超声波对冰盘管蓄冷成核温度的影响与分析

余德洋 杨明涛

1 盐城工学院土木工程学院

2 常州英集动力科技有限公司

0 引言

近年来随着我国社会经济的发展，空 调的使用需求迅猛上升，这 加剧了电力供应的紧张。因此，具 有将电能移峰削谷的冰蓄冷空调技术受到越来越多的关注[1]。冰蓄冷系统有冰盘管，制 冰滑落，密 封件和冰浆等多个类型，其 中冰盘管具有蓄冰率高、可 靠性好等优点，在 空调领域应用极为普及[2]。虽然采用冰盘管蓄冷技术的空调能够将夜晚的电能转化为冰的冷能储存起来，白天再将冰中的冷能释放给空调使用。但这种在能量使用过程中额外多了一个能量的转换环节，必然会引起能量使用效率的下降。因此在运行冰蓄冷空调时，降 低冰盘管等装置的蓄冷能耗是很有意义的。

研究表明，低 频高功率的超声波能够促进冰晶成核，提 高液态水的成核温度[3-5]。为 了降低冰蓄冷空调的蓄冰能耗，本 文将冰盘管置于超声场中进行蓄冷，以 便在盘管蓄冰时得到较高的成核温度，降低冰晶成核所需的过冷度，从而减少蓄冰能耗。目前人们对超声波促进液态水结晶成核的机理还没有统一的认识，本文基于实验结果，也对超声波影响冰盘管蓄冰成核温度的机理作了探讨。

1 材料及方法

1.1 实验装置

自行设计的超声辅助盘管蓄冰实验台如图 1 所示，其由蓄冰槽、超声波发生系统、冷却系统。蓄冰槽由不锈钢材料制得，该槽长为 230 mm、宽为 140 mm、高为 50 mm，槽内容积为 4 升，槽内设有可以更换的冰盘管（紫铜盘管和导热塑料盘管）和用于测量水温的热电偶,槽外部设有50 mm 厚笨板的保温层。超声波发生系统由超声波发生器和设在蓄冰槽底部的六个超声振子组成。超声波的频率为 25 kHz，电功率可以在0～300 W 范围内进行调节。（3）冷却系统：冰盘管内的载冷剂与低温恒温水槽（DC-3030，宁波新芝生物科技股份有限公司）内载冷剂构成了闭合循环回路，所用载冷剂由体积比为 35:65 的乙二醇水溶液制成，低温恒温水槽为蓄冰槽内水结冰提供冷能，其温度能在-30 ℃～100 ℃范围内进行调节。

图1 实验装置示意图

1.2 实验方法

为了研究功率超声波对盘管蓄冰成核温度的影响，蓄冰槽内液相水分别在电功率为 0 W，1 02 W，1 47 W 和186 W 的超声场中进行结冰实验，每次实验时槽内液态水都从室温开始冷却降温。利用热电偶对蓄冰槽内的水温进行监测，该热电偶接数据采集仪。当水温降到0 ℃时，开始对水体间歇地施加超声波，相邻两次超声波运行的间隔为50 秒，每次超声运行的持续时间为10 秒。在降温的液态水中开始生成冰晶核时，结晶潜热会引起水体温度快速回升，该转折点的温度便记为过冷水的成核温度或冰晶成核温度[6]。利用热电偶可测得过冷水成核时的这一温度转折点，从而获得不同条件下冰盘管蓄冰时的成核温度。为了研究不同材质的盘管对蓄冰成核温度的影响，本文采用了紫铜和导热塑料两种盘管进行蓄冰实验。

2 结果与讨论

2.1 超声功率对盘管蓄冰成核温度的影响

图2 是紫铜冰盘管分别受到电功率为 0 W，102 W，1 47 W 和 186 W 超声波辐射时的蓄冰成核温度。从图2 可以看出，冰盘管在超声场中的蓄冰成核温度显著高于无超声辐射的成核温度，这表明超声波对冰盘管蓄冷时的冰晶核生成有促进作用。目前多数学者认为超声波提高冰晶成核温度是基于超声波在液体中引起的空化效应[1]。但人们对超声空化效应促进液态水结晶成核的机理还没有统一的认识。下面从晶核生成自由能变化的角度，超声空化效应促进过冷水成核的机理作一探讨。

图2 紫铜冰盘管在不同功率超声场中蓄冰的成核温度

图3 是异相成核示意图，如果液相水1 中的冰晶核2 是依附于已有成核基体（空气泡）3 界面上形成，则该系统的异相成核自由能变化ΔGhet如下式：

图3 异相成核示意图

式中：ΔGi为单位体积中水与冰两相的体积自由能差，V2为冰晶的体积，σ12为水与冰两相间的比表面自由能，σ13为水与空气泡两相间的比表面自由能，σ23为冰与空气泡两相间的比表面自由能，V2为新增冰晶的体积，A12 为水与冰之间的表面积，A23 为冰与空气泡之间的表面积。

如果水 1 中的冰晶核2 是由均相成核形成，则该系统的均相成核自由能变化ΔGh如下式：

由物理化学知识知，在相同外界条件下，只有ΔGhet-ΔGh<0 时才能发生异相结晶。但将式（1）减去式（2）得：

在梁英教先生编写的《物理化学》[7]书中可查得σ13=76× 1 0-3J/m2，σ23=120× 1 0-3J/m2；将σ13，σ23的值代入式（3）可 得 ΔGhet-ΔGh>0，这与从均相结晶转为异相结晶的自由能变化相茅盾，故 超声场中不断长大的空气泡不能在蓄冰槽内的过冷水中引发异相结晶。

由表面张力性质知，在其它条件一定时，A、B 两物质接触界面上的表面张力大小与 A、B 两物质中分子引力大小有关系，如 A、B 两物质中分子引力大小越接近，则它们间的表面张力越小。如 A、B 两物质中分子引力大小相差越远，则它们间的表面张力越大。假设图3 中的3 为受到空化气泡破裂时产生的压力而突然被压缩的一微小区域内的水分子聚集体，该微小区域内的水分子聚集体密度大随空化时释放的压力增长而增长。图3 中1、2 仍分别是常态液相水及已形成的冰晶胚。又因同一物质在固态时的分子引力总是大于液态时的分子引力。所以冰晶胚2 中分子引力最大，其次为受压缩的水分子聚集体3 中分子引力，常态液相水1 中分子引力最小。由于空化引起的压力及气泡大小等各种变化是处于微观领域，所 以单个空化气泡破裂释放的压力影响范围也极其微小。当空化时释放的压力增大时，这些受影响的微小水分子聚集体3 中分子引力也会增大，这 将使得σ23减小，σ13增大，故 一旦空化气泡破裂产生的压力大于某一值，可使σ23<σ13，从 而导致（3）式 中 ΔGhet-ΔGh<0，这 意味着，受 空化气泡破裂所释放的压力影响，蓄 冰槽内空化泡附近微小区域将产生密度增大的水分子聚集体（这表明超声空化在水中引起了密度变化），这些高密度的水分子聚集体可以在过冷水中引起异相成核，从 而提高冰盘管蓄冷时的成核温度。

2.2 超声对不同盘管蓄冰成核温度的影响

图4 为紫铜冰盘管和导热塑料冰盘管在147 W超声场中蓄冰时的成核温度。从图4 可看出，导热塑料冰盘管在 147 W 超声场中的蓄冰成核温度为-1.98 ℃，紫铜冰盘管在147 W 超声场中的蓄冰成核温度为-1.06 ℃。相对于导热塑料冰盘管，超声波使紫铜冰盘管的蓄冰成核温度增长稍大些。

图4 不同材质的冰盘管在147 W超声场中蓄冰时的成核温度

导致上述结果的原因可能是紫铜材质的冰盘管受到超声波辐射后，在盘管外壁面上会产生许多极其微小的凹坑，冰盘管外侧（蓄冰槽内）的过冷水在盘管壁面上的这些微小坑内发生异相结晶将变得更加容易，从而导致超声场对紫铜冰盘管的蓄冰成核温度的影响更为大些。但是塑料冰盘管受到超声波辐射后，塑料冰盘管外壁却不因超声波的辐射而产生微小的凹坑。这就导致紫铜材质和导热塑料两种类型冰盘管均在相同超声场中蓄冰时，紫铜盘管蓄冰的成核温度稍高些。

3 结语

超声波能够提高冰盘管蓄冰的成核温度，其促进冰晶核生成的机理可能是空化效应产生的瞬间高压对其邻近的液相水分子产生突然的压缩作用，受到突然压缩的水分子形成高密度的水分子聚集体，可作为引起异相结晶的核子，从而大大提高晶体成核温度（降低晶核生成的过冷度），促进液态水结晶。虽然金属冰盘管和塑料冰盘管在超声场中蓄冰的成核温度均显著提高，但金属材质盘管在相同功率超声场中蓄冰的成核温度稍大些。