李曉燕，矯佳偉，丁奕涵，王天娜

“雙碳”背景下制冰新技術(shù)研究進(jìn)展

李曉燕，矯佳偉，丁奕涵，王天娜

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028）

總結(jié)“雙碳”背景下制冰新技術(shù)的研究進(jìn)展，為研發(fā)更加低碳高效的制冰技術(shù)提供參考。重點(diǎn)對(duì)二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)和太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)3種制冰新技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)和太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)具有低碳、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)冷鏈運(yùn)輸、人工冰場(chǎng)等領(lǐng)域起到積極作用，在“雙碳”背景下具有較好的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，如何保證制冰系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高制冰效率是未來(lái)主要的研究方向。

低碳；節(jié)能；冷鏈運(yùn)輸；制冰

隨著經(jīng)濟(jì)和人口的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)碳排放量日益增加。在“雙碳”政策的背景下，如何減少對(duì)環(huán)境的影響，開(kāi)發(fā)低碳的制冰技術(shù)成為了當(dāng)今學(xué)界的研究重點(diǎn)之一。目前，我國(guó)制冰技術(shù)已應(yīng)用于冷鏈運(yùn)輸、商超餐飲、遠(yuǎn)洋捕撈、人工冰場(chǎng)等領(lǐng)域[1-4]。傳統(tǒng)的制冰技術(shù)在制冰過(guò)程中能耗較大，制冰效率較低，并且目前制冰系統(tǒng)采用的R22、R134a、R404a等制冷劑，全球變暖潛能值（GWP值）普遍較高，導(dǎo)致溫室氣體排放量增加，全球變暖程度加劇，采用氨為制冷劑，若出現(xiàn)制冷劑泄漏，則會(huì)導(dǎo)致爆炸、中毒等安全問(wèn)題，因此，研究安全性好且低碳高效的制冰技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)、太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)制冰技術(shù)，使用低碳環(huán)保的制冷劑無(wú)毒性，可有效減少碳排放和其他污染物的產(chǎn)生。同時(shí)真空閃蒸制冰技術(shù)、二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)制冰速度更快、效率更高，太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)以太陽(yáng)能為動(dòng)力源，具有噪聲小、節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)。

本文重點(diǎn)綜述二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)以及太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)3種制冰新技術(shù)的研究進(jìn)展。總結(jié)3種制冰新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及不足，并針對(duì)其當(dāng)前存在的問(wèn)題提出改進(jìn)方法，以期為研究更加低碳高效的制冰技術(shù)提供參考。

1 低碳制冰新技術(shù)

二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)和太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)作為3種低碳制冰新技術(shù)，具有低碳、環(huán)保的特點(diǎn)，可減少制冰過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響和能源的消耗。有望在未來(lái)廣泛應(yīng)用于制冰行業(yè)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

1.1 二氧化碳跨臨界制冰

二氧化碳是一種天然、無(wú)毒、來(lái)源廣泛的制冷劑[5]，不會(huì)損害臭氧層，且臭氧消耗潛能（ODP）值為0，全球變暖潛能值較低（GWP值為1）[6]，故二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)發(fā)展前景廣闊。二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)主要是利用二氧化碳作為制冷劑時(shí)的優(yōu)良特性，在二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)中，二氧化碳?xì)怏w被壓縮成跨臨界狀態(tài)的流體后，流入氣體冷卻器放熱，再經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置降壓后，沿管路輸送到冰場(chǎng)制冰區(qū)域，隨著壓力的降低二氧化碳制冷劑迅速蒸發(fā)吸熱，達(dá)到制冰目的。目前二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)主要應(yīng)用于人工冰場(chǎng)。2022年在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”專(zhuān)項(xiàng)支持下[7]，天津大學(xué)馬一太、田華教授團(tuán)隊(duì)研制了高效全顯熱回收板殼式換熱器、油氣液高效分離器，構(gòu)建了多模塊移動(dòng)冰場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)，自主研發(fā)了二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)式制冰系統(tǒng)，并首次應(yīng)用在冬奧會(huì)短道速滑、花樣滑冰等5塊冰場(chǎng)中。實(shí)現(xiàn)了更均勻化冰溫，以及更快速工況調(diào)控，其冰場(chǎng)凍結(jié)速度遠(yuǎn)高于其他傳統(tǒng)制冰方式，綜合能效和冰溫指標(biāo)均實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。劉楷[8]通過(guò)分析首都體育館2022年冬季奧運(yùn)會(huì)采用的二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)冰場(chǎng)的案例，得出制冷系統(tǒng)存在運(yùn)行壓力高、壓差大，部件承壓較高等問(wèn)題，但二氧化碳直接蒸發(fā)冰場(chǎng)比使用乙二醇作為載冷劑的冰場(chǎng)凍結(jié)速度更快，節(jié)能效果更好。

1.2 真空閃蒸制冰

真空閃蒸制冰技術(shù)是一種新型制冰技術(shù)，其以水為制冷劑，無(wú)毒且清潔環(huán)保。在制冰過(guò)程中首先使閃蒸系統(tǒng)保持一定程度的真空，然后注入高壓飽和的水，由于水在較低的壓強(qiáng)下，沸點(diǎn)降低，會(huì)迅速沸騰，因此，閃發(fā)小部分水通過(guò)直接接觸換熱使大部分水迅速凝固成冰晶，其制冰效率高于傳統(tǒng)制冰方式[9]，制取的流化冰在食品冷鏈運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。真空閃蒸制冰系統(tǒng)可由流化冰的生成方式及系統(tǒng)維持真空的方式分為2類(lèi)。按流化冰的生成方式分類(lèi)，可為噴射式和攪拌式，目前研究主要針對(duì)噴射式真空閃蒸制冰技術(shù)展開(kāi)。按系統(tǒng)維持真空的方式分類(lèi)共有3種類(lèi)型，分別是冷凝式、吸附式、吸收式，其中冷凝式應(yīng)用最為廣泛。Shin等[10]首次研究了真空法制備冰漿的理論基礎(chǔ)，并在真空室內(nèi)對(duì)單個(gè)液滴的蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在真空絕熱容器中制取的流化冰，冰晶較小、結(jié)構(gòu)均勻、質(zhì)量更好。Zou等[11]對(duì)真空閃蒸制冰技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)，得出真空閃蒸制冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行操作方便，但在閃蒸過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較多的水蒸氣，使得系統(tǒng)的真空度維持困難，傳熱效果降低，同時(shí)在制冰過(guò)程水的過(guò)冷導(dǎo)致系統(tǒng)所需制冰溫度更低，制冰效率下降，能耗增加。

1.3 太陽(yáng)能吸附式制冰

太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)通過(guò)吸附床收集太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)脫附和吸附2個(gè)過(guò)程，產(chǎn)生制冰所需的低溫。該技術(shù)以太陽(yáng)能為動(dòng)力，相較于傳統(tǒng)制冰技術(shù)可以降低能耗和減少污染。Kumar等[12]以活性炭和甲醇為工作對(duì)，對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，使用太陽(yáng)能吸附制冷系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，可降低對(duì)臭氧層的破壞，減少二氧化碳的排放。同時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不使用壓縮機(jī)，相較于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)具有噪聲低和耗電量少等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者主要通過(guò)搭建小型太陽(yáng)能吸附式制冰裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其產(chǎn)品尚未得到廣泛應(yīng)用。Khattab等[13]提出了一種新型太陽(yáng)能吸附式制冰機(jī)，該制冰機(jī)將吸附床置于玻璃外殼內(nèi)，通過(guò)太陽(yáng)輻射反射板對(duì)吸附床進(jìn)行加熱，該裝置具有吸附工質(zhì)對(duì)受熱均勻、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。但太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)存在吸附解析過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，制冰效果受到天氣的影響較大等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)較低。

2 低碳制冰新技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，低碳制冰技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。當(dāng)前二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)以及太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)的研究主要集中在提升制冰系統(tǒng)性能與強(qiáng)化制冰過(guò)程的傳熱傳質(zhì)2個(gè)方面。

2.1 二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)的研究

2.1.1 二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)性能的研究

對(duì)二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)的研究，Trygve等[14]通過(guò)建立仿真模型，得出當(dāng)處于14 ℃的環(huán)境溫度時(shí)，選擇雙級(jí)壓縮亞臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)或雙級(jí)壓縮跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)能達(dá)到較好的制冷效果。雙級(jí)壓縮跨臨界二氧化碳制冷循環(huán)也可在需要利用系統(tǒng)產(chǎn)熱的情況下進(jìn)行使用，節(jié)約能耗。劉圣春等[15]以二氧化碳跨臨界單級(jí)壓縮制冷循環(huán)為基礎(chǔ)，對(duì)二氧化碳跨臨界雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)進(jìn)行研究，通過(guò)建立制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，分析得出二氧化碳跨臨界雙級(jí)壓縮系統(tǒng)性能系數(shù)最大，且采用雙級(jí)壓縮二次節(jié)流中間不完全冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)性能系數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全性是各種雙級(jí)壓縮系統(tǒng)中最高的。

Tian等[16]提出了一種二氧化碳跨臨界動(dòng)力循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收優(yōu)化方法，并通過(guò)遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明，在系統(tǒng)中同時(shí)增加預(yù)熱器和蓄熱器，可以最大限度地提高系統(tǒng)性能。Bonilla-blancas等[17]對(duì)一個(gè)在跨臨界條件下使用二氧化碳作為制冷劑的單個(gè)蒸汽壓縮制冷循環(huán)進(jìn)行了熱動(dòng)力學(xué)和熱經(jīng)濟(jì)研究，得出單個(gè)蒸汽壓縮制冷循環(huán)運(yùn)行費(fèi)用較高，且為了提高二氧化碳跨臨界制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，降低運(yùn)行成本，建議在今后的研究中對(duì)采用2臺(tái)壓縮機(jī)的二氧化碳跨臨界制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析。

2.1.2 采用回?zé)崞鞯亩趸伎缗R界制冰系統(tǒng)的研究

在采用回?zé)崞鞯亩趸伎缗R界制冰系統(tǒng)的研究中，孫知曉等[18]分析了帶回?zé)崞鞯目缗R界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，在二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)中添加回?zé)崞鬟M(jìn)行過(guò)冷可顯著提高系統(tǒng)性能。雖然回?zé)崞鲿?huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣溫度過(guò)高，但其在降低系統(tǒng)節(jié)流損失和提升系統(tǒng)制冷量方面效果顯著。姚瑤等[19]對(duì)天津某室內(nèi)二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)冰場(chǎng)進(jìn)行研究，通過(guò)計(jì)算與分析得出，采用帶回?zé)岬亩趸伎缗R界制冰系統(tǒng)受氣候影響較小，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。王威等[20]研究一種應(yīng)用于首都體育館冰場(chǎng)的雙級(jí)壓縮帶回?zé)岬亩趸伎缗R界制冷循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)如圖1[20]所示。通過(guò)研究得出雙級(jí)壓縮過(guò)程所產(chǎn)生的熵增使得制冷循環(huán)的性能系數(shù)的實(shí)際值比理論值降低了32%，同時(shí)該冰場(chǎng)具有切換速度快、冰面溫度均勻等特點(diǎn)。

圖1 二氧化碳跨臨界冰場(chǎng)系統(tǒng)

2.1.3 采用渦流管的二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)的研究

在采用渦流管的二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)的研究中，劉業(yè)鳳等[21]提出了一種用渦流管替代膨脹閥的二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)，并在傳統(tǒng)渦流管上增加一個(gè)飽和液體出口，使壓縮機(jī)進(jìn)口溫度降低，系統(tǒng)性能提高，為今后渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)的優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。劉軍樸等[22]通過(guò)對(duì)3種不同膨脹方式（利用渦流管、膨脹機(jī)、膨脹閥）的跨臨界二氧化碳制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，得出當(dāng)渦流管效率為0.2時(shí)，采用膨脹閥與采用渦流管的跨臨界二氧化碳制冷循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能系數(shù)相同。當(dāng)渦流管效率在0.2～0.5時(shí)，可提高系統(tǒng)性能系數(shù)37%。噴嘴、冷孔板、渦流室、熱端管等是組成渦流管的主要結(jié)構(gòu)，因此這些組分的參數(shù)會(huì)對(duì)渦流管的性能產(chǎn)生影響。趙林林等[23]以直徑為4～6 mm的熱端管為研究對(duì)象，研究其對(duì)渦流管的制冷性能系數(shù)及制冷量的影響，建立模型對(duì)渦流管進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果得出當(dāng)其管徑超過(guò)4.5 mm時(shí)，渦流管的制冷量和制冷性能系數(shù)隨著熱端管直徑的增大而減小，且冷流比為0.6；熱端管直徑為4.5 mm的渦流管能獲得最大制冷量。

2.2 真空閃蒸制冰技術(shù)的研究

2.2.1 真空閃蒸制冰系統(tǒng)捕獲水蒸氣的方法研究

為了維持真空閃蒸制冰系統(tǒng)的真空度，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)有效捕獲水蒸氣這一問(wèn)題，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Isao等[24]利用LNG作為冷阱捕獲水蒸氣，研究了在70～100 Pa低壓條件下不同溫度和大小的純水液滴閃蒸成冰的全過(guò)程，觀察到裝置內(nèi)蒸發(fā)-凍結(jié)可分為穩(wěn)定蒸發(fā)-凍結(jié)、起泡-凍結(jié)、起泡-破裂蒸發(fā)凍結(jié)和閃蒸凍結(jié)這4種情況。Zhang等[25]利用吸附床與冷凝器盤(pán)管相結(jié)合的方式來(lái)捕獲水蒸氣，從而維持系統(tǒng)的真空環(huán)境，分析了該方式對(duì)水蒸氣捕獲的影響。結(jié)果表明，吸附室內(nèi)冷卻介質(zhì)溫度對(duì)固體吸附能力有明顯影響。當(dāng)冷卻介質(zhì)的溫度為30 ℃時(shí)吸附效果最佳，但冷卻介質(zhì)若溫度過(guò)低，則不利于吸附。徐愛(ài)祥[26]設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有夾層的真空閃蒸室，可利用低溫制冷劑在閃蒸室中捕獲水蒸氣，但其存在容積較大，制冷劑的消耗量較大等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益較低。殷勇高等[27]提出了一種溴化鋰吸收式真空閃蒸制冰系統(tǒng)，通過(guò)溴化鋰溶液來(lái)吸收閃蒸過(guò)程產(chǎn)生的水蒸氣，從而維持系統(tǒng)的真空度。Tang等[28]提出了一種新型真空制冰系統(tǒng)，其彈射制冷子系統(tǒng)和彈射真空子系統(tǒng)通過(guò)抽汽、冷凝過(guò)程來(lái)維持制冰系統(tǒng)的真空度，對(duì)水蒸氣捕獲效果顯著。章學(xué)來(lái)等[29]設(shè)計(jì)了一種帶有吸附模塊的真空閃蒸制冰系統(tǒng)，閃蒸過(guò)程產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)吸附室后被大量吸收，剩余部分蒸汽由管路流入冷凝室后被冷凝，該系統(tǒng)有助于維持系統(tǒng)真空環(huán)境，提高制冰效果，降低能耗。吸附式真空閃蒸制冰裝置系統(tǒng)如圖2所示[30]。

圖2 吸附式真空閃蒸制冰裝置系統(tǒng)

2.2.2 真空閃蒸制冰系統(tǒng)工藝參數(shù)的研究

對(duì)真空閃蒸制冰過(guò)程工藝參數(shù)的研究，劉洋等[31]研究了水滴在真空環(huán)境下的降溫結(jié)晶特性，結(jié)果表明當(dāng)真空環(huán)境壓力小于3 500 Pa時(shí)，水滴溫度會(huì)低于0 ℃，當(dāng)真空環(huán)境壓力小于2 000 Pa時(shí)水滴凍結(jié)冰。馬軍等[32]對(duì)水滴在真空室內(nèi)的閃蒸結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明真空室內(nèi)的壓力越低，結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行得越快，但所需能耗較大，液滴初始直徑對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響較大，直徑越小，結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行的越快，且對(duì)真空室進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮液滴降落的距離，使液滴在真空室內(nèi)獲得充分的駐留時(shí)間完成結(jié)晶過(guò)程。劉曦等[33]以NaCl水溶液為研究對(duì)象，利用Jeziorny方程和Mo方程來(lái)分析流化冰在閃蒸過(guò)程中冷卻速率和結(jié)晶速率兩者之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明在時(shí)間相同的條件下，冷卻速率越大，生成的流化冰含冰率越高，即結(jié)晶速率越快。Lyu等[34]研究了不同壓力、壁溫下對(duì)真空閃蒸制取流化冰過(guò)程的影響，結(jié)果表明，在真空閃蒸狀態(tài)下，壓力越低，閃蒸現(xiàn)象越強(qiáng)烈，初始溫度越高，溶液越容易產(chǎn)生氣泡。

2.2.3 納米粒子添加劑強(qiáng)化真空閃蒸制冰的研究

適當(dāng)使用納米粒子添加劑可加強(qiáng)水在閃蒸過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)，降低流化冰的過(guò)冷度，改善流化冰的流動(dòng)性，提高制冰效率，減小系統(tǒng)能耗。章學(xué)來(lái)等[35]通過(guò)研究得出體積分?jǐn)?shù)為5%的乙醇溶液在真空閃蒸制冰過(guò)程最穩(wěn)定，可降低水約61%的過(guò)冷度，最利于水閃蒸成冰。Zheng等[36]研究了不同添加劑（CaCl2和TiO2納米顆粒）對(duì)真空閃蒸制冰過(guò)程的影響，研究結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%的TiO2納米粒子添加劑的制冰效果優(yōu)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CaCl2添加劑。Wang等[37]研究了MWCNTs-H2O納米流體對(duì)冰靜態(tài)真空閃蒸實(shí)驗(yàn)的影響。當(dāng)TNWDIS與MWCNTs的分散比為0.5∶1時(shí)，過(guò)冷度基本保持在2 ℃。Zou等[38]研究了真空閃蒸制冰過(guò)程中不同濃度的MgCl2溶液對(duì)制取流化冰的影響，研究結(jié)果表明加入氯化鎂有利于冰晶的細(xì)化形成。鄭欽月等[39-40]通過(guò)添加不同比例的納米流體和表面活性劑，研究了具有表面活性劑的納米流體對(duì)制冰過(guò)程的影響，得出具有CTAB表面活性劑的Al2O3納米流體和具有SDBS表面活性劑的TiO2納米流體都具有促進(jìn)冰晶成核，降低冰晶過(guò)冷，提高冰晶熱導(dǎo)率的效果。為了保證真空閃蒸制冰系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，使用的添加劑必須克服成本高，具有腐蝕性、毒性等缺點(diǎn)。這也將是篩選添加劑的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)的研究

2.3.1 系統(tǒng)性能的研究

太陽(yáng)能吸附式制冰系統(tǒng)性能的優(yōu)化研究主要體現(xiàn)在優(yōu)化吸附制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[41]和制冷循環(huán)[42]上。Attalla等[43]研究了包含一種新型吸附器的太陽(yáng)能吸附式制冰系統(tǒng)，通過(guò)使用丙烯酸板代替玻璃來(lái)封閉吸附器管，可使該制冰系統(tǒng)的性能得到提高。Sowunmi等[44]通過(guò)研究得出集熱器元件的反射率及透射率對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的性能有重大影響，反射技術(shù)薄膜比其他材料更具有達(dá)到最高系統(tǒng)性能系數(shù)的潛力。Zhao等[45]介紹了一種真空泵，用于增大太陽(yáng)能冷卻系統(tǒng)中從吸附器到冷凝器的制冷劑蒸汽流量，在實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的COP提高了35.9%。Nikbakhti等[46]在太陽(yáng)能吸附式系統(tǒng)中安裝熱水儲(chǔ)罐，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不足，系統(tǒng)不能提供足夠多的冷量時(shí)，儲(chǔ)罐中積累的熱能可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)可解決常規(guī)太陽(yáng)能吸附系統(tǒng)間歇性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題。Zhao等[47]提出了一種新型太陽(yáng)能吸附制冷系統(tǒng)，并進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。研究了在不同天氣條件下強(qiáng)化和自然傳質(zhì)循環(huán)的系統(tǒng)性能，結(jié)果表明在不同天氣條件下，采用強(qiáng)化傳質(zhì)循環(huán)的系統(tǒng)性能水平總是高于采用自然傳質(zhì)循環(huán)的系統(tǒng)性能水平。彭佳杰等[48]以太陽(yáng)能吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)為研究對(duì)象，探究影響其運(yùn)行性能的因素。Pan等[49]研究了硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)中熱量和質(zhì)量回收過(guò)程的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)果表明，吸附床和蒸發(fā)器中的剩余傳熱制冷劑對(duì)質(zhì)量和熱量回收過(guò)程影響顯著，熱回收時(shí)間的最佳范圍為25～45 s，當(dāng)質(zhì)量回收時(shí)間在5～50 s范圍內(nèi)時(shí)，制冷系統(tǒng)性能最佳。Chekirou等[50]提出了一個(gè)基于Dubinin-Astakhov方程的熱力學(xué)模型，初步研究了循環(huán)性能與熱回收率、解吸溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等參數(shù)之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，采用熱回收系統(tǒng)可大大提升吸附式制冷系統(tǒng)的性能。Song等[51]設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種以活性炭-甲醇為吸附工作對(duì)的新型太陽(yáng)能水浴固體吸附制冰系統(tǒng)，研究了解吸參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能水浴固體吸附制冰系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，解吸溫度對(duì)太陽(yáng)能水浴固體吸附制冰系統(tǒng)的性能有著重要影響。當(dāng)解吸溫度保持在94 ℃時(shí)，系統(tǒng)的最佳解吸時(shí)間為10 h，隨著脫附時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)的性能因熱損失的增加而降低。趙文魁等[52]以一種復(fù)合拋物面集熱器（Compoud Parabolic Collector，CPC）太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)如圖3所示[52]，分析了自然傳質(zhì)、強(qiáng)化傳質(zhì)和自然-強(qiáng)化協(xié)傳質(zhì)3種模式下系統(tǒng)的性能，研究結(jié)果表明采用自然-強(qiáng)化協(xié)同傳質(zhì)的系統(tǒng)COP提升最多。

圖3 太陽(yáng)能吸附式制冰系統(tǒng)

2.3.2 吸附工質(zhì)對(duì)的研究

學(xué)者們對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冰系統(tǒng)中采用的吸附工質(zhì)對(duì)[53]進(jìn)行了深入研究。趙惠忠等[54]研究了一種新型吸附劑MgCl2-13X，并對(duì)其吸附性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)沸石分子篩中加入MgCl2，吸附性能得到了較大改善，強(qiáng)化了系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)，吸附速率最大提高了20%。Manish等[55]通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)吸附工質(zhì)對(duì)（如活性炭-甲醇、活性炭-乙醇、沸石-水等）和新型工質(zhì)對(duì)maxsorb-乙醇（maxsorb為活性炭衍生物）的制冷效果，得出maxsorb-乙醇的組合對(duì)制冷系統(tǒng)性能提升最大。Adenane等[56]研究了不同熱力學(xué)參數(shù)對(duì)制冷系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，COP受蒸發(fā)溫度和最高加熱溫度影響較大，但受冷凝壓力的影響較小，同時(shí)得出活性炭/甲醇工質(zhì)對(duì)比沸石/水工質(zhì)對(duì)的制冷效果更好。王澤鵬等[57]研究了粒徑不同的硅膠材料對(duì)系統(tǒng)制冷能力及吸附床傳熱傳質(zhì)特性的影響。發(fā)現(xiàn)吸附劑的粒徑越小，吸附床內(nèi)導(dǎo)熱性能越強(qiáng)。Liu等[58]對(duì)硅膠系統(tǒng)和SAPO-34沸石系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明，在太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)中使用硅膠-水工質(zhì)對(duì)比SAPO-34沸石-水工質(zhì)對(duì)的制冷效果更好。選擇高效的吸附工質(zhì)對(duì)可大大提高太陽(yáng)能吸附式制冰系統(tǒng)的性能，是未來(lái)太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)的研究重點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)、真空閃蒸制冰技術(shù)以及太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)作為低碳制冰的新技術(shù)，通過(guò)對(duì)其相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，可為未來(lái)制冰行業(yè)的發(fā)展提供有效參考。但3種制冰新技術(shù)目前仍存在不足之處，可從以下幾方面進(jìn)行深入研究。

1）未來(lái)可從二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行深入研究，如系統(tǒng)射流器噴嘴形狀、回?zé)崞靼惭b位置對(duì)系統(tǒng)COP的影響。對(duì)過(guò)熱溫度與壓縮機(jī)吸氣溫度的最適宜取值進(jìn)行研究，探討何種熱回收方式最為經(jīng)濟(jì)。同時(shí)其應(yīng)用于其他制冰場(chǎng)合的可行性與智能化調(diào)控工況方面也是未來(lái)二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2）針對(duì)真空閃蒸制冰技術(shù)的真空系統(tǒng)維持穩(wěn)定性的問(wèn)題。由于采用吸附式耦合冷凝式真空閃蒸系統(tǒng)捕獲水蒸氣效果最好，故未來(lái)可從吸附劑種類(lèi)及其與水量的比例關(guān)系等方面進(jìn)行深入研究，以提高水蒸氣的捕獲效果。針對(duì)過(guò)冷度的問(wèn)題，未來(lái)可通過(guò)采用合適的添加劑進(jìn)行解決，如采用具有表面活性劑的納米粒子添加劑，或采用物理場(chǎng)輔助的手段改變納米流體表面物性參數(shù)，以緩解納米粒子團(tuán)聚的問(wèn)題，提高制冰效率。

3）針對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冰技術(shù)因太陽(yáng)能輻射周期性造成的制冰不連續(xù)性問(wèn)題，未來(lái)可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)蓄冷技術(shù)和復(fù)合工質(zhì)等方面進(jìn)行深入研究，通過(guò)添加儲(chǔ)能裝置對(duì)制冰系統(tǒng)進(jìn)行輔助制冰，從而提高制冰系統(tǒng)的穩(wěn)定性與能源利用率。此外，還可以通過(guò)選擇更加安全高效的工質(zhì)對(duì)、優(yōu)化吸附床結(jié)構(gòu)（如增加床層孔隙率，添加拋物面聚焦器等）以及減少傳熱阻力等方面進(jìn)行深入研究，以提高制冰效率與系統(tǒng)性能。

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Research Progress of New Ice-making Technology in the Context of "Dual Carbon"

LI Xiao-yan, JIAO Jia-wei, DING Yi-han, WANG Tian-na

(School of Energy and Architectural Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

The work aims to summarize the new research progress of new ice-making technology in the context of "Dual Carbon", providing reference for the development of more low carbon and efficient ice-making technology. A review was carried out on the research progress of three new ice-making technologies, namely, carbon dioxide transcritical ice-making technology, vacuum flash ice-making technology and solar adsorption ice-making technology. The carbon dioxide transcritical ice-making technology, vacuum flash ice-making technology and solar adsorption ice-making technology have the advantages of low carbon and energy saving, which can play a positive role in cold-chain transportation, artificial ice rink and other fields, and has a good application prospect in the context of "Dual Carbon". On this basis, how to ensure the stability of ice-making system and improve the efficiency of ice production is the main research direction in the future.

low-carbon; energy saving; cold-chain transportation; ice-making

TB485.3；TS205.7

A

1001-3563(2023)23-0245-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.030

2023-03-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（51476049）

責(zé)任編輯：曾鈺嬋