氯化钠溶液结晶理论分析与实验研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：123345 氯化钠溶液结晶理论分析与实验研究 * 刘圣春 饶志明 天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，300134 Email:liushch@tjcu.edu.cn 联系电话 摘 要 对氯化钠溶液相变蓄冷进行实验研究，结合结晶过程的非均质成核机理以及相变推动力的理 论分析，探讨氯化钠溶液结晶的实验过程与现象。实验结果表明：纯净水和氯化钠溶液在实验过程中， 存在一定的过冷度下才开始结晶，并且随着浓度的增加冰点温度呈线性减小，与理论相比，由于氯化 钠盐溶液在低温下容易发生析晶，实验得到的溶液结晶点温度比理论的温度要高一些。 关键字 蓄冷剂 氯化钠 结晶机理 0 前言 相变蓄冷是蓄能技术的分支，在冷冻冷藏、太阳能利用等方面具有广阔的应用前景， 因为在能量转换和利用上，常常存在供求之间在时间和空间上不匹配的矛盾，尤其是电 力负荷峰谷差，所以合适的蓄能介质能解决能量供应在时间和空间不匹配的矛盾，是一 种提高能源利用率的有效手段[1~6]。共晶盐相变材料EPCM (Eutectic Phase Change Materials)是近年来的主要研究方向，大多数的相变材料相变过程都具有成核—生长相 变过程，其意义不仅涉及了动力系统构成与运行的合理化，能源利用率的提高，并且间 接减少燃料化石的环境污染。其中，氯化钠以其潜热值高、过冷度低、原材料广泛、价 格低等特点成为低温相变（-18℃）蓄冷的蓄冷介质，应用于低温相变蓄冷冷柜、低温 相变蓄冷箱[7~9]。本文对氯化钠溶液相变蓄能进行实验分析，探讨氯化钠溶液实验过程中 的成核—生长相变过程。 1 溶液结晶相变机理 大多数溶液相变是非均质成核，且都具有成核—生长相变机理，简单的分为两相区 域的转变，都可以用成核—生长过程来描述。从热力学条件考虑[9]，均匀单相并处于稳 定条件下的溶液，一旦进入过冷却或过饱和状态，系统就具有结晶的趋向。 1.1非均质成核机理[10,11] 非均质成核：即成核在异相的容器界面、异体物质（杂质颗粒）上、内部气泡等处 进行。一般情况下，溶液总是存在于某一固体容器中，溶液中含有大量粒子颗粒，在一 定的过冷状态下，依附在这些杂质颗粒或容器表面的非均质成核总会先于均质成核发 生，使过冷溶液的过冷状态消除，因而，结冰的发生总是由非均质成核引起的。如下图 1所示，氯化钠溶液的结晶核是在与溶液液体相接触的固体表面上生成的，通过表面能 的作用使成核的势垒减少。 · 图1 液体-固体界面非均态核的生成 成核前后系统的自由能变化为： ΔG ΔG′ +ΔG h V S （1） ΔGS ：假设核的形状为球体的一部分，其曲率半径为R ，核在固体界面上的半径为 r ，液体－核（LX ）、核－固体(XS)和液体－固体(LS) 的界面能分别为γ 、 和 ，γ γ LX XS LS 液体－核界面的面积为ALX ，形成这种晶核所引起的界面自由能变化是： ΔG γ A +πr2 (γ −γ ) S LX LX XS LS （2 ）