真空喷雾法制取冰浆的理论分析研究

　　1 前言

　　冰浆，也称流态冰或二元冰，是一种含有冰晶悬浮粒子的水溶液，其冰晶粒子的直径不超过1mm。冰浆具有巨大的相变潜热和低温显热，同时具有很好的流动性能和传热性能[1，2]。由于上述优点，流态冰已经较为广泛地应用在商业和工业、建筑、医疗冷却、矿井冷却、消防等领域等。

　　目前制取冰浆主要的方法有过冷水法、直接接触法、刮削法、流化床法、真空法等。真空法采用在真空容器中喷射雾化的液态水滴制取冰晶，容器压力维持在溶液冰点温度对应的饱和压力以下，液滴在下降过程中表面不断汽化，吸收的汽化热使得液滴温度逐渐降低，直到达到冰点温度，凝结成小冰晶。冰浆真空制备方式由于不使用 CFC或 HCFC 类制冷剂、热效率高、制备设备结构简单及操作方便的优势，是一种安全、清洁、高效的制取冰浆的方式。

　　国内外研究者已对真空喷雾法制取冰浆进行了研究。文献[3]针对单个液滴的蒸发现象，建立了冰晶形成过程的数学模型，并对双喷嘴和单喷嘴的液滴冰浆生成过程进行了分析; 文献[4]研究了温度对低压下纯水液滴结冰过程的影响，并对过冷现象进行了讨论; 文献[5]采用 7wt% 乙二醇溶液喷射制冰，在实验条件下得到了 300μm的球状冰晶颗粒。文献[6]利用闪蒸器内冰晶形成过程的数学模型，分析了初始速度、闪蒸器内蒸气压、水滴直径等因素对结冰率的影响，认为减少水滴直径是提高结冰率的有效方法。文献[7]利用实验方法研究了低压下液滴温度变化与环境之间的关系; 文献[8]进一步研究了低压闪蒸液滴内部形态和温度的关系，描述了液滴闪蒸过程中的各种形态变化，给出了稳态闪蒸和稳态结冰过程中环境压力和初始温度对温度变化的影响。文献[9]对国内外真空环境下冰晶形成过程的理论和实验研究进行了分析，并改进了描述水滴表面温度与时间关系的数学模型。

　　由于真空喷雾制取冰浆的研究起步不久，无论在理论模型还是制取方法方面都还不是很完善。本文利用扩散控制蒸发模型结合液滴与固体的碰撞理论，来分析真空喷雾法制取冰浆时冰晶的形成条件，并对液滴在上喷、下喷及平喷三种不同喷雾方式下，闪蒸器的尺寸进行分析和比较，为真空喷雾制取冰浆提供理论基础。

　　2 理论模型

　　2. 1 喷雾制取冰浆的方式

　　本文讨论真空喷雾法制取冰浆，除了传统方法，即液滴在闪蒸器内下喷( 由上朝下喷射，如图1( a) )外，还分别讨论另两种喷雾方式，即上喷( 由下朝上喷，见图 1( b) ) 和水平喷( 液滴水平喷射，见图 1( c) ) 。