在乳制品生产过程中，低温冷水主要用于乳制品配料、杀菌设备、分离机冷却板片、发酵翻缸板片及其他辅助设备的冷却。不同于空调冷却，乳制品生产中使用的冷冻水供应属于工艺供冷，其供水量及供水温度对生产的乳制品品质有着直接关系。如冷冻水供应温度过高，一方面使得杀菌设备温度过高，容易导致杀菌设备损坏或影响杀菌效果；另一方面乳制品配料、分离机冷却板片、发酵翻缸板片及其他辅助设备的冷却不足将会导致产品无法达到既定品质要求，造成产品不良率增高和经济损失。而优秀的乳制品生产工艺冷却系统，需要连续提供大量且高品质（指满足生产工艺需要的且水温波动在要求范围内）的低温冷水。

1 乳制品工艺冷却的负荷特点

乳制品生产企业工艺冷却负荷特点为间歇性、无规律性、突变多，乳制品生产企业工艺冷却负荷往往与生产计划及市场供需情况有很大关联。因此，在不同的时段工艺冷却负荷的需求有较大的区别，而我们常见的舒适性空调的空调冷负荷却一般呈驼峰行，规律性明显。

2 乳制品工艺冷却系统的主要形式

根据乳制品工艺冷却负荷的特点，乳制品工艺冷却系统多应用蓄冷技术，其中使用较多的有单水池（罐）型和双水池（罐）型（高温水池+低温水池）两种。

1）单水池（罐）型适用于产量不大的单一型乳制品生产企业，但是受限于水池（罐）蓄冷量有限，常会出现高低温水混合损失导致出水温度会不断升高的情况，影响乳制品品质，已逐渐被行业淘汰。

2）双水池（罐）型（高温水池+低温水池），虽然能克服高低温水混合损失的缺陷，但是由于同样受限于水池（罐）的容积及蓄冷能力的限制，需要建造足够大的蓄冷池（罐），场地占用及项目投资大，不适用于一般的中小型乳制品生产企业。

3 乳制品工艺冷却系统的常见缺陷

制冷系统经常不能满足乳制品工艺冷却中对冰水量和冰水品质的要求，尤其是冰水品质不能满足要求（主要包括收奶、奶罐保温、巴氏杀菌以及某些特殊奶饮料生产中的冰水量和冰水品质），导致牛奶品质受影响，见图1。乳制品的生产通常都是按销量情况进行排班生产，每天的生产情况都可能存在比较大的差别，因此需要制冷系统有非常好的弹性。但常规制冷系统通常会按最大量来进行设计，而在运行的时候，为了尽可能地达到要求水温，会采取加大制冷主机运行或提前开启制冷系统等措施，这样会导致投资费用和运行费用的增加。对于既有常温奶、又有低温奶的多品种产品生产，高温用冷和低温用冷如果没有分开（如鲜奶和常温奶使用一样的冷水供水温度），将导致生产运行费用偏高。

因此，在乳制品生产过程中，制冷系统频繁加载、减载会使运行效率低下和费用增高，制冷系统也对工艺冷却负荷的响应滞后。无弹性的制冷系统在产量增加后，必须增加相应制冷系统的制冷能力，这会在无形中增加了投资费用。

4 合格的乳制品工艺冷却系统

根据乳制品生产冷却工艺要求，合格工艺的冷却系统应具备如下特点。

1）能提供高品位冷水（1℃以下）。

考虑冰水在输送过程中的温升以及车间生产用换热器的情况，只有保证了冰水的量和品位的情况下，才能实现牛奶冷却后出口温度不高于4℃（低温奶品质要求）。在实际生产中，有些运维人员认为由于冰水量没有达到要求或者主机配置小而导致牛奶温度降不到规定要求，这种判断往往都是错误的，其核心原因是冰水品位，即温度没有达到要求。

2）具备强大的冷量储备（蓄冷槽）及快速释放能力。

冷量有储备、能快速释放，系统具备的这项能力保证了系统对生产的响应及时迅速，避免了主机启动或者加载过程中的滞后，同时保证了制冷和用冷相互独立，不会相互影响，大大提高了系统的反应速度。

3）高效率及低费用运行。

常规系统需要提前开启主机，或者为了维持管道内水的温度，在没有生产的时候按最低负荷运行，但有时候错误的开启多台主机会导致运行能耗和费用大大增加。因此，合格的工艺冷却系统必须是高效率和低费用运行。

从以上分析可以知道，以往乳制品工艺冷却系统采用的蓄冷技术主要为水蓄冷，在一定时间段内能较好地满足乳制品生产工艺的冷却要求。但随着乳制品生产企业产品的多元化及对产品品质要求的提高，单一的水蓄冷系统已无法满足生产需要。

5 动态冰浆蓄冷技术在冷却系统中的应用

冰蓄冷技术主要分为静态制冰和动态制冰技术。静态制冰主要是通过低温冷水机组制备-6℃以下的冷冻液（低温制冰），使蓄冰槽内的盘管或冰球结冰从而储存冷量，放冷时通过盘管或冰球融冰释放冷量。静态制冰存在换热热阻高、制冰能耗高、融冰过程比表面积小、放冷速度慢、容易出现固态冰阻碍传热的情况，一般适用于冷负荷需求相对平缓的舒适性空调系统。

动态冰浆蓄冷技术，主要通过“过冷水+超声波促晶”的原理制取冰浆储存在蓄冰槽内，以冰浆形式进行换热，融冰过程的比面积大大提高，能大幅度提高放冷速度，满足突然增大的冷负荷需求。动态制冰技术中低温冷水机组的冷冻液供水温度一般为-3℃，属于高温制冰，冷水机组运行效率相对更高。

综上所述，乳制品生产企业工艺冷却负荷具有间歇性、无规律性、突变多的特点。蓄冷技术的应用能够有效应对间歇性和无规则性的冷负荷需求，对于突变多的负荷要求，传统的蓄冷方式虽然能一定程度上缓解负荷突变带来的不良影响，但是不能完美解决。而以冰浆形式进行换热的动态冰浆蓄冰，能够满足突然增大的冷负荷需求，完美契合新型乳制品生产企业对工艺冷却系统的要求。动态冰浆蓄冰的技术原理见图2。

图2 动态冰浆蓄冰的技术原理   

动态冰浆技术的蓄冰步骤主要包括以下4步。

1）低温制冷机组提供-3℃的乙二醇载冷剂。

2）通过高效过冷水板式换热器制取-2℃过冷水（只换热不结冰）。

3）通过超声波辐射高速促使过冷水转换为冰浆（只结冰不换热）。

4）冰浆通过管道输送回蓄冰槽储存。

6 动态冰浆蓄冷技术优势

6.1 制冰主机能效提高

制冷主机不冻液出水温度恒定-3℃，比传统静态冰蓄冷-6℃以下的主机不冻液出水温度高3～6℃，制冷蒸发温度提高，主机能效比（COP）提高15%以上。换热和结冰过程在空间上分离，换热过程不结冰，结冰过程不换热，避免了固态冰对传热热阻的不利影响，采用高效板式换热器传递冷量，系统热交换效率成数十倍增加。

6.2 蓄冷率大幅提高

蓄冷率是指制冷主机在蓄冰工况下8 h的实际输出冷量总和与该主机在空调工况下8 h的额定输出冷量总和之比。蓄冷率越高，表明冰蓄冷系统的综合蓄冰效率越高。根据实例分析，动态冰蓄冷的蓄冷率约为70%；而静态冰蓄冷的蓄冷率一般约为50%。动态冰蓄冷因主机不冻液出水温度高、8 h制冰运行工况恒定，具有远高于静态冰蓄冷的蓄冰率，蓄冷率大幅提高约20%。

6.3 融冰放冷速度数倍提高

动态冰浆融冰放冷时采用回水直接与疏松冰层渗透接触融冰的方式，固态冰颗粒与水接触的比表面积是静态冰蓄冷的成百上千倍，致使放冷能力大幅提高，从而具备了在空调负荷高峰时段（电价高峰时段）独立融冰供冷的能力，避免了传统静态冰蓄冷因放冷速度太慢而无法完全避开使用峰价电的劣势，蓄冷用户经济效益可以实现最大化。同时，融冰出水温度可稳定低至2℃以下，具备了温湿双控或大温差送水（送风）等节能技术的冷源配备条件，也具备满足某些特殊工业用冷的条件（如乳品冷却等）。

6.4 场地占用适应性强

蓄冰槽内无需安装设备及其他设施，任意形状尺寸均可满足安装要求，可因地制宜充分利用现场的边角空间。动态冰浆机组属于装配式的设备，既可实现整体标准化机组，又可根据现场特殊情况非标设计，采取分块安装，各功能块通过管道连接，场地适应性高。

6.5 安全环保，维修保养简单方便

冰槽内的蓄冷介质为普通自来水，不添加任何药剂，安全环保、成本低廉。用于制冷主机和动态冰浆机组之间传递冷量的乙二醇溶液载冷剂用量极少。制冰设备置于蓄冰槽之外，维修保养简单方便、成本低廉。

综上所述，动态冰浆蓄冷技术完美满足乳制品生产企业工艺冷却负荷的要求，能够很好地适应乳制品生产企业的生产规律及用冷需求。由于蓄冰以冰浆形式进行，换热面积大，放冷效率高，能够很好地适应突然增加的用冷需求量；已能很好地控制冷水的供水温度，提高高品质的工艺冷水。特别是安装场地占用适应性强，特别适合乳制品生产企业升级改造供冷系统的改造项目。因此，该技术越来越多地应用到乳制品生产企业中，并取得较好的经济效益。

7 动态冰浆蓄冷技术的经济效益

动态冰浆蓄冷技术作为蓄冷式制冷系统，能够在夜间电力负荷低谷时段（低谷电价），同时也是冷负荷低谷时段，制冷主机开机制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来，待白天电力负荷高峰时段（高峰电价），或者冷负荷高峰时段，再将储存的冷量释放出来满足冷负荷需求的一类供冷系统。蓄冷式制冷系统全部或部分地将制冷主机所需的电力负荷自白天转移至夜间，由此实现电力移峰填谷，达到节约电费的目的，见图3。

图3 蓄冷式制冷系统节电运行示意图   

乳制品生产企业的工艺性冷却系统的耗电，一直以来占据生产用电负荷较高的比例。充分利用峰谷电价优惠政策，能够节约大量的用电成本，为企业节支增效。部分地区政府还有针对蓄冷空调的电费优惠政策，如深圳地区见表1。这些政策将推动更多企业投资使用蓄冷技术。

1）宏观社会效益。

转移电力高蜂用电量，实现电网的移峰填谷，平衡电网峰谷负荷，避免高峰时段拉闸限电；缩小电力负荷峰谷差，提高发电厂一次能源利用效率，实现宏观节能；减缓电厂和输配电设施的建设和投资；减少SO2、NOx、C02排放，减少环境污染。

2）用户经济效益。

制冷设备满负荷运转效率高；减少25%～50%的主机装机容量，减少冷却塔的装机容量和功率，减少空调系统的一次性投资；减少空调系统电力增容费和供配电设施费；冷冻水温可降到1～4℃可实现大温差、低温送风，空气相对湿度较低，空调品质提髙；节省水、风输送系统的投资和能耗。充分利用峰谷电价政策的低价电力，大幅降低空调系统运行费用；可作为应急冷源，停电时可利用自备电力融冰供冷。

表1 深圳地区商业电价（以下电价为本稿撰写期间深圳地区实时电价）  

8 结束语

随着乳制品生产企业的产品越来越丰富和产量及品质要求的提高，由以往单一的常温乳制品，发展到现在巴氏奶、低温酸奶、乳制品饮料、乳制品雪糕等丰富多样的产品种类，从而对工艺性制冷系统的要求有了更高的要求。本文研究的动态冰浆蓄冷技术，提供了足量稳定的高品质冰水，而稳定的高品质低温工艺冷水又为乳制品品质提供了保障。所采用的蓄冷技术通过大量使用低谷电力，减少使用高峰电价电力的同时，实现了节支增收，为在乳制品生产企业大力推广提供了样本。