超声波对水的过冷度影响的实验研究

　　1 引言

　　在没有预加冰核的情况下,水的结晶需要一定的过冷度,以得到冰水界面形成所必需的自由能。在常压下,纯水通过均质成核结冰所需的过冷度可达40°C。水的过冷现象对自然和工业生产中的许多过程都有重要影响。如一些极地生物的体液可以深度过冷以抵抗低温。因此,在生物材料的低温保存研究中,人们通过各种手段(如加入低温保护剂、加高压)降低成核温度[1]。为了抑制冰晶的形成,还有研究者在水溶液冷却过程中加高强度微波[2]。与生物材料低温保存相反,在空调冰蓄冷中,人们需要降低过冷度以加速结冰进程。为此,影响水过冷度的诸多主要因素已得到了研究:水体的体积、冷却速率、传热面材料和粗糙度、水体中的杂质和添加剂、外加因素(电场、磁场、压力、超声、机械扰动对流)等[3~6]。这些因素中,对水体体积、传热面材料及粗糙度和添加剂影响的研究较多,得到的结论一致,而对于外加因素影响的研究较少。在有关超声对水的过冷影响的研究中,不同的研究者得到的结论不一样,如早期的R.S.Johannsen用1MHz的超声波刺激水体30s后,发现水的特性发生了很大的变化—具有相对较高的过冷度(约30°C),而且这种特性维持了2个月左右[7];A. Saito等研究了频率0~500kHz的超声波对水的过冷度的影响,发现超声振动对水的过冷度没有明显改变[5];T. Hozumi等详细研究了不同频率及声强的超声波对水的作用,认为超声对水的过冷度没什么影响[8];K.Ohsaka研究发现,21kHz超声产生的空化泡能使水在过冷度仅为5°C时成核结冰[9]。文中研究了800kHz超声对水的过冷度的影响。

　　2 实验装置

　　实验装置如图1所示。实验对象为100mL去离子水,盛于如图2所示的玻璃管内,密封于10mL液态石蜡和10mL四氯化碳之间。水体温度用布置于管壁凹槽内(用石蜡密封)的热电偶测量,热电偶信号经巡检仪转换后进入计算机,热电偶感温和巡检仪转换总的误差为±0.5°C。实验水体被放在冷柜内,冷柜内的温度变化采用计算机控制,实验时温度控制于-20±0.5°。超声波发生器的输出频率为800kHz,输出形式有连续波和脉冲波两档,声强在0.5~3WPcm²(连续波)、0.15~1WPcm²(脉冲波,占空比为50%)范围内可调,超声探头(换能器)的面积为7cm²,玻璃管的直径大小刚好将它放进去。实验时,水体被持续冷却降温,降至-Tse时,水体开始结冰,温度跃升至0°C,Ts即为水的过冷度。有超声作用时,每次都是从水体开始冷却时加,一直持续至水体结冰后20~30min。

　　3 实验结果

　　图3给出了在没有超声作用情况下测得的过冷度分布情况,实验重复了10次,平均过冷度为8.0°C。在连续超声一直作用下,可以观察到水和部分液体石蜡油发生乳化现象,实验共做了10次,获过冷度(°C)得水的平均过冷度为3e。由于不清楚石蜡油对水的过冷会产生什么影响,接下来进行了乳化后水在没有超声作用下过冷度的测量,实验也进行了10次,得到的平均过冷度在3°C左右。这说明水和液体石蜡油间的乳化现象将有助于降低过冷度,超声波的作用是间接的。