NaCl盐溶液过冷度实验测定与研究

孙悦 周敏 刘文平 谭志贵 吴霜

摘 要：本实验采用控制变量法，研究了在一定的液浴温度下，不同浓度的NaCl溶液的过冷度大小，并结合等精度测量法及曲线拟合对实验结果进行数据分析，同时根据对实验现象的观察记录，总结了溶液两种结冰方式的特点。研究结果表明：在一定的液浴温度下，氯化钠溶液的浓度越高，则氯化钠的过冷度越小；环状结冰方式结冰时间较长且没有过冷度的出现。

关键词：冷冻浓缩；氯化钠；过冷度；结冰方式

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

近幾年来，地源热泵、热源塔等的发展越来越显著，自2005年实际施工运行取得较好的供热效果，经过不断地研究突破，热源塔技术已经成为一项比较的成熟的技术。热源塔热泵系统是一套能同时解决建筑物夏季制冷、冬季供暖需求的机组，相比于其他热泵系统，其设备初投资更小、利用率更高。此外，热源塔热泵系统在设备布置、占用空间上和常规的冷水机组+锅炉相同，有利于对该系统的节能改造，在建筑节能改造工程中有很大应用潜力【1】。

然而开式热源塔常会出现蒸发器结冰的问题，为了避免这种问题，通常采用冰点较低的廉价盐溶液做载冷剂。由于系统采用开式结构，空气中的部分水蒸气被冷凝为液态水进入溶液，使溶液浓度变低，凝固温度升高，更易结冰【2】。针对此问题目前已有多种解决方法，冷冻浓缩法为其中之一，它主要是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理，通过降温将水以固态方式从溶液中去除的一种浓缩方法，具有可在低温下操作、气液界面小、微生物增殖、溶质的劣化及挥发可控制在极低的水平等优点，在保证溶液质量和节省能源方面具有很大优势【3】。

目前冷冻浓缩法主要应用于食品及化工行业，包括酿酒、果汁制作、制药、废水处理和海水淡化等方面【4】，而在热源塔方向暂时只有两项专利做出相关研究。冷冻浓缩法也存在一定缺陷，即过冷度的问题。水在一定冷却速率下，达到冰点温度后，不会马上结冰，而会出现过冷现象，在低于冰点温度下的温度结冰，实际结冰温度与冰点温度的差值称为过冷度。液体过冷是一个较为严重的问题，在液体过冷情况下，制冷系统的制冷剂蒸发温度必须明显低于冰形成的温度，这将导致制冷系统COP值下降，功耗增加。因此对过冷度的测量及其影响因素开展研究对于提高蒸发温度，从而提高制冷系数、降低能耗，以及缓解能源紧张、保护生态环境和维持可持续发展等均具有十分重要的科学理论意义和应用价值。

目前，国内外对过冷度的研究大都集中于低浓度的盐溶液的相关影响因素上。2007年章明旭等人针对NaCl、KCl、NH4Cl三种盐溶液研究了成核添加剂对低温相变蓄冷材料过冷度的影响【5】；2013年周子鹏等人生理盐水在交变磁场作用下的过冷度的变化【6】；2017年朱虹玲等人研究了相变储能材料中降低过冷度的方法，综述了现阶段改善过冷度常用的有效方法【7】。本文以NaCl溶液为例，主要研究了不同浓度Nacl溶液过冷度的大小，尤其针对高浓度的溶液，并对其过冷度进行对比整理，同时对实验过程中出现的不同结冰状态进行了分析。

2、实验装置

图1是Nacl溶液过冷度测量实验系统的原理图。该实验系统主要由低温恒温水槽、数据采集仪及电脑等组成。低温恒温水槽型号为DC-2030，内部载冷剂是体积分数为40%的乙二醇水溶液，温度可在-40～100℃之间无级调节，精度为 0.01℃。数据采集仪采集采用 usb1068 温度PC记录仪，量程为-60～750℃，误差为±0.1℃，记录仪的记录间隔为1s即每秒钟可进行一次数据记录，测得的温度曲线可以在电脑上同步显示，并且可以导出为Excel表格。数据采集仪终端采用 K型热电偶，测温范围为-200℃～1300℃。

3、实验方案

国内已有实验结果证明，在-8℃以下，液浴温度对盐溶液过冷度的影响较小【8】。因此，考虑到不同浓度NaCl溶液的凝固点温度不同（5%、10%、15%、20%浓度Nacl溶液凝固点分别在-5℃、-10℃、-13℃、-17℃左右），为保证其结冰过程的顺利进行，实验针对5%、10%、15%、20%浓度Nacl溶液采用的液浴冷冻温度分别在-10℃、-15℃、-18℃、-22℃。考虑到实验时过冷度的随机性，实验样本每次测量4组，每组取溶液200ml，一共测量5次，即每个浓度Nacl溶液测量20组过冷度数据。

对测量结果采用等精度测量结果处理方法进行处理【9】，具体步骤如下：

4、实验结果与分析

（1）图2是实验过程中实时同步记录5%氯化钠溶液的温度变化曲线，可以看出刚开始时由于容器内溶液与液浴之间的温差较大，溶液的降温速度较快，之后由于温差变小，溶液降温速度变慢。当溶液温度低于结冰温度后溶液进入过冷状态，直到在到达某一温度时溶液的温度会瞬间上升，溶液过冷状态解除，大量冰晶析出，放出了大量的相变潜热，使得溶液温度迅速升高。

定义溶液在降温过程中的最低温度为过冷解除温度tmin，开始出现冰晶的结冰温度为相变温度t0，其温度差值为结冰过冷度Δt。

（2）在实验过程中，经观察发现溶液结冰方式存在两种，即环状结冰方式和形成均匀冰水混合物的相变结冰方式，如图3所示。

经实验观察发现，在环状结冰方式中，冰层首先在杯壁出現，后从杯壁向内部增长，结冰所需时间较长且形成的冰层较为坚固，整个结冰过程中不存在过冷度；而在相变结冰方式过程中，在结冰的一瞬间存在过冷度，整个结冰过程所需时间较短，形成的冰层相比之下也较为松软。

（3）经过使用等精度测量结果处理的方法对所得数据进行处理，得出以下结果：

由图四可以看出，随着溶液浓度的提升，NaCl溶液的过冷度随之降低。过冷度的大小反映的是溶液结晶所需驱动力的大小，即驱动溶液内分子形成晶核所需动力的大小【10】。溶液浓度越高，其内部分子越容易成核，结晶所需驱动力越小，过冷度也就越小。

5、实验结论

本文研究所得结论如下：

1）NaCl溶液在环状结冰方式下并不存在过冷度，且结冰所需时间较长，冰层较为坚固；

2）NaCl溶液浓度较低时，溶液过冷度较大，随着浓度的升高，过冷度随之降低。

参考文献

[1]郜骅.热源塔热泵系统性能与优化运行研究【D】.南京，东南大学硕士论文，2015.

[2]姚丽华，热源塔换热性能研究与应用【D】.南京，南京师范大学硕士论文，2015.

[3]王志岚，李书魁，许勇泉，尹军峰.国内外冷冻浓缩的应用及研究进展【J】.综述与述评，2009（12）：9—11.

[4]李亚，孙潇，孙卫东.冷冻浓缩技术的应用及研究进展【J】.广西轻工业，2008（3）：9?—10.

[5]章旭明，黄立维，潘利红，岳桥.成核添加剂对低温相变蓄冷材料过冷度的影响研究【J】.浙江工业大学学报，2007，35（5）：501-504.

[6]周子鹏，赵红华，赵红霞，韩吉田.交变磁场对水及生理盐水过冷过程的影响【J】.高校化学工程学报，2013（2）：205-209.

[7]朱虹玲，吴海波，汪吉平，俞海云，冒爱琴，郑翠红.相变储能材料中降低过冷度的方法【J】.化工时刊，2017，31（6）：24-29.

[8]陈泽全，刘曦，郑闽锋，雷晓健，李学来.有关因素对冰浆制取过程中过冷度影响的实验研究【J】.制冷，2014（1）：1-6.

[9]方修睦.建筑环境测试技术【M】.北京：中国建筑工业出版社，2014.

[10]章明旭.无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究【D】.浙江：浙江工业大学硕士论文，2007.

（作者单位：南京工程学院 211167）