纳米氟碳涂层抑制过冷却器冰堵的机理

　　冰浆是含有悬浮冰晶粒子的固-液两相溶液，具有巨大相变潜热(335kJ/kg)和很高的释冷速率，是一种优良的释冷介质。冰浆在管道内有较好的流动和换热性能，在同等情况下冰浆的冷却能力约为常规冷冻水的8倍，传热系数提高50%~100%，可使输送管道的半径和流速减少为原来的一半，水泵的能耗约为常规冷冻水系统的1/8[1]。目前，冰浆已应用于区域供冷及建筑物空调，工业冷却和食品冷藏等领域，潜在的应用还包括消防灭火，矿井冷却及人体器官的快速冷却等方面[2-3]。

　　冰浆制取方式是近年来冰浆技术发展的关键环节，其中过冷水式动态制冰技术是目前最受关注、也是最有发展前途的制冰方法之一。过冷水制冰浆是利用水在一定时间内产生过冷而不结冰的现象，达到最大过冷度后，进入冷解除装置完全消除过冷，从而形成冰晶来制取冰浆。这种方法具有结构简单、换热效率高、冰晶制作效率高等特点。然而，过冷水法的主要缺陷在于冷却器管内结冰存在随机性，冰堵发生过于频繁，导致系统制冰效率下降。因此需寻找一种更加有效的方法来减少冰堵，以实现连续制冰。这里从水结晶机理的角度进行分析，指出纳米氟碳涂层可抑制冷却水在壁面结冰，减少制冰过程中过冷却器的冰堵现象，以提高制冰效率。

　　1 冰堵现象的机理及原因

　　1.1 结晶机理及相关理论

　　过冷却器内的冰堵现象，是由于水在过冷却器壁面结晶，进而晶体生长直到结冰的结果。分析水溶液结晶的机理，首先讨论水在固体壁面的接触角。当液体在固体表面不能铺展时，则液体以一定形状停留于固体表面，由固体表面和液体边缘切线形成一个夹角θ，称为接触角(如图1所示)，用来表示液体对固体的润湿性能。

　　接触角θ<90°的表面称为亲水表面(hydrophilicsurface)，接触角θ>90°的表面称为疏水表面(hydrophobic surface)，θ>150°的表面视为超疏水表面(superhydrophobic surface)。根据Young[4]方程平衡时建立的关系式cosθ=(σLF-σSF)/σLS，则接触角的大小取决于固体表面的状况，即σLF、σSF、σLS三个表面张力。

　　结晶的过程由诱发成核阶段、晶体生长阶段和晶体再生长阶段三个过程组成。溶液和晶核的自由能差是晶核形成的驱动力，液体的过冷度影响成核与晶体的生长，成核可分为均质成核和异质成核两种。晶体凝固的热力学条件表明，在一定的过冷度下，结晶形核的临界势垒?Gc在很大程度上取决于接触角θ的大小。对于如图2所示的非均匀形核，其结晶的临界自由能为：

　　式(2)中：

　　ΔG—均匀成核时自由能变化;ΔGc—非均匀成核时自由能变化(临界成核位垒)。