冰浆生成器中抑制冰粘附的研究

　　1 引 言

　　冰浆是指含有微小冰晶粒子的固液两相悬浮溶液，通常这些冰晶粒子的的直径为几十到几百微米。工业上，溶液中常含有氯化钠、乙醇、乙二醇、丙二醇、防冻剂等添加剂，有助于冰浆的制造、运输、储存和应用。冰浆易流动，有高冷却效率和高密度能量储存特性，在冷却过程中能保持持续低温[1]。冰浆广泛应用于舒适性空调、运输冷藏、食物处理和冷藏、医疗和药物处理、消防灭火、能量储存等领域[1-3]。将冰浆用于蓄冷，在用电低峰时制取冰浆储存能量，用电高峰时释冷使用，有效缓解电力负荷，有巨大社会经济效益。

　　冰晶易粘附在低温金属壁面[4]，采用间壁式冰浆生成器生成冰浆时，冰晶在壁面的粘附会增加流动阻力，降低传热效率[5]。同时，冰晶会在壁面生长，越来越多的冰晶在粘聚力的作用下发生聚集等变化，如果不及时除去，有可能块，甚至造成冰堵[6]。冰浆技术中希望冰浆生成器能在高传热率下生成合适尺寸的冰晶，且没有冰粘附在换热壁面[4]。现有冰移除方法主要是刮削法和流化床法，这2 种除冰方法存在机械运动，不仅耗能，而且易损坏制冰系统[7]。发展高效、稳定的冰移除方法，有助于进一步提高冰浆制取效率。理想的除冰方法希望降低冰晶在壁面的粘附强度，仅依靠水流的作用力移除换热壁面的冰。基于这一目的，本文分析了冰粘附特性，综述冰浆技术中抑制冰粘附技术的发展，最后建立冰浆制取实验装置，采用综合控制制冰溶液和载冷剂流速的方法防止冰在换热壁面的粘附。

　　2 冰晶粘附特性

　　一般可将冰晶粘附机理分为: 共价键或化学键力、范德瓦尔斯力中的色散力和静电作用力。共价键或化学键与界面的化学反应和化合物生成有关，比较其他作用机理而言，这种机理对冰粘附影响较小[8]。范德瓦尔斯力比化学键作用时间更长，其中的色散力被认为是最重要的部分[9]。在冰晶粘附特性的研究中，一般采用色散力来估算粘附强度。单位面积粘附能表示为式( 1)[10]

　　式中 γiw，γsw，γis分别表示冰晶与制冰溶液、壁面与制冰溶液和冰晶与壁面间的的表面能，表面能的大小由它们之间表面张力决定，表面张力与晶体与壁面接触角有关，可以通过测量接触角得出表面张力。

　　采用 Fowkes 方法，假设表面张力由范德瓦尔斯力中的色散力起主要作用，则各界面能可表示为

　　因此单位面积粘附能可由式( 5) 预测

　　式中 γi，γs分别表示冰和溶液的表面张力; γdi、γdw、γds分别表示冰、壁面和溶液的分散力。式( 5) 没有考虑静电力、布运动、壁面粗糙度和冰晶缺陷等因素的的影响。在研究冰晶粘附问题时，采用式( 5) 估算冰晶粘附能，在一定程度上反映了冰晶粘附强度，表明了壁面和溶液表面能对冰晶粘附的影响。