超聲波對冰盤管蓄冷成核溫度的影響與分析

余德洋 楊明濤

1 鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院

2 常州英集動力科技有限公司

0 引言

近年來隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，空 調(diào)的使用需求迅猛上升，這 加劇了電力供應(yīng)的緊張。因此，具 有將電能移峰削谷的冰蓄冷空調(diào)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[1]。冰蓄冷系統(tǒng)有冰盤管，制 冰滑落，密 封件和冰漿等多個類型，其 中冰盤管具有蓄冰率高、可 靠性好等優(yōu)點，在 空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用極為普及[2]。雖然采用冰盤管蓄冷技術(shù)的空調(diào)能夠?qū)⒁雇淼碾娔苻D(zhuǎn)化為冰的冷能儲存起來，白天再將冰中的冷能釋放給空調(diào)使用。但這種在能量使用過程中額外多了一個能量的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，必然會引起能量使用效率的下降。因此在運行冰蓄冷空調(diào)時，降 低冰盤管等裝置的蓄冷能耗是很有意義的。

研究表明，低 頻高功率的超聲波能夠促進冰晶成核，提 高液態(tài)水的成核溫度[3-5]。為 了降低冰蓄冷空調(diào)的蓄冰能耗，本 文將冰盤管置于超聲場中進行蓄冷，以 便在盤管蓄冰時得到較高的成核溫度，降低冰晶成核所需的過冷度，從而減少蓄冰能耗。目前人們對超聲波促進液態(tài)水結(jié)晶成核的機理還沒有統(tǒng)一的認識，本文基于實驗結(jié)果，也對超聲波影響冰盤管蓄冰成核溫度的機理作了探討。

1 材料及方法

1.1 實驗裝置

自行設(shè)計的超聲輔助盤管蓄冰實驗臺如圖 1 所示，其由蓄冰槽、超聲波發(fā)生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。蓄冰槽由不銹鋼材料制得，該槽長為 230 mm、寬為 140 mm、高為 50 mm，槽內(nèi)容積為 4 升，槽內(nèi)設(shè)有可以更換的冰盤管（紫銅盤管和導(dǎo)熱塑料盤管）和用于測量水溫的熱電偶,槽外部設(shè)有50 mm 厚笨板的保溫層。超聲波發(fā)生系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器和設(shè)在蓄冰槽底部的六個超聲振子組成。超聲波的頻率為 25 kHz，電功率可以在0～300 W 范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。（3）冷卻系統(tǒng)：冰盤管內(nèi)的載冷劑與低溫恒溫水槽（DC-3030，寧波新芝生物科技股份有限公司）內(nèi)載冷劑構(gòu)成了閉合循環(huán)回路，所用載冷劑由體積比為 35:65 的乙二醇水溶液制成，低溫恒溫水槽為蓄冰槽內(nèi)水結(jié)冰提供冷能，其溫度能在-30 ℃～100 ℃范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗方法

為了研究功率超聲波對盤管蓄冰成核溫度的影響，蓄冰槽內(nèi)液相水分別在電功率為 0 W，1 02 W，1 47 W 和186 W 的超聲場中進行結(jié)冰實驗，每次實驗時槽內(nèi)液態(tài)水都從室溫開始冷卻降溫。利用熱電偶對蓄冰槽內(nèi)的水溫進行監(jiān)測，該熱電偶接數(shù)據(jù)采集儀。當(dāng)水溫降到0 ℃時，開始對水體間歇地施加超聲波，相鄰兩次超聲波運行的間隔為50 秒，每次超聲運行的持續(xù)時間為10 秒。在降溫的液態(tài)水中開始生成冰晶核時，結(jié)晶潛熱會引起水體溫度快速回升，該轉(zhuǎn)折點的溫度便記為過冷水的成核溫度或冰晶成核溫度[6]。利用熱電偶可測得過冷水成核時的這一溫度轉(zhuǎn)折點，從而獲得不同條件下冰盤管蓄冰時的成核溫度。為了研究不同材質(zhì)的盤管對蓄冰成核溫度的影響，本文采用了紫銅和導(dǎo)熱塑料兩種盤管進行蓄冰實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲功率對盤管蓄冰成核溫度的影響

圖2 是紫銅冰盤管分別受到電功率為 0 W，102 W，1 47 W 和 186 W 超聲波輻射時的蓄冰成核溫度。從圖2 可以看出，冰盤管在超聲場中的蓄冰成核溫度顯著高于無超聲輻射的成核溫度，這表明超聲波對冰盤管蓄冷時的冰晶核生成有促進作用。目前多數(shù)學(xué)者認為超聲波提高冰晶成核溫度是基于超聲波在液體中引起的空化效應(yīng)[1]。但人們對超聲空化效應(yīng)促進液態(tài)水結(jié)晶成核的機理還沒有統(tǒng)一的認識。下面從晶核生成自由能變化的角度，超聲空化效應(yīng)促進過冷水成核的機理作一探討。

圖2 紫銅冰盤管在不同功率超聲場中蓄冰的成核溫度

圖3 是異相成核示意圖，如果液相水1 中的冰晶核2 是依附于已有成核基體（空氣泡）3 界面上形成，則該系統(tǒng)的異相成核自由能變化ΔGhet如下式：

圖3 異相成核示意圖

式中：ΔGi為單位體積中水與冰兩相的體積自由能差，V2為冰晶的體積，σ12為水與冰兩相間的比表面自由能，σ13為水與空氣泡兩相間的比表面自由能，σ23為冰與空氣泡兩相間的比表面自由能，V2為新增冰晶的體積，A12 為水與冰之間的表面積，A23 為冰與空氣泡之間的表面積。

如果水 1 中的冰晶核2 是由均相成核形成，則該系統(tǒng)的均相成核自由能變化ΔGh如下式：

由物理化學(xué)知識知，在相同外界條件下，只有ΔGhet-ΔGh<0 時才能發(fā)生異相結(jié)晶。但將式（1）減去式（2）得：

在梁英教先生編寫的《物理化學(xué)》[7]書中可查得σ13=76× 1 0-3J/m2，σ23=120× 1 0-3J/m2；將σ13，σ23的值代入式（3）可 得 ΔGhet-ΔGh>0，這與從均相結(jié)晶轉(zhuǎn)為異相結(jié)晶的自由能變化相茅盾，故 超聲場中不斷長大的空氣泡不能在蓄冰槽內(nèi)的過冷水中引發(fā)異相結(jié)晶。

由表面張力性質(zhì)知，在其它條件一定時，A、B 兩物質(zhì)接觸界面上的表面張力大小與 A、B 兩物質(zhì)中分子引力大小有關(guān)系，如 A、B 兩物質(zhì)中分子引力大小越接近，則它們間的表面張力越小。如 A、B 兩物質(zhì)中分子引力大小相差越遠，則它們間的表面張力越大。假設(shè)圖3 中的3 為受到空化氣泡破裂時產(chǎn)生的壓力而突然被壓縮的一微小區(qū)域內(nèi)的水分子聚集體，該微小區(qū)域內(nèi)的水分子聚集體密度大隨空化時釋放的壓力增長而增長。圖3 中1、2 仍分別是常態(tài)液相水及已形成的冰晶胚。又因同一物質(zhì)在固態(tài)時的分子引力總是大于液態(tài)時的分子引力。所以冰晶胚2 中分子引力最大，其次為受壓縮的水分子聚集體3 中分子引力，常態(tài)液相水1 中分子引力最小。由于空化引起的壓力及氣泡大小等各種變化是處于微觀領(lǐng)域，所 以單個空化氣泡破裂釋放的壓力影響范圍也極其微小。當(dāng)空化時釋放的壓力增大時，這些受影響的微小水分子聚集體3 中分子引力也會增大，這 將使得σ23減小，σ13增大，故 一旦空化氣泡破裂產(chǎn)生的壓力大于某一值，可使σ23<σ13，從 而導(dǎo)致（3）式 中 ΔGhet-ΔGh<0，這 意味著，受 空化氣泡破裂所釋放的壓力影響，蓄 冰槽內(nèi)空化泡附近微小區(qū)域?qū)a(chǎn)生密度增大的水分子聚集體（這表明超聲空化在水中引起了密度變化），這些高密度的水分子聚集體可以在過冷水中引起異相成核，從 而提高冰盤管蓄冷時的成核溫度。

2.2 超聲對不同盤管蓄冰成核溫度的影響

圖4 為紫銅冰盤管和導(dǎo)熱塑料冰盤管在147 W超聲場中蓄冰時的成核溫度。從圖4 可看出，導(dǎo)熱塑料冰盤管在 147 W 超聲場中的蓄冰成核溫度為-1.98 ℃，紫銅冰盤管在147 W 超聲場中的蓄冰成核溫度為-1.06 ℃。相對于導(dǎo)熱塑料冰盤管，超聲波使紫銅冰盤管的蓄冰成核溫度增長稍大些。

圖4 不同材質(zhì)的冰盤管在147 W超聲場中蓄冰時的成核溫度

導(dǎo)致上述結(jié)果的原因可能是紫銅材質(zhì)的冰盤管受到超聲波輻射后，在盤管外壁面上會產(chǎn)生許多極其微小的凹坑，冰盤管外側(cè)（蓄冰槽內(nèi)）的過冷水在盤管壁面上的這些微小坑內(nèi)發(fā)生異相結(jié)晶將變得更加容易，從而導(dǎo)致超聲場對紫銅冰盤管的蓄冰成核溫度的影響更為大些。但是塑料冰盤管受到超聲波輻射后，塑料冰盤管外壁卻不因超聲波的輻射而產(chǎn)生微小的凹坑。這就導(dǎo)致紫銅材質(zhì)和導(dǎo)熱塑料兩種類型冰盤管均在相同超聲場中蓄冰時，紫銅盤管蓄冰的成核溫度稍高些。

3 結(jié)語

超聲波能夠提高冰盤管蓄冰的成核溫度，其促進冰晶核生成的機理可能是空化效應(yīng)產(chǎn)生的瞬間高壓對其鄰近的液相水分子產(chǎn)生突然的壓縮作用，受到突然壓縮的水分子形成高密度的水分子聚集體，可作為引起異相結(jié)晶的核子，從而大大提高晶體成核溫度（降低晶核生成的過冷度），促進液態(tài)水結(jié)晶。雖然金屬冰盤管和塑料冰盤管在超聲場中蓄冰的成核溫度均顯著提高，但金屬材質(zhì)盤管在相同功率超聲場中蓄冰的成核溫度稍大些。