孫悅 周敏 劉文平 譚志貴 吳霜

摘 要：本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，研究了在一定的液浴溫度下，不同濃度的NaCl溶液的過(guò)冷度大小，并結(jié)合等精度測(cè)量法及曲線擬合對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察記錄，總結(jié)了溶液兩種結(jié)冰方式的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：在一定的液浴溫度下，氯化鈉溶液的濃度越高，則氯化鈉的過(guò)冷度越??；環(huán)狀結(jié)冰方式結(jié)冰時(shí)間較長(zhǎng)且沒(méi)有過(guò)冷度的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：冷凍濃縮；氯化鈉；過(guò)冷度；結(jié)冰方式

Abstract：In this experiment，the control variable method was used to study the degree of undercooling of different concentrations of sodium chloride solution at a certain liquid bath temperature，and the data of the experimental results were analyzed using equal precision measurement and fitting curves. According to the observation and recording of experimental phenomena，the characteristics of the two icing methods in solution were summarized. The results show that the higher the concentration of sodium chloride solution is，the lower the degree of supercooling of sodium chloride is. The circular icing method has a longer icing time，and it doesnt have the degree of undercooling.

Key words：Freezing concentration Sodium chloride Degree of undercooling Icing method

1、引言

近幾年來(lái)，地源熱泵、熱源塔等的發(fā)展越來(lái)越顯著，自2005年實(shí)際施工運(yùn)行取得較好的供熱效果，經(jīng)過(guò)不斷地研究突破，熱源塔技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)比較的成熟的技術(shù)。熱源塔熱泵系統(tǒng)是一套能同時(shí)解決建筑物夏季制冷、冬季供暖需求的機(jī)組，相比于其他熱泵系統(tǒng)，其設(shè)備初投資更小、利用率更高。此外，熱源塔熱泵系統(tǒng)在設(shè)備布置、占用空間上和常規(guī)的冷水機(jī)組+鍋爐相同，有利于對(duì)該系統(tǒng)的節(jié)能改造，在建筑節(jié)能改造工程中有很大應(yīng)用潛力【1】。

然而開(kāi)式熱源塔常會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰的問(wèn)題，為了避免這種問(wèn)題，通常采用冰點(diǎn)較低的廉價(jià)鹽溶液做載冷劑。由于系統(tǒng)采用開(kāi)式結(jié)構(gòu)，空氣中的部分水蒸氣被冷凝為液態(tài)水進(jìn)入溶液，使溶液濃度變低，凝固溫度升高，更易結(jié)冰【2】。針對(duì)此問(wèn)題目前已有多種解決方法，冷凍濃縮法為其中之一，它主要是利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理，通過(guò)降溫將水以固態(tài)方式從溶液中去除的一種濃縮方法，具有可在低溫下操作、氣液界面小、微生物增殖、溶質(zhì)的劣化及揮發(fā)可控制在極低的水平等優(yōu)點(diǎn)，在保證溶液質(zhì)量和節(jié)省能源方面具有很大優(yōu)勢(shì)【3】。

目前冷凍濃縮法主要應(yīng)用于食品及化工行業(yè)，包括釀酒、果汁制作、制藥、廢水處理和海水淡化等方面【4】，而在熱源塔方向暫時(shí)只有兩項(xiàng)專利做出相關(guān)研究。冷凍濃縮法也存在一定缺陷，即過(guò)冷度的問(wèn)題。水在一定冷卻速率下，達(dá)到冰點(diǎn)溫度后，不會(huì)馬上結(jié)冰，而會(huì)出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象，在低于冰點(diǎn)溫度下的溫度結(jié)冰，實(shí)際結(jié)冰溫度與冰點(diǎn)溫度的差值稱為過(guò)冷度。液體過(guò)冷是一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題，在液體過(guò)冷情況下，制冷系統(tǒng)的制冷劑蒸發(fā)溫度必須明顯低于冰形成的溫度，這將導(dǎo)致制冷系統(tǒng)COP值下降，功耗增加。因此對(duì)過(guò)冷度的測(cè)量及其影響因素開(kāi)展研究對(duì)于提高蒸發(fā)溫度，從而提高制冷系數(shù)、降低能耗，以及緩解能源緊張、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維持可持續(xù)發(fā)展等均具有十分重要的科學(xué)理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)冷度的研究大都集中于低濃度的鹽溶液的相關(guān)影響因素上。2007年章明旭等人針對(duì)NaCl、KCl、NH4Cl三種鹽溶液研究了成核添加劑對(duì)低溫相變蓄冷材料過(guò)冷度的影響【5】；2013年周子鵬等人生理鹽水在交變磁場(chǎng)作用下的過(guò)冷度的變化【6】；2017年朱虹玲等人研究了相變儲(chǔ)能材料中降低過(guò)冷度的方法，綜述了現(xiàn)階段改善過(guò)冷度常用的有效方法【7】。本文以NaCl溶液為例，主要研究了不同濃度Nacl溶液過(guò)冷度的大小，尤其針對(duì)高濃度的溶液，并對(duì)其過(guò)冷度進(jìn)行對(duì)比整理，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的不同結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行了分析。

2、實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是Nacl溶液過(guò)冷度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由低溫恒溫水槽、數(shù)據(jù)采集儀及電腦等組成。低溫恒溫水槽型號(hào)為DC-2030，內(nèi)部載冷劑是體積分?jǐn)?shù)為40%的乙二醇水溶液，溫度可在-40～100℃之間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，精度為 0.01℃。數(shù)據(jù)采集儀采集采用 usb1068 溫度PC記錄儀，量程為-60～750℃，誤差為±0.1℃，記錄儀的記錄間隔為1s即每秒鐘可進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，測(cè)得的溫度曲線可以在電腦上同步顯示，并且可以導(dǎo)出為Excel表格。數(shù)據(jù)采集儀終端采用 K型熱電偶，測(cè)溫范圍為-200℃～1300℃。

3、實(shí)驗(yàn)方案

國(guó)內(nèi)已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在-8℃以下，液浴溫度對(duì)鹽溶液過(guò)冷度的影響較小【8】。因此，考慮到不同濃度NaCl溶液的凝固點(diǎn)溫度不同（5%、10%、15%、20%濃度Nacl溶液凝固點(diǎn)分別在-5℃、-10℃、-13℃、-17℃左右），為保證其結(jié)冰過(guò)程的順利進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)針對(duì)5%、10%、15%、20%濃度Nacl溶液采用的液浴冷凍溫度分別在-10℃、-15℃、-18℃、-22℃?？紤]到實(shí)驗(yàn)時(shí)過(guò)冷度的隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)樣本每次測(cè)量4組，每組取溶液200ml，一共測(cè)量5次，即每個(gè)濃度Nacl溶液測(cè)量20組過(guò)冷度數(shù)據(jù)。

對(duì)測(cè)量結(jié)果采用等精度測(cè)量結(jié)果處理方法進(jìn)行處理【9】，具體步驟如下：

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）圖2是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)同步記錄5%氯化鈉溶液的溫度變化曲線，可以看出剛開(kāi)始時(shí)由于容器內(nèi)溶液與液浴之間的溫差較大，溶液的降溫速度較快，之后由于溫差變小，溶液降溫速度變慢。當(dāng)溶液溫度低于結(jié)冰溫度后溶液進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)，直到在到達(dá)某一溫度時(shí)溶液的溫度會(huì)瞬間上升，溶液過(guò)冷狀態(tài)解除，大量冰晶析出，放出了大量的相變潛熱，使得溶液溫度迅速升高。

定義溶液在降溫過(guò)程中的最低溫度為過(guò)冷解除溫度tmin，開(kāi)始出現(xiàn)冰晶的結(jié)冰溫度為相變溫度t0，其溫度差值為結(jié)冰過(guò)冷度Δt。

（2）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)溶液結(jié)冰方式存在兩種，即環(huán)狀結(jié)冰方式和形成均勻冰水混合物的相變結(jié)冰方式，如圖3所示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在環(huán)狀結(jié)冰方式中，冰層首先在杯壁出現(xiàn)，后從杯壁向內(nèi)部增長(zhǎng)，結(jié)冰所需時(shí)間較長(zhǎng)且形成的冰層較為堅(jiān)固，整個(gè)結(jié)冰過(guò)程中不存在過(guò)冷度；而在相變結(jié)冰方式過(guò)程中，在結(jié)冰的一瞬間存在過(guò)冷度，整個(gè)結(jié)冰過(guò)程所需時(shí)間較短，形成的冰層相比之下也較為松軟。

（3）經(jīng)過(guò)使用等精度測(cè)量結(jié)果處理的方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出以下結(jié)果：

由圖四可以看出，隨著溶液濃度的提升，NaCl溶液的過(guò)冷度隨之降低。過(guò)冷度的大小反映的是溶液結(jié)晶所需驅(qū)動(dòng)力的大小，即驅(qū)動(dòng)溶液內(nèi)分子形成晶核所需動(dòng)力的大小【10】。溶液濃度越高，其內(nèi)部分子越容易成核，結(jié)晶所需驅(qū)動(dòng)力越小，過(guò)冷度也就越小。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文研究所得結(jié)論如下：

1）NaCl溶液在環(huán)狀結(jié)冰方式下并不存在過(guò)冷度，且結(jié)冰所需時(shí)間較長(zhǎng)，冰層較為堅(jiān)固；

2）NaCl溶液濃度較低時(shí)，溶液過(guò)冷度較大，隨著濃度的升高，過(guò)冷度隨之降低。

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（作者單位：南京工程學(xué)院 211167）