氯化钠溶液在不同材料表面凝固特性的理论与实验研究

摘要

冰浆是利用显热与潜热共同蓄冷的蓄冷介质，其单位蓄冷量非常可观，在相同体积情况下比其他蓄冷介质的蓄冷量多3~4倍。对电网峰谷的调节能力使冰浆在蓄冷空调方面有很好的应用前景。本文对制取冰浆所用的不同浓度氯化钠溶液在不同材料表面的凝固特性进行了理论分析、实验研究及数值模拟。具体研究内容如下：
　　（1）对溶液在平板表面凝固的接触角、粗糙度以及添加剂进行了理论分析。溶液在不同材质表面有不同的接触角，在异质成核时，小接触角液滴的临界成核能更低。对于亲水性材料，粗糙度的增大会使液滴在材料表面的接触角降低，临界成核能也随之降低。溶液的相变平衡温度会随氯化钠浓度的增大而降低，使临界成核能增大。
　　（2）对液滴在平板表面的模型进行简化，利用ANSYS Fluid对不同接触角的液滴凝固过程进行数值模拟。通过监测液滴的液相体积分数发现液滴在凝固过程中首先从液滴底部开始凝固，逐渐向液滴顶部发展，并且液滴后50％液相的凝固时间大于前50%液相的凝固时间。这是因为在凝固初期，初始温差大，液滴与壁面的换热热阻小使得温度变化比快。由于壁面温度低于液滴凝固时的冰点，液滴底部与壁面接触的位置开始结冰，冰层的形成导致上部液体与壁面的换热热阻增大，换热系数减小最终温度变化变得缓慢。在不同表面接触角小的液滴凝固速度大于接触角大的液滴，这与理论分析相吻合。在凝固过程中首先从与壁面接触的底部开始凝固，并且液滴表面首先凝固然后内部再完全凝固，此模拟结果与实验结果相一致。
　　（3）搭建了氯化钠溶液在不同表面凝固特性的凝固换热实验台，研究了不同浓度的氯化钠溶液在不同的材料表面以及不同粗糙度条件下的凝固特性。液滴在平板表面凝固时的凝固开始温度会随粗糙度的增大逐渐升高，这是由于粗糙度的增大使溶液在平板表面的接触角减小，降低了成核能，使溶液更容易成核。溶液在平板表面凝固时的凝固时间会随着过冷度的增大而逐渐降低，这是由于过冷度的增大使得平板表面与液滴的传热温差增大，从而增大成核速率，使凝固时间降低。