成核添加剂对板单元蓄冰过程的影响研究

    0 引言

    在制冰/蓄冰的方法中,封装式蓄冰是较为常用的一种。所谓封装式蓄冰,即将水与少量添加剂封装于一密封单元内,利用载冷剂(一般采用乙二醇水溶液)将水冻结成冰或将冰融化。本文所研究的板单元[1],其外形尺寸为407 mm×200 mm×31mm,板上的凸台高度为11 mm,制作材料为高密度聚乙烯塑料。

    水变成冰的过程中存在过冷现象。从热力学观点来看,过冷水处于亚稳态,该状态的解除需要大于临界直径的冰核的形成。冰核的形成存在两种机理:水体内的均匀成核与固液相界面上的非均匀成核。根据文献[2]对以金属表面冷却的水体的研究,固液界面上的成核占主导地位。在水中加入合适的成核添加剂,将有助于冰的形成[3]。

    封装蓄冰技术中,使水在较低的过冷状态下结冰具有十分重要的意义,因为水开始结冰的温度越低意味着制冷机的蒸发温度越低,这将导致制冷效率的降低。对于离心式制冷机,试图达到很低的蒸发温度还将导致制冷机运行不稳定。由于塑料表面不利于冰核的形成,在单元内水中加入成核添加剂就成了通用的加速结冰进程的方法。

    同文献[4,5]的研究者们一样,笔者进行本实验研究的目的之一是找到合适的成核添加剂,要求该添加剂不仅能有效地提高过冷水开始结冰的温度,而且价格便宜。另一方面,文献[4,5]仅就加入成核添加剂对单个蓄冰单元的影响进行了研究,对整个蓄冰装置的影响如何定量地进行考虑没有涉及。本文将在他们的研究基础上给出非匀速冷却过程结冰概率的计算方法,并结合相应的蓄冰装置数学模型定量地研究成核添加剂的影响。

    1 实验装置及实验方法

    图1所示为实验装置,装有水的板单元有规则地叠放在蓄冰槽中,冷水机组系商用改制而成,蒸发温度能够达到-15℃以下,加热器用于控制蓄冰槽进水温度。系统内循环的载冷剂为40%的乙二醇水溶液。板单元中心的温度采用经过标定的精度为±0.2℃的热电偶测量,热电偶信号经巡检仪转换为数字信号后进入计算机。数据采集的时间间隔为2 s,相应软件能实时显示各点的温度曲线。放置了热电偶的板单元数为10个,分布在蓄冰槽内不同位置。

    实验时,先开启电加热器,使各待测单元中心的温度上升至10℃以上,然后关掉加热器,打开冷水机组,一直运行至各待测单元均结冰为止。各单元是否已开始结冰可以从实时显示的温度曲线看出来。如图2,单元中心温度先持续下降至0℃以图2 过冷曲线下某一温度,然后跃升至0℃左右并保持一段时间,此时即可断定该单元已开始结冰,于是对应本次实验该样本单元结冰的过冷度就可确定。多次实验就可获得结冰概率随过冷度变化的分布关系。从图2还可看出,单元中心温度从0℃降至曲线的最低点的过程基本是一匀速降温过程。