章學(xué)來，李躍，王友利

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均勻多孔介質(zhì)下乙醇溶液的過冷度

章學(xué)來，李躍，王友利

（上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所，上海 201306）

為了研究多孔介質(zhì)對(duì)乙醇溶液過冷度的影響，實(shí)驗(yàn)搭建了不同孔隙率和不同熱導(dǎo)率的多孔介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過改變乙醇溶液濃度探究了濃度對(duì)過冷度的影響，通過改變孔隙率和熱導(dǎo)率探究強(qiáng)化換熱方法。數(shù)據(jù)的處理采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，每種工況下實(shí)驗(yàn)32次。結(jié)果表明：多孔介質(zhì)的孔隙率和熱導(dǎo)率對(duì)乙醇溶液過冷度有影響；隨著孔隙率的減小和熱導(dǎo)率的增加，平均過冷度值減小，過冷度穩(wěn)定性增強(qiáng)；高濃度對(duì)減小過冷度作用明顯，濃度越高，過冷度平均值和最大值越小，而濃度的變化對(duì)穩(wěn)定性影響較小。

過冷度；多孔介質(zhì)；乙醇溶液；孔隙率；濃度

引 言

水是一種良好的溶劑，價(jià)格便宜、極易獲得，而乙醇添加劑極易溶于水，使乙醇溶液成為蓄冷研究中重要的相變材料。Asaoka等[1]使用乙醇溶液制取冰漿，分析了溶液中乙醇濃度與蒸氣中乙醇濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相比于沒有冰漿出現(xiàn)的情況，有冰漿生成時(shí)的蒸氣中乙醇含量會(huì)更低一些。乙醇添加劑可以抑制冰晶生長(zhǎng)和重結(jié)晶，降低冰晶黏附力，在冰漿制備系統(tǒng)中能取得良好的效果[2]。唐恒等[3]選擇幾種醇類添加劑研究對(duì)冰晶生長(zhǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)醇類添加劑一定程度上可以阻礙冰晶的生長(zhǎng)。然而水的過冷度較大，加上乙醇添加劑對(duì)水的冰點(diǎn)調(diào)節(jié)作用，大大降低了制冷系統(tǒng)COP。同時(shí)乙醇溶液熱導(dǎo)率低，熱響應(yīng)速度太慢[4]，在靜態(tài)成冰過程中，尤為不利。因此應(yīng)減小水的過冷度，增強(qiáng)溶液傳熱特性，縮短相變時(shí)間。

影響水的過冷度的很多因素：水體體積、傳熱面材料、水體中雜質(zhì)和添加劑、冷卻速率和一些外加因素已經(jīng)得到研究[5-9]。Hong等[10]研究表明添加劑濃度越高，過冷度越小。洪榮華等[11]研究發(fā)現(xiàn)成核添加劑和環(huán)境溫度對(duì)蓄冷溶液過冷度有明顯的影響。此外，水的過冷度出現(xiàn)有隨機(jī)性，過冷度并非定值，許多學(xué)者都采用了統(tǒng)計(jì)的研究方法。

為了提高相變材料的換熱性能，多孔介質(zhì)得到廣泛研究[12-14]。一些研究表明多孔介質(zhì)在改善其換熱性能方面頗有成效。Py等[15]在石蠟中填充膨脹石墨，使石蠟的傳熱性能最高可達(dá)原來的70倍。劉小平等[16]研究表明多孔介質(zhì)熱導(dǎo)率越高，冰蓄冷板融化時(shí)間越短，泡沫銅多孔介質(zhì)最多可將冰蓄冷板融化時(shí)間縮短15.2%。Siahpush等[17]研究發(fā)現(xiàn)在純度為99%正十二烷中填充泡沫銅，復(fù)合材料熱導(dǎo)率大大提升。

基于多孔介質(zhì)能夠強(qiáng)化傳熱的特性，有學(xué)者利用多孔材料、金屬顆粒堆積模擬多孔介質(zhì)。吳志根等[18]利用Fluent軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)多孔金屬矩陣材料在相變系統(tǒng)中的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究。王崢等[19]通過玻璃球堆積而成的多孔球?qū)?，研究了多孔?nèi)核態(tài)沸騰和氣泡生長(zhǎng)過程。趙群志等[20]研究了多孔球?qū)觾?nèi)水的過冷與蓄冷特性，實(shí)驗(yàn)表明多孔基底的存在可以大大縮短蓄冷相變時(shí)間。

以上研究表明，相變系統(tǒng)中多孔介質(zhì)的存在對(duì)強(qiáng)化傳熱有積極的作用，同時(shí)過冷度也是影響蓄冷系統(tǒng)效率的重要因素。上述研究并未涉及乙醇溶液過冷度的研究，而乙醇溶液作為重要的相變材料，本身濃度也是過冷度的影響因素。因此本文將不同材料和直徑的小球在不同濃度的乙醇溶液中堆積搭建多孔介質(zhì)，研究對(duì)乙醇溶液過冷度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、恒溫設(shè)備、低溫循環(huán)槽、聚氨酯密封蓋板、熱電偶等。其中數(shù)據(jù)采集器選用的是Agilent/安捷倫34972A型數(shù)據(jù)采集器；恒溫設(shè)備選用的是上海衡平儀器廠生產(chǎn)的DC-6515型低溫恒溫槽，溫控范圍為-65～100℃，精度為±0.05℃；低溫循環(huán)槽為定制設(shè)備，里面通入循環(huán)冷凍介質(zhì)，外表面包裹保溫層；選用的熱電偶為T型熱電偶，精度為±0.5℃，熱響應(yīng)時(shí)間為0.4 s；實(shí)驗(yàn)中測(cè)量用的電子天平型號(hào)為FA2004，精度為±0.2 mg。搭建多孔介質(zhì)所用的材料是：鋁球、不銹鋼球、玻璃球，每種材料的物性參數(shù)見表1。每種材料的球各取5、8、11 mm 3種直徑。實(shí)驗(yàn)首先將所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備（燒杯、鑷子、玻璃棒、熱電偶、保溫蓋板、不同直徑的鋁球、不銹鋼球、玻璃球）放入超聲波中振蕩清洗，除去設(shè)備表面附著的灰塵，確保乙醇溶液過冷度不受雜質(zhì)的影響。配制不同濃度的溶液時(shí)，先用電子天平稱量100 g蒸餾水中所需的無水乙醇質(zhì)量[乙醇為實(shí)驗(yàn)用的無水乙醇，AR（滬試），純度≥99.7%]，然后與100 g的蒸餾水進(jìn)行均勻攪拌。由于乙醇容易揮發(fā)，因此每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都現(xiàn)用現(xiàn)配，配好后密封，使用濃度折射儀檢測(cè)配比濃度，若檢測(cè)濃度與所需濃度差值在0.5%，則溶液可用于實(shí)驗(yàn)。

1—constant temperature equipment; 2—low temperature circulation tank; 3—thermal insulation layer; 4—bracket; 5—beaker; 6—polyurethane sealing cover plate; 7—Agilent data logger; 8—computer; 9—thermocouple; 10—porous media

表1 材料物理參數(shù)

水在結(jié)晶過程中存在過冷現(xiàn)象。當(dāng)水體溫度低于水的冰點(diǎn)溫度而沒有出現(xiàn)結(jié)晶，此時(shí)水處于過冷狀態(tài)（亞穩(wěn)定態(tài)），當(dāng)水體繼續(xù)過冷到某一溫度后結(jié)晶，此溫度與冰點(diǎn)溫度的差值即為過冷度。過冷度具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，為了避免單次測(cè)試偶然性因素的存在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在低溫循環(huán)槽中每次放置4個(gè)燒杯，進(jìn)行8次實(shí)驗(yàn)，獲得32個(gè)結(jié)果。單次實(shí)驗(yàn)時(shí)，4個(gè)燒杯所處的實(shí)驗(yàn)條件相同：乙醇溶液濃度、多孔球?qū)訜釋?dǎo)率、球?qū)涌紫堵实染嗤?。采用單一變量法，改變以?個(gè)變量之一即可獲得不同實(shí)驗(yàn)條件。多孔球?qū)拥拇罱ǚ椒ㄊ牵好看稳?5 g配制好的溶液放置在容量為150 ml的燒杯中，以使球放入量最大而不露出液面為標(biāo)準(zhǔn)，每次擺放規(guī)則和位置基本一致，盡量減小接觸角對(duì)乙醇溶液過冷度的影響。其中5、8、11 mm直徑的球放入的層數(shù)分別為10、5、3，所放球的最大個(gè)數(shù)分別為1005、185、64。如圖2～圖4所示。

由于乙醇是易揮發(fā)液體，其常溫下即有很強(qiáng)的揮發(fā)性，因此每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)燒杯口均用密封膜密封，放置在支架上，將提前劃有4個(gè)圓溝痕的聚氨酯蓋板倒扣在剛才的4個(gè)燒杯上，T型熱電偶穿過聚氨酯蓋板每個(gè)圓痕的中心，伸進(jìn)含多孔介質(zhì)的乙醇溶液中，熱電偶測(cè)點(diǎn)布置于多孔介質(zhì)中心部位進(jìn)行溫度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中在低溫循環(huán)槽內(nèi)也設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，用于開始和結(jié)束溫度的測(cè)量。設(shè)置聚氨酯蓋板的目的有兩個(gè)，一是由于聚氨酯蓋板良好的隔熱保溫性能，可以防止外界環(huán)境的擾動(dòng)對(duì)燒杯內(nèi)乙醇過冷度的影響；二是防止空氣中粉塵等微小顆粒落入燒杯中影響成核，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將恒溫設(shè)備的溫度設(shè)置在5℃左右，待低溫循環(huán)槽中的溫度穩(wěn)定到5℃后迅速以0.04℃·s-1的降溫速率冷卻實(shí)驗(yàn)對(duì)象，待低溫循環(huán)槽中的溫度達(dá)到-25℃終止，為避免降溫速率對(duì)過冷度的影響，每次實(shí)驗(yàn)采用相同的降溫速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔隙率對(duì)乙醇溶液過冷度的影響

通過不同球徑的小球搭建的多孔介質(zhì)，它的孔隙率為：多孔介質(zhì)中孔隙的體積占小球自然堆積下的體積的百分比。本實(shí)驗(yàn)所用小球球徑為5、8、11 mm，對(duì)應(yīng)搭建的多孔介質(zhì)孔隙率分別為41.3%、43.9%、48.7%。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了濃度為15%的乙醇溶液在不同孔隙率下的鋁球多孔介質(zhì)中的過冷度，以0.5℃為區(qū)間長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得概率分布如圖5所示。然后把鋁球換成不銹鋼球和玻璃球依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得概率分布如圖6、圖7所示。

從圖5可以看出相同材質(zhì)（相同熱導(dǎo)率）不同孔隙率的多孔介質(zhì)對(duì)過冷度有影響。在孔隙率為41.3%的多孔介質(zhì)條件下，乙醇溶液過冷度主要分布1～4℃區(qū)間內(nèi)，在2～2.5℃區(qū)間高度集中，出現(xiàn)的概率達(dá)到0.47。在孔隙率為43.9%多孔介質(zhì)條件下，乙醇過冷度主要分布在0～4℃區(qū)間內(nèi)，在2.5～4℃區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率最大?？紫堵蕿?8.7%的多孔介質(zhì)條件下，其過冷度分布區(qū)間很大，也不像前兩種條件下出現(xiàn)高度集中的現(xiàn)象。再比較圖6和圖7中不同孔隙率的多孔介質(zhì)下過冷度，可以發(fā)現(xiàn)相同的現(xiàn)象：孔隙率越小，乙醇溶液的過冷度越集中，即過冷度值越穩(wěn)定，而且過冷度隨著孔隙率的增加，其值也在較大的值域內(nèi)出現(xiàn)。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理后，獲得各實(shí)驗(yàn)條件下過冷度值的平均值、峰值及單區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的最大概率值，結(jié)果列于表2和圖8中。

表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

觀察表2可以看到，乙醇過冷度與多孔介質(zhì)的孔隙率有關(guān)。無論何種材質(zhì)，當(dāng)多孔介質(zhì)材質(zhì)確定時(shí)，隨孔隙率的減小，乙醇平均過冷度值均減小，過冷度最大值也出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。分析原因，孔隙率越小的多孔介質(zhì)，內(nèi)部微孔增多，使得多孔介質(zhì)與溶液接觸面積大大增加，促進(jìn)外界冷量迅速輸入；其次，由于孔隙率越小，模擬的多孔介質(zhì)越密集緊湊，使溶液更加均勻地分布于多孔介質(zhì)內(nèi)，溶液平均過冷度值減小。

分析概率峰值（概率峰值是指在每個(gè)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率值中的最大值，該值越大，表示數(shù)據(jù)越集中）可知，孔隙率對(duì)概率峰值影響較大。孔隙率越大的多孔介質(zhì)，出現(xiàn)概率峰值的分布區(qū)間也越大（以鋁球?yàn)槔睆綖?、8、11 mm時(shí)，概率峰值所在的區(qū)間分別為：2～2.5、2.5～3、2.5～3.5），過冷度值更分散，穩(wěn)定性較低。分析原因，孔隙率越大，多孔介質(zhì)越疏松，增加了傳熱熱阻，而且多孔介質(zhì)與溶液接觸面積減小，使溶液過冷度值更分散，穩(wěn)定性低。

2.2 熱導(dǎo)率對(duì)乙醇溶液過冷度的影響

熱導(dǎo)率的不同主要體現(xiàn)在材質(zhì)的不同，因此下文中對(duì)于熱導(dǎo)率的討論將用不同的材質(zhì)來代替。將具有同一孔隙率的3種不同熱導(dǎo)率材料所得實(shí)驗(yàn)值放在概率分布直方圖中進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9表示的是，在孔隙率為41.3%的3種材質(zhì)的多孔介質(zhì)下15%的乙醇溶液過冷度概率分布。觀察圖9可以得出，孔隙率確定，不同熱導(dǎo)率的多孔介質(zhì)，其過冷度值符合同一種概率分布。圖9中顯示，3種材質(zhì)的過冷度值分布約呈正態(tài)分布。不同的熱導(dǎo)率下，出現(xiàn)概率峰值時(shí)的過冷度區(qū)間不同（鋁質(zhì)多孔介質(zhì)2.0～2.5、不銹鋼多孔介質(zhì)2.5～3.0、玻璃多孔介質(zhì)2.5～3.0），且隨著熱導(dǎo)率的增加，出現(xiàn)概率峰值時(shí)的過冷度值減小。

為了驗(yàn)證孔隙率為41.3%時(shí)的規(guī)律是否在其他兩種孔隙率的多孔介質(zhì)中復(fù)現(xiàn)，改變孔隙率分別為43.9%、48.7%，不同熱導(dǎo)率的多孔介質(zhì)下乙醇溶液過冷度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。

比較圖10、圖11發(fā)現(xiàn)，孔隙率為43.9%時(shí)，不同熱導(dǎo)率下的過冷度的概率分布均呈現(xiàn)單調(diào)遞增的現(xiàn)象；孔隙率為48.7%時(shí)，不同熱導(dǎo)率下的過冷度的概率分布均呈現(xiàn)正態(tài)分布的現(xiàn)象。無論哪種孔隙率下，不同熱導(dǎo)率時(shí)測(cè)得的過冷度值概率分布規(guī)律符合同一種概率分布，且隨著熱導(dǎo)率的增加，出現(xiàn)概率峰值時(shí)的過冷度值也越小。這與孔隙率為41.3%時(shí)的現(xiàn)象相吻合。

因此，對(duì)于確定的孔隙率，熱導(dǎo)率越大，平均過冷度值越小，說明熱導(dǎo)率影響乙醇溶液的平均過冷度。這是因?yàn)槿芤褐械亩嗫捉橘|(zhì)會(huì)影響溶液內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。熱導(dǎo)率越大，系統(tǒng)傳熱更好，外部的冷量能迅速導(dǎo)入溶液內(nèi)部，使溶液內(nèi)部的溫度更敏感地響應(yīng)外界溫度的變化，過冷度減小。如圖12所示。

2.3 乙醇溶液濃度對(duì)過冷度的影響

乙醇自身的性質(zhì)對(duì)過冷度的影響很大，為了探究濃度與過冷度的關(guān)系，在材質(zhì)和孔隙率相同的多孔介質(zhì)中對(duì)不同濃度的乙醇溶液做了對(duì)比，結(jié)果如圖13～圖15所示。

對(duì)比3個(gè)圖，可以發(fā)現(xiàn)，無論是何種材質(zhì)的多孔介質(zhì)，不同濃度的乙醇溶液過冷度值分布有明顯的區(qū)間分布。25%的乙醇溶液過冷度主要分布在0～2.5℃范圍內(nèi)，15%的乙醇溶液主要分布在2～4℃范圍內(nèi)，5%的乙醇溶液主要分布在2.5～5℃的范圍內(nèi)。濃度的變化對(duì)概率峰值影響不大，說明濃度對(duì)于過冷度的穩(wěn)定性影響小，概率峰值出現(xiàn)的區(qū)域有明顯的差別，可以判定，濃度主要影響的是過冷度的平均值，這與圖16中的趨勢(shì)吻合。乙醇濃度越大，溶液過冷度越小，高濃度對(duì)減小過冷度作用明顯。由于乙醇可溶于水中作為成核劑，濃度越高，溶液中乙醇分子含量越大，給冰核的形成提供了更多的附著面，有效降低了過冷度。

3 結(jié) 論

為了研究多孔介質(zhì)對(duì)乙醇溶液過冷度的影響，實(shí)驗(yàn)搭建了多種不同孔隙率和熱導(dǎo)率的多孔介質(zhì)，其中不同孔隙率通過改變直徑（5、8、11 mm）實(shí)現(xiàn)，不同熱導(dǎo)率通過改變搭建多孔介質(zhì)的材質(zhì)（鋁球、不銹鋼球、玻璃球）來實(shí)現(xiàn)。由于乙醇溶液自身的濃度對(duì)過冷度的影響不可忽略，因此本文選擇了5%、15%、25% 3種濃度的乙醇溶液做了對(duì)比，得出如下結(jié)論。

（1）孔隙率主要影響平均過冷度值和穩(wěn)定性，且隨著孔隙率的減小，平均過冷度值減小，穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（2）熱導(dǎo)率對(duì)過冷度的影響體現(xiàn)在平均過冷度上，隨著熱導(dǎo)率的增加，平均過冷度減小。

（3）乙醇濃度對(duì)過冷度有影響，濃度越高，平均過冷度值和過冷度最大值越小，濃度的變化對(duì)穩(wěn)定性影響較小。

[1] ASAOKA T, SAITO A, OKAWA S,. Vacuum freezing type ice slurry production using ethanol solution 2nd report: investigation on evaporation characteristics of ice slurry in ice production [J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(3): 394-401.

[2] MATSUMOTO K, SONODA S. Continuous ice slurry formation by using W/O emulsion with higher water content [J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(5): 874-882.

[3] 唐恒, 章學(xué)來, 王海民. 基于冰晶結(jié)構(gòu)的二元冰蓄冷系統(tǒng)中添加劑的研究[J]. 制冷空調(diào)與電力機(jī)械, 2005, 26(1): 33-35. TANG H, ZHANG X L, WANG H M. Study on additive in binary ice storage system based on the structure of ice crystal [J]. Power Generation and Air Conditioning, 2005, 26(1): 33-35.

[4] 張紹志, 王劍峰, 馮養(yǎng)浦, 等. 成核添加劑對(duì)板單元蓄冰過程的影響研究[J]. 暖通空調(diào), 2001, 31(2): 12-14. ZHANG S Z,WANG J F,FENG Y P,. Impact of nucleating additives on ice storage in rectangular ice capsules [J]. HVAC, 2001, 31(2): 12-14.

[5] 周子鵬, 趙紅霞, 韓吉田. 直流磁場(chǎng)作用下水的過冷和結(jié)晶現(xiàn)象[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(5): 1405-1408. ZHOU Z P, ZHAO H X, HAN J T. Supercooling and crystallization of water and DC magnetic field [J]. CIESC Journal, 2012, 63(5): 1405-1408.

[6] KOJI M, DAISUKE S, YUTA F,. Active control of supercooling degree using surfactant (in system with solid-liquid interface) [J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 58(10): 199-206.

[7] 王葳, 張紹志, 陳光明, 等.超聲波對(duì)水的過冷度影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2003, 16(1): 6-8. WANG W, ZHANG S Z,CHEN G M,. Experimental study on the effect of ultrasonic wave on the degree of cooling [J]. Journal of Refrigeration, 2003, 16(1): 6-8.

[8] AKIO S, YOSHIO U, SEIJI O,. Fundamental research on the supercooling phenomenon on heat transfer surfaces-investigation of an effect of characteristics of surface and cooling rate on a freezing temperature of supercooled water [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1990, 33(8): 1697-1709.

[9] SAITO A, OKAWA S, TOJIKI A,. Fundamental research on external factors affecting the freezing of supercooled water [J]. Heat Mass Transfer, 1992, 35(10): 2527-2536.

[10] HONG H, PECK J H, KANG C D. Ice adhesion of an aqueous solution including a surfactant with stirring on cooling wall: ethylene glycol — a saline coupling agent aqueous solution [J]. International Journal of Refrigeration - Revue International Du Frond, 2004, 27(8): 985-992.

[11] 洪榮華, 孫志堅(jiān), 吳杰, 等.成核添加劑減小冰蓄冷溶液過冷度的實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）, 2005, 39(11): 1797-1800. HONG R H, SUN Z J, WU J,. An experimental study on reduce supercooling degree of ice storage solution using nucleation additive [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2005, 39(11): 1797-1800.

[12] 李明春, 田延文, 翟玉春.非熱平衡多孔介質(zhì)內(nèi)反應(yīng)與傳熱傳質(zhì)耦合過程[J]. 化工學(xué)報(bào), 2006, 57(5): 1079-1083. LI M C, TIAN Y W, ZHAI Y C. Coupled processes of chemical reaction, heat and mass transfer in non-thermal equilibrium porous medium [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2006, 57(5): 1079-1083.

[13] 陳寶明, 王補(bǔ)宣, 張立強(qiáng), 等.多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)中耦合擴(kuò)散效應(yīng)的研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2004, 25(9): 123-126. CHEN B M, WANG B X, ZHANG L Q,. Numerical study on Soret-effect and Dufour-effect in porous enclosure [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25(9): 123-126.

[14] ALLAIN H, BAUDOUY B, MICHEL Q,. Experimental investigation of heat transfer through porous media in superfluid helium [J]. Cryogenic, 2015, 66(3): 53-62.

[15] PY X, OLIVES R, MAURA S. Paraffin/ porous - graphite - matrix composite as a high and constant power thermal storage material [J]. International Journal of Heat Mass Transfer, 2001, 32(44): 2727-2737.

[16] 劉小平, 蔣玉龍, 張素軍, 等.多孔介質(zhì)冰蓄冷板的融化過程[J]. 化工進(jìn)展, 2015, 34(10): 3636-3643. LIU X P, JIANG Y L, ZHANG S J,. Melting process of porous- media-filled ice hold-over plate [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2015, 34(10): 3636-3643.

[17] SIAHPUSH A, O’BRIEN J, C’REPEAU J. Phase change heat transfer enhancement using copper porous loam [J]. Journal of Heat Transfer, 2008, 130: 1-11.

[18] 吳志根, 陶文銓.金屬矩陣材料在相變蓄熱中的強(qiáng)化換熱分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2013, 34(2): 307-309. WU Z G, TAO W Q. Analysis of heat transfer performance of metal matrix materials in the phase change thermal storage system [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(2): 307-309.

[19] 王崢, 彭曉峰, 王補(bǔ)宣, 等. 多孔球?qū)觾?nèi)核態(tài)沸騰過程特性的實(shí)驗(yàn)觀察[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2002, 23(6): 742-744. WANG Z, PENG X F, WANG B X,. Experimental investigation of nucleate boiling phenomena in bead-packed structure [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2002, 23(6): 742-744.

[20] 趙群志, 章學(xué)來, 劉田田, 等. 多孔球?qū)觾?nèi)水的過冷與蓄冷特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(1): 426-432. ZHAO Q Z, ZHANG X L, LIU T T,. Supercooling of water and characteristics cold storage in bead-packed porous structure [J]. CIESC Journal, 2015, 66(1): 426-432.

Supercooling degree of ethanol solution under action of porous media

ZHANG Xuelai, LI Yue, WANG Youli

(Institute of Cool Thermal Storage Technology, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In order to study the effects of porous media on supercooling degree of ethanol solution, the experimental system of porous media with different porosities and thermal conductivities was built. The effect of ethanol concentration on the supercooling degree was investigated by changing the ethanol concentration. The method of heat transfer enhancement was explored by changing the porosity and thermal conductivity of porous media. The data were processed by statistical method and the experiment at each condition was repeated 32 times.The experimental results showed that the porosity and thermal conductivity of porous media had effects on the supercooling degree of ethanol solution. With decreasing porosity and increasing thermal conductivity, the average supercooling degree decreased, and the stability was improved. High concentration had obvious effect on decreasing the supercooling degree. The higher the concentration, the lower the average value and the maximum value of supercooling degree, while the change of concentration had little effect on the stability of supercooling degree.

supercooling degree; porous media; ethanol solution; porosity; concentration

date: 2016-04-08.

Prof. ZHANG Xuelai,xlzhang@shmtu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160463

TK 02

A

0438—1157（2016）12—4976—07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50976064，51376115）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (50976064, 51376115).

2016-04-08收到初稿，2016-09-08收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：章學(xué)來（1964—），男，教授。