第!"卷第##期
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浙!江!大!学!学!报!
工学版"’()*+,-(./0123,+45+361*7389!:+43+11*3+4;
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收稿日期#$%%@%E #F >
浙江大学学报!工学版"网址#A A A>2()*+,-7>B 2)>1C )><+!1+4
作者简介#洪荣华"#"&@G #$男$浙江绍兴人$高级工程师$从事传热和传质%热管及其应用研究>:H I ,3-&0*0!B 2
洪荣华!孙志坚!吴!杰!陈!坤!靳!静
"浙江大学机械与能源工程学院$浙江杭州!#%%$D
辐射取暖器
#摘!要#为了寻求合适的成核添加剂来减小冰蓄冷溶液过冷度和提高结冰速率$建立了冰蓄冷溶液性能测试装置$对含有各种成核添加剂的冰蓄冷溶液在不同环境温度下的凝固结冰过程进行了实验研究>实验结果表明$成核添加剂和环境温度对蓄冷溶液过冷度和结冰速率均有明显影响>对成核添加剂为Q 的蓄冷溶液$当环境温度为G &>#f 时$其过冷度为@>&f $凝固结冰过程耗时#E &I 3+’当环境温度为G @>%f 时$其过冷度为@>%f $凝固结冰过程耗时@#%I 3+>对成核添加剂为‘的蓄冷溶液$当环境温度为G @>%f 时$其过冷度为$>@f $凝固结冰过程耗时#&%I 3+>在冰蓄冷工程中应用加入成核添加剂的蓄冷溶液来提高制冷机运行时的蒸发温度$从而提高制冷机的制冷系数$使空调工程具有更明显的节能效果>关键词#冰蓄冷’过冷度’成核添加剂
中图分类号#P h #D $>@!!!!!文献标识码#Q !!!!!文章编号##%%F "D !R "$%%&####D "D %@
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3..1*1+8,C C 383617>T (*,C C 38361Q $A 01+7)*H *()+C 3+481I N 1*,8)*1A ,7G &>#f $7)N 1*<((-3+4C 14*11A ,7@>&f $,+C 8018(8,-.*11B 3+483I 1A ,7#E &I 3+’A 01+7)**()+C 3+481I N 1*,8)*1A ,7G @>%f $7)N 1*<((-3+4C 14*11A ,7@>%f $,+C 8018(8,-.*11B 3+4
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7>9.:;&03)&3<178(*,41’7)N 1*<((-3+4C 14*11’+)<-1,83(+,C C 38361!!冰蓄冷空调能够有效利用低谷电$
具有(移峰填谷)
等离子体处理的作用>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&>%%E >%f 的过冷度"即冰蓄冷溶液开始结冰时的温度为G &>%%G E >%f #
$纯水结冰时的过冷度更高$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#f $制冷系统的制冷系数值下降!>%[%@>%[$制冷量下降&>%[%E >%[$
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>
a X,A，等人"##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$不同大小的碘化银等粒子对水过冷度的影响进行实验观察!发展了一种预测实验结果的分析方法!预测结果和实验结果吻合得很好>他们认为!冻结温度不依赖于粒子的大小和数量!而是由粒子和水的接触面积决定的>V(B)I3等人"$#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>b,8,+,W1"!#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>a X,A，等人"@#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>Q X9)*8等人"&#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@个阶段%过冷$晶核形成和树枝状冰晶的形成$%f 时树枝状冰晶的生长$固态冰的降温!并且对结冰对管子的破坏和冻结时间的理论计算进行了研究>有关研究"E!D#虽然对减小水结冰的过冷度提供了很多经验性的结论!但对水凝固结冰过程的机理分析尚不够深入>本文以实际应用为目的!通过实验方法寻求合适的成核添加剂及其剂量来减小水结冰的过冷度!同时对成核添加剂在蓄冷溶液凝固结冰过程中的作用进行了探讨>
#!实验装置及方法
在冰蓄冷溶液性能测试装置上进行成核添加剂减小冰蓄冷溶液过冷度的实验!系统如图#所示>系统由以下部分组成%冰蓄冷球$制冷主机$控温系统&包括温控仪$电阻温度计$调压变压器和电加热丝等’以及测温系统&包括铜H康铜热电偶$冰瓶$ V K!@"D%Q数据采集仪和计算机’>配制含不同成核添加剂及不同添加剂量的蓄冷溶液!充装入冰球进行性能实验>冰球直径为"&I I!采用高密度聚乙烯&V Y K:’吹塑而成>考虑到结冰过程中的体
积膨
#G冷却水($G制冷主机(!G温控仪(@G调压变压器(&G搅拌
器(E G热电偶(D G电阻温度计(F G电加热丝("G冰蓄冷球(
#%G恒温槽(##G冰点补偿(#$G数据采集仪(#!G计算机
图<!冰蓄冷溶液性能测试示意图
T34>#!;<01I,83<(.3<178(*,417(-)83(+N1*.(*I,+<18178
胀!充装蓄冷溶液后球内应留有一定的空间>布置于球心的铜H康铜热电偶用来测量结冰过程的温度变
化>热电偶从冰球封口处引出后把冰球进行熔融密封>在实验时!制冷主机始终保持运行状态!载冷剂&质量分数为$&[的乙二醇溶液’经制冷主机降温并送到恒温槽>温度控制系统的目的是为了维持恒温槽的温度恒定!温控仪设定冰蓄冷球外载冷剂在不同实验工况下的温度!温控仪与调节加热电压后的电加热丝协调工作可保持恒温槽的温度波动不超过%>#f>成核添加剂减小蓄冷溶液过冷度的实验主要是监测球内溶液和槽内载冷剂的温度变化!在球心和恒温槽各布置一个经过标定的铜H康铜热电偶!其热电势由V K!@"D%Q多通道数据采集仪读入并传送至计算机!数据采集仪每#%7采集一次数据!计算机将热电势转化为温度值显示!并储存起来进行连续记录!直到蓄冷溶液完成凝固结冰过程!其测量误差约为%>#f>
$!实验结果及讨论
对不同的成核添加剂及其剂量进行了大量的实验>图$所示是在不同环境温度下不同冰蓄冷溶液的结冰温度随时间的变化曲线>可以看出!蓄冰球内溶液凝固结冰通常存在明显的过冷度!会经过降温&显热’$结晶&晶核形成’$结冰&潜热’$结实&显热’@个过程>其中结晶过程在瞬间完成!蓄冷溶液温度从过冷状态升温到凝固点温度>在一定条件下!蓄冰球内溶液也能无过冷度凝固结冰>
对成核添加剂为Q的蓄冷溶液!图$&,’和&W’分别是当环境温度$
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和G@>%f时球内溶液凝固结冰过程的温度变化>结果表明%当环境温度$<\G&>#f时!球内溶液迅速降温并很快开始结
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#浙!江!大!学!学!报!工学版"!!!!!!!!!!!第!"卷!
图=!在不同环境温度下不同冰蓄冷溶液的结冰温度H 时间曲线
T34>$!P1I N1*,8)*1H83I1<)*61(.C3..1*1+83<178(*41 7(-)83(+,8C3..1*1+87)**()+C3+481I N1*,8)*1
服务器部署冰!其过冷度为@>&f!整个凝固结冰过程耗时#E&I3+"当$<\G@>%f时!球内溶液降温后经过了很长过冷阶段后才开始结冰!其过冷度为@>%f!整个凝固结冰过程耗时@#%I3+>由此可知!环境温度对蓄冷溶液过冷度和结冰速率均有较大影响!在冰蓄冷工程中为了满足蓄冷时间的要求!通常采用较低的环境温度!从而要求制冷机在较低的蒸发温度下运行!使得能耗大大上升>适当的成核添加剂可以减小蓄冷溶液的过冷度>图$#<$是成核添加剂为‘的蓄冷溶液球内凝固结冰过程的温度变化>当$< \G@>%f时!球内溶液迅速降温并很快开始结冰!其过冷度为$>@f!整个凝固结冰过程耗时为#&%I3+>图$#<$与#,$相比!环境温度升高可以使制冷主机效率升高!而相应的结冰时间相当!具有工程应用价值"与图$#<$与#W$相比!过冷度减小到$>@f!从制冷开始到冰晶形成的时间大大缩短>由图$还可以看出!除去降温和过冷过程!结冰和结实阶段的时间相差并不太长>因此!到一种过冷度较低并能迅速开始结冰的成核添加剂!即减少降温和过冷阶段的时间!使制冷主机在较高蒸发温度下运行!是进一步提高冰蓄冷空调系统性能的切
实有效的方法之一>电磁
实验研究还发现!某些成核添加剂能使蓄冷球内溶液无过冷度凝固结冰>图!所示是当环境温度为G@>%f时蓄冷溶液温度随时间的变化曲线!球内溶液迅速降温至%f并很快开始结冰!整个凝固结冰过程
耗时$F%I3+>与图$#<$比较!无过冷度的结冰时间比有过冷度的结冰时间长了#!%I3+>理论上无过冷度凝固结冰可以提高制冷主机的蒸发温度!增大效率!但由于结冰时间的相应延长!无过冷度蓄冷溶液是否适用于工程实际应用还需作进一步的研究
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图>!无过冷度时冰蓄冷溶液结冰温度H时间曲线T34>!!P1I N1*,8)*1H83I1<)*61(.3<178(*417(-)83(+ A380+(7)N1*<((-3+4
!!成核添加剂的作用探讨
蓄冷溶液冰晶的成核和生长过程主要由热力学和动力学条件决定>若在等温等压条件下凝固结冰!固%液两相的相转变可根据吉布斯函数判断!要实现液相向固相的自发转变#即结冰$!可以通过使液体过冷形成冰晶的相变驱动力>成核添加剂减小蓄冷溶液过冷度的大量实验表明!蓄冷溶液存在有过冷度和无
过冷度凝固结冰两种现象!说明当蓄冷溶液处于过冷态#亚稳态$时!可能以两种形式形成冰晶核心!即均匀成核和非均匀成核>均匀成核是指在冰蓄冷球内各处的成核几率均相等!由于热涨落使液体分子聚集形成冰晶核的过程>凝固结冰过程的热力学分析表明!形成冰晶核过程所需形成能的变化与晶核的尺寸大小有关!较大的过冷度对应较小的临界尺寸!若晶核大于临界尺寸!则结冰过程就成为自发过程>降低环境温度使蓄冷溶液偏离平衡态的程度增加!可以减小冰晶核的临界尺寸及其形成能!从而大大提高形成冰晶核的几率>因此!环境温度对蓄冷溶液过冷度和结冰速率均有较大影响!降低环境温度是提高结冰速率的重要手段之一>非均匀成核是指蓄冷溶液在杂质%冰蓄冷球内表面及成核添加剂表面等处形成晶核>均匀成核要求有较大的过冷度!而非均匀成核所要求的过冷度比均匀成核要
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路网!第##期!!!!!洪荣华!等"成核添加剂减小冰蓄冷溶液过冷度的实验研究
小得多>因此!对于体积较大的蓄冷溶液!成核添加剂提供产生非均匀成核的条件!对提高蓄冷溶液的结冰
速率具有重要的作用!但由于非均匀成核对均匀成核有一定的抑制作用!成核添加剂的综合效果必须通过大量的实验研究进行验证>
@!结!语
本文建立了冰蓄冷溶液性能测试装置!对在不同成核添加剂和环境温度条件下蓄冷溶液的凝固结冰过程进行了实验研究>
实验结果表明"成核添加剂和环境温度对蓄冷溶液过冷度和结冰速率均有较大影响#蓄冷溶液存在有过冷度和无过冷度凝固结冰两种现象!当处于过冷态$亚稳态%时可能以均匀成核和非均匀成核两种形式形成冰晶核心#成核添加剂提供产生非均匀成核的条件!能有效减小蓄冷溶液的过冷度!对提高结冰速率具有明显的效果#冰蓄冷工程中为满足蓄冷时间$结冰速率%的要求!通常采用较低的环境温度>加入成核添加剂的蓄冷溶液可以使制冷机运行在较高的蒸发温度下!使得能耗大大减小!对空调工程应用起到较好的节能效果!有助于冰蓄冷技术在实际工程中的推广应用>
参考文献!%.2.0.+1.)
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下期论文摘要预登
$\%微型混合器的设计及实验研究
刘素芬!傅!新!杨华勇!谢海波
视力保护器
$浙江大学流体传动及控制国家重点实验室!浙江杭州!#%%$D
%摘!要#为实现微尺度条件下流体的均匀混合!按层流混合原理设计了一种三维结构的新型静态微型混合器>通过在微通道内设置周期交叉排列的导流块!在轴向压力梯度作用下产生横向的流动!从而在微管道内产生对流体的搅拌作用!达到促进混合的目的>运用流场数值仿真技术分析了微型混合器内速度场的分布规律!阐述了发生混合的机理>采用罗丹明染料与去离子水的混合试验检测该微型混合器的混合效果!同时分析了微型混合器的性能与结构参数(雷诺数的关系>混合试验表明!;a c H (微混合器在低雷诺数和高雷诺数条件下都可以获得好的混合效果!而;a c H ’微混合器只能在高雷诺数条件下获得好的混合效果>关键词#微混合器#流动显示#微流道设计
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