成核添加剂减小冰蓄冷溶液过冷度的实验研究

    冰蓄冷空调能够有效利用低谷电,具有/移峰填谷0的作用.冰蓄冷空调通常以水作为蓄冷介质,水具有凝固潜热大、蓄冷能力强、稳定的化学性质、不污染环境等优点,并且来源丰富、价格低廉;缺点是水的过冷度等影响因素使结冰速率较慢,其凝固结冰过程时间较长.一般的冰蓄冷溶液在凝固结冰时存在5.0~6.0℃的过冷度(即冰蓄冷溶液开始结冰时的温度为-5.0~-6.0℃),纯水结冰时的过冷度更高,从而要求制冷机在很低的蒸发温度下运行.一般来说,蒸发温度每降低1℃,制冷系统的制冷系数值下降3.0%~4.0%,制冷量下降5.0%~6.0%,这样使得耗能大大上升.成核添加剂可以减小水在结冰过程中的过冷度,但如何寻找能减小蓄冷溶液过冷度的成核添加剂,虽然已有一些经验性的结论可供参考,但目前主要还是直接通过实验来探索,它往往比理论分析更易成功.因此,在实验研究的基础上,对成核添加剂的作用进行探讨具有重要意义.

    Okawa等人[1]对含有固态粒子的过冷水凝固现象进行了实验研究,通过对不同数量、不同大小的碘化银等粒子对水过冷度的影响进行实验观察,发展了一种预测实验结果的分析方法,预测结果和实验结果吻合得很好.他们认为,冻结温度不依赖于粒子的大小和数量,而是由粒子和水的接触面积决定的.Hozumi等人[2]为了验证肉眼不可见的气泡晶核对过冷水冻结的影响,对纯水在不同大气压力下、不同表面接触条件下、不同放置时间下的冻结过冷度进行了实验研究,结论是气泡可以明显影响水冻结的过冷度.Watanabe[3]对玻璃粉末对水结晶的过冷度和晶体生长率的影响进行了研究,他采用显微镜观察实验结果,发现玻璃粉末可以明显抑止水的结晶过程.Okawa等人[4]对过冷水在金属表面上的冻结进行了实验研究,对在不同冷却速率下水在金和铜的平板表面冻结进行了实验观察,并且从理论上计算了单位时间内单位面积金属表面上水的冻结概率,发现冻结概率和水的冷却速率无关.通过比较氧化表面和非氧化表面对水冻结的影响,发现氧化表面抑止了过冷水的冻结.Akyurt等人[5]从理论和实验方面讨论了水的凝固和融化以及相图,重点放在对水的密度的讨论上.他们认为冻结可以分为4个阶段:过冷、晶核形成和树枝状冰晶的形成、0℃时树枝状冰晶的生长、固态冰的降温,并且对结冰对管子的破坏和冻结时间的理论计算进行了研究.

    有关研究[6,7]虽然对减小水结冰的过冷度提供了很多经验性的结论,但对水凝固结冰过程的机理分析尚不够深入.本文以实际应用为目的,通过实验方法寻求合适的成核添加剂及其剂量来减小水结冰的过冷度,同时对成核添加剂在蓄冷溶液凝固结冰过程中的作用进行了探讨.