冰蓄冷空调过冷成核研究

冰蓄冷空调过冷成核研究

　方贵银

(中国科学技术大学　合肥　230061)

对冰蓄冷空调中的水过冷成核机理进行了理论和实验研究,筛选出较好的成核剂,使得水的过冷度减小直至消除,这对提高冰蓄冷空调系统的效率极为有利。

关键词:冰蓄冷空调　过冷　成核剂

1　前　言

自80年代蓄冷空调系统再度兴起以来,冰蓄冷空调系统逐渐成为蓄冷系统的主流,各种类型的蓄冰系统相继开发出来,由早期的制冷剂冰盘管式发展到载冷剂冰盘式以及其他如全冻结式、制冰滑落式、冰泥式、容器式、冰球式等各种不同的蓄冰类型。

冰是一种廉价易得的高潜热蓄冷介质。冰蓄冷空调系统具有如下优点:①蓄冷密度高,蓄冷槽空间小。②蓄冷槽散热损失少。③冰蓄冷系统可提供低温冷冻水,减少了泵的动力,节省了管路费用。④冰蓄冷系统的冷风供应可减小风扇功率,降低风扇噪音。⑤节省管道施工费和管道空间。⑥降温速度快,除湿能力强,提高了空调品质。但冰蓄冷系统也有其缺点,主机容量减少,效率下降,主机在蓄冰过程中载冷剂(乙二醇溶液)出口温度常常要求低于-6℃～-8℃,这时制冷机的蒸发压力和温度均下降,和一般水蓄冷空调主机出水温度7℃相比,主机容量只有60%左右。

善其成核特性,能减小水的过冷度,可提高空调主机蓄冰时的蒸发温度,使主机效率得以提高。2　水的过冷和成核机理

冰晶的成核过程主要由热力学条件决定,而冰晶的生长过程主要由动力学条件决定。在等温等压条件下,固液两相体系的平衡条件是:

(1)　　GL(Tf)=GS(Tf)

这里,GL(Tf)和GS(Tf)分别为在冰点Tf

下液相和固相的吉布斯函数。

若要产生液相向固相转变(即结冰)的自发过程,必须使液体过冷到某一低于Tf的温度To,过冷度∃T=Tf-To,应有:

　　GL(To)>GS(To)

(2)

形成冰晶的相变驱动力:

(3)∃G(To)=GL(To)-GS(To)

对上式可作如下近似简化:

∃G(To)=∃H(To)-To∃S(To)

≈∃H(Tf)-(Tf-∃T)∃S(Tf)=∃T・∃S(Tf)

(4)=Lf∃T󰃗Tf

式中,H、S和Lf分别表示焓、熵和冰的融

解热。

当水处于过冷态(亚稳态)时,可能以

冰蓄冷空调主机载冷剂出口温度要求较低的原因是水凝固成冰时存在5℃～6℃的过冷度(亦即水开始结冰时温度为-5℃～-6℃),直至冰晶核开始形成后才回升到0℃

凝固成冰。实践证明加入适当的添加剂可改

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32低温与特气　　1999　　󰂤1

异相成核的条件。

由于异相成核能减少水的过冷度,因此人们努力寻找能使水中形成异相晶核的成核剂。虽然从理论上也可分析何种材料能作为成核剂,但目前主要途径还是直接通过试验摸索,它往往比理论分析更易成功。

两种型式形成冰晶核心,即均匀成核和非均匀成核。均匀成核是指在一个体系内各处的成核几率均相等,由于热起伏(或热涨落)可能使原子或分子一时聚集成为新相集团(又称新相的胚芽),若胚芽大于临界尺寸r3则成为晶核。图1表示形成冰相胚芽和晶核过

3　试验与结果

311　试验系统

试验系统包括测温、定温系统。测温系统由UJ33型电位差计、长图记录仪、铜-康铜热电偶、冰瓶、塑料试管等构成。为了测定0℃以下的温度,在系统中串接了UJ33型电位差计,以便于记录水的过冷度变化。定

　　图1　稳定的晶核区与不稳定的胚芽区程中所需的形成能的变化规律,在临界尺寸

r处出现峰值,若液相分子热起伏聚集成的

3

冰相集团尺寸大于r3,则结冰过程就成为自发过程。当水的过冷度增加时,偏离平衡态的程度增加;冰晶核的临界尺寸r3及其形成能就剧烈降低,如图2所示,这样就极大地提高了形成冰晶核的几率。

温系统是将某一浓度的乙二醇溶液盛装在一定容积的塑料杯内,将其放入冰箱冷冻室内冻结凝固,试验时将其取出,放入一保温桶内,利用其相变融解时温度恒定的特点来进行一定环境温度下(-5℃、-7℃、-10℃等)水的过冷度试验。图3为其试验系统图。

图3　试验系统图

　　　11软木塞;

21试管;31试样;41热电偶;

　　51保温杯;61乙二醇;71冰瓶;81电位差计;　　91长图记录仪。

图2　形成冰晶核的临界尺寸r与过冷度的关系

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312　试验结果

非均匀成核,又称异相成核,是指水在尘埃、容器表面及其它异相表面等处形成晶核。对于均匀成核,要求有较大的过冷度。对于非均匀成核,所要求的过冷度比均匀成核要小得多,对于体积较大的水,一般均具有

成核剂的选择受多种因素限制,要求价低、无毒、高效。我们一共进行了30多种物质筛选,最后找到了最有希望能使水的过冷度减小直至消除的两种成核剂。成核剂A加入水中后,可使水在-10℃以下的环境温度下没有过冷度,但在-5℃～-6℃的环境温

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低温与特气　　1999　　󰂤1

度下,又使水的过冷度为315℃(亦即水在-315℃时才开始结冰)。这主要是由于环境温度愈低,在试管的内壁面处最易先形成冰晶,水后来结冰凝固形成了晶核。因冰蓄冷空调蓄冷时载冷剂温度一般为-5℃～-6℃,故成核剂A还没有完全解决水的过冷

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度问题。在水中加入成核剂B后,在-5℃～-6℃环境温度下,可使水的过冷度得以消除,使水开始在0℃结冰,这样可使蓄冰主机的效率得以提高。

图5　添加成核剂B后水的过冷度4　结　论11同一种成核剂在不同的环境温度下,

其过冷度也不一样。环境温度愈低,其过冷度愈小。

21由试验可知,成核剂B在蓄冰温度(-5℃～-6℃)范围内,能使水的过冷度消除,这从根本上解决了水的结冰过冷问题,从

图4　添加成核剂A后水的过冷度

图4、5分别为成核剂A、B在环境温度

-5℃～-6℃时水的过冷度测试结果,每种成核剂都进行了30次以上的冻结融解循环试验。成核剂B之所以能使水的过冷度得以消除,主要是采取一种新方法使其呈悬浮状态存在于水中,这样使它成为一种人工晶核,而且不改变水分子结构及其热力学性能。另外,成核剂B的用量有一最佳量,经过大量反复试验,成核剂B在水中的含量一般为0105%,它能有效地起成核作用。

而使蓄冰主机效率得以提高。

31成核剂B的用量有一最佳量,过少不能达到成核目的,过多在水中形成沉积物,由试验可知其在水中的含量为0105%。

参考文献

1　GeorgeALane.

PhaseChangeMaterialsforEnergy

StorageNucleationtoPreventSupercooling.SolarEn2ergyMaterialsandSolarCells,1992,27

2　阮德水,胡起柱.相变贮热材料的成核作用.新能源,

1988,10

(收稿日期　98-12-17)

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