泵送冰技术

泵送冰技术(PIT)使用稀薄的液体，具有冰的冷却能力。可泵送冰通常是直径为5微米至1厘米的冰晶或颗粒浆料，并在盐水、海水、食品液体或空气、臭氧或二氧化碳的气泡中运输。

除了可泵送、果冻或浆冰等通用术语外，此类冷却剂还有许多商标名称，如Deepchill、“Beluga”、“optim”、“flow”、“fluid”、“jel”、“binary”、“液体”、“格言”、“搅打”和“气泡浆”冰。这些商标由澳大利亚、加拿大、中国、德国、冰岛、以色列、俄罗斯、西班牙、英国和美国的工业制冰机生产公司授权。

可泵送冰可以通过以下两种方式之一生产：将碎冰与液体混合或将水冷冻在液体中。

• xxx种方法是通过将其粉碎并与水混合来制造常用形式的结晶固体冰，例如板状、管状、壳状或片状冰。这种不同冰浓度和颗粒尺寸的混合物（冰晶的长度可以从200µm到10mm不等）通过泵从储罐输送到消费者。当前传统制冰机的结构、规格和应用在本参考资料中进行了描述：

• 第二种方法背后的想法是在冷却液体的体积内产生结晶过程。这种内部结晶可以使用真空或冷却技术来完成。在真空技术中，非常低的压力迫使一小部分水蒸发，而剩余的水结冰，形成水冰混合物。根据添加剂浓度，可泵送冰的最终温度介于零和–4°C之间。大量蒸汽和约6mbar(600Pa)的工作压力需要使用具有大排量的水蒸汽压缩机。该技术在经济上是合理的，可推荐用于冷却能力为1MW（300吨制冷；350万英热单位/小时）或更大的系统。

冷却结晶可以使用直接或间接系统进行。

在直接方法中，制冷剂直接注入液体内部。这种方法的优点是在制冷剂和液体之间没有任何中间装置。然而，在热相互作用（热传递）过程中制冷剂和液体之间没有热量损失可能会导致问题。必须实施的安全措施、需要额外的制冷剂分离步骤以及难以产生晶体是该方法的进一步缺点。

在间接方法中，蒸发器（热交换器-结晶器）水平或垂直组装。它有一个壳管，由一到一百个内管组装而成，并含有在壳和内管之间蒸发的制冷剂。液体流过小直径的管道。在蒸发器的内部容积中，由于与结晶器冷却壁的热交换，液体发生冷却、过冷和冻结。这个想法是使用抛光良好的蒸发器表面（动态刮面热交换器）和适当的机制来防止管道粘附到冰胚上，并防止内部冷却表面上的冰生长和增厚。带有金属或塑料擦拭器的鞭杆、螺钉或轴通常用作拆卸机构。间接泵送冰技术可生产由5至50微米晶体组成的可泵送冰，并具有许多优势：它们可以以60至75千瓦时的低能源消耗生产1,000公斤的结晶冰，而不是生产常规生产所需的90至130千瓦时。水冰（板、片、壳型）。预计进一步的改进将导致每1,000公斤纯冰的制冰比能量消耗为40至55千瓦时，并且蒸发器冷却表面的单位面积值的高比冰容量（高达450公斤/（平方米·小时））。用于食品和鱼类工业的双管式商用蒸发器的内管内径和长度在50-125毫米和60-300厘米的范围内。对于脱蜡润滑油，蒸发器被广泛使用，其尺寸如下：内管内径为150-300mm；长度为600–1,200厘米。有时可以将气体添加到流过蒸发器的液体中。它破坏了热交换器-结晶器冷却表面上的液体层流层，增加了流动湍流，并降低了可泵送冰的平均粘度。在此过程中使用不同的液体，例如海水、果汁、盐水或添加剂的乙二醇溶液，其浓度超过3–5%，冰点低于-2°C。通常，用于生产、积聚和供应可泵送冰的设备包括制冰机、储罐、热交换器、管道、泵以及电气和电子设备和装置。xxx冰浓度为40%的可泵送冰可以直接从制冰机泵送到消费者。储罐中可泵送冰的最终可能冰浓度为50%。可抽吸冰以均相形式积聚在储罐中的xxx冷能值约为700kWh，相当于10-15m3的储罐容积。高剪切混合器用于防止冰与冷却液分离，并保持冰浓度随时间不变且不受罐高度的影响。可泵送的冰块从储罐输送到数百米外的消费场所。潜水搅拌机电机所需的电功率(kW)与“揉捏”的可泵送冰量(m3)之间的实际比例为1:1。在容积大于15m3的储罐中，可泵送的冰不会混合，储存的冰的冷能仅用于在储罐和冷的消费者之间循环的液体热传递。现有冰蓄冷库的缺点包括：由于温水的不均匀喷洒而产生的冰脊的混乱无法控制的上升。这种液体从热交换器送入储罐，通过与冰表面直接接触进一步冷却。溶液在空间中喷洒不均匀。此外，供给速度不是恒定的。因此，冰融化不均匀。因此，冰钉上升到冰面上方，导致喷洒装置损坏。在这种情况下，有必要降低储罐中溶液的液位，以免喷雾装置损坏。积聚在水箱中的冰会变成一大块。来自空调系统的温暖液体可能会产生通道，液体可以通过这些通道返回系统而不被冷却。结果，积冰没有得到充分利用。蓄水箱容积的无效使用会导致可达到的xxx冰浓度降低，并且无法装满蓄水箱的整个工作容积。克服这些缺点的研究和开发正在进行中，预计将导致廉价、可靠和高效的蓄能罐的大规模生产。这些水箱应确保更高的冰浓度并允许充分利用储存的低温潜力。

许多制冰机生产商、研究中心和发明家都在研究可泵送制冰技术。由于其高能效、小尺寸和低制冷剂充注量，该技术有许多应用。

有不同的泵送制冰机设计和许多特殊的应用领域。制造商开发的计算机程序有助于选择。打算使用泵送冰技术的客户应该知道：

• 所需的xxx/最小冷却能力(TR)
• 工厂24小时、一周、一个季节和一年的能源消耗(TR•h)概况
• 待冷藏产品的温度范围（水、果汁、液体、食物和鱼）
• 客户所在地的气候温度条件
• 设备放置的设计限制
• 供电系统的特点
• 未来扩张的意向和计划

在设计储罐时，需要考虑几个特点：

• PIT系统的使用目标：应用可泵送冰与冷藏产品直接接触需要安装带有混合器的储罐。为了克服冰以冰山形式冻结的趋势并将冰泵送通过管道超过100m至200m的距离，必须使用连续混合。对于热能存储系统中的可泵送冰应用，不需要混合。
• 可用空间：要确定结构类型（垂直或水平）和储罐数量，必须考虑场地尺寸和允许高度。
• 所需的每日和每周储存能量：储存罐的成本是可泵送冰系统总成本中的一个重要因素。通常，储罐的设计存储能量值比生产所需的值高10-20%。此外，必须记住，水箱中xxx的冰浓度是不可能的。

通常确定蒸发器壁的厚度以确保：

• 过程中的高可持续传热通量
• 内管的抗拉强度足以承受外部压力
• 外管的抗拉强度足以承受内部压力
• 足够的腐蚀空间
• 备件的可用性

当蒸发器具有较小的外壳直径和较长的管道长度时，它们通常更便宜。因此，可泵送制冰机的蒸发器通常在物理上尽可能长，同时不超过生产能力。但是，存在许多限制，包括将要使用可泵送制冰机的客户现场的可用空间。

可泵送制冰机具有预测性维护和清洁要求。特定设备的运行条件决定了服务间隔和服务类型。对泵送式制冰机进行适当的制冷维护将延长其使用寿命，而日常维护可以降低因主要部件故障而导致紧急服务的概率，例如制冷压缩机或空气冷凝器的风扇电机由于盘管脏污，和制冷剂泄漏。不维护风冷式泵送制冰机可能导致的问题有：

• 脏盘管限制气流导致风扇电机故障
• 由于冷凝器盘管脏污导致的高电流消耗导致恒温器故障
• 冷凝器盘管脏污和水头压力过高导致制冷压缩机故障
• 冷冻油过热和结垢导致毛细管（计量装置）的限制
• 高水头压力和脏冷凝器盘管导致电流过大导致线路烧毁和故障
• 由于冷凝器盘管脏污导致运行时间延长，耗电量增加
• 冷凝水管路的污染和堵塞。

在泵送式制冰机中，液体处理用于去除尺寸小至1µm的颗粒，并xxx限度地减少蒸发器传热表面的污垢。板式换热器也需要定期拆卸和清洗。在液体进入可泵送制冰机或板式换热器之前对其进行适当处理将有助于限制水垢积聚量，从而减少清洁时间和预防性维护成本。液体过滤器系统的尺寸不当会导致昂贵的早期更换和性能下降。

可推荐使用泵送冰技术来清洁（减轻）废水中的沉积物。在这种情况下，使用包括冷冻和进一步熔化并随后分离液相和固相的方法。这种方法导致沉积物的物理化学结构发生变化，并且由于水分与沉积物固体颗粒的任何形式的连接的重新分布而实现。它不需要任何化学试剂。底泥的冻结促进底泥自由水量的增加，提高底泥沉淀的效率。大多数水分能够在任何条件下扩散。因此，如果晶体生长速度不超过0.02m/h，则水分有时间从胶体细胞迁移到晶体表面，并在晶体表面被冻结。解冻后，淡化水可用于工业和农业应用。将浓缩的沉淀物提供给压滤机以进一步降低其水分含量。

现有的商业化脱盐方法有多级闪蒸、蒸汽压缩、多效蒸发、反渗透和电渗析。从理论上讲，冷冻比上述方法具有一些优势。它们包括较低的理论能量需求、最小的腐蚀可能性以及很少的结垢或沉淀。缺点是冷冻涉及对冰和水混合物的处理，这对于移动和加工来说都是机械复杂的。在过去的50年里，已经建造了少量的海水淡化站，但该过程在生产用于市政用途的淡水方面并未取得商业上的成功。由于高效的结晶过程，泵送式制冰机提供了一种经济实惠的替代方案。然而，目前的模型，

目前，反渗透和真空蒸发技术用于浓缩果汁和其他食品液体。在商业操作中，果汁通常通过蒸发浓缩。自1962年以来，热加速短时蒸发器(TASTE)已被广泛使用。TASTE蒸发器高效、卫生、易于清洁、容量大、操作简单且成本相对较低。另一方面，高温蒸汽处理对产品有一定的热损伤。这种处理会导致产品质量和香气损失。由于蒸汽和处理过的果汁之间的薄膜系数值较低，它们之间的热传递非常低效。这导致了TASTE工厂的繁琐建设。另一种方法是通过冷却和冷冻过程浓缩果汁和食品液体。在这种情况下，纯水晶体通过结晶从果汁、葡萄酒或啤酒中去除。香气、颜色和风味保留在浓缩介质中。冷冻浓缩产品的质量是其他任何技术都无法达到的。与其他冷冻技术相比，主要优点是能量消耗低，并且可以调节从液态冰到固态冰的相变速率，从而增加纯水冰晶的产生并简化浓缩果汁或食品的分离液体和冰晶。

1990年代，冷冻碳酸饮料和冷冻非碳酸饮料开始大受欢迎。几乎所有冷冻碳酸饮料和冷冻非碳酸饮料的制造（加工和制冷设备）的组织方式类似于可泵送冰的生产。

冷冻碳酸​​饮料机是1950年代后期由OmarKnedlik发明的。对于冷冻碳酸饮料的制造，使用调味糖浆、二氧化碳气体(CO2)和过滤水的混合物。通常，混合物的初始温度为12–18°C。碳酸化的混合物被送入设备的蒸发器，然后在圆柱形蒸发器的内表面上冻结，并被转速为60至200rpm的混合器刮掉。在结晶器的内部容积中，维持轻微的正压（最高3bar）以改善气体在液体中的溶解。在现代冷冻碳酸饮料设备中，有一个带有毛细管或恒温膨胀阀的传统制冷回路，通常还有一个空气冷凝器。制冷剂要么直接送入双壁蒸发器的空腔，要么送入缠绕在结晶器外表面上的螺旋蒸发器。蒸发器壁由不锈钢级SS316L制成，根据美国食品和药物管理局的要求批准与食品接触。蒸发器温度为-32至-20°C。制造商没有透露冷冻碳酸饮料机的每小时产能，但生产10.0公斤冷冻碳酸饮料的能源消耗可能为1.5-2.0千瓦时。在结晶器-混合器中混合和冷冻后，冷冻的碳酸饮料通过喷嘴喷入杯子中。最终产品是悬浮冰晶与相对少量液体的浓稠混合物。冷冻碳酸​​饮料的质量取决于许多因素，包括冰晶的浓度、大小和结构。根据溶液的相图准确测定冰水混合物的浓度，可达到50%。xxx晶体尺寸为0.5毫米至1.0毫米。混合物的初始结晶温度取决于水中成分的初始浓度，介于-2.0°C和-0.5°C之间。产品的最终温度在-6.0°C和-2.0°C之间变化，具体取决于制造商。印度对冷冻碳酸饮料很感兴趣。由于存在细菌污染的可能性，印度政府禁止将市政用水生产的冰添加到饮料中。使用冷冻可乐形式的碳酸饮料提供了一种在印度制作冰镇饮料的方法。

最初，冷冻碳酸饮料是使用水果、蔬菜汁或基于咖啡、茶或酸奶的饮料生产的。正在研究生产冷冻葡萄酒和啤酒。冷冻非碳酸饮料机与冷冻碳酸饮料机的不同之处在于它们不需要在蒸发器的工作容积中保持小的正压，也不需要二氧化碳气体源，也不需要经过专门培训的工作人员。否则，现代冷冻非碳酸饮料机的设计与冷冻碳酸饮料的设计相似。与冷冻碳酸饮料相比，冷冻非碳酸饮料通常含有较低浓度的冰块和较多的液态水。冷冻非碳酸饮料机比冷冻碳酸饮料设备更简单、更便宜，因此更常见。

冰淇淋生产市场在整个1990年代稳步增长，价值数十亿美元。工业冰淇淋冷冻机的现代设计确保了高水平的机器/操作员界面和生产的冰淇淋的最高质量。冰淇淋生产的制造过程包括冰淇淋混合物的巴氏杀菌、均质和成熟。制备好的混合物进入工业双管刮板结晶器-换热器，在其中进行冰淇淋的预冻和搅拌过程。制冷剂流体在容器夹套中蒸发并不断循环。通常，冰淇淋混合物的初始温度为12–18°C。启动冷冻机后，制冷剂的蒸发温度降至-25至-32℃的范围。处理过的混合物进入刮面冷冻机的最终温度约为-5°C，冰浓度约为30–50%，具体取决于公式。在冷冻过程中，结晶器壁的内部冷表面上会形成冰晶。它们被刀片去除，混合到块体中，并继续降低其温度并改善产品内的热传递。也有旋转的dashers有助于搅打混合物并将空气加入混合物中。冷冻产品然后去分销商。冰淇淋的质量及其光滑的质地取决于其冰晶的结构和尺寸，以及冰淇淋的粘度。水以纯净的形式像冰一样从液体中冻结出来。剩余液体糖混合物的浓度由于脱水而增加，因此冰点进一步降低。因此，冰淇淋的结构可以描述为部分冷冻的泡沫，其中冰晶和气泡占据了大部分空间。微小的脂肪球以分散相的形式絮凝并包围气泡。蛋白质和乳化剂依次围绕脂肪球。连续相由浓缩的、未冷冻的糖液组成。冰晶的最终平均直径取决于冻结速度。速度越快，促进的成核越多，小冰晶的数量也就越多。通常，经过冷却处理后，冰箱中的冰晶尺寸约为35–80µm。

基于泵送冰技术的设备可用于渔业和食品行业的冷却过程。与淡水固体冰相比，主要优点如下：均质性、食物和鱼类的冷却速度更快。可泵送的冰像水一样流动，消除冻伤和对冷却物体的物理损坏；它提高了食品质量，从而延长了保质期。泵送冰技术符合食品安全和公共卫生法规（HACCP和ISO）。与使用传统淡水固体冰的现有技术相比，可泵送冰具有较低的比能量消耗。

使用泵送冰技术的制冷系统对超市柜台（陈列柜）的空气冷却很有吸引力。对于这种应用，可泵送的冰作为冷却剂通过现有管道循环，取代了对环境不友好的制冷剂，如R-22（氟利昂）和其他氢氯氟烃（HCFC）。在此应用中使用可泵送冰技术的原因如下：

• 可泵送的冰传热率导致设备紧凑。该设备比同容量的其他制冷设备供应商的设备要小。占地面积小，体积轻，重量轻；
• 可泵送的冰结构导致这种冷却介质的参数明显更好。可以计算出更大的容量，无论是溶液通过蒸发器的每一次通过，设备占用的每单位占地面积，还是设备的每单位重量；
• 采用泵送冰技术，可以轻松保持超市展示柜或橱柜内的恒温；
• 泵送冰技术使冷却系统更加灵活，因此食品柜可以根据增加或减少的要求轻松重新布置；
• 与直接膨胀和制冷剂泵循环系统相比，基于泵送冰技术的展示柜需要更少的制冷管道、更少的人工安装和更低的泄漏查找成本；
• 由于可泵送冰技术的高效率，在冷却设备中以非常低的制冷剂充注量进行传热过程；
• 与直接膨胀系统不同，基于泵送冰技术的展示柜和柜子不会产生热量，因为柜子下方不需要空气冷凝器。因此，机柜周围的空气不会被加热；
• 借助泵送冰技术，超市展示柜和橱柜除霜所需的能源更少。

可泵送冰的广泛应用为生产类似于冰酒（德国冰酒）的特殊葡萄酒开辟了道路。与现有的冰酒生产技术相比，泵送冰技术不需要等待几个月的葡萄冷冻。鲜榨葡萄收获在与泵送制冰机相连的特定容器中。果汁通过这台机器泵出，其中混合了冰（以微小的纯冰晶形式）和稍微浓缩的果汁。液态冰返回蓄积罐，在蓄积罐中（根据阿基米德定律）冰和汁液自然分离。该循环重复多次，直到糖浓度达到50–52°Brix。然后发生发酵过程，产生这种酒精饮料。

基于可泵送冰的热能存储系统(TESS)可用于集中式水冷空调系统，以消除关键时刻的峰值需求负载。这降低了建筑物的运营成本、对新发电厂和现代输电线路的需求、发电厂的能源消耗和污染以及温室气体排放。这个想法是在非高峰用电时间以最低的千瓦时电价制造和积累可抽吸的冰。储存的可泵送冰在中等或高关税时段用于冷却供应给建筑物的设备或空气。投资回报(ROI)需要2-4年。与静态和动态蓄冰系统相比，可泵送冰生产过程中的总传热系数(OHTC)比上述TESS类型的相同系数高数十或数百倍（更有效）。这可以通过在蒸发器的沸腾制冷剂与静态和动态冰储存系统的储存罐中的水/冰之间存在许多不同种类的热阻来解释。基于可泵冰技术的高OHTC值TESS意味着组件体积减少，储罐体积中可实现的xxx冰浓度增加，并最终降低设备价格。基于泵送冰技术的TESS已在日本、韩国、美国、英国和沙特阿拉伯安装。这可以通过在蒸发器的沸腾制冷剂与静态和动态冰储存系统的储存罐中的水/冰之间存在许多不同种类的热阻来解释。基于可泵冰技术的高OHTC值TESS意味着组件体积减少，储罐体积中可实现的xxx冰浓度增加，并最终降低设备价格。基于泵送冰技术的TESS已在日本、韩国、美国、英国和沙特阿拉伯安装。这可以通过在蒸发器的沸腾制冷剂与静态和动态冰储存系统的储存罐中的水/冰之间存在许多不同种类的热阻来解释。基于可泵冰技术的高OHTC值TESS意味着组件体积减少，储罐体积中可实现的xxx冰浓度增加，并最终降低设备价格。基于泵送冰技术的TESS已在日本、韩国、美国、英国和沙特阿拉伯安装。储罐容积中可达到的xxx冰浓度增加，并最终降低设备价格。基于泵送冰技术的TESS已在日本、韩国、美国、英国和沙特阿拉伯安装。储罐容积中可达到的xxx冰浓度增加，并最终降低设备价格。基于泵送冰技术的TESS已在日本、韩国、美国、英国和沙特阿拉伯安装。

已经为医疗应用开发了一种基于实施开发的特殊冰浆的保护性冷却工艺。在这种情况下，可泵送的冰可以使用腹腔镜沿着器官外表面动脉内、静脉内注射，甚至通过气管内导管注射。已经证实，可泵送的冰可以选择性地冷却器官，以预防或限制中风或心脏病发作后的缺血性损伤。完成了对需要住院肾腹腔镜手术的动物模拟条件的医学测试。法国和美国的研究结果尚未获得美国食品和药物管理局的批准。可泵送冰技术在医药应用中的优势在于：

• 可泵送的冰可以很容易地通过狭窄的导管泵送，提供高冷却能力和快速和有针对性的器官冷却；
• 可泵送的冰可以在手术期间为目标器官提供保护性冷却和温度管理；
• 可泵送的冰可帮助心脏骤停和中风等医疗紧急情况的受害者。

即使环境温度高达20°C，滑雪胜地也对造雪有着浓厚的兴趣。已知造雪设备的尺寸和功率消耗取决于湿度和风力条件。这种造雪设备是基于水滴在到达地表之前喷射到空气中的冷冻原理，要求环境温度低于-4°C。真空制冰机(VIM)技术生产的可泵送冰允许专业滑雪者增加他们的训练时间，以延长冬季前后（进入深秋和早春）。可泵送制冰过程组织如下。盐溶液暴露在VIM内的极低压力下。由于真空力，它的一小部分以水的形式蒸发，而剩余的液体被冻结，形成混合物。由于离心式压缩机的特殊结构，水蒸气不断从VIM中抽出、压缩并送入冷凝器。标准冷水机提供5°C的冷却水以冷凝水蒸气。液态冰混合物从冷冻体积泵出到冰浓缩器，在冰浓缩器中冰晶从液体中分离出来。从浓缩器中提取高浓度冰。VIM已安装在奥地利和瑞士的滑雪胜地。