冰漿在蓄冰池中的貯存與融化研究進展

馬春紅 青春耀 宋文吉 黃 沖 何世輝 馮自平

(1中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640)

(2中國科學院研究生院 北京 100039)

1 引 言

冰漿是一種冰水混合物，又稱流體冰、二元冰、可泵送冰。其概念在中外文獻中尚沒有完整而準確的定義，其中瑞士Egolf［1］的定義較為精準地描述了冰漿的基本特征:由液態(tài)水和具有平均特征直徑不超過1mm冰晶粒子組成的漿狀混合物。

冰漿含有高密度潛熱冰晶粒子，故而在蓄能方面被廣泛利用;因其具有流動性，因此其換熱性能較好，釋冷速率較高，在食品、建筑、醫(yī)療等行業(yè)被廣泛應用。因此，冰漿成為國內(nèi)外學者專家的研究熱點。許多學者對冰漿的制備、流動、傳熱、壓降作了深入細致的研究，得出了不少有意義的結果;而關于蓄冰池中冰漿的貯存及融化特性相關的理論及實驗研究相對較少。冰漿在蓄冰池中貯存呈現(xiàn)不均勻性，故蓄冰池的利用率降低;同時融化取冷時會產(chǎn)生“溝道“效應［2］，進而使融冰釋冷量不能持久滿足末端負荷的要求。本文分析總結了蓄冰池內(nèi)冰漿貯存與釋冷特性的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)實驗得出了定性的結論。

2 冰漿貯存研究

冰漿貯存，是冰漿得以應用于各行業(yè)的基礎，特別在動態(tài)冰蓄冷的研究中。冰漿的貯存主要是研究冰漿在蓄冰池中貯存過程、貯存時冰晶變化物理機理及蓄冰池貯存效率優(yōu)化等。

2.1 冰漿貯存的機理與實驗研究

圖1為冰漿含冰率(IPF值)分別為25%、50%時冰漿在蓄冰池中貯存狀態(tài)。由圖1可知，在無攪拌的情況下，冰漿并非勻質貯存，冰晶粒子上浮，分布不均勻。同時，冰漿在生成后到利用之前的這段時間，由于融化再結晶的原因而使其中的冰晶粒子不斷板結，因此工程應用中多考慮在蓄冰池中加攪拌裝置。這樣不僅增加了成本，而且攪拌功轉化為熱，增加了冰漿的冷量損失。P.Pronka［3］等人從結晶動力學方面對冰漿貯存時的物理機理進行分析，認為冰漿貯存時冰晶受磨損、團聚和Ostwald熟化影響而引起冰晶粒子分布發(fā)生變化。他們的實驗表明冰漿在氯化鈉、乙二醇、乙醇、丙二醇溶液中貯存時冰晶大小會隨時間變化而增長，而Ostwald熟化效應是使冰晶粒子直徑增大的主要原因;增加溶液濃度能顯著的降低熟化率;溶液類型不同對熟化率的影響也不同，質量濃度10%蔗糖溶液相比10%乙醇溶液熟化速率更大。K.Hayashi［4］等人開發(fā)了一種利用電導率差測量冰漿貯存時團聚率的方法，該方法對影響冰晶粒子粒徑分布的團聚現(xiàn)象作出定量的評定。

圖1 不同IPF時冰漿貯存狀態(tài)Fig.1 Storage status of ice slurry at different IPF

在冰漿貯存的實際過程中，冰晶粒子往往粘結在蓄冰池的壁面上或相互粘結成團，造成在釋冷時冰不能完全融化，而且釋冷速度慢。Koji Matsumoto［5－6］等人提出了利用水－油混合攪拌生成冰漿來解決這一問題。原理是當混合物在容器中攪拌時，油由于摩擦帶電，如果容器可以吸引帶電的油，那么阻止冰粘結到壁面上就可以實現(xiàn)。如圖2所示，Koji Matsumoto通過實驗詳細分析了蓄冰容器中施加常壓電場電壓對帶電油特性的影響:當油水混合物中含水量50%時，電壓在30 V到200 V伏即可使油吸附到壁面上;當含水量70%時這一效果明顯減弱。這一方法的優(yōu)點是采用硅硐油作為添加劑后，冰漿在貯存時冰晶分布較均勻，并且能夠不粘結到壁面;缺點是要使用添加劑且需要攪拌，而工程應用中對蓄冰池施加電場也不易實現(xiàn)。

圖2 冰在油水之間生成Fig.2 Ice’s formation between oil and water

2.2 冰漿貯存模型研究

在冰漿的貯存模型方面，Gute GD［7］等人開發(fā)了一套計算程序ICEPAC用于計算冰在長方體蓄冰池中堆積的形狀。采用的模型從其它物質得到，如沙從一個平面正上方一個點出口流出堆積形成一個圓錐狀物出發(fā)，考慮水的浮力，使用了一些經(jīng)驗計算公式，最終模型能夠計算4個出冰口時堆積冰的形狀。并且該程序可以用來計算對給定蓄冷量，蓄冰池的最小容積、確定蓄冰池中所蓄顯熱、潛熱量等參數(shù);該程序應用于制冰機和蓄冰池一體，制得的冰是柱狀顆粒物的情況。

Yoshiyuki［8］，Masayuki［9－10］等人對過冷水生成的冰漿在圓柱形蓄冰池中的貯存特性作了實驗及物理模型的詳細的探討。冰漿貯存過程實際上是冰晶粒子逐漸上浮并堆積形成一個“富冰層”的過程，兩位學者使用了相同的模型，認為富冰層形成了一個在一段時間內(nèi)結構不變的多孔介質體，冰堆積的過程中冰漿中的水在多孔介質體中滲流，模型示意圖如圖3所示。

圖3 冰漿貯存富冰層形成過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of ice rich layer formation during ice slurry storage

以此模型計算出的結果分別與冰漿流量為0.33 kg/s、0.92 kg/s時的實驗結果比較吻合。該模型結果可用來設計冰漿貯存時的流量、出流口的數(shù)量及空間布置情況，對蓄冰池設計有很大幫助。

Masahiko Yamada［11］等人從熱平衡的角度對冰漿冷量貯存的特性加以模擬，假設蓄冰池中冰漿是均勻分布，得出了冰漿貯存時間及貯存冰漿的IPF對整個冰蓄冷系統(tǒng)性能的影響;Huei-Jiunn Chen［12］等人探索了在最小生存周期成本和最小蓄冰池效率下，冰蓄冷空調系統(tǒng)的優(yōu)化，使用數(shù)值程序模擬，系統(tǒng)優(yōu)化分析，獲得制冷機和蓄冰池容量的最優(yōu)值。該物理模型將蓄冰池簡化為換熱器，冰漿在其中貯存與環(huán)境換熱，得出蓄冰池的效率;結合其它條件，分析得出蓄冰池容量最優(yōu)值。

以上學者從冰漿貯存物理機理、加入添加劑、分析貯存物理模型等方面解決冰漿貯存分布不均、長期貯存的問題，取得了一定的成果。目前的研究結論對冰漿貯存物理機理有較為深入的認識，冰漿貯存模型往往以簡化的模型為主，對蓄冰池中冰漿的貯存過程的研究較少。從現(xiàn)有的研究趨勢來看，深入剖析蓄冰池內(nèi)冰漿貯存的模型，得出相應貯存規(guī)律，從而解決上述問題是以后冰漿貯存研究的重要內(nèi)容。因此研究針對:進入蓄冰池的冰漿流量;進入蓄冰池的冰漿固相含量;蓄冰池內(nèi)初始液面高度;進入蓄冰池的布水管設置，4個參數(shù)對冰漿貯存動態(tài)特性的影響采用照像法，并結合圖形處理做了相應的實驗研究，得到了如圖4所示的實驗結果，限于篇幅，僅給出了不同流量下富冰層時變的堆積過程的實驗結果，對實驗結果的分析認為:

(1)冰漿在貯存過程中會形成富冰層，其形狀隨時間變化但基本呈現(xiàn)向入口流速方向凸起的圓弧狀。

(2)富冰層的形成受到入口冰漿流速、入口冰漿固相含量、初始液面高度及出冰方式的影響，其中出冰方式對富冰層的影響程度最弱。

(3)增大入口冰漿流速不利于富冰層在蓄冰槽中心的堆積，但有利于增加富冰層的均勻程度。

(4)減小固相含量同樣不利于富冰層在蓄冰槽中心的堆積而且最終堆積的富冰層均勻程度會因此降低。

(5)初始液面高度減小有助于富冰層初始階段在蓄冰槽中心的堆積，但最終堆積的富冰層均勻程度卻幾乎不受此參數(shù)影響。

圖4 不同流量下富冰層時變的堆積過程Fig.4 Piling process of ice rich layer at different flow rates

3 冰漿融化釋冷研究

冰漿融化一般分為間接融化和直接接觸式融化兩種。許多學者對前者，冰漿在換熱器［13］及管道［14］及容器［15］中流動融化的過程作了實驗和理論研究，得出了較為一致的結論。而后者的研究則相對較少，對冰漿在蓄冰池中的取冷融化過程及相應模型的研究則更少。

Shigeo Aoyama［16］等人對容器中鼓入熱空氣時的冰漿融化特性作了實驗研究，得到一些的關于溫度效率、除濕效率和融化完成時間的經(jīng)驗關系式。

文獻［17］實驗研究了冰在蓄冰池中融化的特性。測量了方體、小石子及粒子類型的冰容積傳熱速率及融化持續(xù)的時間，指出循環(huán)熱水的流動速率是影響傳熱速率的主要因素。文獻［18］數(shù)值模擬了長方體池中冰粒子(平均直徑22.23 mm，高25.4 mm圓柱狀冰顆粒)融化過程并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比;在修改了一個三維的時間隱式歐拉有限差分格式的流體動力學開源程序MSOLA基礎上開發(fā)了程序MELTCONTROL，分析了冰填充的表面形狀，兩種不同進口融化水分布—均勻分布和按蓄冰時冰進口分布時的冰層中融化水流的分布、出口水溫變化，融化持續(xù)時間;給出了保持出口水溫為0℃的條件。文獻［9－11］給出了一個假設在圓柱形蓄冰池內(nèi)貯存的冰漿均勻分布的一維融化模型，模型計算出的蓄冰池出水溫度與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

當貯存在容器中的冰層融化時，分布在冰層上方的進口水流易于形成一個通道貫穿冰層。一旦這一通道形成，水流將聚集在此通道，進一步增大通道的尺寸，因此阻止了冰層均勻融化及有效利用貯存冷量，這種現(xiàn)象本文稱之為“溝道”效應。Okada M［2］等人測量和分析了在不同水流分布條件下的上述通道的形成過程。Chaedong Kang［19］等人研究了水溶液和平均直徑0.2 mm的冰粒子形成冰漿堆積床，在水的直接或間接的噴射下的融化過程。在實驗中也發(fā)現(xiàn)冰層中形成了通道，噴灑在冰層上部的水幾乎不能滲入冰層，而是直接經(jīng)通道流出。Chaedong Kang改變冰的質量、進口溫度、和流率做了一系列融化實驗，最終指出上述冰層融化的兩種機理:水噴射的攪拌擾動使之與冰粒子換熱作用;水在通道中流動與冰粒子的換熱作用。

而在這兩種機理中，前者起到了決定性作用。對上述機理的更為深入的研究有利于掌握貯存冰漿快速、均勻融化釋冷的方法。

由于制取冰漿往往使用含有氯化鈉、乙二醇、乙醇等的二元溶液，因此融化冰漿取冷時也會用到這種二元溶液，對這方面的研究目前還較少，M.Sugawaraa［20］等人數(shù)值和實驗模擬水平平板冰在方形池中氯化鈣溶液上部融化的過程，提出了能近似預測融化速率的二維模型。觀察發(fā)現(xiàn)即使冰和液體之間沒有起始溫度差存在，平板冰融化自發(fā)的使融化前端溫度降低。它們在融化實驗過后觀察到粗糙而奇怪的融化前端，見圖5，這被認為是促進冰融化的原因;而在接近融化前端的濃度梯度則是引起復雜隨機對流現(xiàn)象的決定因素。這個發(fā)現(xiàn)對今后研究冰漿二元溶液融化無疑具有很好的啟示作用。

從以上學者的研究結果可以看出，大部分集中在冰或者冰粒(與前文冰漿的概念對應)、板狀冰的融化研究，而蓄冰池中冰漿融化是與冰的顆粒大小、貯存時浮在水面上的冰及浸入水中冰的質量及形狀，融化水的溫度、流量、進口水管的幾何尺寸及布置等參數(shù)相關的復雜過程，目前特別是近幾年對其研究沒有過多的研究。

圖 5粗糙的類似鯊魚皮的融化前端Fig.5 Rough melting front end similar to shark’s skin

4 結 論

綜上所述，冰漿蓄冷貯存與融化取冷是一個綜合流體流動、滲流、冰晶物理變化及傳熱傳質的過程，相關研究較少。在冰漿貯存方面，前人和本文作者實驗研究的結果表明:使用高濃度的二元溶液、蓄冰時進口冰漿采用高濃度或較高的流量都可以使冰漿達到較為均勻的貯存狀態(tài)，從而提高蓄冰池的利用率;在冰漿融化取冷方面，增大融冰溶液的流量，增加擾動，均勻噴撒溶液，盡量避免“溝道”效應的出現(xiàn)是實現(xiàn)快速，均勻融冰有效手段。雖然研究者對之做了一定的工作，取得了一定的成果，但鑒于上述問題的復雜性，對問題實質性的解決尚有很大欠缺，以下幾個方面亟待研究:

(1)針對貯存時冰晶粒子團聚現(xiàn)象，分析研究其中的機理，尋求減少團聚現(xiàn)象發(fā)生的方法;

(2)對不同幾何形狀蓄冰池內(nèi)冰漿貯存過程的數(shù)學模型研究;

(3)實驗及理論研究冰漿融化時產(chǎn)生通道效應的機理，建立模型，分析其對融冰速率的影響;

(4)對二元混合溶液融化冰漿的研究，分析溶液濃度對融化的影響;

(5)綜合考慮各種因素，建立理想的冰漿融化過程的數(shù)學模型，對之進行數(shù)值模擬研究。

1 Peter W，Egolf M K.From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications［J］.International Journal of Refrigeration，2005，28:4-12.

2 Okada M，Ohta I H K.Melting process of packed beds of ice particles by water flow［C］.Proc of the.ASME/JSME Thermal Engineering Joint Conference，1991:327-333.

3 Pronka P T M H，Infante Ferreira CA，et al.Time-dependent behavior of different ice slurries during storage［J］.International Journal of Refrigeration，2005.28:27-36.

4 Hayashi K，K E K.A method for measuring ice slurry particle agglomeration in storage tanks［J］.ASHRAE Transactions，2001.106:117-123.

5 Koji Matsumotoa，Tetsuo Kawagoe MO.Ice storage system with wateroil mixture formation of suspension with high IPF［J］.International Journal of Refrigeration，2000.23:336-344.

6 Koji Matsumotoa，H S.Study on prevention of ice adhesion to cooling wall due to voltage impression in ice storage-discussion on possibility of attraction of oil to wall［J］.International Journal of Refrigeration，2006.29:142-149.

7 Gute G D S W，Chandrasekharan J，Saunders CK.Modeling the icefilling process of rectangular thermal energy storage tanks with multiple ice makers［J］.ASHRAE Transactions:Research，1995.101(1):56-65.

8 Yoshiyuki Kozawa N A，Masayuki Tanino.Study on ice storing characteristics in dynamic-type ice storage system by using supercooled water.Effects of the supplying conditions of ice-slurry at deployment to district heating and cooling system［J］.International Journal of Refrigeration，2004.

9 Masayuki Tanino Y K.Ice-water two-phase flow behavior in ice heat storage system.International Journal of Refrigeration，2001.24:639-651.

10 Tanino M K Y，Hijikata K，Nakabeppu O.Prediction of ice storage process in dynamic-type ice storage system.10th Int Conf on Thermal Eng and Thermogrammetry，1997:321-326.

11 Masahiko Yamada S F，Tsuyoshi Kawanami.Performance analysis on the liquid-ice thermal storage system for optimum operation.International Journal of Refrigeration，2002.25:267-277.

12 Chen Huei-Jiunn，D W P W，Chen Sihli.Optimization of an ice-storage air conditioning system using dynamic programming method［J］.Applied Thermal Engineering，2005.25:461-472.

13 Stamatiou E.Experimental study of the ice slurry thermalhydraulic characteristics in compact plate heat exchangers［D］.PH.D dissertation，2003.

14 Dong Won Lee，E S Y.Moon Chang Joo，Atul Sharma，Heat transfer characteristics of the ice slurry at melting process in a tube flow［J］.International Journal of Refrigeration，2006.29:451-455.

15 Tsuyoshi Kawanami，S F，Masahiko Yamada，et al.Experiments on melting of slush ice in a horizontal cylindrical capsule［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer 1999，42:2981-2990.

16 Shigeo Aoyama，H I.Melting characteristics of ice water slurry by warm air bubbling［J］.Int.J.Therm.Sci.，2001.40:724-737.

17 Yanadori M T Y，Kobori H.Fundamental study of the melting process of crushed ice in a heat storage container［J］.Heat Transfer-Asian Research，1999.28(7):583-596.

18 Stewart W E G G，Chandrasekharan J，Saunders C K.Modeling of the melting process of ice stores in rectangular thermal energy storage tanks with multiple ice openings［J］.ASHRAE Transactions:Research，1995.101(1):66-78.

19 Chaedong Kang，S Y，Masashi Okada.Non-uniform melting in packed beds of fine ice slurry International Journal of Refrigeration［J］，2001.24:338-347.

20 M.Sugawaraa，T F I.The effect of concentration gradient on the melting of a horizontal ice plate from above［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2000.42:1591-1601.