REFRIGERATION  
Cool and Comfort 100 – februari 2024

Productiemethodes voor ijsslurry

Een grotere flexibilisering van de koelvraag zal bijdragen tot een geslaagde energietransitie. Dat kan bijvoorbeeld gerealiseerd worden door het gebruik van koude-opslag zodat de koudeproductie kan worden losgekoppeld van de pieken in de vraag, wat leidt tot een gelijkmatiger energieverbruik. Koude kan op verschillende manieren opgeslagen worden, zoals temperatuurwisselingen, fase-overgang of sorptieprocessen. IJsslurry is daarbij een bijzonder interessante koudedrager. Een dergelijk mengsel van water met ijskristallen in suspensie combineert de voordelen van water, zoals een goede beschikbaarheid, geen schadelijke chemische eigenschappen, en verpompbaarheid, met die van ijs zoals de hoge energiedichtheid dankzij de fase-overgang. Deze koudedrager wordt onderzocht in het kader van het KETEC onderzoeksplatform koel- en energietechniek. Deelproject 9 houdt zich bezig met de verbetering van de productie van ijsslurry. Dit artikel geeft een overzicht van de stand van de techniek en het onderzoek naar productiemethodes.

Door Jonathan Rausendorf en Prof. Dr-Ing Habil Thorsten Urbanek (Technische Universiteit Chemnitz, faculteit voor machinebouw)

IJsslurry bestaat uit ijsdeeltjes enerzijds en water of wateroplossingen anderzijds, waarbij de afmetingen van de ijsdeeltjes gewoonlijk tussen 0,1 en 1 mm ligt. Wegens de enthalpie van de fase-overgang van water tot ijs en de lagere temperaturen heeft ijsslurry een hogere energiedichtheid voor koudetransport dan gangbare ijswatersystemen. Tegelijk zijn de eigenschappen qua warmte-overdracht zeer goed, omwille van de kleine afmetingen van de partikels, wat voor een groot contactoppervlak tussen beide fasen zorgt. Het smeltpunt van de ijsslurry kan beïnvloed worden door additieven in het water zoals ethanol of zout. In deze gevallen spreekt men doorgaans van een wateroplossing. Het ijsgehalte kan gaan tot 50%, maar in specifieke gevallen is tot 80% mogelijk. IJsslurry blijft verpompbaar tot een ijsgehalte van 40%. Deze techniek wordt ingezet in koelen of diepvries van levensmiddelen, in proceskoeling of in het aftoppen van de piekvraag in comfortkoeling in gebouwen. (1-3)

Technieken voor slurryproductie

In de volgende paragrafen worden bekende technieken en nieuwe ontwikkelingen voor de productie van ijsslurry voorgesteld. De gegevens zijn gebaseerd op een recente literatuurstudie.

Schraaptechniek

IJsslurry productie volgens de schraaptechniek (figuur 1) (1) treft men in de praktijk het meeste aan. Het ijs vormt zich aan de binnenkant van een buis waarin een wateroplossing stroomt. Een koelmiddel koelt de buis langs de buitenkant. Een ijsschraper verwijdert de ijsdeeltjes en mengt ze met de waterstroom. Het onderzoek van de laatste jaren spitst zich onder meer toe op de verschillende types en vormen van schrapers, de materiaalkeuze, coatings en de beweging van de schraper (axiaal of roterend). Verder tracht men de stromingsprocessen in de buis beter in kaart te brengen evenals de processen van warmte-overdracht (2-5). De schrapers maken een continu en stabiele productie van ijsslurry mogelijk. De slijtage van de schraper betekent dat er een regelmatig onderhoud nodig is, en dat soms de schraper helemaal vervangen moet worden. Dat laatste is een duidelijk nadeel, evenals het relatief lage rendement.

Waterfilmtechniek

De techniek lijkt sterk op de schraaptechniek. In de plaats van een schraper roteren er echter meerdere stangen in een verticale buis die langs buiten wordt gekoeld. Deze stangen zorgen er enerzijds voor dat de binnenwand met een waterfilm bedekt blijft en anderzijds verwijderen ze de ijskristallen die zich vormen aan de binnenwand. De voor- en nadelen zijn vergelijkbaar met die van de schraaptechniek. Door de waterfilm langs de wand te laten stromen is de warmte-overdracht lichtjes beter. Het energieverbruik van de roterende stangen is daarentegen hoger, vergeleken met een schraper. Het aandrijfmechanisme is ook complexer (1) (6) (8) (9). Op het vlak van het onderzoek zijn er de jongste jaren geen noemenswaardige verbeteringen bij gekomen.

Onderkoeldwatertechniek

De onderkoeldwatertechniek werkt zonder bewegende delen. De wateroplossing stroomt zo gelijkmatig mogelijk door een buis die langs de buitenkant gekoeld is. De temperatuur van het water daalt tot onder het vriespunt, waarbij ijsvorming wordt vermeden door het onderkoelingseffect. De kristallisatie treedt pas op als het water uit de buis stroomt, waarbij de ijsslurry gevormd wordt (figuur 3). Hoe dieper de onderkoeling, hoe hoger het ijsaandeel in de slurry. Een mogelijk probleem is ijsvorming in de buis zelf, wat absoluut vermeden moet worden. Dat kan bereikt worden met een water- of ijsafstotende laag op de binnenwand (10). Tevens mogen er geen factoren optreden die ijsvorming doen ontstaan. Dat slaat onder meer op de eigenschappen van het buisoppervlak, het stromingsgedrag van het water of externe factoren zoals geluidsgolven. (11-13). Deze parameters beperken de mogelijkheden voor een betrouwbare en continu vorming van de ijsslurry tot een onderkoeling van het water met 0,7 tot 1,8 K en een ijsgehalte van ongeveer 2 procent (14-16). Er wordt ook onderzoek gedaan naar de uitstroom van het onderkoelde water. Door deze straal op een vast of vloeibaar oppervlak te richten, kan men de ijsvorming beïnvloeden. Dat laatste is ook mogelijk met een tijdelijk lagere temperatuur. In labotests heeft men ijsvorming uitgelokt door middel van ultrasoon geluid (6) (13). Naast de vermelde beperkingen heeft de onderkoeldwatertechniek wel het voordeel van een eenvoudige opbouw en een hoger rendement (6) (7).

Injectortechniek

Bij de injectortechniek is er een direct contact tussen de wateroplossing en het koelmiddel. Het ijs ontstaat dus door directe warmte-overdracht tussen beide media. Daarbij worden zowel vaste als vloeibare koelmiddelen met fase-overgang toegepast. Het koelmiddel mag niet oplosbaar zijn in water, en er moet ook een voldoende groot verschil in dichtheid zijn. Tabel 1 toont een selectie van koelmiddelen die bij de injectortechniek worden toegepast.

Een vloeibaar koelmiddel (bijvoorbeeld Fluorinert FC84) wordt in een tank met een wateroplossing gesproeid. De temperatuur van het koelmiddel is aanzienlijk lager dan het vriespunt van de wateroplossing. De sproeier verdeelt dit koelmiddel gelijkmatig over de wateroplossing. De druppeltjes veroorzaken dan ijsvorming. Zo vormt er zich een slurry aan de oppervlakte van de wateroplossing. Het verschil in dichtheid doet het koudemiddel naar de bodem van de tank zakken, waarna het kan opgevangen worden om opnieuw te worden afgekoeld en geïnjecteerd. (Figuur 4a). (1) (27) (28). De injectie kan langs de bovenkant gebeuren, maar ook langs onder of langs de zijkanten. (17)

De injectie van gasvormige koelmiddelen (lucht, CO₂) gebeurt op een gelijkaardige manier, waarbij de injectie doorgaans onderaan geplaatst is. Het opgewarmde gas wordt dan boven in de tank opgevangen. Van daaruit kan het opnieuw samengeperst worden en geïnjecteerd. (Figuur 4b). Gezien gassen of gasmengsels over het algemeen een duidelijk lager specifieke warmtecapaciteit hebben dan vloeistoffen, is de opwarming van het gas in de compressor of de toevoerleidingen een belangrijke factor. (20) Het afscheiden van het gas en de ijsslurry verloopt dan weer gemakkelijker. Men moet er wel rekening mee houden dat een deel van het gas zich in het water kan oplossen (20) (21).

Koelmiddelen met een fase-overgang worden ook langs onder in de tank geïnjecteerd. Het koelmiddel verdampt vervolgens, en onttrekt daarbij warmte aan het water, waardoor er ijsdeeltjes ontstaan. Het gasvormige koelmiddel stijgt naar boven, waar het wordt opgevangen waarna de cyclus opnieuw kan beginnen. In tegenstelling tot cycli met gas of vloeistof alleen, moet het koelmiddel hier niet alleen afgekoeld worden, maar ook opnieuw condenseren.

De injectortechniek heeft een eenvoudige opbouw, een goede warmte-overdracht en een hoog rendement. Een mogelijk probleem is ijsvorming in de sproei-installatie. Verder is het niet altijd even eenvoudig om het koelmiddel van het water te scheiden, zeker bij vloeibare koelmiddelen. Over het algemeen zal er altijd een kleine hoeveelheid koelmiddel in het water opgelost worden en/of ingesloten raken in ijspartikels. Dat kan problematisch zijn wanneer de ijsslurry niet in een gesloten kringloop wordt ingezet. (2) (6) (29). Over injectie met vloeibare koelmiddelen zijn er geen publicaties uit de afgelopen jaren te vinden. Injectie met gassen wordt daarentegen nog volop onderzocht.

Vacuümtechniek

Er zijn verschillende methoden om ijsslurry te produceren door middel van een vacuüm. In een kamer die gedeeltelijk met water gevuld is, wordt het tripelpunt van water (6 mbar, 273,16 K) gecreëerd met een vacuümpomp. Gezien de pomp systematisch waterdamp uit de tank zuigt, zal er steeds meer water verdampen. De verdampingsenergie wordt onttrokken aan het vloeibare water, zodat er zich ijs of een ijsslurry zal vormen (figuur 5) (1) (29-32).

Een ander methode is om water in de vacuümkamer te sproeien. (33) (34). Recent onderzoek gaat in op specifieke aspecten van de productie van het vacuüm, zoals de vacuümpomp, de condensatie van de waterdamp, de toevoeging van additieven om het tripelpunt te beïnvloeden, of de eigenschappen van de ijsdeeltjes.

Bij de vacuümmethode worden doorgaans geen andere stoffen behalve water gebruikt, wat de techniek bijzonder milieuvriendelijk maakt. Omdat het vacuüm moet behouden blijven, zijn er wel hogere eisen aan de installatietechniek. Het grote specifieke volume van waterdamp heeft ook tot gevolg dat de installatie relatief omvangrijk uitvalt. (2) (6).

Andere principes

Een studie (27) stelt een recuperatief proces voor. Een oppervlak wordt afwisselend gekoeld en verwarmd. Tijdens de koelfase vormen er zich ijsdeeltjes. Bij de opwarming komen deze los van het oppervlak en vormen zo ijsslurry. In tegenstelling tot bij de schraaptechniek zijn er geen bewegende delen nodig. Een andere studie (35) onderzoekt een inductieproces om ijs los te maken, en suggereert dat dit kan gebruikt worden voor de productie van ijsslurry, zonder echter een concreet proces te vermelden. Dit principe wordt slechts zelden in de literatuur vermeld en lijkt niet verder onderzocht te worden.

De wervelbedtechniek maakt gebruik van een verticaal geplaatste buiswarmtewisselaar waar het koelmiddel aan één kant verdampt. De andere kant wordt doorstroomd met een wateroplossing. Het water bevat kleine deeltjes, bijvoorbeeld in glas of metaal, die eveneens door de buizen stromen (wervelbed). Net als bij de andere methoden zullen er zich ijskristallen vormen op de buiswand. Deze kristallen worden door de vaste deeltjes van de wand losgemaakt. Deze vaste deeltjes zorgen ook voor een betere warmte-overdracht. De ijsdeeltjes en de vaste deeltjes worden gescheiden: het ijs verlaat als een slurry de warmtewisselaar, terwijl de vaste deeltjes in de warmtewisselaar blijven (figuur 6). De eenvoudige en stabiele opbouw van de warmtewisselaar en de goede warmte-overdracht zijn voordelen van deze methode. Als het temperatuurverschil tussen wand en vloeistof echter te groot wordt, zal er zich te veel ijs gaan vormen, dat dan in onvoldoende mate door de vaste deeltjes zal kunnen worden afgevoerd. De stabiele werking van het proces is dan niet meer verzekerd, wat de inzetbaarheid van het principe beperkt. Verder zijn hoge stromingssnelheden nodig, om er zeker van te zijn dat er voldoende ijs van de buiswand wordt afgevoerd. (6) (27) (36) (37). In het onderzoek zijn er de jongste jaren geen noemenswaardige verdere ontwikkelingen over deze techniek verschenen.

Samenvatting en besluit

Uit literatuuronderzoek blijkt dat de reeds bekende manieren van productie van ijsslurry verder verbeterd werden. Fundamenteel nieuwe methodes werden niet gevonden. De bronnen toonden de variatie en de ontwikkeling van diverse aspecten van de processen. Zo werden verschillende componenten verder verbeterd, zoals een beter rendement voor vacuümpompen of de optimalisering van de vorm van schrapers. Tevens werden nieuwe materialen en coatings voor de onderkoelingsmethode onderzocht. Dat geldt ook voor alternatieve koudedragers of additieven voor het water. Ondanks de theoretische voordelen blijven ijsslurry toepassingen in de praktijk eerder zeldzaam.

Hier wil het deelproject 9 van het Ketec onderzoeksplatform koeling en energietechniek een rol spelen (38). Het omvat onderzoek naar nieuwe processen om ijsslurry te produceren. De projectpartners zien voordelen in een proces dat schaalbaar is tot grotere vermogens. Deze grote vermogens zijn nodig om grotere installaties uit te rusten (warmtenetten, farmaceutische industrie….). In Duitsland worden deze nu uitsluitend bediend met buffervaten voor ijswater 500 – 7.500 m³). Een ander aandachtspunt is de toepassing van ijsslurry en opslag in bestaande installaties. Een potentieel voordeel van ijsslurry is dat de capaciteit van bestaande leidingsystemen verhoogd kan worden door de injectie van ijsslurry om pieklasten af te dekken.

Dankwoord

www.ketec.online

Bron: Rausendorf

Literatuur

[1] Urbaneck, T.: Kältespeicher. De Gruyter Oldenbourg, 2012. - ISBN 3-486-70776-0

[2] Han, Z.; Ma, Q.; Fang, Y.; Hua, L.; Jin, C.; Huang, J.: Progress and Innovations of Ice Slurry Generation Based on Scraped-surface Method. In: Journal of Physics: Conference Series Bd. 1550, IOP Publishing (2020), Nr. 1550 04202.

[3] Hekmatsyar, D. F.; Rayhan, F. A.; Pamitran, A. S.: Optimization of ice slurry generator with scraper blade coated by teflon for fishery industry. In: AIP Conference Proceedings, 2019.

[4] Martínez, D. S.; Solano, J. P.; Illán, F.; Viedma, A.: Analysis of heat transfer phenomena during ice slurry production in scraped surface plate heat exchangers. In: International Journal of Refrigeration Bd. 48, Elsevier BV (2014), S. 221-232.

[5] Pascual, M. R.; Derksen, J. J.; Rosmalen, G. M. V.; Witkamp, G. J.: Flow and particle motion in scraped heat exchanger crystallizers. In: Chemical Engineering Science Bd. 64, Elsevier BV (2009), Nr. 24, S. 5153-5161.

[6] Zhang, P.; Ma, Z. W.: An overview of fundamental studies and applications of phase change material slurries to secondary loop refrigeration and air conditioning systems. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews Bd. 16, Elsevier BV (2012), Nr. 7, S. 5021-5058.

[7] Zou, L.; Zhang, X.; Zheng, Q.: Research progress on preparation of binary ice by vacuum flash evaporation: A review. In: International Journal of Refrigeration Bd. 121, Elsevier BV (2021), S. 72-85.

[8] Li, Y.-T.; Yundt, A. P.; Ho, I.-C.; Huang, H.: Schutzrecht US5363660A, Orbital type freezing apparatus and method, 1994.

[9] Gladis, S. P.; Marciniak, M.; O’Hanlon, J. B.; Yundt, B.: Ice Crystal Slurry Tes System Using The Orbital Rod Evaporator. In: EPRI International Conference on sustainable thermal energy storage (TES). Conference Proceedings, 1996.

[10] Oechsle, U.; Spindler, K.: Investigation of micro- and nanostructured coatings for heat exchanger surfaces in an ice store. In: Journal of Physics: Conference Series Bd. 745, IOP Publishing (2016), Nr. 032135, S.1-8.

[11] Faucheux, M.; Muller, G.; Havet, M.; LeBail, A.: Influence of surface roughness on the supercooling degree: Case of selected water/ethanol solutions frozen on aluminium surfaces. In: International Journal of Refrigeration Bd. 29, Elsevier BV (2006), Nr. 7, S. 1218-1224.

[12] Inaba, H.; Takeya, K.; Nozu, S.: Fundamental Study on Continuous Ice Making Using Flowing Supercooled Water. In: JSME International Journal Series B Bd. 37, Japan Society of Mechanical Engineers (1994), Nr. 2, S. 385-393.

[13] Inada, T.; Zhang, X.; Yabe, A.; Kozawa, Y.: Active control of phase change from supercooled water to ice by ultrasonic vibration 1. Control of freezing temperature. In: International Journal of Heat and Mass Transfer Bd. 44, Elsevier BV (2001), Nr. 23, S. 4523-4531.

[14] Kauffeld, M.; Gund, S.: Ice slurry – History, current technologies and future developments. In: International Journal of Refrigeration Bd. 99, Elsevier BV (2019), S. 264-271.

[15] Bédécarrats, J.-P.; David, T.; Castaing-Lasvignottes, J.: Ice slurry production using supercooling phenomenon. In: International Journal of Refrigeration Bd. 33, Elsevier BV (2010), Nr. 1, S. 196-204.

[16] Wang, H.; Feng, R.; Duan, H.; Chen, A.: Investigation into the ice generator with double supercooled heat exchangers. In: Applied Thermal Engineering Bd. 98, Elsevier BV (2016), S. 380-386.

[17] Wijeysundera, N. E.; Hawlader, M. N. A.; Andy, C. W. B.; Hossain, M. K.: Ice-slurry production using direct contact heat transfer. In: International Journal of Refrigeration Bd. 27, Elsevier BV (2004), Nr. 5, S. 511-519.

[18] Wahed, M. A.; Hawlader, M. N. A.: An Analysis of a Direct Contact Ice Slurry Generator. In: Heat Transfer: Volume 1: ASMEDC, 2008.

[19] Hawlader, M. N. A.; Wahed, M. A.: Analyses of ice slurry formation using direct contact heat transfer. In: Applied Energy Bd. 86, Elsevier BV (2009), Nr. 7-8, S. 1170-1178.

[20] Zhang, X.; Zheng, K.; Wang, L.; Wang, W.; Jiang, M.; Zhao, S.: Analysis of ice slurry production by direct contact heat transfer of air and water solution. In: Journal of Zhejiang University SCIENCE A Bd. 14, Zhejiang University Press (2013), Nr. 8, S. 583-588.

[21] Thongwik, S.; Vorayos, N.; Kiatsiriroat, T.; Nuntaphan, A.: Thermal analysis of slurry ice production system using direct contact heat transfer of carbon dioxide and water mixture. In: International Communications in Heat and Mass Transfer Bd. 35, Elsevier BV (2008), Nr. 6, S. 756-761.

[22] Stephan, K.; Stopka, K.-D.: Direct contact heat transfer during evaporation of immiscible liquid mixtures. In: International Journal of Refrigeration Bd. 4 (1981), Nr. 2, S. 91-96.

[23] Zhang, Y.; Su, L.; Dong, K.; Liu, T.: Experimental study of ice slurry production system using direct contact heat transfer of RC318 and water in a horizontal pipe. In: Energy Procedia Bd. 158, Elsevier BV (2019), S. 4495-4501.

[24] Kiatsiriroat, T.; Thalang, K. N.; Dabbhasuta, S.: Ice formation around a jet stream of refrigerant. In: Energy Conversion and Management Bd. 41, Elsevier BV (2000), Nr. 3, S. 213-221.

[25] Kiatsiriroat, T.; Vithayasai, S.; Vorayos, N.; Nuntaphan, A.; Vorayos, N.: Heat transfer prediction for a direct contact ice thermal energy storage. In: Energy Conversion and Management Bd. 44, Elsevier BV (2003), Nr. 4, S. 497-508.

[26] Thitipatanapong, R.; Limmeechokchai, B.: An Experimental Study of The Direct Contact Heat Exchanger for Ice Slurry Production. In: Science & Technology Asia Bd. 10 (2005), Nr. 1, S. 57-64.

[27] Kauffeld, M.: Handbook on ice slurries?: fundamentals and engineering. Paris : International Institute of Refrigeration, 2005. - ISBN 2-913149-44-8

[28] Hayder, S.; Hassan Danook, S.; Sultan, H.: Direct-Contact Evaporation Using Different Refrigerants: A Review. In: Basrah Journal for Engineering Science Bd. 20 (2020), Nr. 2, S. 34-47.

[29] Zou, L.; Zhang, X.; Zheng, Q.: Research progress on preparation of binary ice by vacuum flash evaporation: A review. In: International Journal of Refrigeration Bd. 121, Elsevier BV (2021), S. 72-85.

[30] Safarik, M.; Honke, M.; Steffan, C.: Flüssigeis zur Kälte- und Wärmeversorgung, Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH (2017).

[31] Steffan, C.; Heinrich, C.; Safarik, M.; Honke, M.: Highest Efficiency Ice Storage for Solar Cooling Systems – Experiences with a Vacuum Ice Slurry Cold Thermal Energy Storage. In: Proceedings of SWC2017/SHC2017 : International Solar Energy Society, 2017.

[32] Ophir, A.; Rojanskiy, H.; Siluk, R.; Kanievski, A.; Kanievski, L.: Schutzrecht US 2009/0100857, Compact Heat Pump Using Water as Refrigerant, 2009.

[33] Kim, B.-S.; Lee, Y.-P.; Yoon, S.-Y.; Lee, J.-H.: A Study on Ice Slurry Production by Water Spray. In: International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Bd. 6 (1998), S. 45–55.

[34] Shin, H. T.; Lee, Y. P.; Jurng, J.: Spherical-shaped ice particle production by spraying water in a vacuum chamber. In: Applied Thermal Engineering Bd. 20, Elsevier BV (2000), Nr. 5, S. 439-454.

[35] Schaaf, J.; Kauffeld, M.: Ice aluminum debonding with induction heating. In: Journal of Adhesion Science and Technology Bd. 32, Informa UK Limited (2018), Nr. 19, S. 2111-2127.

[36] Meewisse, J. W.; Ferreira, C. A. I.: Validation of the use of heat transfer models in liquid/solid fluidized beds for ice slurry generation. In: International Journal of Heat and Mass Transfer Bd. 46, Elsevier BV (2003), Nr. 19, S. 3683-3695.

[37] Meewisse, J.: Fluidized bed ice slurry generator for enhanced secondary cooling systems. S.l : s.n, 2004. - ISBN 90-90-18122-9

[38] Urbaneck, T.; Matthes, M.; Richter; M. et al.: www.ketec.online. Internetseite Verbundvorhaben KETEC Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik, 19.07.2022.

[39] Urbaneck, T.; Uhlig, U.; Göschel, T.: Große Kaltwasserspeicher – Stand der Technik in Deutschland. ki – Kälte-, Luft- und Klimatechnik Hüthig 55. Jg. (2019) H. 12 S. 48-53.