在乳制品生產過程中，低溫冷水主要用于乳制品配料、殺菌設備、分離機冷卻板片、發酵翻缸板片及其他輔助設備的冷卻。不同于空調冷卻，乳制品生產中使用的冷凍水供應屬于工藝供冷，其供水量及供水溫度對生產的乳制品品質有著直接關系。如冷凍水供應溫度過高，一方面使得殺菌設備溫度過高，容易導致殺菌設備損壞或影響殺菌效果；另一方面乳制品配料、分離機冷卻板片、發酵翻缸板片及其他輔助設備的冷卻不足將會導致產品無法達到既定品質要求，造成產品不良率增高和經濟損失。而優秀的乳制品生產工藝冷卻系統，需要連續提供大量且高品質（指滿足生產工藝需要的且水溫波動在要求范圍內）的低溫冷水。
1 乳制品工藝冷卻的負荷特點
乳制品生產企業工藝冷卻負荷特點為間歇性、無規律性、突變多，乳制品生產企業工藝冷卻負荷往往與生產計劃及市場供需情況有很大關聯。因此，在不同的時段工藝冷卻負荷的需求有較大的區別，而我們常見的舒適性空調的空調冷負荷卻一般呈駝峰行，規律性明顯。
2 乳制品工藝冷卻系統的主要形式
根據乳制品工藝冷卻負荷的特點，乳制品工藝冷卻系統多應用蓄冷技術，其中使用較多的有單水池（罐）型和雙水池（罐）型（高溫水池+低溫水池）兩種。
1）單水池（罐）型適用于產量不大的單一型乳制品生產企業，但是受限于水池（罐）蓄冷量有限，常會出現高低溫水混合損失導致出水溫度會不斷升高的情況，影響乳制品品質，已逐漸被行業淘汰。
2）雙水池（罐）型（高溫水池+低溫水池），雖然能克服高低溫水混合損失的缺陷，但是由于同樣受限于水池（罐）的容積及蓄冷能力的限制，需要建造足夠大的蓄冷池（罐），場地占用及項目投資大，不適用于一般的中小型乳制品生產企業。
3 乳制品工藝冷卻系統的常見缺陷
制冷系統經常不能滿足乳制品工藝冷卻中對冰水量和冰水品質的要求，尤其是冰水品質不能滿足要求（主要包括收奶、奶罐保溫、巴氏殺菌以及某些特殊奶飲料生產中的冰水量和冰水品質），導致牛奶品質受影響，見圖1。乳制品的生產通常都是按銷量情況進行排班生產，每天的生產情況都可能存在比較大的差別，因此需要制冷系統有非常好的彈性。但常規制冷系統通常會按最大量來進行設計，而在運行的時候，為了盡可能地達到要求水溫，會采取加大制冷主機運行或提前開啟制冷系統等措施，這樣會導致投資費用和運行費用的增加。對于既有常溫奶、又有低溫奶的多品種產品生產，高溫用冷和低溫用冷如果沒有分開（如鮮奶和常溫奶使用一樣的冷水供水溫度），將導致生產運行費用偏高。
因此，在乳制品生產過程中，制冷系統頻繁加載、減載會使運行效率低下和費用增高，制冷系統也對工藝冷卻負荷的響應滯后。無彈性的制冷系統在產量增加后，必須增加相應制冷系統的制冷能力，這會在無形中增加了投資費用。
4 合格的乳制品工藝冷卻系統
根據乳制品生產冷卻工藝要求，合格工藝的冷卻系統應具備如下特點。
1）能提供高品位冷水（1℃以下）。
考慮冰水在輸送過程中的溫升以及車間生產用換熱器的情況，只有保證了冰水的量和品位的情況下，才能實現牛奶冷卻后出口溫度不高于4℃（低溫奶品質要求）。在實際生產中，有些運維人員認為由于冰水量沒有達到要求或者主機配置小而導致牛奶溫度降不到規定要求，這種判斷往往都是錯誤的，其核心原因是冰水品位，即溫度沒有達到要求。
2）具備強大的冷量儲備（蓄冷槽）及快速釋放能力。
冷量有儲備、能快速釋放，系統具備的這項能力保證了系統對生產的響應及時迅速，避免了主機啟動或者加載過程中的滯后，同時保證了制冷和用冷相互獨立，不會相互影響，大大提高了系統的反應速度。
3）高效率及低費用運行。
常規系統需要提前開啟主機，或者為了維持管道內水的溫度，在沒有生產的時候按最低負荷運行，但有時候錯誤的開啟多臺主機會導致運行能耗和費用大大增加。因此，合格的工藝冷卻系統必須是高效率和低費用運行。
從以上分析可以知道，以往乳制品工藝冷卻系統采用的蓄冷技術主要為水蓄冷，在一定時間段內能較好地滿足乳制品生產工藝的冷卻要求。但隨著乳制品生產企業產品的多元化及對產品品質要求的提高，單一的水蓄冷系統已無法滿足生產需要。
5 動態冰漿蓄冷技術在冷卻系統中的應用
冰蓄冷技術主要分為靜態制冰和動態制冰技術。靜態制冰主要是通過低溫冷水機組制備-6℃以下的冷凍液（低溫制冰），使蓄冰槽內的盤管或冰球結冰從而儲存冷量，放冷時通過盤管或冰球融冰釋放冷量。靜態制冰存在換熱熱阻高、制冰能耗高、融冰過程比表面積小、放冷速度慢、容易出現固態冰阻礙傳熱的情況，一般適用于冷負荷需求相對平緩的舒適性空調系統。
動態冰漿蓄冷技術，主要通過“過冷水+超聲波促晶”的原理制取冰漿儲存在蓄冰槽內，以冰漿形式進行換熱，融冰過程的比面積大大提高，能大幅度提高放冷速度，滿足突然增大的冷負荷需求。動態制冰技術中低溫冷水機組的冷凍液供水溫度一般為-3℃，屬于高溫制冰，冷水機組運行效率相對更高。
綜上所述，乳制品生產企業工藝冷卻負荷具有間歇性、無規律性、突變多的特點。蓄冷技術的應用能夠有效應對間歇性和無規則性的冷負荷需求，對于突變多的負荷要求，傳統的蓄冷方式雖然能一定程度上緩解負荷突變帶來的不良影響，但是不能完美解決。而以冰漿形式進行換熱的動態冰漿蓄冰，能夠滿足突然增大的冷負荷需求，完美契合新型乳制品生產企業對工藝冷卻系統的要求。動態冰漿蓄冰的技術原理見圖2。
圖2 動態冰漿蓄冰的技術原理
動態冰漿技術的蓄冰步驟主要包括以下4步。
1）低溫制冷機組提供-3℃的乙二醇載冷劑。
2）通過高效過冷水板式換熱器制取-2℃過冷水（只換熱不結冰）。
3）通過超聲波輻射高速促使過冷水轉換為冰漿（只結冰不換熱）。
4）冰漿通過管道輸送回蓄冰槽儲存。
6 動態冰漿蓄冷技術優勢
6.1 制冰主機能效提高
制冷主機不凍液出水溫度恒定-3℃，比傳統靜態冰蓄冷-6℃以下的主機不凍液出水溫度高3～6℃，制冷蒸發溫度提高，主機能效比（COP）提高15%以上。換熱和結冰過程在空間上分離，換熱過程不結冰，結冰過程不換熱，避免了固態冰對傳熱熱阻的不利影響，采用高效板式換熱器傳遞冷量，系統熱交換效率成數十倍增加。
6.2 蓄冷率大幅提高
蓄冷率是指制冷主機在蓄冰工況下8 h的實際輸出冷量總和與該主機在空調工況下8 h的額定輸出冷量總和之比。蓄冷率越高，表明冰蓄冷系統的綜合蓄冰效率越高。根據實例分析，動態冰蓄冷的蓄冷率約為70%；而靜態冰蓄冷的蓄冷率一般約為50%。動態冰蓄冷因主機不凍液出水溫度高、8 h制冰運行工況恒定，具有遠高于靜態冰蓄冷的蓄冰率，蓄冷率大幅提高約20%。
6.3 融冰放冷速度數倍提高
動態冰漿融冰放冷時采用回水直接與疏松冰層滲透接觸融冰的方式，固態冰顆粒與水接觸的比表面積是靜態冰蓄冷的成百上千倍，致使放冷能力大幅提高，從而具備了在空調負荷高峰時段（電價高峰時段）獨立融冰供冷的能力，避免了傳統靜態冰蓄冷因放冷速度太慢而無法完全避開使用峰價電的劣勢，蓄冷用戶經濟效益可以實現最大化。同時，融冰出水溫度可穩定低至2℃以下，具備了溫濕雙控或大溫差送水（送風）等節能技術的冷源配備條件，也具備滿足某些特殊工業用冷的條件（如乳品冷卻等）。
6.4 場地占用適應性強
蓄冰槽內無需安裝設備及其他設施，任意形狀尺寸均可滿足安裝要求，可因地制宜充分利用現場的邊角空間。動態冰漿機組屬于裝配式的設備，既可實現整體標準化機組，又可根據現場特殊情況非標設計，采取分塊安裝，各功能塊通過管道連接，場地適應性高。
6.5 安全環保，維修保養簡單方便
冰槽內的蓄冷介質為普通自來水，不添加任何藥劑，安全環保、成本低廉。用于制冷主機和動態冰漿機組之間傳遞冷量的乙二醇溶液載冷劑用量極少。制冰設備置于蓄冰槽之外，維修保養簡單方便、成本低廉。
綜上所述，動態冰漿蓄冷技術完美滿足乳制品生產企業工藝冷卻負荷的要求，能夠很好地適應乳制品生產企業的生產規律及用冷需求。由于蓄冰以冰漿形式進行，換熱面積大，放冷效率高，能夠很好地適應突然增加的用冷需求量；已能很好地控制冷水的供水溫度，提高高品質的工藝冷水。特別是安裝場地占用適應性強，特別適合乳制品生產企業升級改造供冷系統的改造項目。因此，該技術越來越多地應用到乳制品生產企業中，并取得較好的經濟效益。
7 動態冰漿蓄冷技術的經濟效益
動態冰漿蓄冷技術作為蓄冷式制冷系統，能夠在夜間電力負荷低谷時段（低谷電價），同時也是冷負荷低谷時段，制冷主機開機制冷并由蓄冷設備將冷量儲存起來，待白天電力負荷高峰時段（高峰電價），或者冷負荷高峰時段，再將儲存的冷量釋放出來滿足冷負荷需求的一類供冷系統。蓄冷式制冷系統全部或部分地將制冷主機所需的電力負荷自白天轉移至夜間，由此實現電力移峰填谷，達到節約電費的目的，見圖3。
圖3 蓄冷式制冷系統節電運行示意圖
乳制品生產企業的工藝性冷卻系統的耗電，一直以來占據生產用電負荷較高的比例。充分利用峰谷電價優惠政策，能夠節約大量的用電成本，為企業節支增效。部分地區政府還有針對蓄冷空調的電費優惠政策，如深圳地區見表1。這些政策將推動更多企業投資使用蓄冷技術。
1）宏觀社會效益。
轉移電力高蜂用電量，實現電網的移峰填谷，平衡電網峰谷負荷，避免高峰時段拉閘限電；縮小電力負荷峰谷差，提高發電廠一次能源利用效率，實現宏觀節能；減緩電廠和輸配電設施的建設和投資；減少SO2、NOx、C02排放，減少環境污染。
2）用戶經濟效益。
制冷設備滿負荷運轉效率高；減少25%～50%的主機裝機容量，減少冷卻塔的裝機容量和功率，減少空調系統的一次性投資；減少空調系統電力增容費和供配電設施費；冷凍水溫可降到1～4℃可實現大溫差、低溫送風，空氣相對濕度較低，空調品質提髙；節省水、風輸送系統的投資和能耗。充分利用峰谷電價政策的低價電力，大幅降低空調系統運行費用；可作為應急冷源，停電時可利用自備電力融冰供冷。
表1 深圳地區商業電價（以下電價為本稿撰寫期間深圳地區實時電價）
8 結束語
隨著乳制品生產企業的產品越來越豐富和產量及品質要求的提高，由以往單一的常溫乳制品，發展到現在巴氏奶、低溫酸奶、乳制品飲料、乳制品雪糕等豐富多樣的產品種類，從而對工藝性制冷系統的要求有了更高的要求。本文研究的動態冰漿蓄冷技術，提供了足量穩定的高品質冰水，而穩定的高品質低溫工藝冷水又為乳制品品質提供了保障。所采用的蓄冷技術通過大量使用低谷電力，減少使用高峰電價電力的同時，實現了節支增收，為在乳制品生產企業大力推廣提供了樣本。
