冷冻原理及文献总结讲义.doc

水体冻结是冬季寒冷地区的一种自然现象，也是地面气 象观测中的天气现象记录之一。大水体的冻结在我国北方漫 长而寒冷的冬季一年当中有5个月左右。池塘、湖泊、水库、河 流等大水体的冻结对人们的生产和生活以及国民经济建设都 有着密切的关系。 主要受气温的作用，冰体冻结有明显的日冻融变化特 征，昼化夜冻，处在日出融化，日落冻结的日交替循环变化之 中。在较为晴朗的天气里，冰体冻融幅度较为明显。反之，遇有 降雪或阴天天气时，冰体冻融减弱。图1明显看出，冰体融化时间在日出10时以后至18时，此时曲线向上变化；冰体冻结 时间在18时以后至次日10时左右，此时曲线向下变化。从冰 体日冻融幅度看，第3日的阴天小于第1、2日晴天的融化幅 度。即冰体在日出时获得能量而融化，日落散失能量而冻结。 表明冰体始终处于冻结与融化的动态平衡中，气温作为环境 能量的高低指标，对冰体冻融起着决定作用。4年试验反映， 在负气温的作用下，日平均气温稳定一2．8℃时，冰体进入 稳定冻结期。各年度稳定冻结期相差较大，最早与最晚相差 30日。由此形成差异较大的年冰体厚度。冰体冻结过程在不 同时期有不同的变化特征。主要经历有冰体初冻期、冰体稳定 冻结期和冰体融化期3个明显特征过程。 结冰是寒冷地区冬 季普遍存在的一种自然现象。河流、水库和湖泊冬 季常形成冰盖，冰盖的出现使水流从明流成为封闭 的暗流，改变了水流的水力条件、热力条件和几何 边界条件，形成了冬季特有的冰情现剩-．引。 在河流、水库和湖泊冰的研究中，冰厚是一个 十分重要的因素，一方面它影响着水库、湖泊中水 温和水质的分布[3．41，如：阻隔水体与大气之间的能 量和溶解氧的交换，造成水体中鱼类出现冻死现 象；另一方面它影响着水库坝体结构的稳定【5】，如： 对冰压力的作用考虑不够，则会造成水库护坡工程 存在冰推破坏及冰胀破坏的问题，影响水库正常运 行。 随着气温的降低，表层水体温度逐渐降低，水体底部温度维持 在较高的温度，当表层水体达到冰点温度，开始结 冰，随着冰厚的增长，水体不断失热，水体底部温 度也随之降低。 由图4可见，第一次实验：随着气温降低，水 体开始降温，表层水体达到结冰点的时间大约9800 秒，第二次实验：随着气温降低，水体开始降温， 表层水体达到结冰点的时间大约11600秒。从初始 水温降至结冰点这一时段内，2次实验的共同之处 在于垂向水温变化趋势：随着气温降低，表层水体 温度逐渐降低，在水体表层逐渐形成斜温层，而表 层斜温层以下为同温区，随着气温降低，同温区的 平均温度逐渐降低。不同之处：不同的实验条件， 水体表层的降温速率是不同的，第一次实验表层水 体的降温速率是0．00052℃／s，第二次实验表层水体 的降温速率是0．000483℃Is；另一个不同之处可能 是表层温跃层厚度，由于实验过程中垂向温度探头 分布较稀疏，没有准确测量出表层温跃层的厚度。根据实 验观测，冰盖开始融化之后，冰表面逐渐处于冰水 混合状态，温度约为O*C。 在室内实验中水体处于静止状态，水面与大气 之间以及冰与大气之间的热交换主要受气温和相 对湿度的影响，水体结冰只发生在水体表面。 以内蒙古呼伦湖为研究对象，对其在冰封过程中总氮、总磷和有机物在冰体和水体中的浓度及分布特征及其在呼伦湖 的空间变异性进行分析。结果表明，冰封条件下，呼伦湖水体中总氮、总磷和有机物的含量均大于其在对应冰体中的含量， 其含量均值分别是其对应冰体中的3.144倍、2 .200倍和3. 042倍，即低温冷冻过程对水体中的污染物有一定的浓缩效应；水 体中各营养盐和有机物的空间变异性明显小于其在冰体中的；从固-液相平衡理论、结晶学理论和热力学理论三个方面对冷 冻浓缩效应做出了合理的解释。 对于低浓度废水，经过冷冻霜得到的冰晶体可分 为污染层、洁净层和混合层，如图2所示。污染层，层 厚约为2～3 mill，它的形成是由于袭层溶液局部过冷， 薅蔫瀑度的下降，部分污染物析出作为冰核，促使废水 舅穗成核，污染层的形成，能使冷熊糍对平稳的传递， 为洁净层的形成起了“保护作用”；洁净层，在污染层的“保护作用”下，达到凝固点的水分子开始析出，形 戎冰晶，污染物被豢露翻溶渡孛，整令球层无色透鹾， 其融冰出水COD值、暇光度、电导率以及重金属离予 浓度的去除率均可达刘90％以上。裳验中取自配硫 酸锌溶液，其p(zn“)为29．58 nag·L～，分别取4个 平行榉镪为500 mL，擞予一12℃下冷冻24 h，其融冰 窭水中zn2+浓度如圈4所示；混合豢，是在共鑫点詹， 污染物与水一起析出而形成的，其融冰出水COD值、 吸光度和电导率的去除率为50％一60％。对于高浓度 废水，漓净层不明显，融冰蹬水中污染物的去除率大大降低。在同一冷冻温度下，随着废 水浓度的增加，洁净层厚度逐渐减小，遴