具有较低最低不结冰温度的结冰基体的选择

    1 引言

    研究表明[1,2],对于某种物质表面上静止的过冷水,而且仅当该表面温度高于某一数值时,在可以测量的时间内,不会发生异质形核结冰,称该数值为该表面的最低不结冰温度(possible lowest un-frozen temperature,HPLU)。HPLU仅与物质表面本身的性质有关。

    过冷水动态制冰是一种具有较高制冰率和能量效率的制冰方式,有希望在冰蓄冷空调系统中代替传统的静态制冰方式。过冷却器是过冷水动态制冰系统的关键部件,选择具有较低HPLU的结冰基体覆盖过冷却器中与过冷水接触的表面将能够显著提高过冷水动态制冰系统的制冰率和能量效率。

    热泵冬季结霜问题长期以来一直困扰着人们,阻碍了热泵的推广使用。选择具有较低HPLU的结冰基体覆盖热泵蒸发器表面,将可以在不降低热泵效率的条件下有效地防止热泵冬季结霜。

    国内外尚无对结冰发生温度与结冰基体性质之间的关系进行研究,从而选择具有较低HPLU的结冰基体方面的研究报道。齐藤彬夫[3,4]曾测量了几种金属表面上以一定速度冷却的水的结冰发生温度。但由于所测结果与冷却速度有关,因而不能完全反映表面性质对最大结冰发生温度的影响。而且由于所测表面范围有限,其结果对选择具有较低HPLU的结冰基体不具有指导意义。

    本文从异质形核理论和估算界面能的Good-Girifalco理论出发,研究了具有较低HPLU的结冰基体的性质,选择了几种具有较低HPLU的结冰基体,并测量了其HPLU值。在测量过程中,结冰基体表面的温度保持恒定,因而测得的结冰基体的HPLU仅与结冰基体本身的性质有关。

    2 具有较低HPLU值的结冰基体的选择依据

    结冰过程分为两个阶段:临界核形成和新相生长。临界核是指一定大小的能够自发生长的冰核,临界核能否形成决定了结冰是否发生。临界核的形成有两种方式:均质形核和异质形核。均质形核仅仅能够在特殊的条件下发生,实际情况中,结冰的发生一般均由异质形核引起。

    图1是结冰过程异质形核示意图。异质形核时,临界冰核在结冰基体表面呈球冠形,图中,r为球冠半径,称为临界核的半径,θ为球冠底面与球面的夹角,称为接触角。r和H越大,则球冠的体积越大,临界冰核的形成越困难,因而结冰越不易发生,越容易获得高过冷度的过冷水。r由过冷水的温度决定,θ由下式决定:

    式中,γws、γis和γwi分别代表水与基体之间、临界冰核与基体之间以及水与临界冰核之间的界面能。在一定温度下,γwi是常数,而γws和γis仅与基体表面的性质有关。

    具有较低θPLU的结冰基体上临界冰核应具有尽可能大的θ角,即cosθ应尽可能的小,则根据(1)式: