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一种用于冰蓄冷的持续制作冰浆的方法
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b三菱铅笔有限责任公司，东京都品川区大井町5-23-37，邮编140-8537，日本
c青山学院机械工程系，神奈川相模原市渊野町5-10-1，邮编229-8558，日本
d横滨市神奈川区片仓町2-28-3，邮编221-0865，日本
e富山县立大学机械系统工程系，富山县黑川小衫町，邮编939-0398，日本
f春北国立大学机械工程系，金州市达金洞664-14，邮编561-756，韩国
摘 要：本文描述了一种新的持续制作冰浆的方法——将添加了添加剂的油-水混合物组成的功能性流体在搅拌的同时被冷却并转换成冰浆。实验通过改变搅拌器扭矩、盐水温度和过冷度等条件实现。结果阐述了冰的形成和恢复过程的特点。发现随着实验的进行，冰粒逐渐变得大小均匀，且呈球形，并在大约10小时内直径增长了3.5mm。因为预计更大的冰粒会更快融化，所以探讨了影响冰粒尺寸的因素。发现冰粒尺寸会随着过冷度和冷却速率的降低，以及搅拌器翼径的增加而增加。
关键词：冰浆；蓄热；两相混合物；工序；实验研究；两相二次制冷剂
1. 简 介
通过利用夜间电力来替代更昂贵的白天电力，冰蓄冷系统可以实现电力移峰填谷的需求。由于夜间电力的特性，这也减少了CO2气体的排放。因此，冰蓄冷系统的推广可以减少对环境的压力。
作者已经研究了在小容器中通过冷却并搅拌功能性流体形成冰浆的方法[1,2]。流体由10vol.%硅油和90vol.%水，以及少量的硅烷偶联剂组成。基于这次研究，一种适用于冰蓄冷系统的制作方法被提出。这种方法明显优于常规方法。
一种持续制作冰浆的方法已被许多研究者研究[3-5]。但是，没有具体的结果得出。作者也发表了文献[6]——关于在管式换热器中冰浆的持续制取。在现有数据的基础上一种新仪器被建造出来。因为作者考虑了在结冰系统中会遇到的实际情况，所以该模型与以前的模型相比有更大的结冰室。本文结合该装置提出了一种持续制取冰浆的方法。这种方法包括将冰浆从圆柱形冰室中溢出。将溢出的冰浆分离为冰粒和功能性流体，并只回收冰粒。在改变搅拌扭矩和功能性流体供给时间的同时监测回收的冰量。总持续制冰时间在5～10h。讨论了冰的形成和融化特点。通过改变过冷度、功能性流体的冷却速率和搅拌器翼径，提高了冰粒的融化速度。
2. 实验
2.1 持续制冰的方法
通过以前的研究[1,2]开发的功能性流体具有极好的特性。在流体被冻结的时候，很少有冰粘在冷却室壁面上。在很细小的冰点下降时，功能性流体中几乎所有的水都能被冻结，由功能性流体形成的冰颗粒长期处于分散状态。
在本文中，使用这种功能性流体持续制冰浆的方法得以实现。为了利用之前实验中得到的数据，我们采用了一种直接浸泡在冷盐水中的圆柱形容器，在该容器中搅拌的方法。这种圆柱形容器被称为制冰室。容器中的冰浆液位通过功能性流体的间歇流入而升高。随后，冰浆溢出并从容器中排出，将所形成的冰粒从容器中除去，可降低搅拌功率。将冰浆分离成冰粒和回收室内的功能性流体。仅将功能性流体再循环回容器中即可实现连续的冰形成。从而，在回收过程中发现，容器中的固-液比在制冰过程中，根据冰浆搅拌扭矩的变化来测量制冰量的变化。
2.2 实验仪器
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图1 (a)实验仪器，(b)搅拌翼 |
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实验仪器如图1（a）所示。制冰部分由一个圆柱形的制冰室和一个供冷盐水循环的冷却装置组成。结冰室是由聚乙烯材料制成。结冰室的内径、高度、厚度和传热面积分别为300mm、310mm、2.3mm、0.203m2。结冰室内的功能性流体通过磁力泵循环冷盐水冷却。在制冰室底部上方150mm处有一个用于排出冰浆的出口，出口内径为40mm，附着角为10°。搅拌翼如图1(b)所示。在制冰的过程中使用的搅拌器翼径为208mm，搅拌翼高度为200mm，设定的速度为10r/min。结冰室中的流体的最大体积不搅拌时为10L。但在以120r/min搅拌流体时，这个值会下降到6.7L。这是因为一部分流体由于搅拌的原因被挤向出口。6.7L被认为是液体的内体积。通过控制加热器和手持式冷却器将制冰室内的温度维持在-1℃左右。温度略高于初始浓度下的功能性流体的冰点。通过功能性流体的间歇流入，使制冰室内的功能性液位升高，随后冰浆通过出口溢出。回收室中由尼龙网（目数为34）制成的袋子通过从功能性流体中过滤出冰浆中的冰粒来回收冰粒。分离出来的液体回到预冷室。仪器被放置在环境温度低于0℃的冷室。结冰室内功能性流体的温度依靠铂电阻温度计测量，而预冷室内的功能性流体与盐水的温度和冷室的环境温度是靠T型热电偶来测量的。制冰过程中冰浆的搅拌力矩是依靠安装在搅拌器轴上的扭矩计测量的。
2.3 实验程序
功能性流体是由30L的水、体积比为90%的水油混合物和少量的硅烷偶联剂组成。像gamma;-氨基丙基氧基硅烷这些硅烷偶联剂的浓度是水占4%。初始浓度的功能性流体的冰点为-1.2℃。制冰室内的功能性流体的冻结是通过循环温度控制的冷盐水开始的。功能性流体的过冷度是通过向制冰室内的功能性流体中注入1mL冰颗粒来控制的。利用初步实验得到的IPF（蓄冰率）与搅拌扭矩的关系，通过在结冰过程中测量转矩可以间接测出结冰室内的IPF值。一旦扭矩达到目标值，在规定的时间内，以75mL/s的固定流速将功能性流体送入结冰室，同时回收从冰浆中分离出的冰粒。每次恢复运行结束时，扭矩再次达到目标值，紧接着开始下一次回收。从功能性流体中回收的冰颗粒在冷室中放置60min。利用数码相机对回收的冰粒进行拍摄，测量其质量，并在不同的目标扭矩和功能性流体供给时间下重复实验。
3. 结果和讨论
3.1 冰的形成和冰的回收特性
实验条件如下所示：盐水温度为-7.0℃；功能性流体的固定流速为75mL/s，功能性流体的过冷度∆T为0.1℃；目标转矩为0.100Nm、0.150Nm和0.200Nm，供应时间为20s、40s和80s。供应时间为80s时，供应的功能性流体的总体积为6000mL，这大约相当于结冰室内功能性流体的初始体积（6700mL）。
在这些实验条件下，冰制冷持续进行300min。为了在300min的恢复期后找出制冰室和管道中的剩余冰量，向成冰室注入规定体积（75mL/stimes;360s）的功能性流体，并恢复剩余冰。实验每个条件至少重复两次来验证重复性。
制冰室中搅拌扭矩和冰浆温度随时间的变化如图2(a)所示。独立变量是供给时间。固定目标扭矩是0.150Nm。粗实线和平实线分别表示温度和扭矩。水平轴代表超冷溶解后的时间。随着结冰的形成，冰浆的搅拌力矩增加，冰温下降。当达到目标值时，功能性流体被输送给制冰室，并且制冰室内的冰浆从制冰室出口排出。由于冰液比减小，扭矩降低。同时，从预冷室引入-1.0℃得功能性流体时，冰浆温度降低。当功能性流体停止流入后，由于结冰，扭矩增加、温度降低。在溶解冷却液后，此过程重复300min。
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图2 (a)搅拌扭矩和冰浆温度随时间的变化（目标扭矩为0.150Nm），（b）每一次冰的回收时间与冰回收量的关系 |
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如图2(a)所示，在过冷结束后，扭矩和温度在扭矩第一次达到目标值之前的时间变化在所有供应时间内几乎相同；在这一点之后，各图表看起来各不相同。在供应时间为80s的情况下，由于冰浆排出量大，结冰室固液比变化大，再次达到目标值需要大约60min；而在供应时间为20s的情况下，由于冰浆排出量较小，约需15min。当供给时间为4倍时，恢复时间为原来的4倍。当供给时间较长时，目标扭矩为0.100Nm和0.200Nm的条件下，恢复时间的变化趋于相似，由于用预冷室新鲜的功能性流体代替了大量的结冰室内的功能性流体，使得结冰室内的功能性流体温度有较大幅度的提高。
图2（b）给出了每次恢复运行的结束时间与图2（a）中对应的恢复冰量之间的关系。图2（b）的结果表明，在各供应期内的回收冰量基本稳定，即20s、40s、60s和80s时间点所示。在80s的情况下，单个回收过程中的平均覆冰量约为740g。60s、40s和20s的相应值分别约为600g、400g和200g。供应时间与60s以下的回收冰量成正比。然而，在80s的补给时间内，这种关系不再是线性的。对于较长的供应时间，单个回收运行中回收的冰量较高，但每个实验的回收运行次数较低。在20s的供应时间[由图2（b）中的符号O表示]时，在270min左右几乎没有恢复冰，而在290min左右的值几乎是其它恢复运行值的两倍。原因如下：270min排放的冰大部分停留在出口处，原因是出口的附着角较低，供应的功能性流体量较小。在下一次恢复运行（即290min）中恢复滞冰。无论其它条件如何，只要供应时间设置为20s，就会观察到相同的趋势。在所有条件下，第一次回收的冰量都低于随后的回收量。原因如下：由于第一次恢复开始时的冰浆液位比冰形成开始时的低，因此认为在提高液位时消耗了部分供应的功能性流体。因此，冰浆排放量减少。
制冰室中冰浆的搅拌扭矩和温度随时间的变化如图3（a）所示。这种情况下的变量是目标扭矩。供应时间固定在40s。对于0.100Nm、0.150Nm和0.200Nm的目标扭矩，第一次恢复所用的时间分别约为60min、100min和120min。每次恢复运行的结束时间与对应于图3（a）的恢复冰量之间的关系如图3（b）所示。图3（b）表明，在所有情况下，每次回收过程中回收的冰量几乎是稳定的。在0.200Nm的扭矩下回收的冰量大约是在0.100Nm的扭矩下回收的冰量的两倍。然而，在0.150Nm和0.200Nm的情况下，恢复冰量的差异非常小。
目标扭矩的差异意味着形成的冰量的差异。因此，当所提供的功能性流体的量恒定时，所排出的冰浆中的冰量将随着目标扭矩的变化而变化。单个恢复运行中恢复的冰量随目标扭矩的增加而增加，随着单个恢复运行中恢复的冰量的增加，每个实验的恢复运行次数减少，因为每次恢复运行中，扭矩达到目标值所需的时间更长。
测量了300min内回收的平均总冰量（总计I）和300min后在制冰室和管道中的平均剩余冰量。总计I加上平均剩余量称为总计Il。图4显示了总计I和总计II。
图4显示，对于20s到80s的供应时间，总计I和总计II的值几乎不依赖于供应时间。总计I随目标扭矩的减小而增大。这是由于在0.100Nm的目标扭矩下，冰的总恢复时间和功能性流体的总供给量的影响，第一次恢复在过冷溶解后约55min开始，而0.150Nm和0.200Nm的相应数值分别约为100min和120min。100Nm的时间比0.200Nm的时间长约65min，在0.100Nm、0.150Nm和0.200Nm的目标扭矩下，向制冰室提供的功能性液体总量分别为44.4L、22.1L和17.6L，在0.100Nm的情况下，可观察到最大的冰回收量。这是由于实际情况下恢复消耗了大量时间导致了功能性流体的供给量是最大的。
总计I和总计II值之间的差异代表了在300min恢复期间在结冰室和管道中未覆盖的冰的重新形成。如果差异较小，则表明在0.100Nm的目标扭矩下恢复性能最好。
图3 (a)搅拌扭矩和冰浆温度随时间的变化（供应时间为40s），（b）每次回收运行的时间与回收冰量之间的关系。
3.2 关于供应时间和目标扭矩的讨论
关于回收时间的讨论有助于定义回收速率RS(g/min)：
(1)
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式中： |
n |
—— |
回收次数； |
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—— |
第i次回收运行期间的回收的冰量； |
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—— |
第i次回收运行所需时间。 |
从第二次运行到第（n-1）次运行的回收冰量定义如下：第一次回收运行不包括在内。这是因为由于功能性液体的液位下降，所以在该运行期间回收的冰量始终低于随后的运行期间。如果扭矩未达到目标值，则第n次运行也被排除。这是因为一旦总恢复时间达到300min，恢复就会停止。基于公式（1）的计算表明，在给定的目标转矩下，RS几乎不依赖于供给时间。在0.100Nm、0.150Nm和0.200 Nm下的RS平均值分别为14.42g/min、13.22g/min和12.54g/min。
图4 回收的冰的总数量与供应时间的关系
基于这些RS值可以估算利用夜间电力在10h内回收的冰的总量。结果如图5所示。图5中的水平虚线标志着在结
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