NaCl鹽溶液過冷度實驗測定與研究

孫悅 周敏 劉文平 譚志貴 吳霜

摘 要：本實驗采用控制變量法，研究了在一定的液浴溫度下，不同濃度的NaCl溶液的過冷度大小，并結合等精度測量法及曲線擬合對實驗結果進行數據分析，同時根據對實驗現象的觀察記錄，總結了溶液兩種結冰方式的特點。研究結果表明：在一定的液浴溫度下，氯化鈉溶液的濃度越高，則氯化鈉的過冷度越小；環狀結冰方式結冰時間較長且沒有過冷度的出現。

關鍵詞：冷凍濃縮；氯化鈉；過冷度；結冰方式

Abstract：In this experiment，the control variable method was used to study the degree of undercooling of different concentrations of sodium chloride solution at a certain liquid bath temperature，and the data of the experimental results were analyzed using equal precision measurement and fitting curves. According to the observation and recording of experimental phenomena，the characteristics of the two icing methods in solution were summarized. The results show that the higher the concentration of sodium chloride solution is，the lower the degree of supercooling of sodium chloride is. The circular icing method has a longer icing time，and it doesnt have the degree of undercooling.

Key words：Freezing concentration Sodium chloride Degree of undercooling Icing method

1、引言

近幾年來，地源熱泵、熱源塔等的發展越來越顯著，自2005年實際施工運行取得較好的供熱效果，經過不斷地研究突破，熱源塔技術已經成為一項比較的成熟的技術。熱源塔熱泵系統是一套能同時解決建筑物夏季制冷、冬季供暖需求的機組，相比于其他熱泵系統，其設備初投資更小、利用率更高。此外，熱源塔熱泵系統在設備布置、占用空間上和常規的冷水機組+鍋爐相同，有利于對該系統的節能改造，在建筑節能改造工程中有很大應用潛力【1】。

然而開式熱源塔常會出現蒸發器結冰的問題，為了避免這種問題，通常采用冰點較低的廉價鹽溶液做載冷劑。由于系統采用開式結構，空氣中的部分水蒸氣被冷凝為液態水進入溶液，使溶液濃度變低，凝固溫度升高，更易結冰【2】。針對此問題目前已有多種解決方法，冷凍濃縮法為其中之一，它主要是利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理，通過降溫將水以固態方式從溶液中去除的一種濃縮方法，具有可在低溫下操作、氣液界面小、微生物增殖、溶質的劣化及揮發可控制在極低的水平等優點，在保證溶液質量和節省能源方面具有很大優勢【3】。

目前冷凍濃縮法主要應用于食品及化工行業，包括釀酒、果汁制作、制藥、廢水處理和海水淡化等方面【4】，而在熱源塔方向暫時只有兩項專利做出相關研究。冷凍濃縮法也存在一定缺陷，即過冷度的問題。水在一定冷卻速率下，達到冰點溫度后，不會馬上結冰，而會出現過冷現象，在低于冰點溫度下的溫度結冰，實際結冰溫度與冰點溫度的差值稱為過冷度。液體過冷是一個較為嚴重的問題，在液體過冷情況下，制冷系統的制冷劑蒸發溫度必須明顯低于冰形成的溫度，這將導致制冷系統COP值下降，功耗增加。因此對過冷度的測量及其影響因素開展研究對于提高蒸發溫度，從而提高制冷系數、降低能耗，以及緩解能源緊張、保護生態環境和維持可持續發展等均具有十分重要的科學理論意義和應用價值。

目前，國內外對過冷度的研究大都集中于低濃度的鹽溶液的相關影響因素上。2007年章明旭等人針對NaCl、KCl、NH4Cl三種鹽溶液研究了成核添加劑對低溫相變蓄冷材料過冷度的影響【5】；2013年周子鵬等人生理鹽水在交變磁場作用下的過冷度的變化【6】；2017年朱虹玲等人研究了相變儲能材料中降低過冷度的方法，綜述了現階段改善過冷度常用的有效方法【7】。本文以NaCl溶液為例，主要研究了不同濃度Nacl溶液過冷度的大小，尤其針對高濃度的溶液，并對其過冷度進行對比整理，同時對實驗過程中出現的不同結冰狀態進行了分析。

2、實驗裝置

圖1是Nacl溶液過冷度測量實驗系統的原理圖。該實驗系統主要由低溫恒溫水槽、數據采集儀及電腦等組成。低溫恒溫水槽型號為DC-2030，內部載冷劑是體積分數為40%的乙二醇水溶液，溫度可在-40～100℃之間無級調節，精度為 0.01℃。數據采集儀采集采用 usb1068 溫度PC記錄儀，量程為-60～750℃，誤差為±0.1℃，記錄儀的記錄間隔為1s即每秒鐘可進行一次數據記錄，測得的溫度曲線可以在電腦上同步顯示，并且可以導出為Excel表格。數據采集儀終端采用 K型熱電偶，測溫范圍為-200℃～1300℃。

3、實驗方案

國內已有實驗結果證明，在-8℃以下，液浴溫度對鹽溶液過冷度的影響較小【8】。因此，考慮到不同濃度NaCl溶液的凝固點溫度不同（5%、10%、15%、20%濃度Nacl溶液凝固點分別在-5℃、-10℃、-13℃、-17℃左右），為保證其結冰過程的順利進行，實驗針對5%、10%、15%、20%濃度Nacl溶液采用的液浴冷凍溫度分別在-10℃、-15℃、-18℃、-22℃。考慮到實驗時過冷度的隨機性，實驗樣本每次測量4組，每組取溶液200ml，一共測量5次，即每個濃度Nacl溶液測量20組過冷度數據。

對測量結果采用等精度測量結果處理方法進行處理【9】，具體步驟如下：

4、實驗結果與分析

（1）圖2是實驗過程中實時同步記錄5%氯化鈉溶液的溫度變化曲線，可以看出剛開始時由于容器內溶液與液浴之間的溫差較大，溶液的降溫速度較快，之后由于溫差變小，溶液降溫速度變慢。當溶液溫度低于結冰溫度后溶液進入過冷狀態，直到在到達某一溫度時溶液的溫度會瞬間上升，溶液過冷狀態解除，大量冰晶析出，放出了大量的相變潛熱，使得溶液溫度迅速升高。

定義溶液在降溫過程中的最低溫度為過冷解除溫度tmin，開始出現冰晶的結冰溫度為相變溫度t0，其溫度差值為結冰過冷度Δt。

（2）在實驗過程中，經觀察發現溶液結冰方式存在兩種，即環狀結冰方式和形成均勻冰水混合物的相變結冰方式，如圖3所示。

經實驗觀察發現，在環狀結冰方式中，冰層首先在杯壁出現，后從杯壁向內部增長，結冰所需時間較長且形成的冰層較為堅固，整個結冰過程中不存在過冷度；而在相變結冰方式過程中，在結冰的一瞬間存在過冷度，整個結冰過程所需時間較短，形成的冰層相比之下也較為松軟。

（3）經過使用等精度測量結果處理的方法對所得數據進行處理，得出以下結果：

由圖四可以看出，隨著溶液濃度的提升，NaCl溶液的過冷度隨之降低。過冷度的大小反映的是溶液結晶所需驅動力的大小，即驅動溶液內分子形成晶核所需動力的大小【10】。溶液濃度越高，其內部分子越容易成核，結晶所需驅動力越小，過冷度也就越小。

5、實驗結論

本文研究所得結論如下：

1）NaCl溶液在環狀結冰方式下并不存在過冷度，且結冰所需時間較長，冰層較為堅固；

2）NaCl溶液濃度較低時，溶液過冷度較大，隨著濃度的升高，過冷度隨之降低。

參考文獻

[1]郜驊.熱源塔熱泵系統性能與優化運行研究【D】.南京，東南大學碩士論文，2015.

[2]姚麗華，熱源塔換熱性能研究與應用【D】.南京，南京師范大學碩士論文，2015.

[3]王志嵐，李書魁，許勇泉，尹軍峰.國內外冷凍濃縮的應用及研究進展【J】.綜述與述評，2009（12）：9—11.

[4]李亞，孫瀟，孫衛東.冷凍濃縮技術的應用及研究進展【J】.廣西輕工業，2008（3）：9?—10.

[5]章旭明，黃立維，潘利紅，岳橋.成核添加劑對低溫相變蓄冷材料過冷度的影響研究【J】.浙江工業大學學報，2007，35（5）：501-504.

[6]周子鵬，趙紅華，趙紅霞，韓吉田.交變磁場對水及生理鹽水過冷過程的影響【J】.高校化學工程學報，2013（2）：205-209.

[7]朱虹玲，吳海波，汪吉平，俞海云，冒愛琴，鄭翠紅.相變儲能材料中降低過冷度的方法【J】.化工時刊，2017，31（6）：24-29.

[8]陳澤全，劉曦，鄭閩鋒，雷曉健，李學來.有關因素對冰漿制取過程中過冷度影響的實驗研究【J】.制冷，2014（1）：1-6.

[9]方修睦.建筑環境測試技術【M】.北京：中國建筑工業出版社，2014.

[10]章明旭.無機鹽溶液相變蓄冷特性及系統研究【D】.浙江：浙江工業大學碩士論文，2007.

（作者單位：南京工程學院 211167）