尿素溶液制备冰浆的流动特性研究

张盛世 赵彦杰 李兆宁

(1 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室 天津 300350； 2 天津大学机械工程学院 天津 300350)

冰浆是指某类盐溶液和冰晶粒子的共晶混合物，是一种呈泥浆状的悬浮液。它具有良好的流动特性和较高的能量密度，既可作为相变冷库材料，又可作为第二制冷剂来输送冷能。在空调系统、食品加工、冷藏运输、医药等领域应用广泛[1]。

冰浆通常由盐溶液而非纯水制取产生。溶液中溶质的不同可以改变冰点温度，降低结冰附着力并减小冰的粒径。低浓度溶液的凝固点降低规律遵循溶液的“依数性”原则。溶液在冻结过程中溶质发生迁移，因此在固液两相区，可以观测到固相区中包含大量的小冰粒[2]，而且溶液中溶质的化学键具有阻止冰晶生长的作用[3]。所以冰层附着力低，生成的冰浆更加均匀，抑制了冰堵的发生和换热的恶化。溶液中常见的溶质主要有氯化钠、乙醇、乙二醇和丙二醇等。

在设计热能存储系统之前，首先应重点了解冰浆的流动特性。冰浆作为固液两相流体，流动特性复杂，受多种因素影响，包括溶质变化、溶液浓度、流速、管道尺寸和含冰率(ice packing factor, IPF)等。国内外对冰浆的研究已有20多年的历史，其中冰浆的流动特性已得到了广泛的研究和应用。Tian Qiqi等[4]提出了3种管内冰浆的流动模式：悬浮流、移动床流和固定床流。悬浮流在高流动速率下发生，冰粒完全悬浮并均匀分布。移动床流在较低的流动速率下发生，流动过程中浆体被分为两层，顶层为移动床层，而底层仍然是非均质流层。……