冰的生成及向低温盐水浴中引入水时的传热与传质现象

摘要

本文介绍了一种实验方案，用于演示当水被引入温度远低于水的冰点的低温盐水浴（作为二次制冷剂）时冰的生成过程。该方法可作为工业上制冰的一种替代方式。

摘要

我们展示了一种用于研究过冷盐水环境中传热与传质以及冻结现象的方法。实验表明，在适当条件下，当水被引入低温盐水浴时，可以生成冰。要使冰形成，除了盐水与水的混合外，传热速率必须超过传质速率。当以微小液滴形式将水引入盐水表面时，传热与传质的方式主要为扩散。浮力阻止了水与下方盐水的混合，但随着冰层增厚，传热速率逐渐减慢，导致冰的生长变得更加困难。当以流动形式将水注入盐水内部时，多个因素会影响冰的形成量。盐水的温度和浓度分别是传热和传质的驱动力，能够影响水转化为冰的比例；较低的浴液温度和较低的盐水浓度有利于生成更多的冰。流动流变学特性可直接影响传热与传质系数，也是一个关键因素。此外，流动流变学还改变了流动与主体流体之间的接触面积。

引言

冰浆在工业中被广泛应用，其中一项尤为成功的应用是冰塞清洗技术^1,2。与传统的泡沫清管器和固体清管器相比，由于液相的润滑作用以及部分冰晶融化导致冰点升高，冰塞能够穿越复杂拓扑结构并实现长距离运行^3,4,5。即使清管器发生卡堵，也只需等待冰浆融化，随后即可重新开始清洗过程。这种管道清洗方法成本低廉且操作简便。

冰相分数在冰浆清管性能中起着关键作用。为了测量冰相分数，可以使用法式压滤壶来判断冰浆是否足够浓稠^6,7。在进行冰浆清管时，通常需要较高的法式压滤壶冰相分数，一般为80%。近期关于在线冰相分数检测的研究表明，电磁波和超声波均适用于该检测任务^8,9,10,11。

方案

注意：本实验中使用了两种有毒化学物质，甲醇和乙二醇。甲醇在人体内可代谢生成甲醛，进而转化为甲酸或甲酸盐。这些物质对中枢神经系统具有毒性，甚至可能导致死亡。乙二醇可被氧化为乙醇酸，随后转化为草酸，可能引起肾衰竭和死亡。切勿饮用这些化学物质。若发生意外，请立即就医。

1. 冷却系统

注意：当环境温度接近室温时，很难将盐水保持在约 -18 °C。用于储存乙二醇和盐水的储罐必须具有良好的保温性能，并具备合理的容积，以避免电力消耗过高，并确保系统最佳运行性能。建议储罐容积不超过 30 L。

1. 制备二次冷却液
   1. 将1升乙二醇倒入次级冷却罐（A罐）中（底座：400 mm × 200 mm，高度：350 mm）。向A罐中加入约0.6–0.65升（600–650克）水。
   2. 重复步骤 1.1.1 数次，直至储液罐 A 中有足够的液体（25 L）。
   3. 搅拌液体，使其均匀。
   4. 打开A罐中的两个泵并调至最大容量设置（2,500 L/h）。确保换热器和管道中截留的所有气泡均已排出。
   5. 关闭泵，观察是否所有气泡均已排出。若未排尽，则重复步骤 1.1.4。
2. 盐水的制备
   注意：本示例中配制的是22 wt%盐水....

结果

图1比较了水从盐水表面引入与通过盐水注入两种情况下产生的效应。在“冰盖”情景中，形成的冰是致密的，因为水与主体流体混合程度较低。两种流体之间的温度和密度差异产生浮力，阻碍了它们的混合。两种流体均处于静止状态（即，传热速率远大于传质速率；Sc ≈ 500，Pr ≈ 10，Le ≈ 50），因此冰易于形成。本实验中既未形成糊状层，也未发生盐分析出。一旦冰层增厚，由于其导热系数较低，将阻碍热量传递，从而影响冰的生成速率。此时可明显观察到，所引入的“淡水”无法再迅速冻结成固体。此外，由于缺乏对流，盐水本身的低导热性也阻碍了潜热向冷源的传递。冰的形成速率与盐水温度直接相关，且对其极为敏感。例如，-15 °C盐水中的水比-13 °C盐水中的水冻结得更快。在注水情况下，冰的形状和尺寸与流动流变特性相关。图1中所示的冰棒具有两个明显部分：一个笔直的头部和一个卷曲的尾部。卷曲部分在更接近盐水表面处形成，此处流动的湍流程度更高。由于湍流的出现，卷曲尾部通常比笔直头部更细，湍流使传热与传质速率之间的差异最小化.......

讨论

使用盐水作为二次制冷剂制冰的过程涉及传热与传质的共同作用。若传热速率较大，则冰在水与主体盐水充分混合之前即已形成。观察发现，当注入的水与静止的主体盐水之间存在相对运动时即， 在向盐水中注水时，流动有助于传热并促进冰的快速形成。然而，当流体中湍流过强时，则无法生成冰。该技术最大的局限性在于盐水的混合与稀释。随着过程持续进行，盐水体积会不断上升。因此，采用此方法制冰时，必须密切关注盐水体积的增加以及盐度的下降。此外，观察发现，若不及时收集所生成的冰，冰将发生融化。这可能是因为盐水温度未处于冰点，导致已形成的冰与主体流体之间发生热量和质量传递。此时热量与质量的传递方式仅为扩散，融化速率较慢。但由于冰会浮于盐水表面，环境中的额外热量传入会加快冰的融化速率。因此，一旦冰生成，应立即收集，以避免盐水体积进一步增加。

目前，我们实验室正在研究减少稀释或分离水和盐的方法。其中一种思路是将注入的水重新引入另一根直径更大的管子中，使水仅在短时间内接触主体流体，从而最小化二次制冷剂的体积变化。当水与盐水接触时将发生冰核形成，随后在较粗的管子中完成冰的生长过程。通过增加这一固体表面，可调.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
DMA 4500 M	Anton Paar	81546022	密度计
GELATO Chef 2200	magimix	0036500504R13	冰淇淋机
280D	FREEZE MASTER	241-1441	管道冷冻机
M17.5X2	BLUE ICE MACHINES	GK924	刨冰机
HH68K	OMEGA	140045	温度计
OHAUS	TS4KW	1324	电子天平
ZFC321WA/BNI225	ZANUSSI	920672574-00	冷冻柜
EIS Heater Matrix	Vauxhall	214720041	热交换器
2500LPH	JBA	AP-2500	泵
玻璃注射器	FORTUNA Optima		100 mL
OAT 浓缩冷却液	wilko	P30409014	乙二醇
纯化干燥真空盐	INEOS Enterprise	1433324	NaCl 盐
变性酒精	Barrettine	1170	甲醇