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冰生消過程體系導(dǎo)熱系數(shù)動態(tài)變化特性

2018-08-08 09:57
制冷學(xué)報 2018年4期
關(guān)鍵詞:融冰冰水純水

(1 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266590; 2 國土資源部天然氣水合物重點實驗室 青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071; 3 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 青島 266071)

水與冰相態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象幾乎涉及人類生產(chǎn)活動的各個領(lǐng)域,無論是水分的遷移還是冰的凍結(jié)或融化都可能影響系統(tǒng)的熱物性參數(shù),從而影響系統(tǒng)的傳熱和傳質(zhì)過程,甚至可能改變系統(tǒng)原有生物行為或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特性,例如冰的生消可能改變植物根系在土壤中的生長習(xí)性、湖泊或近海冰層下生物活力、涉水工程結(jié)構(gòu)特性響應(yīng)等,所以研究含冰系統(tǒng)熱物性非常重要。李志軍等[1]測定了冰點到-10 ℃之間的黃河口附近的冰樣導(dǎo)熱系數(shù),Chen N. J.等[2]研究發(fā)現(xiàn)不同濃度的含鹽冰的熱擴(kuò)散率隨溫度降低而增大,R. I. Gavriliev[3]基于Maxwell-Rayleigh理論預(yù)測了典型結(jié)構(gòu)的多孔地下冰的導(dǎo)熱系數(shù)。Huang Wenfeng等[4]研究發(fā)現(xiàn)天然湖冰的導(dǎo)熱系數(shù)與純冰導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律類似。自然環(huán)境下冰的樣品成分復(fù)雜,影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素和規(guī)律尚不清楚,所以實驗室內(nèi)的研究多采用純冰樣品進(jìn)行。導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法主要分為兩類,即瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法[5-12]。穩(wěn)態(tài)法的測試樣品內(nèi)的溫度分布為不隨時間而變化的穩(wěn)態(tài)溫度場,當(dāng)試樣達(dá)到熱平衡后,借助測量試樣每單位面積的熱流速率和溫度梯度,就可直接測定試樣內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)。而非穩(wěn)態(tài)測試方法中,試樣內(nèi)的溫度為隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場,借助測試試樣溫度變化的速率,就可以測得試樣的熱擴(kuò)散率,得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。目前純冰的導(dǎo)熱系數(shù)測量值不統(tǒng)一,溫度為-20~-3 ℃時導(dǎo)熱系數(shù)約為2.1~2.3 W/(m5K),但導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的增加而降低的結(jié)論一致[13-16]。在實際過程中冰的生消是一個封閉的動態(tài)發(fā)生、發(fā)展和融解過程,而文獻(xiàn)主要集中在測定具體溫度點的冰的導(dǎo)熱系數(shù),并沒有研究相變過程中體系導(dǎo)熱系數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律。本文針對純冰的生長消融過程,研究結(jié)冰前-結(jié)冰過程-純冰-融冰-完全融解等不同階段體系的導(dǎo)熱系數(shù),分析變化規(guī)律和影響因素,為涉冰領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置Fig.1 Equipment for the thermal conductivity measurement

1 實驗過程

實驗裝置如圖1所示,主要包括反應(yīng)釜、Hot Disk熱常數(shù)分析儀、恒溫循環(huán)水浴、數(shù)據(jù)采集儀,詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[17]。反應(yīng)釜為鋼化玻璃圓筒體,凈容積為900 mL,為準(zhǔn)確觀測不同溫度下體系導(dǎo)熱系數(shù),反應(yīng)釜中安裝了一支熱電阻溫度傳感器Pt100,精度為±0.1 ℃。Hot Disk熱常數(shù)分析儀為瑞典Hot Disk AB 公司生產(chǎn),型號為TPS2500S,工作原理是基于瞬變平面熱源技術(shù)并采用一個雙螺旋形狀的探頭組件,該探頭既作為增加樣品溫度的熱源又作為記錄溫度隨時間變化的熱電偶。恒溫循環(huán)水浴的控溫范圍為-30~50 ℃,精度為±0.1 ℃。實驗過程中的溫度信號通過數(shù)字無紙記錄儀(AI-2057G/C,廈門宇電自動化科技有限公司)實時記錄和顯示。實驗所用的二次去離子水為實驗室自制,電導(dǎo)率為0.51 μS/cm。

實驗在常壓下進(jìn)行,通過改變體系溫度實現(xiàn)水的結(jié)冰或融冰。根據(jù)實驗過程體系狀態(tài)的變化,將實驗分為5個階段:未結(jié)冰過程(純水)、結(jié)冰過程(冰水混合)、純冰過程、融冰過程(冰水混合)、完全融解(純水)。在實驗的每個階段測量不同溫度下體系的導(dǎo)熱系數(shù),分析動態(tài)變化規(guī)律和指示意義。各階段測量溫度點的選取不同,在體系沒有發(fā)生相態(tài)變化的階段,即未結(jié)冰過程(純水)、純冰過程、完全融解(純水),體系導(dǎo)熱系數(shù)變化較小,測量溫度點間隔較大;而在相態(tài)發(fā)生變化的階段,即結(jié)冰過程(冰水混合)、融冰過程(冰水混合),體系導(dǎo)熱系數(shù)可能會發(fā)生較大的變化,為便于及時捕捉到變化信息,測量溫度點間隔較小。例如在未結(jié)冰過程(純水)階段實驗設(shè)計測量溫度點間隔3 ℃,而在結(jié)冰過程(冰水混合)、融冰過程(冰水混合)階段,實驗設(shè)計測量溫度點間隔為0.5 ℃。由于測量在動態(tài)的實驗中進(jìn)行,溫度隨著實驗反應(yīng)進(jìn)程而變化,所以實際的溫度間隔與實驗設(shè)計有差別。一般,每個溫度點測量2~3次以上。

2 結(jié)果與討論

2.1 未結(jié)冰過程(純水)

實驗從體系狀態(tài)為液態(tài)純水開始,溫度首先從10.3 ℃逐漸降至0.4 ℃,由于溫度高于水的冰點,所以體系沒有發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象,溫度隨時間的變化如圖2所示。在這一階段實驗測量了9.2~0.4 ℃不同溫度點體系對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù),如圖3所示,可以看出在這一階段體系導(dǎo)熱系數(shù)為0.598~0.669 W/(m·K),與純水的導(dǎo)熱系數(shù)一致(溫度為0~20 ℃水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.554~0.599 W/(m·K)[18-19]),正符合體系為純水狀態(tài)。這一階段體系沒有任何相態(tài)變化且溫度場均勻穩(wěn)定,所以每一個測量溫度點重復(fù)測量的結(jié)果基本相同。但是仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度接近0 ℃時導(dǎo)熱系數(shù)增加,這可能是由于冰核形成前水分子之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化導(dǎo)致體系導(dǎo)熱性能改變。為了更準(zhǔn)確地掌握水結(jié)冰過程中導(dǎo)熱系數(shù)的變化,盡可能減少前期降溫對水分子結(jié)構(gòu)可能造成的影響,在這一階段的最后將體系升至21.0 ℃約10 h,然后再降至0.4 ℃再進(jìn)行下一個過程研究。

1未結(jié)冰;2結(jié)冰過程;3純冰;4融冰過程;5冰完全融化。圖2 水結(jié)冰-融冰過中程溫度隨時間的變化Fig.2 The temperature changes with time during the process of water-ice phase change

2.2 水結(jié)冰過程(冰水混合)

繼續(xù)降低體系溫度,從0.4 ℃降至-5.5 ℃,可以研究水結(jié)冰過程中體系導(dǎo)熱系數(shù)的變化。由圖2可知,當(dāng)溫度降至-2.0 ℃時,體系溫度突然上升,說明冰開始大量生成且持續(xù)了6.7 h,直到體系溫度穩(wěn)定在-5.5 ℃。此過程中隨著體系溫度的變化測量了不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù),如圖3所示??梢钥闯龃穗A段體系的導(dǎo)熱系數(shù)變化很大,從開始的2.284 W/(m·K)逐漸降至0.633 W/(m·K),之后逐漸升至4.536 W/(m·K),接著又下降并且基本維持在2.156 W/(m·K)。已知實驗條件下冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.1~2.3 W/(m·K)[13-16],水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.55~0.59 W/(m·K)[18-19],而測量結(jié)果出現(xiàn)遠(yuǎn)大于冰的導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)象,并不完全在冰、水導(dǎo)熱系數(shù)范圍之間。另外,除了最后過程溫度從-1.0~-5.5 ℃體系導(dǎo)熱系數(shù)基本不變外,其它測量點即使重復(fù)測量相同溫度點,導(dǎo)熱系數(shù)差異也很大,如0 ℃時測量的導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.633~2.284 W/(m·K)(圖3),差別很大。

根據(jù)冰結(jié)晶理論和傳熱學(xué),對這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行以下推測。靜態(tài)的純水體系中冰核的形成容易首先在異相表面發(fā)生,因此冰核容易附著在Hot Disk探頭上形成一層冰膜。在這種情況下啟動導(dǎo)熱儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測量,測量的結(jié)果即為冰的導(dǎo)熱系數(shù)(圖4(a))。根據(jù)Hot Disk工作原理,探頭既作為記錄溫度隨時間變化的熱電阻又作為增加樣品溫度的熱源,所以剛產(chǎn)生的這些尚未完全固結(jié)的冰核又可能因探頭表面升溫而被剝落,導(dǎo)致周圍尚未成核的液態(tài)水填充過來。此時測得的體系導(dǎo)熱系數(shù)即為冰水混合物的導(dǎo)熱系數(shù),所以測量結(jié)果下降(圖4(b)),甚至發(fā)生探頭周圍恢復(fù)為液態(tài)水包圍的情況,導(dǎo)熱系數(shù)也隨之變?yōu)橐簯B(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)(圖4(c))。與此同時,此過程中體系溫度持續(xù)較高,說明不斷有冰核形成(圖2)。由于冰的密度小于水的密度,形成冰核可能會上浮。但在冰核形成初期,數(shù)量有限,不會對體系造成明顯的擾動,所以探頭與冰核或水之間的傳熱方式主要為導(dǎo)熱形式。但隨著冰核數(shù)量不斷增加,冰核上浮導(dǎo)致體系的擾動對導(dǎo)熱系數(shù)的測量產(chǎn)生明顯的影響,甚至發(fā)生較弱的自然對流,因此測得的結(jié)果不再是導(dǎo)熱系數(shù)而是對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),所以溫度為-0.4 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到4.536 W/(m·K),如圖4(d)。隨著體系中冰核數(shù)量的繼續(xù)增加,有限的空間反而阻礙了其上浮,所以測得的導(dǎo)熱系數(shù)(實際為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))也隨之下降。當(dāng)體系中的水完全轉(zhuǎn)化成冰,探頭也被冰完全覆蓋,體系中也不再存在擾動,此時探頭測得導(dǎo)熱系數(shù)即為純冰的導(dǎo)熱系數(shù)(圖4(e))。綜上所述,體系處于相變初期時,反應(yīng)釜中冰水混合物分布很不均勻并可能發(fā)生因冰的浮動而導(dǎo)致體系擾動,使與探頭表面接觸的介質(zhì)(冰或水)和賦存狀態(tài)非常復(fù)雜,而這些信息僅從圖2中溫度參數(shù)的變化是無法獲得的。因此,導(dǎo)熱系數(shù)可作為表征水結(jié)冰或其它相變材料動力學(xué)過程的一個重要參數(shù)指標(biāo)。

2.3 純冰過程

繼續(xù)維持體系溫度在-5.5 ℃約10.5 h,使可能未反應(yīng)的過冷間隙水進(jìn)一步形成冰,再降至-11.0 ℃約5 h,使其老化以獲得高純度的冰。由圖2中可知當(dāng)溫度降至-11.0 ℃時,體系溫度出現(xiàn)較小的波動,說明有少量的剩余過冷水轉(zhuǎn)化成冰,之后溫度又恢復(fù)至-11.0 ℃左右。然后逐步升至0 ℃,體系溫度沒有再發(fā)生突變現(xiàn)象,說明水已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化成冰。由圖3可知,此過程中體系導(dǎo)熱系數(shù)相對穩(wěn)定在純冰的導(dǎo)熱系數(shù)值,但當(dāng)溫度到達(dá)-1.6~-1.0 ℃范圍時,體系導(dǎo)熱系數(shù)明顯升高,又逐漸降至冰的導(dǎo)熱系數(shù),這可能是因為在冰點附近體系處于亞穩(wěn)狀態(tài)甚至冰的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2.4 融冰過程(冰水混合)

繼續(xù)升高溫度,當(dāng)超過冰點后溫度曲線變緩,說明冰開始融化,如圖2所示。在1.3 ℃附近溫度發(fā)生突變,可能是尚未融化的部分過熱冰融化所致,之后冰完全融化。由圖3可知在冰點附近導(dǎo)熱系數(shù)下降很快,之后有所上升但低于冰的導(dǎo)熱系數(shù),最后又降至純水的導(dǎo)熱系數(shù)。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與結(jié)冰過程正好相反(圖4),可以推斷為在冰融解的開始階段由于探頭放熱導(dǎo)致微量冰的融化,表面附近可能產(chǎn)生微弱的局部自然對流,所以體系導(dǎo)熱系數(shù)不降反升。但隨著體系溫度的增加,冰融化面積擴(kuò)大,探頭附近液態(tài)水逐漸增加,體系的導(dǎo)熱系數(shù)反而下降。同時,探頭附近冰水混合物的比例也處于動態(tài)變化過程,體系導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)上升趨勢。最后冰完全融化且體系導(dǎo)熱系數(shù)基本接近純水導(dǎo)熱系數(shù)。

2.5 完全融化(純水)

繼續(xù)加熱體系,溫度線性升高,如圖2所示,此時體系導(dǎo)熱系數(shù)為液態(tài)純水的導(dǎo)熱系數(shù),與結(jié)冰前體系導(dǎo)熱系數(shù)一致,如圖3所示。

3 結(jié)論

本文以純冰的生長消融過程為對象,通過控制反應(yīng)釜溫度從10.3 ℃降至-11.0 ℃,然后再升至10.3 ℃來完成水結(jié)冰前-結(jié)冰-純冰-融冰-完全融解5個不同階段,并在每個階段測量不同溫度下體系的導(dǎo)熱系數(shù),測得的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.592~0.669 W/(m·K)、0.603~2.284 W/(m·K)、2.019~3.106 W/(m·K)、0.611~1.945 W/(m·K)和0.596~0.598 W/(m·K)。可知在水(冰)發(fā)生相變過程中導(dǎo)熱系數(shù)動態(tài)變化,原因可能是冰的生消過程伴隨著熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象導(dǎo)致體系的局部微觀環(huán)境非常復(fù)雜,且因冰和水的密度不同,即使在靜態(tài)條件下也可能發(fā)生微弱的局部自然對流,從而改變體系的導(dǎo)熱系數(shù)。無論是結(jié)冰過程還是融冰過程,當(dāng)溫度接近冰點附近,體系導(dǎo)熱系數(shù)都將發(fā)生突變,這可能是水或冰的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致。因此,在實際的生產(chǎn)活動中應(yīng)考慮冰水體系導(dǎo)熱系數(shù)的動態(tài)變化過程,而不是僅采用單一的冰或冰水混合物的導(dǎo)熱系數(shù)值,否則在氣候或環(huán)境條件發(fā)生變化時體系可能發(fā)生相態(tài)變化或微環(huán)境發(fā)生改變,導(dǎo)致體系熱平衡發(fā)生變化而破壞冰層下生物原有的生存環(huán)境或涉水工程構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)性能。

本文受山東省自然科學(xué)基金(ZR2014JL033)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2014JL033).)

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