 1 2 5 防冰堵技术综述9 1 3 研究目的1 0 1 4 研究内容1 1 第二章冰晶成核位置对壁面冰层的影响分析1 2 2 1 冰晶成核机理分析1 2 2 1 1 同质成核1 2 2 1 2 异质成核1 4 2 - 2 冰晶成核位置影响因素分析1 6 2 2 1 换热器壁面材质对冰晶成核位置的影响1 6 2 2 2 抑制结晶添加剂对冰晶成核位置的影响1 8 2 2 1 3 成核添加剂对冰晶成核位置的影响2 1 2 2 4 过冷度对冰晶成核位置的影响2 2 2 3 冰晶成核位置对壁面冰层的影响2 3 2 4 本章总结2 3 第三章壁面冰层生长研究2 4 3 1 壁面冰层生长分析2 4 3 1 1 冰层生长动力分析2 4 3 1 2 冰层生长速率分析2 6 3 2 冰层生长速率的影响因素分析2 8 3 2 1 添加剂对冰层生长速率的影响2 8 i v 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 2 流速对冰层生长速率的影响3 0 3 2 3 壁面温度对冰层生长速率的影响3 0 3 2 4 壁面冰层厚度对冰层生长速率的影响3 l 3 3 各因素对冰层生长速率影响的比较3 2 3 4 本章小结3 3 第四章冰晶粘附力与分离力分析3 5 4 1 粘附力3 5 4 1 1 冰晶粘附力的影响因素分析3 5 4 1 2 添加剂对冰晶粘附能的影响3 6 4 1 3 添加剂对冰晶粒径的影响3 9 4 1 4 添加剂对冰晶粘附力的影响4 1 4 2 分离力4 2 4 3 本章总结4 4 第五章冰层厚度变化规律研究4 5 5 1 冰堵判断条件4 5 5 1 1 冰晶分离条件4 5 5 1 2 冰层不持续增长条件4 6 5 2 冰层厚度的变化规律4 8 5 2 1 冰层厚度计算方法4 8 5 2 2 冰层厚度的变化规律4 9 5 3 冰堵判断条件实验验证5l 5 4 本章总结5 3 第六章结论与展望5 4 6 1 结论一5 4 6 2 展望5 5 参考文献一5 6 附录l 6 2 附录2 6 3 致谢6 7 攻读学位期间主要的研究成果6 8 v 英文符号 么 口 b c c d 巩 讳 f k 凡 g g h 臃 h 3 七 k m 螂 m 面积，m 2 常数 常数 常数 常数 扩散系数，m 2 s 水力直径，m 冰晶直径，m 粘附力，n 阻力，n 生长速率，m s 符号说明 重力加速度，9 8 m s 2 甜 普朗克常数 凝固潜热，j k g 焓，j k g 成核速率，1 ( m 3 s ) 波尔兹曼常数 质量传递系数，m s 摩尔分子量，g m o l v i 常数，j k g 成核概率 异质成核基体半径，m 剥离速率，m s 冰晶半径，m 雷洛数 熵，j k 斯密特数 水利施伍德准数 时间，s 温度， 流速，m s 体积，m 3 冰晶平均体积，m 3 添加质量浓度， 粘附能，m j m 2 添加剂摩尔浓度， 粗糙度影响因子 盯 e c 而 ， 聆 g r r 胎 s 砌 ， 丁 矿 v w 贩 x z 希腊字母 下标 本征接触角 角度 角度 表面张力，m j m 2 自由能差，j 过冷度， 运动粘度，m 2 s 溶液内部( b u l k ) 常数 常数 沉积( d e p o s i t ) 平衡( e q u i l i b r i u m ) 熵变，j k 剪切强度，p a 密度，k g m 3 导热系数，w ( m k ) 动力粘度，n s m 2 冰层厚度，m 界面( i n t e r f a c e ) 液相( 1 i q u i d ) 溶液( 1 i q u i d ) 粒子( p a r t i c l e ) 固相( s o l i d ) 同质成核( h o m o g e n e o u s ) r 移除( r e m o v e ) 异质成核( h e t e r o g e n e o u s ) t r a n s 临界值( t r a n s i t i o n ) 冰( i c e ) 冰( i c e ) w w a r i 壁面( w a l l ) 水( w a t e r ) c 一一、 p a 占 伊 少 l e i y 笳 竹 v t q k l “ p s b ； ， d 田 b k ； 沁 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，电力需求日益增长，电网峰谷差逐年增大的问题 也越来越严重。在我国部分城市和地区，电网峰谷差已高达4 0 e 2 1 ，夏季用电 高峰时，出现“电荒”的现象，被迫采取拉闸限电的措施，严重影响了社会生产 和生活，造成了极大的经济损失：用电低谷时，需要停掉一些发电机组，闲置发 电资源，降低发电效率。在能源消耗总量当中，制冷空调的能源消耗量占很大的 比例，成为夏天影响电网峰谷差的重要原因。而空调蓄冷技术的发展可以有效缓 解高峰电力供需缺口的压力，促进电力资源优化配置【3 】。 冰浆作为空调蓄冷介质，可以在夜间用电低谷时，将多余的电能以相变潜热 的形式储存起来，在白天用电高峰时，应用储存的冷量满足建筑物空调或生产工 艺的冷负荷需求。我国越来越多的地区正在逐步实施峰谷分时电价，冰浆蓄冷机 组在低谷时段运行可以大幅节省运行费用。同时，由于我国大部分地区存在昼夜 温差【4 j ，制冷机组在夜间运行时，蒸发温度和冷凝温度差比其在白天运行时更小， 有利于提高制冷机组c o p 。冰浆相比于冷冻水、冰块等其它蓄冷介质，具有较 好的流动性、较高的蓄冷密度和良好的换热特性，因而可以减小换热器的流量、 水泵的能耗以及相应管道、设备的尺寸，从而降低制冷系统初始装置与运行费用 【5 j 。可见，冰浆的广泛应用可以取得良好的社会、经济效益。 5 0 0 0 一5 o 1 0 0 1 5 0 一2 0 o a m m o n i a 童童薹_ 嚣j o _ 一一_ - - 一至熏： !：一j”“”i “j 1 攀u 4 e ? 一3 53 02 52 01 51 0505 蒸发温度( ) 图卜1 冷凝温度为4 0 ，压缩机效率为7 0 ，不同蒸发温度下各种 工质作为制冷剂时制冷系统c o p 与氨作为制冷剂时系统c o p 对比 1 味州墓莨酶岬迥dou星拣峨碾佥罨匣悻 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 间接式制冷系统示意图 另一方面，冰浆用于间接式制冷系统，还可以扩大非c f c 制冷剂，特别 是天然制冷剂的应用范围。可以取代c f c 制冷剂的自然工质有c 0 2 、氨、丙 烷、异丁烷、水等，这些工质有较低的o d p 和g w p ，其中一些作为制冷剂 时有相对较好的冷却性能。例如，在标准的蒸发式制冷循环中，氨作为制冷剂时 制冷系统的c o p 明显要高于那些采用常用c f c 类制冷剂的制冷系统( 如图1 1 所示) 巾j 。但是氨有一定的毒性和可燃性，限制了其在大型制冷系统的使用。采 用如图1 2 所示的间接式制冷系统，可以将危险的非c f c 制冷剂循环系统安装 在通风良好的地方，然后采用冰浆将冷量运输到需要应用的地方。不仅降低了系 统的制冷剂循环费用，同时还增加了系统的安全性。冰浆具有安全、环保的优势， 在制冷系统的推广应用，对于减少c f c 对臭氧层的破坏，保护地球环境具有 重要意义。 目前，冰浆已应用于建筑物空调、矿井冷却、工业冷却和食品冷藏加工等领 域p 儿7 j 瞄j 。此外，冰浆在人体器官快速冷却、管道和换热器清洁、消防灭火等领 域，也具有独特的优势。冰浆比传统的冷却方式更快，可以在1 0 分钟以内将大 脑和心脏中心的温度冷却到2 5 。c ，在心搏停止后，大幅减缓细胞新陈代谢和化 学发应，维持大脑和心脏细胞生命【9 j 。冰浆用于管道和换热器的清洗，通过冰浆 中的冰晶( 一般为质量浓度为1 0 左右) 与壁面发生摩擦，可使粘附在其表面的 污垢脱落，比传统的清洗方法效果更好。冰浆还可以用于消防灭火，现有的灭火 装置和喷嘴仍然可以输送浓度为3 0 的冰浆溶液，采用冰浆溶液灭火可使室内温 度急剧降低，灭火时间减少一半 9 】。可见，冰浆将在人类社会生活发展中发挥越 来越多的作用。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 1 1 冰浆简介 冰浆是指含有大量微小冰晶粒子的固液两相悬浮溶液，这些冰晶粒子的直径 一般为几十到几百微米( 如图1 3 和1 4 所示) 。工业上，溶液中常含有氯化钠、 乙二醇、表面活性剂等添加剂，用来改善冰浆的物性，通常有助于冰浆的制造、 运输、储存和应用。 图卜3 实物冰浆图1 - 4 低倍显微镜下的冰浆 工业应用的冰浆含冰率范围一般为0 - 4 0 ，如图1 。5 所示，冰浆的热物性会 随着含冰率的变化而变化。冰浆使用温度范围可从3 0 o 。c 变化1 0 ，取决于冰浆 中添加剂的种类和浓度。冰浆可以通过简单地调节含冰率和添加剂种类、浓度改 变其物性，满足不同工况下的应用需求。 3 5 0 3 0 0 羞2 5 0 求 三2 0 0 制 趔1 5 0 蟀 1 0 0 5 0 ：!： 。j 粘寥 ； ! ，二一j ? 。：；曼i i 秀数 ，一， ： ：一 ：，：- 一：一 密度 三一_ 。_ _ - - 。_ _ 。- - - _ 7 _ 7 ：晕i 整 ：1 i 。i i 含冰率( ) 图卜5 冰浆物性随含冰率的变化 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 冰浆制备方法研究现状 冰浆动态生成时冰晶粒子在融化过程中消失，而又在冰浆生成器中重生【9 j 。 不同制备方法生成的冰浆具有不同的冰晶粒径分布与热物性，也有不同的适用范 围。冰浆技术能否有效推广应用取决于冰浆制备系统的稳定性、能效性和经济性 是否合理。冰浆制备方式按照冰晶形成过程中换热方式分类可分为间接接触式和 直接接触式两类。 ( 1 )间接接触式冰浆制备方法 间接接触式冰浆制备方法是指冰浆生成过程中相变潜热需由换热壁面间接 地传递给制冷剂，主要包括壁面刮削式、过冷水法、流化床法等制冰方法。这些 方法中，除过冷水法外，其它的间接接触式冰浆制备系统都需要采用剥离换热壁 面冰晶的方式获取冰浆，又称为收获式( h a r v e s t ) 冰浆制备系统。典型的间接接触 式冰浆制备系统示意图如图1 - 6 所示，冰浆生成器为间壁式换热器，冷量需由换 热器壁面向制冰溶液内部传递，所以一般这类冰浆生成器壁面附近存在温度梯 度，且壁面温度较低，结晶易在壁面发生，引起冰层，甚至引发冰堵。 膨胀阀 冰浆 冰浆生成器 图1 - 6 间接接触式冰浆制备装置示意图 国外学者s t a m a t i o u 1 1 】和f r a n l 【1 2 】等对间接式冰浆制备技术的研究现状、 发展趋势、制冰机理、模拟和应用等方面的研究做了较为全面的综述。p a s c u a l 1 3 】 等运用大涡模拟对刮削式冰浆制备系统中冰晶生成过程进行了研究，并采用三维 粒子图像测速仪( p ) 进行验证。f r a n k t 屹】等研究刮削式制备冰浆过程中不锈钢壁 面蔗糖溶液结冰情况，他们认为合适的刮削频率能影响冰晶的形成。b e7 d e7 c a r r a t s 等【1 4 j 研究了过冷水法冰浆制备技术，分析过冷度、制冰溶液流速及载冷剂温度对 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 冰晶生成的影响，指出成核过程中最大的特点是成核的随机性。荷兰d e l f t u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 的m e e w i s s e 1 5 j 所在的研究小组系统的研究了流化床冰 浆制备技术，并对系统运行稳定性、能效型和经济型这三个方面与壁面刮削式系 统进行对比。 国内学者对间接接触式冰浆制备方法也进行了较多的研究，清华大学【l6 | 、东 南大学【1 7 j 、华中科技大学【l8 j 进行了过冷水法制备冰浆技术的研究，建立了过冷 水法冰浆生成实验台，研究流速、载冷剂温度、壁面材质等因素对过冷水法冰浆 制备系统运行的影响。中科院广州能源科研所也进行了相关的实验研究9 | ，观测 不同类型和浓度的添加剂对冰浆生成的影响。目前，间接接触式的研究主要集中 在发展高效、稳定、经济的运行方式。 ( 2 ) 直接接触式冰浆制备方法 直接接触式冰浆制备方法是通过水的蒸发或与制冷剂直接接触换热来实现 制取冰晶，具有很高的换热效率，因此得到越来越多学者的关注。典型的直接接 触式冰浆制备系统如图1 7 所示，不溶于水、且密度比水大的载冷剂经过喷射装 置后，与制冰溶液湍流混合，溶液降温结晶，生成冰浆。这类系统中制冰溶液温 度分布均匀，壁面冰层没有间接接触式冰浆制备系统严重，但喷射装置出口处温 度较低，依然存在冰堵的危险。 国外学者w i j e y s u n d e r a 等【2 0 j 实验研究了直接接触式冰浆生成技术，发现喷 射装置的安装位置与喷射器冰堵有重要的关系。a s a o k a 等【2 1 在真空条件下采用 不同浓度的乙醇水溶液制取冰浆，分析了乙醇溶液浓度与其蒸气之间的关系。 l u g o 等 2 2 】对氨水溶液和乙醇水溶液在真空环境下蒸发冷却制取冰浆过程中的固 一液一气三相平衡进行了理论分析和实验研究，并将结果分别与其他研究者提出 的模型进行比较。 水冰浆 图卜7 直接接触式冰浆制备装置示意图 中南大学硕士学位论文第一章绪论 国内学者对直接接触式冰浆制备技术也进行了一些的研究，李秀伟等【1 7 】将蒸 发冷却过程与溶液除湿过程相结合，提出一种改进型蒸发式冰浆制备方法。彭正 标【2 3 】f 2 4 1 和梁坤峰2 5 1 等采用液一液循环直接接触方法制取冰晶颗粒，分析了冰晶 粒径分布特性，并对影响冰晶尺寸的关键因素进行了探讨，结果表明该方法制取 的冰晶粒径呈离散型分布，载冷介质流量、喷水量及喷嘴内径对冰晶形成有重要 影响。东南大学1 2 6 j 研究了一种新型的制冰方法，采用水与非相溶载冷液体组成液 一液流化床，制取冰晶。刘志强【2 。7 】提出一种带夹层真空室制取冰浆的方法，通过 夹层结构捕捉真空室内水蒸气从而形成冰晶。 1 2 3 冰浆制备方法的比较 壁面刮削式冰浆制备技术主要在欧美地区大量商用，被认为是现有冰浆制备 技术中发展最成熟、接受度最高的一种。随着壁面刮削式冰浆生成器的商业化， 其装置结构不断改进，朝着稳定、高效的方向发展。然而该技术依然存在一些缺 陷，限制了其推广应用。首先，刮削式冰浆生成器内安装有机械刮削装置，结构 较复杂、初投资过大，且刮削装置易磨损，需定期更换，需要较高的设备和运行 成本；其次，采用该方法制取冰浆时，制冰溶液中需要添加合适浓度的抑制结晶 添加剂才能保证系统稳定运行。添加剂浓度太低，不能阻止冰浆生成器壁面冰层 的粘附、积聚，但添加剂浓度太高，蒸发温度太低，会降低系统效率，影响冰浆 的使用温度。 过冷水法冰浆制备技术采用纯水制取冰浆，无需复杂的机械运动装置，适用 于空调蓄冷，在日本大量应用。现有商用的过冷水法冰浆制各系统一般能将水过 冷到一2 0 ，释放过冷后只能生成口f 为2 5 的冰浆，同时送入过冷却器的水一般 要预热至0 50 0 以消除微小冰晶粒子在过冷水生成过程中的影响f 9 】，同时，这种预 热也增加了制冷机组能耗。现有过冷水法制冰效率还比较低，这种冰浆制备方式 存在的最大问题是过冷水随机结晶引发冰堵，中断机组运行，大量研究集中在冰 堵的解决。目前研究方向是寻找合适壁面材料，能够产生较大过冷度的稳定过冷 水。另一个研究方向是高效的过冷消除装置，完全消除过冷并获得较好形态的冰 晶粒子。此外，许多研究者提出消除冷却过程中二次成核影响的方法，例如电加 热、外部废热和空调回水，其中空调回水消除冰晶是最经济、节能的方式【2 8 1 。 流化床粒子运动会导致层流边界层减小，还可以阻止冰浆生成器壁面积冰， 换热效率相对较高 1o 】。同时，流化床系统不需要复杂的机械传动，除了泵外没有 其它机械运动，这种冰浆制备系统初始投资低，运行维护费用低。该系统在实验 运行测试中运行状态良好，但至今还没有商业应用。阻碍其工业应用的主要原因 是流化床法制各冰浆装置稳定运行范围太狭窄，不易控制。当初始制冷剂和制冰 溶液之间温差太大时，流化床粒子不能阻止换热器的冰堵；温差太小时，冰浆生 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 产效率低，甚至不能生成冰浆。同时，制冰溶液流速足够高才能保证流化床粒子 阻止冰层的生成，可是流速变大后，冰浆生成时间相对减小，降低冰浆生产率。 因此，还需要进一步研究如何增大流化床制备冰浆系统的稳定运行范围。 直接接触法制备冰浆时制冷剂或载冷剂与制冰溶液直接接触换热，换热效率 高，该方法没有固定的换热壁面，不存在壁面冰层的问题。但是采用此种方法生 成冰浆时冰晶形成过程涉及到复杂的液一液、液一固两相流动和传热，并要求相 接触的两种介质不互相溶解，因此制冷剂的选择范围较窄，且运行一段时间后存 在性能衰减问题。同时，该方法中的喷嘴喷射低温工质，依然存在着冰堵的问题， 喷嘴需要特殊的设计，防止冰堵的发生。 真空法冰浆制备技术实现在低压环境下同时进行水的蒸发与结冰，蒸发潜热 与凝固潜热直接交换，换热效率高，且制冷设备仅用于冷凝蒸汽，安全、无污染。 但现有关于该方法的研究仅限于理念分析与实验研究阶段，在基本的理论和数值 模拟方面需要更多的工作。同时，真空法若采用冷却水蒸气的方式维持真空度， 会出现水蒸气在换热壁面凝固结冰的问题，降低系统性能。因此，维持真空度的 方式也还需要进一步改进。此外，真空法冰浆制备系统在真空环境下运行，其相 应的设备装置密封要求高，需要特殊设计制造。 表i - i 冰浆制备方法的优缺点比较 各种冰浆制备方式的优缺点对比如表1 一l 所示。目前没有哪一种冰浆制备方 法适用于所有的应用需求，不同的应用需要不同形态、不同含冰率、不同融化温 度的冰浆，每一种冰浆制备方法都有其优缺点和适应范围。 冰浆生成过程中存在冰晶粘附在低温换热壁面的问题，会引起壁面冰层的出 现，甚至发生冰堵。冰浆生成过程中需要将壁面的冰晶从换热壁面分离，这些分 离技术会增大设备投资，消耗额外的能耗，一个理想的冰浆制备系统需要在高传 热效率下生成合适尺寸的冰晶，且没有冰晶粘附在冰浆生成器壁面，保证其稳定、 持续、高效的运行【9 】。研究稳定、节能、经济的方式将冰晶从换热壁面移除，对 于冰浆技术推广应用，发挥其在经济、环保的优势具有重要意义。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 4 冰堵研究现状 现有冰浆制备系统大都存在运行稳定性较差的问题，主要表现在冰浆生成器 壁面冰层出现后，系统运行参数发生波动，直至被迫停止运行，许多冰浆制备方 法都是基于如何防止壁面冰层出现的目的而提出的。特别是间接接触式系统制取 冰浆过程中，冰晶易粘附在低温换热壁面【9 1 ，增加冰浆流动阻力，降低传热效率 2 9 1 。同时，冰晶会在壁面生长，越来越多的冰晶在粘聚力的作用下发生聚集等变 化，如果不及时除去，有可能结块，甚至造成冰堵【3 0 】，严重降低了冰浆制备系统 的能效性和稳定性。因此，需要除冰技术来阻止换热器壁面冰层的出现，但这些 除冰技术有可能增加设备初投资和运行能耗，增加冰浆技术使用成本，阻碍冰浆 技术的推广应用。 目前，国内外学者对冰浆生成器壁面冰层的影响因素进行一些研究，总结起 来，这些研究主要集中在三个方面：壁面、添加剂和温度，许多学者分别分析了 这些因素与壁面冰层形成的关系。 一些研究者认为，壁面粗糙度、表面张力、结构等物性对冰晶粘附强度有着 显著的影响【3 1 】【3 2 】，例如：日本学者【3 3 】在铝合金板上将填加聚四氟乙烯 ( p o l y t e r a f l u o r o e t h y l e n e ，p t f e ) 颗粒的聚偏二氟乙烯( p o l y v i n g l i d e n ef l u o r i d e ，p v d f ) 树脂涂层涂刷在实验板上，测量冰层与实验板接触时的粘附强度，测定结果表明， 粘附强度与p t f e 的填加量有关，当填加量为9 0 时，粘附力最小，因此他认为 壁面材质表面能越大，接触角越小，与冰层接触时粘附强度越小。t h o m a s 9 1 研究 发现p t f e 涂层并不能很好的解决壁面冰层粘附的问题。当冰晶在壁面生成时由 于其强极性和偶极矩，p t f e 涂层壁面会失去疏水效果，达不到抑制冰层粘附的 目的。 一些实验【3 3 】表明添加剂对壁面冰晶粘附强度也会产生一定的影响，且添加剂 浓度越大，抑制冰晶粘附作用越强。i n a d a 和吕树申【3 3 】分别研究了硅烷耦合剂和 聚乙烯醇对冰浆生成的影响，发现他们有抑制冰晶生长、重结晶和聚集的作用。 h o n g 3 0 】研究乙二醇和有机硅烷偶联剂水溶液结冰粘附情况，发现冰晶粘附力大 小随搅拌强度变化而变化，添加剂浓度越高、溶液温度越高、过冷度越小、越 有利于抑制冰晶的粘附。 t s u c h i d a 3 4 】等人在研究冰浆生成过程时都发现热流密度对冰晶在换热壁面 的粘附过程有重大影响。他们认为存在一个临界热流密度值，当换热壁面热流密 度大于这一临界值时，冰晶粘附在换热壁面，进入生长过程；当热流密度小于这 一临界值时，冰晶脱离换热表面。浙江大学吴鹏【3 5 】认为t s u c h i d a 等人在研究热 流密度与粘附力关系时没有明确搅拌引起的湍流对壁面温度场的影响，并认为近 壁面流体温度场的均匀性才是影响冰晶在壁面粘附的重要因素。m a t s u m o t o 3 6 认 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为热流密度不能解释冰晶在换热壁面粘附的现象，并认为表面能对粘附力起重要 影响，温度分布均匀性起一定作用。 现有关于冰浆系统中冰层和冰堵的研究大都基于实验观测，不同的研究者在 各自观测实验结果的基础上提出自己的观点。有些观点还存在很大的分歧，需要 进一步研究这些影响因素与冰层变化的关系；即使是没有分歧的观点，也还需要 进一步研究这些因素影响冰层形成的机理。例如大部分研究者认为抑制结晶添加 剂能够抑制冰层的出现，但添加剂对壁面冰晶粘附特性影响机理、添加剂物性与 壁面冰晶粘附强度关系尚不明确，有必要深入研究添加剂与冰晶在壁面粘附强度 的关系，从而选取合适的添加剂，在降低冰晶粘附强度的同时，减少冰浆使用温 度的影响。 1 2 5 防冰堵技术综述 防冰堵技术主要包括抑制冰层生成技术和移除冰层技术，主要方法是增大冰 晶分离力、抑制冰晶生长和减小冰晶粘附力。具体技术如下： ( 1 ) 壁面处理技术 一般来说，采用较好的湿润角、小的粗糙度、好的疏水性和疏冰性材料有利 于减小冰晶粘附力。换热壁面处理方法主要有金属壁面电解抛光，精加工提高表 面光滑度，采用特殊壁面涂层材料，如聚四氟乙烯、酚醛树脂等涂层掣3 2 】【3 7 】， 这些方法可以在一定条件下抑制冰晶粘附，但作用有限，有一定的适用范围，例 如当温度过低时，冰晶依然粘附在壁面【9 j 。 壁面附油也可以阻止冰晶在换热壁面的粘附，通过对水、油混合物施加外电 场使油带电附着在换热壁面，改变电流的强度来控制油层厚度，防止冰晶在壁面 上的附着【3 8 】。此方法技术难度大，施加电场不易实现，载流体与油也较难分离。 ( 2 ) 添加剂 一些添加剂除了可以抑制冰晶生长和重结晶外，还有降低冰晶粘附力的作 用，例如乙二醇，有机硅烷偶联剂等【3 3 】。这种方法广泛应用于冰浆生成系统中， 取得了较好的效果。这种方法的缺陷是添加剂浓度越大，抑制粘附作用越强，同 时结晶温度也越低，影响冰浆使用温度，降低了系统c o p l 3 9 1 。 ( 3 ) 机械扰动 机械扰动直接或间接的增大对冰晶的作用力，工业应用中需要和添加剂一起 作用，使冰脱附、破碎。一般来说搅拌功率越高，抑制冰晶粘附效果越好。这种 方法耗能大、存在机械磨损和噪音。在低浓度结晶抑制添加剂下，冰层在换热壁 面持续积累，阻碍机械装置运动，甚至损坏机械装置。 ( 4 ) 热融法 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 热融法是指当冰堵发生时，停止冰浆机组运行，升高换热壁面温度，使冰融 化脱落。在过冷水冰浆生成装置中采用热融法较多，一般有三种方法：电加热、 外部废热和空调回水。一般热融法除冰会损失较多冷量，需要较长时间。 ( 5 ) 超声波法 采用超声波作用换热壁面，使其发生结构振动，当作用于冰的应力大于壁面 粘附力或冰的内聚力时，冰层脱附或冰破裂。这种方式除冰没有运动部件、无噪 音、较低的热损失、还可以增加换热效率。u n i l e v e rr e s e a r c hg r o u p 4 0 j 在实验中 喷洒c 0 2 冷却直径约为1 0 0 m m 的钛管，冷水流过管内的同时使用压电传感器激 发超声波使管以2 0 k h z 频率振动。当水从管内流出时，溶液中包含冰晶形成浆 状体。实验观察这种方法可以阻止冰层建立，当水的流动停止时，壁面无残留冰。 有些防冰堵技术已经在实际工业应用中取得了较好的效果，有些还只在实验 室获得了成功，这些技术的不足还需要通过进一步的研究来改进。研究简单、高 效的防冰堵技术，有利于提高冰浆生成效率。为了更节能、经济的阻止壁面冰层 增长，通常需要同时采用几种技术来综合影响壁面冰层，防止冰堵的发生。 1 - 3 研究目的 冰浆凭借其高蓄冷密度、良好的流动及换热特性，不但被应用于商业空调、