刮片式制冰蓄冷性能的实验研究

　　1 前言

　　动态冰浆^[1]是指含有大量悬浮冰晶粒子的固液两相溶液，也称“动态冰”或“可泵冰”，其中冰晶颗粒的平均尺寸不超过 1mm，而溶液通常是由水和冰点调节剂( 如乙二醇、乙醇或氯化钠等)构成，具有良好的流动性、蓄冷能力和较高释冷速率，是一种很有潜力的载冷剂，可广泛应用于化学、食品工业、渔业、医疗、中央空调系统以及蓄冷空调系统^[2～4]。当前冰浆制取方法有真空法、流化床法、壁面刮削法、过冷水法和直接接触法等，各种方法均有其优缺点和应用局限^[5]。刮片式制冰法原理和常规过冷制冰法基本一致，冰浆的浓度可以根据其运行条件进行调节，一般为0%～35% 。该方法的缺点是换热壁面有较厚的冰层时会直接增大传热热阻，也对刮片造成损害，并最终造成管内阻塞。张海潮等^[6]采用乙二醇制取动态冰浆溶液，研究了蓄冰槽的温度特性; 王伟等^[7]介绍了卧式刮浆式制取动态冰浆的方法，运用传热学和流体力学理论，建立动态冰浆制取的数学模型，仿真运行盘管管径、导热系数和载冷剂流量对换热的影响。考虑到实际的应用，笔者设计并搭建了一套刮片式冰浆制取系统，为探讨在该装置中用盐水在不同浓度制冰时的冰点温度，相变状态点以及成冰时间，做了以下一些实验。

　　2 工作原理及实验装置设计

　　2.1 工作原理

　　制冰原理: 刮片式制冰法原理和常规过冷制冰法基本一致，溶液在制冷剂的换热过程，当温度降到其临界点以下时溶液中产生微小冰晶，为了防止冰晶粘附在管内壁上，安装了一个旋转刮削板，将内壁上粘附的冰晶刮落，与溶液混在一起形成冰浆最后流出冰浆生成器，储存在蓄冰槽中。

　　结晶原理: 结晶过程是由晶核形成和晶粒长大两个过程共同构成。冰晶的成核过程主要是由热力学条件决定，而冰晶的生长过程主要由动力学条件决定。要产生液相向固相的自发过程，必须使液体过冷到某一低于Tf的温度T0，其过冷度为△T=Tf-T0，应有Gl(Tf)>Gs(Tf)，形成冰晶的相变驱动力为G(T0)=Gl(T0)-Gl(T0)，对上式近似简化后得: △G(T0)=Ls△T/Tf，式中: Ls为冰的固化热。过冷度越大，凝固相变驱动力△G(T0)就也越大。

　　2.2 实验装置及测点布置

　　系统主要由以下几个部分组成，即蒸汽压缩循环系统、动态冰浆制取系统和散热系统。实验台系统原理如图1所示。

　　实验所用的冷凝器和蒸发器都为套管式换热器，制取冰浆的盐水浓度为3.5%和4%，设计流量为2m³/h，冷却水流量为0.5m³/h。装置实物图见图2。