CN113048682A

CN113048682A - 一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法

Info

Publication number: CN113048682A
Application number: CN202110342005.2A
Authority: CN
Inventors: 刘曦; 李月玲; 俞凯鸿; 李学来
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-06-29

Abstract

本发明提出一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，所述方法把用于制备冰浆的溶液置于容器内并使溶液温度达到过冷态，然后以同频率的超声波对溶液进行多次功率不同的辐照，使溶液生成冰浆；本发明提供了以超声场促进过冷溶液发生结晶的方法，通过设置合理的超声场，使水溶液在低过冷度下迅速生成冰晶，降低过冷却器的能耗，避免因结晶不完全和生成冰晶颗粒过大导致的冰堵问题。

Description

一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法

技术领域

本发明涉及过冷水法制冰浆技术领域，尤其是一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法。

背景技术

冰浆作为安全可循环利用且高效的换热介质，广泛应用于蓄冷、载冷、食品预冷保鲜、临床医学、仪器的冷却清洁、液体研磨等领域。近年来，利用电网低压期制取冰浆再经电网高压期将其冷量释放至建筑供冷区域的冰蓄冷技术被证明是缓解电网压力的有效方法。如何高效制取冰浆是这一技术得以大规模工程应用的基础。

过冷水法制冰技术是利用过冷却器将水降到一定温度，经管道运输至过冷解除装置，利用外力场解除过冷，从而制得冰浆。水处于过冷态时物理性质极不稳定，发生相变的随机性很大，故过冷却器易发生冰堵。为了避免冰堵现象的发生，最有效的方式就是降低过冷却器出口的过冷度，但传统的冲刷等过冷解除方式难以完全解除低过冷度水的过冷态，且解除过冷后生成冰晶颗粒较粗大，故如何在低过冷度下利用外力场快速解除过冷从而获得较小尺寸冰晶颗粒是这一技术的核心内容。

超声场的施加能在一定程度上降低成核过冷度并促进小颗粒冰晶生成，因此，将超声场应用于过冷溶液结晶领域有利于进一步发展过冷水法制冰浆技术。

影响超声场中过冷解除效率的主要有超声功率、超声频率及超声辐照时间三种参数。

其中，施加到制冰溶液中的超声能量受超声功率和超声频率的共同影响，过低的超声功率和过高的超声频率在液体中传播时所引起的空化阈值都不足以形成空化气泡或气泡在一个振荡周期内不足以发生崩溃，而超声场中空化气泡的形成、振荡生长、崩溃等一系列过程是影响成核及成核后冰晶粒径的主要原因。此外，超声辐照时间的长短不仅会影响传入制冰溶液中超声能量的大小，也会带来不同程度的热效应。辐照时间过短，可能不足以促进成核；辐照时间过长则会造成较强的热效应，并阻碍成核的发生或将生成的冰晶颗粒再次融化。因此，必须合理设置超声场，提高促晶效率。

发明内容

本发明提出一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，提供了以超声场促进过冷溶液发生结晶的方法，通过设置合理的超声场，使水溶液在低过冷度下迅速生成冰晶，降低过冷却器的能耗，避免因结晶不完全和生成冰晶颗粒过大导致的冰堵问题。

本发明采用以下技术方案。

一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，所述方法把用于制备冰浆的溶液置于容器内并使溶液温度达到过冷态，然后以同频率的超声波对溶液进行多次功率不同的辐照，使溶液生成冰浆。

所述超声波的频率范围为28~40kHz；超声波的辐照功率范围为10~50W。

所述超声波对溶液的辐照次数为两次，相邻两次超声辐照之间按溶液过冷解除时的成核情况来设置时间间隔，每次辐照的时间范围为1~5s。

所述用于制取冰浆的溶液为3wt%氯化钠溶液。

所述方法中，氯化钠溶液温度为-2.8℃，过冷度为1℃；所述时间间隔设置方法为：若溶液在第一次超声辐照期间发生成核，则时间间隔时长为2秒，若溶液在第一次超声辐照期间未发生成核，则不设置时间间隔。

所述方法基于超声法冰浆制取装置进行，所述超声法冰浆制取装置中，用于放置溶液（4）的容器置于恒温冷井（8）的载冷剂（5）中，所述容器下方设有与超声波发生器（11）相连的超声振子（9）。

所述恒温冷井经载冷剂通道与低温恒温槽（7）相通；所述载冷剂通道处设有第一节流阀（6）和第二节流阀（10）。

当溶液接受超声波辐照后，溶液的成核所需过冷度降低从而生成结晶形成冰浆；所述恒温冷井的载冷剂、容器溶液中均置有电阻器件（3）；所述电阻器件通过温度采集器（2）与电脑（1）相连；所述电脑通过控制超声波发生器来控制超声辐照对溶液的施加时刻，以及用于评估容器内溶液成核现象是否发生。

在制备冰浆时，所述电脑通过电阻器件对容器内溶液成核现象进行评估，以判定是否要在相邻的不同功率超声波辐照之间设置时间间隔来优化冰浆内的冰晶颗粒尺寸。

所述溶液静置于容器内。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1. 本发明的超声场设置方法可减小成核对过冷度的依赖，使过冷溶液在低过冷度下结晶，大大减小了过冷却器内发生冰堵的概率且降低了过冷却器能耗。

2. 过冷溶液中施加本发明的超声场设置方法，能在1~5 s内迅速产生冰晶，有效提高了冰浆的制取效率；同时，生成冰晶颗粒较其他方法制得的更细小，改善了冰浆的流动与换热性能。

3. 采用本发明的超声场设置方法，能以较高的概率解除过冷溶液在低过冷度下的过冷态，保证了冰浆制取系统的稳定性。

本发明对冰浆制备过程的材料、温度和超声辐照设置有严格的规定，能让超声辐照在降低溶液成核过冷度时达到最优效果，并细化冰浆中的冰晶颗粒尺寸，因此便于定量化地快速多批次制备高品质冰浆。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明所述超声法冰浆制取装置的示意图；

图中：1-电脑；2-温度采集器；3-电阻器件；4-溶液；5-载冷剂；6-第一节流阀；7-低温恒温槽；8-恒温冷井；9-超声振子；10-第二节流阀；11-超声波发生器。

具体实施方式

如图所示，一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，所述方法把用于制备冰浆的溶液置于容器内并使溶液温度达到过冷态，然后以同频率的超声波对溶液进行多次功率不同的辐照，使溶液生成冰浆。

所述用于制取冰浆的溶液为3wt%氯化钠溶液。

所述方法基于超声法冰浆制取装置进行，所述超声法冰浆制取装置中，用于放置溶液4的容器置于恒温冷井8的载冷剂5中，所述容器下方设有与超声波发生器11相连的超声振子9。

所述恒温冷井经载冷剂通道与低温恒温槽7相通；所述载冷剂通道处设有第一节流阀6和第二节流阀10。

当溶液接受超声波辐照后，溶液的成核所需过冷度降低从而生成结晶形成冰浆；所述恒温冷井的载冷剂、容器溶液中均置有电阻器件3；所述电阻器件通过温度采集器2与电脑1相连；所述电脑通过控制超声波发生器来控制超声辐照对溶液的施加时刻，以及用于评估容器内溶液成核现象是否发生。

所述溶液静置于容器内。

实施例：

实施例1

配制3 wt%氯化钠溶液，体积10 mL。采用附图所示装置制取冰浆：利用铂电阻进行温度监测，以便控制超声的施加和判断成核的发生，当氯化钠溶液温度降至-2.8℃时（其过冷度为1℃），先用超声频率为40 kHz、功率为15 W的超声辐照溶液2 s，再用功率为40 W的超声辐照溶液3 s。超声施加到成核现象发生所用时间为成核时间，实验重复20组。结果表明，超声施加后，氯化钠溶液能在1℃的过冷度下迅速发生结晶，与无超声作用时3 wt%氯化钠溶液的成核过冷度为11.8℃数值相比，超声场可明显降低成核所需过冷度；在20组重复实验中，超声辐照5 s溶液发生结冰的概率高达100%，溶液成核时间为3.2 s，所得冰晶粒径为13.51 μm，与直接用40 kHz、40 W的超声辐照过冷度为1℃的3 wt%氯化钠溶液5 s所得实验结果（溶液结冰概率为95%，成核时间为3.5 s，生成冰晶粒径为15.83 μm）相比，本实施例采用的超声场设置方法使溶液结冰概率提高，成核时间小幅缩短，生成冰晶粒径减小。

实施例2

配制3 wt%氯化钠溶液，体积10 mL。采用附图所示装置制取冰浆：利用铂电阻进行温度监测，以便控制超声的施加和判断成核的发生，当氯化钠溶液温度降至-2.8℃时（其过冷度为1℃），先用超声频率为33 kHz、功率为20 W的超声辐照溶液2 s，再用功率为50 W的超声辐照溶液2 s。超声施加到成核现象发生所用时间为成核时间，实验重复20组。结果表明，超声施加后，氯化钠溶液能在1℃的过冷度下迅速发生结晶，与无超声作用时3 wt%氯化钠溶液的成核过冷度为11.8℃数值相比，超声场可明显降低成核所需过冷度；在20组重复实验中，超声辐照4 s溶液发生结冰的概率为90%，溶液成核时间为3.6 s，所得冰晶粒径为12.47 μm，与直接用33 kHz、50 W的超声辐照过冷度为1℃的3 wt%氯化钠溶液4 s所得实验结果（溶液结冰概率为50%，成核时间为6.3 s，生成冰晶粒径为15.62 μm）相比，本实施例采用的超声场设置方法使溶液结冰概率大幅提高，成核时间显著缩短，生成冰晶粒径也明显减小，有利于提高冰浆制取的高效性和稳定性，同时，也改善了冰浆的流动与换热性能。

实施例3

配制3 wt%氯化钠溶液，体积10 mL。采用附图所示装置制取冰浆：利用铂电阻进行温度监测，以便控制超声的施加和判断成核的发生，当氯化钠溶液温度降至-2.8℃时（其过冷度为1℃），先用超声频率为28 kHz、功率为50 W的超声辐照溶液1 s，再用功率为25 W的超声辐照溶液3 s。超声施加到成核现象发生所用时间为成核时间，实验重复20组。结果表明，超声施加后，氯化钠溶液能在1℃的过冷度下迅速发生结晶，与无超声作用时3 wt%氯化钠溶液的成核过冷度为11.8℃数值相比，超声场可明显降低成核所需过冷度；在20组重复实验中，超声辐照4 s溶液发生结冰的概率高达100%，溶液成核时间为2.6 s，所得冰晶粒径为11.28 μm，与直接用28 kHz、50 W的超声辐照过冷度为1℃的3 wt%氯化钠溶液4 s所得实验结果（溶液结冰概率为75%，成核时间为4.5 s，生成冰晶粒径为15.34 μm）相比，本实施例采用的超声场设置方法使溶液结冰概率明显提高，成核时间显著缩短，生成冰晶粒径大幅减小，显著提高了冰浆制取的高效性和稳定性。此外，本实施例在获得较短成核时间和较小冰晶粒径的同时，也能100%促进溶液结冰，故采用本实施例中的超声场设置方法综合效果最佳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰皆应属本发明的涵盖内容。

优选地，上述实施例中，容器使用狭长的细容器，置于恒温冷井中，超声波振子贴附于恒温冷井底面处，使超声波辐照能籍由恒温冷井腔壁的反射充分覆盖容器，以使超声波对容器的辐照能进一步均匀化。

Claims

1.一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述方法把用于制备冰浆的溶液置于容器内并使溶液温度达到过冷态，然后以同频率的超声波对溶液进行多次功率不同的辐照，使溶液生成冰浆。

2.根据权利要求1所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述超声波的频率范围为28~40kHz；超声波的辐照功率范围为10~50W。

3.根据权利要求2所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述超声波对溶液的辐照次数为两次，相邻两次超声辐照之间按溶液过冷解除时的成核情况来设置时间间隔，每次辐照的时间范围为1~5s。

4.根据权利要求3所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述用于制取冰浆的溶液为3wt%氯化钠溶液。

5.根据权利要求4所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述方法中，氯化钠溶液温度为-2.8℃，过冷度为1℃；所述时间间隔设置方法为：若溶液在第一次超声辐照期间发生成核，则时间间隔时长为2秒，若溶液在第一次超声辐照期间未发生成核，则不设置时间间隔。

6.根据权利要求2所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述方法基于超声法冰浆制取装置进行，所述超声法冰浆制取装置中，用于放置溶液（4）的容器置于恒温冷井（8）的载冷剂中，所述容器下方设有与超声波发生器（11）相连的超声振子（9）。

7.根据权利要求6所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述恒温冷井经载冷剂通道与低温恒温槽（7）相通；所述载冷剂通道处设有第一节流阀（6）和第二节流阀（10）。

8.根据权利要求6所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：当溶液接受超声波辐照后，溶液的成核所需过冷度降低从而生成结晶形成冰浆；所述恒温冷井的载冷剂、容器溶液中均置有电阻器件（3）；所述电阻器件通过温度采集器（2）与电脑相连；所述电脑通过控制超声波发生器来控制超声辐照对溶液的施加时刻，以及用于评估容器内溶液成核现象是否发生。

9.根据权利要求8所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：在制备冰浆时，所述电脑通过电阻器件对容器内溶液成核现象进行评估，以判定是否要在相邻的不同功率超声波辐照之间设置时间间隔来优化冰浆内的冰晶颗粒尺寸。

10.根据权利要求6所述的一种用于高效制取冰浆的超声场设置方法，其特征在于：所述溶液静置于容器内。