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摘要：動態冰漿由于具有較好的熱物理和傳熱特性，現已被應用于蓄冷空調系統和工業處理過程中。本文介紹了冰漿的各種發生方法和裝置，分析了動態冰漿蓄冷空調系統工作過程，闡述了冰漿的動態特性和潛在應用。

關鍵詞：冰漿動態特性蓄冷空調

1前言

冰漿是由微小的冰晶和溶液組成，而溶液通常是由水和冰點調節劑（如乙二醇、乙醇或氯化鈉等）構成。由于冰晶的融解潛熱大，使得冰漿具有較高的蓄冷密度；同時由于冰晶具有較大的傳熱面積，使其具有較快的供冷速率和較好的溫度調解特性。它不象傳統的盤管式（內融冰、外融冰）和封裝式（冰球、冰板）蓄冷系統的冰凝結在換熱器的壁面上，增加了冰層的傳熱熱阻，使其傳熱效率較低。

冰漿蓄冷系統現已被用于空調系統中，夜間低谷時蓄冷，白天高峰時供冷，冰漿蓄冷空調系統的容量一般只有高峰冷負荷的20%—50%，使其整個系統小巧、緊湊。由于冰漿蓄冷空調系統具有低溫送風特性，使得整個空調系統的風管、水管尺寸減小，冷量輸送的功耗也大為降低，運行成本減小。

2冰漿發生裝置

常用的產生冰漿的方法有如下幾種：過冷法、刮削法、噴射法和真空法等。

2.1過冷法

如圖1所示為過冷法冰漿發生系統。在過冷換熱器中，水被過冷到-2℃，當其離開過冷器時，大約2.5%的過冷水變成冰晶，其余大部分仍是液相，產生的冰晶落入蓄冷槽，在蓄

冷槽內由于冰、水的密度差，冰晶聚集在蓄冷槽的上部，而水儲存在蓄冷槽的下部，其水溫仍保持約0℃。夜間低谷時，蓄冷系統產生冰晶，使蓄冷槽內的冰晶濃度達到20%—30%；白天高峰時，蓄冷槽底部的冷水被送到空調末端換熱器中向房間供冷。

圖1過冷法冰漿發生系統[1]

1—制冷機組2—載冷劑（乙二醇溶液）泵3—冰漿發生器4—-2℃過冷態水5—過冷態釋放裝置

6—噴嘴7—水層8—冰層9—0℃水10—水泵11—預熱器12、13—調節閥

2.2刮削法

如圖2所示為刮削法冰漿發生系統，它由壓縮機、冷凝器、節流裝置、殼管式蒸發器構成，制冷劑在殼側蒸發吸熱，乙二醇溶液（6%—10%）在管內被冷卻，當溫度降到其凝固點以下時，溶液中產生微小的冰晶（約100μm），為了防止冰晶粘附在管內壁上，安裝了一個旋轉刮削板，將內壁上粘附的冰晶刮下隨溶液一起送出蒸發器、進入蓄冷槽，冰漿的濃度可以根據其運行條件進行調節，一般為0%—35%。

圖2刮削法冰漿發生系統[2]

1—壓縮機2—冷凝器3—節流裝置4—蒸發器5—吸氣儲液器6—載冷劑

7—冰漿8—制冷劑液體9—制冷劑氣體10—攪拌器

2.3噴射法

如圖3所示為噴射法冰漿發生系統，它是利用兩種互不相溶流體間的換熱來產生冰晶的，由制冷系統將不溶于水且比水重的流體冷卻到水的冰點以下，然后由泵將流體送入噴射器產生高壓并從溶液罐的上部抽吸水，由于在噴射器中產生了足夠的擾動和冷卻效果，使得普通的水產生冰晶。一旦冰漿混合物到達溶液罐內，較輕的冰晶漂浮在中、上部，而較重的傳熱流體則沉降在底部，并用于系統再循環。

圖3噴射法冰漿發生系統

1—制冷劑進2—制冷劑出3—換熱器4—噴射器5—冰漿發生器6—溶液進7—冰漿出8—循環泵

2.4真空法

水的飽和溫度是隨壓力變化的，水在壓力為0.0061bar、溫度為0.01℃時達到其三相點。如果在真空室內噴入水，并將由水滴表面產生的水蒸氣連續地抽出，被抽出的水蒸氣由于吸收了液滴的熱量，結果使液滴溫度下降直至變成冰粒子，由液滴表面產生的水蒸氣由機械壓縮裝置抽走，被壓縮的水蒸氣再由凝結器冷凝成水。

如圖4所示為真空法冰漿發生系統，它由水供應系統、真空室、蒸氣壓縮機、蒸氣凝結器和真空泵構成。水供應系統是由水罐、水泵和噴嘴組成，水泵將水加壓至0.7MPa后供給噴嘴，真空室實際上是一個蒸發器，在真空室的上部空間布置有中空錐形的噴嘴，壓縮系統是由兩級壓縮機組成，水凝結器采用殼管式換熱器，用自來水作冷卻水，真空泵用來抽出系統中的不凝氣體。

圖4真空法冰漿發生系統[3]

1—真空泵2—排氣3—冷凝器4—冷凝罐5—冷卻水進6—冷卻水出7—第二級壓縮裝置

8—第一級壓縮裝置9—真空噴射室10—冰晶11—水泵12—水罐13—水

3動態冰漿蓄冷空調系統

如圖5所示為自然循環式冰漿蓄冷空調系統。該系統采用了供熱、供冷兩個循環回路，每個循環回路都由冷凝器、蒸發器和調節閥組成，供冷回路的蒸發器和供熱回路的冷凝器安裝在空氣處理箱內，用于調節向室內供應空氣的溫、濕度。

由冰漿發生器產生的冰漿儲存在蓄冷罐中，然后由泵輸送到供冷回路的冷凝器中，來自蒸發器的制冷劑蒸氣在該冷凝器中冷凝成液體，并利用重力流回到蒸發器中，蒸發冷卻通過空氣處理箱的空氣。

在供熱回路中，由冰漿發生器產生的熱量供給制熱回路中的蒸發器，來自空氣處理箱中冷凝器的制冷劑液體在重力作用下流入蒸發器，在蒸發器中以較高的蒸發溫度氣化吸收來自冰漿發生器產生的熱量，氣化后的制冷劑蒸氣然后進入空氣處理箱中的冷凝器放熱加熱流入的空氣。

如圖6所示為熱回收式冰漿蓄冷空調系統。在蓄冷運行模式時，制冷循環中的風冷冷凝器工作，二元溶液從蓄冷罐被泵送到冰晶發生器，產生的冰晶再輸送到蓄冷罐的底部，在蓄冷罐內冰晶聚集在其上部。供冷運行時，二元的冰漿溶液被送到中間換熱器，將冷量傳遞給來自末端機組的冷媒水；從中間換熱器返回的溫度較高的溶液被噴灑在罐內上部的冰晶上，

圖6熱回收式冰漿蓄冷空調系統[2]

1—冰漿發生器2—蓄冷罐3—循環泵4—換熱器5、6—空調末端機組

7—水冷冷凝器8—風冷冷凝器9—壓縮機10—循環泵11—供冷12—供熱

冰晶溶化后，溶液溫度再下降。在熱回收運行模式時，風冷冷凝器不工作、水冷冷凝器開始工作，水冷冷凝器釋放的熱量傳遞給末端機組，適用于既需要制冷、又需要制熱的多功能建筑。在供熱運行模式時，制冷劑流動換向，原來的風冷冷凝器現在作為蒸發器使用，制冷循環向水冷冷凝器提供熱量，再由水冷冷凝器將熱量傳遞給末端機組。

4冰漿動態特性

在常規的空調系統中，6℃/12℃的供/回水溫度所產生的冷量約為25kJ/kg，這主要是由于水的顯熱容量較小，而采用冰漿作載冷劑可以減小所需要的循環量。

如圖7所示為冰漿與冷水的供冷量比較。冰漿的供冷量是隨著冰晶的濃度而變化的，如當冰晶的濃度為20%、冰晶的供/回水溫度為0℃/13℃時，其冷量比為4.8，則其提供的冷量為120kJ/kg。

如圖8所示為冰漿的壓力降隨速度和冰晶濃度的變化。冰漿的壓力降與其摩擦系數、冰晶流動速度和冰晶濃度有關。在低速流動時，冰漿溶液出現了相分離，冰晶漂浮在通道的上部，這將增加不同濃度冰漿溶液間的壓力降變化。從圖8中可以看出，在低速流動時，不同濃度的冰漿溶液間的壓力降差別變化較大，這是由于低速流動時冰晶漂浮在通道上部，引起冰漿有效流通截面積減小，從而使其流速增加，阻力變化較大；同時通道上部聚集的冰晶也使其摩擦阻力增大。在高速流動時，不同冰漿濃度溶液與冷水之間壓力降差值變化較小，這是由于高速流動使得冰漿溶液成為均勻流動。

圖7冰漿與冷水的供冷量比較圖8冰漿的壓力降隨速度和冰晶濃度的變化

如圖9所示為冰漿溶液的傳熱系數隨其流量和濃度的變化。從圖中可知：傳熱系數是隨著流量的增加而增加、隨著冰漿濃度的增加而減小。這是由于冰漿濃度的增加減小了溶液的擾動，通過換熱器的流動是層流而不是紊流。盡管在較高冰漿濃度下，其傳熱系數下降，但由于微小的冰晶增加了其傳熱表面積，以及具有較大的傳熱溫差，仍然使其具有較高的傳熱量。

圖9冰漿溶液的傳熱系數隨其流量和濃度的變化

5冰漿的其他潛在應用

冰漿溶液除了用于舒適性空調、工業生產過程、食品處理與保存外，還可用于以下方面：

5.1用于管道和換熱器清洗

傳統的清除管道和換熱器污垢臟物的方法常采用機械方法，但對于形狀復雜的換熱器，該方法很難完成去污。采用10%的冰漿溶液能夠完成復雜幾何形狀管道和換熱器的清污工作[4]。

5.2用作冷藏汽車的蓄冷劑

在冷藏汽車的四周保溫夾層空間內充入冰漿溶液，使車廂內保持所要求的溫度，它與普通運輸車輛相比，能保證冷藏食品的新鮮。冰漿的充入和更換可在專門的充冷站進行。

5.3用作滅火劑

現有的滅火裝置和噴嘴仍然可以輸送濃度為30%的冰漿溶液，采用冰漿溶液滅火可以使滅火時間減少一半，同時使室內溫度急劇降低。與水相比，采用冰漿滅火所需的量較少[5]。

6結論

動態冰漿由于具有蓄冷密度大、流動性和傳熱性能好等優點，現已被用于蓄冷空調系統中用于用電負荷的“移峰填谷”，還有用于工業處理過程和食品工程領域中。隨著對動態冰漿技術的深入研究，其設備成本將降低、運行效率將提高，潛在的應用領域將進一步擴大，動態冰漿是一種非常實用的新技術。

參考文獻

[1]I.Bellas,S.A.Tassou.Presentandfutureapplicationsoficeslurries.InternationalJournalofRefrigeration,2005,28(1):115-121

[2]M.J.Wang,N.Kusumoto.Iceslurrybasedthermalstorageinmultifunctionalbuildings.HeatandMassTransfer,2001,37:597-604

[3]H.T.Shin,Y.P.Lee,J.Jurng.Spherical-shapediceparticleproductionbysprayingwaterinavacuumchamber.AppliedThermalEngineering,2000,20:439-454

[4]J.Quarini.Ice-piggingtoreduceandremovefoulingandtoachieveclean-in-place.AppliedThermalEngineering,2002,22:747-753

[5]A.R.Lowes.Fire-fightingapparatusandamethodoffightingfire.UKPatentApplication0206813.8,2002