冷却系统课题研究方法

❶ 循环冷却水系统的动态模拟试验是什么如何进行

循环冷却水系统的动态模拟试验是什么？如何进行？动态模拟试验是一种对循环冷却水系统腐蚀、结垢状况进行研究的测试方法。这种试验装置是动态的、有传热面的为单管或三管式热交换器模拟生产上冷却器的材质、壁温和水流动状态等是试验室内评定水稳配方和工艺条件的一种较理想的综合必测试方法试验数据可为中试及现场使用提供依据。动态模拟试验的参考流程如下图：（1-凉水池；2- 循环水泵；3- 快速腐蚀测试阱电极；4- 转子流速计；5- 挂片器；6- 试验换热管；7- 热水浴；8- 冷却塔；9- 挂片器；10- 测试阱电极；11- 送风机；12- 计量加药器；13- 计量补水器；14- 计量排水器；15- 继电器；16- Fc快速腐蚀测试仪；17- 电导率仪；18- PH计；19- 恒温控制器；T1\T2\T3玻璃温度计；T\T3触点温度计）试验用水一般模拟生产现场冷却水质进行配制有条件的可直接用现场水。试验管采用∮101或∮192mm。设计管内水流速约1.0m/s,热交换器入口水温为25～45℃进出口水温差约5℃入口水温波动为0.02℃浓缩倍数为2～5倍。试验周期一般7～14d,有的达一个月。试验结速后对试管进行剖管检查测定污垢热阻平均值、不同温度端的垢层厚度和点蚀数据、管及挂片的腐蚀率并对垢样成分进行分析综合判断循环冷却水的腐蚀和结垢倾向。动态模拟实验一般要根据旋转挂片、动态污后监测等试验对配方筛选的初步结果选择几种配方和工艺条件的试验与空白（不加药）试验进行对比比便筛选出最经济合理的配方。因此往往需要进行多轮动态模拟试验为节省试验时间有的动态模拟试验装置往往设计成两套或四套并联可在一轮试验中得出两套或四套数据

❷ 发动机冷却系统（水冷说详细点）

概述
随着发动机采用更加紧凑的设计和具有更大的比功率，发动机产生的废热密度也随之明显增大。一些关键区域，如排气门周围散热问题需优先考虑，冷却系统即便出现小的故障也可能在这样的区域造成灾难性的后果。发动机冷却系统的散热能力一般应满足发动机满负荷时的散热需求，因为此时发动机产生的热量最大。然而，在部分负荷时，冷却系统会发生功率损失，水泵所提供的冷却液流量超过所需的流量。我们希望发动机冷启动时间尽可能短。因为发动机怠速时排放的污染物较多，油耗也大。冷却系统的结构对发动机的冷启动时间有较大的影响。
2 现代发动机冷却系统的特点
传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机，而还应具有改善燃料经济性和降低排放的作用。为此，现代冷却系统要综合考虑下面的因素：发动机内部的摩擦损失；冷却系统水泵的功率；燃烧边界条件，如燃烧室温度、充量密度、充量温度。
先进的冷却系统采用系统化、模块化设计方法，统筹考虑每项影响因素，使冷却系统既保证发动机正常工作，又提高发动机效率和减少排放。
2.1 温度设定点
发动机工作温度的极限值取决于排气门周围区域最高温度。最理想的情况是按金属温度而不是冷却液温度控制冷却系统，这样才能更好地保护发动机。由于冷却系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础，因此，发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态，如市区行驶和低速行驶时，会产生高油耗和排放。
通过改变冷却液温度设定点可改善发动机和冷却系统在部分负荷时的性能。根据排气门周围区域温度极限值，可升高或降低冷却液或金属温度设定点。升高或降低温度点都各有特点，这取决于希望达到的目的。
2.2 提高温度设定点
提高工作温度设定点是一种比较受欢迎的方法。提高温度有许多优点，它直接影响发动机损耗和冷却系统的效果以及发动机排放物的形成。提高工作温度将提高发动机机油温度，降低发动机摩擦磨损，降低发动机燃油消耗。
研究表明，发动机工作温度对摩擦损失有很大影响。将冷却液排出温度提高到150℃，使气缸温度升高到195℃，油耗则下降4%-6%。将冷却液温度保持在90-115℃范围内，使发动机机油的最高温度为140℃，则油耗在部分负荷时下降10%。
提高工作温度也明显影响冷却系统的效能。提高冷却液或金属温度会改善发动机和散热气热传递传递的效果，降低冷却液的流速，减小水泵的额定功率，从而降低发动机的功率消耗。此外，可采用不同的方式，进一步减小冷却液的流速。
2.3 降低温度设定点
降低冷却系统的工作温度可提高发动机充气效率，降低进气温度。这对燃烧过程、燃油效率及排放有利。降低温度设定点可以节省发动机运行成本，提高部件使用寿命。
研究表明，若气缸盖温度降低到50℃，点火提前角可提前3℃A而不发生爆震，充气效率提高2%，发动机工作特性改善，有助于优化压缩比和参数选择，取得更好的燃油效率和排放性能。
2.4 精确冷却系统
精确冷却系统主要体现在冷却水套的结构设计与冷却液流速的设计中。在精确冷却系统中，热关键区，如排气门周围，冷却液有较大的流速，热传递效率高，冷却液的温度梯度变化小。这样的效果来自缩小这些地方冷却液通道的横截面，提高流速，减少流量。
精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸，选择匹配的冷却水泵，保证系统的散热能力能够满足低速大负荷时关键区域工作温度的需求。
发动机冷却液流速的变化范围相当大，从怠速时的1 m/s到最大功率时的5 m/s。故应将冷却水套和冷却系统整体考虑，相互补充，发挥最大潜力。
研究表明，采用精确冷却系统，在发动机整个工作转速范围，冷却液流量可下降40%。对气缸盖上冷却水套的精确设计，可使普通冷却道的流速从1.4m/s提高到4 m/s，大大提高气缸盖传热性，将气缸盖的金属温度降低到60℃。
2.5 分流式冷却系统
分流式冷却系统为另外一种冷却系统。在这种冷却系统中，气缸盖和气缸体由各自的液流回路冷却，气缸盖和气缸体具有不同的温度。分流式的冷却系统具备特有的优势，可使发动机各部分在最优的温度设定点工作。冷却系统的整体效率达到最大。每个冷却回路将在不同冷却温度设定点或流速下工作，创造理想的发动机温度分布。
理想的发动机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸体温度相对较高。气缸盖温度较低可提高充气效率，增大进气量。温度低且进气量大可促进完全燃烧，降低CO，HC和NOx的形成，也提高输出功率。较高气缸体温度会减小摩擦损失，直接改善燃油效率，间接地降低缸内峰值压力和温度。分流式冷却系统可使缸盖和缸体温度相差100℃。气缸温度可高达150℃，而缸盖温度可降低50℃，减少缸体摩擦损失，降低油耗。较高的缸体温度使油耗降低4%-6%，在部分负荷时HC降低20%-35%。节气门全开时，缸盖和缸体温度设定值可调到50℃和90℃，从整体上改善燃油消耗、功率输出和排放。
2.6 可控式发动机冷却系统
传统的发动机冷却系统属于被动式的，结构简单或成本低。可控式冷却系统可弥补目前冷却系统的不足。现在冷却系统的设计标准是解决满负荷时的散热问题，因而部分负荷时过大的散热能力将导致发动机功率浪费。这对轻型车辆来说尤为明显，这些车辆大多数时间都在市区内部分负荷下行驶，只利用部分发动机功率，引起冷却系统较高损耗。为解决发动机在特殊情况下过热的问题，现在的冷却系统体积较大，导致冷却效率降低，增大了冷却系统的功率需求，延长了发动机暖机时间。可控式发动机冷却系统一般包括传感器、执行器和电控模块。可控式冷却系统能够根据发动机工作状况调整冷却量，降低发动机功率损耗。在可控式冷却系统中，执行器为冷却水泵和节温器，一般由电动水泵和液流控制阀组成，可根据要求调整冷却量。温度传感器为系统的一部分，可迅速把发动机的热状态传给控制器。
可控式装置，如电动水泵，可将冷却系温度设定点从90℃提高到110℃，节省2%-5%的燃油，CO减少20%，HC减少10%。稳定状态时，金属温度比传统冷却系统的高10℃，可控式冷却系统具有较快的响应能力，可将冷却温度保持在设定点的±2℃范围。从110℃下降到100℃只需2 s。发动机暖机时间减少到200s，冷却系统工作范围更贴近工作极限区域，能够缩小发动机冷却温度和金属温度的波动范围，减少循环热负荷造成的金属疲劳，延长部件寿命。
3 结论
前面介绍的几种先进冷却系统具有改善冷却系统性能的潜力，能够提高燃油经济性和排放性能。冷却系统的能控性是改善冷却系统的关键，能控性表示对发动机结构保护的关键参数，如金属温度、冷却液温度和机油温度等能够控制，确保发动机在安全限度范围内工作。冷却系统能够对不同工况作出快速反应，最大地节省燃料、降低排放，而不影响发动机整体性能。
从设计和使用性能角度看，分流式冷却与精密冷却相结合具有很好的发展前景，既能提供理想的发动机保护，又能提高燃油经济性和排放性。这种结构有利于形成发动机理想的温度分布。直接向气缸盖排气门周围供给冷却液，减少了气缸盖温度变化，使缸盖温度分布更加均匀，也能将机油和缸体温度保持在设计的工作范围，具有较低的摩擦损失和污染排放量。■
冷却系统的功能及维护保养方法如下：
1、冷却系统的功能，就是将发动机零件吸收的一部分热量带走，保证柴油发动机各零件维持在正常的温度范围内。
2、冷却水应是不含溶解盐的软水，如清洁的河水、雨水等。不要用井水、泉水或海水等硬水，以防产生水垢，引起发动机散热不良，气缸过热等问题发生。
3、用漏斗将冷却水加入水箱时，应当防止水飞溅到发动机与散热器上，防止散热片和机体上积尘、弄脏，影响冷却效果。
4、若因发动机缺水而引起温度过高时，不能马上加水，应使发动机慢速运转10—15分钟，等温度稍降低后，在发动机不息火的情况下慢慢加入冷却水。
5、冬季，水箱内应加热水。启动后应慢速运转至水温超过40度时才能工作。工作结束后，必须放尽冷却水。
6、要定期清除水箱内的水垢，对风冷发动机的散热片要经常擦洗污泥、脏垢。散热片不可损坏，若损坏后要及时更换，以免影响散热效果。

❸ 制冷制冷技术研究内容

制冷技术的研究主要包括三个核心领域：

首先，研究如何获取低温以及其背后的机理，以及相关的制冷循环。这是为制冷机选择和优化工作介质的关键，因为机械制冷的实现依赖于制冷剂热力状态的转换。

其次，制冷剂的性质研究至关重要。其热物理性质，如比热容、沸点、冷凝点等，是进行制冷循环分析和设计的基础数据。此外，制冷剂的一般物理化学性质，包括其工作原理、性能评估和结构设计，也需要深入研究，以确保其在实际应用中的稳定和高效。

最后，研究制冷循环过程中所需的各类机械和技术设备，如压缩机、膨胀阀、蒸发器等，以及制冷装置的流程组织和系统设计。同时，关注热绝缘技术，以提高设备的能效，以及制冷装置的自动化控制，这些也是制冷技术研究的重要组成部分。

综合以上内容，制冷技术的研究旨在通过深入理解低温获取方法、制冷剂特性以及相关设备和系统，来提升制冷系统的性能和效率。
(3)冷却系统课题研究方法扩展阅读

即致冷，又称冷冻，将物体温度降低到或维持在自然环境温度以下。实现制冷的途径有两种，一是天然冷却，一是人工制冷。天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体，但其制冷量（即从被冷却物体取走的热量）和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。天然冷却是一传热过程。人工制冷是利用制冷设备加入能量，使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。

❹ 插电式混合动力车辆冷却系统模拟新方法

针对2025年款车辆，美国环保署(EPA)2017—2025法规已经将公司平均燃油经济性(CAFE)的要求提高了33%。与之类似，欧盟也制订了与CO2减排有关的目标，要求2021年后面世车辆的CO2排放减少27%(相较于2015年目标)。这些排放限制使大多数原始设备制造商(OEM)的注意力转向了混合动力电动车辆。很多汽车制造商已经基于现有车型开始研究插电式混合动力车辆(PHEV)。相较于通过内燃机驱动的车辆，混合动力电动车辆具有更低的排放和更高的燃油经济性。除传统冷却液消耗组件外，PHEV车辆结构还包含额外的电气组件。所有这些附加组件对冷却液流量的需求在实现高效运行和冷却液流量平衡方面极具挑战性。当前研究的主要工作是在一维环境中利用FloMASTER?软件模拟PHEV冷却系统，实现车辆内所有冷却液消耗组件的流量分布可视化。利用现有车辆试验数据验证了一维冷却液网络。为模拟实际驾驶条件，还采用标准测试循环进行了瞬态模拟。试验数据与试验值关联性良好，且偏差不超过10%。

随着社会各界对降低车辆燃油耗和改变车辆排放方式的关注度持续增加，由燃料电池或电能提供动力的混合动力车辆的开发被提上日程。混合动力电动车辆作为传统车辆与纯电动车辆之间的桥梁，具有多种组合方式，如串联式、并联式和混联式。插电式混合动力车辆(PHEV)是混合动力汽车的1个细分种类，在无需内燃机辅助的条件下，仅利用可充电式电池组驱动电动机就可驱动车辆。内燃机还存在于PHEV中，在电池电量完全耗尽时用于驱动车辆。辅助任务需要采用的电池组和额外电子元器件必须布设在有限的车辆空间内。这些零部件的布置不能与发动机距离过近，这是因为其工作温度低于发动机的工作温度。由于这些零部件能够产生大量的热量，因此将其作为1个紧凑的热源需要专门设计冷却系统对其进行主动冷却。

Park等开展了基于混合动力电动车辆冷却系统的热分析，并研究了附加硬件对冷却系统性能的影响。他指出了有关冷却模块位置和尺寸变化的一些问题。Mehmoud等分析了气体回路、冷却液回路、机油回路和发动机结构，以及这些回路/组件在车辆驾驶条件下的相互作用。该系统能准确预测发动机热流、发动机组件温度、不同位置的机油温度、冷却回路中每个组件的冷却液温度、燃烧导致的放热、机械摩擦导致的放热、燃油耗、氮氧化物(NOx)排放、功率、平均有效压力等参数。Gu等根据一维流动和传热理论建立了1个发动机冷却系统模型，并利用试验数据对其进行了验证。Kim等讨论了能缩短发动机预热时间从而降低燃油耗和发动机排放的主动冷却控制策略。Masjuki等比较了加压空气与散热器风扇产生气流的空气流动方式，讨论了车辆在熄火后延长散热器风扇和冷却液泵工作时间对系统的影响，还讨论了采用电动泵取代机械泵的方案。试验结果显示，加压空气比带冷却风扇的气流具有更强的散热能力。Nessim等讨论了1套先进的热管理系统并介绍了该系统相对于传统冷却系统的优势。Bassett等介绍了基于增程式混合动力电动车辆(REEV)演示验证PHEV样车研究，提出了1个经过改造的冷却系统，并介绍了REEV演示验证样车冷却回路特性的初始测量结果。Weustenfeld等介绍了旨在传递组件间热量的热管理策略，阐述了在冬季与夏季环境下的模拟结果。该策略最多可识别出14种有效工作模式，并通过计算每一种工作模式的总有效时间来划分重要度等级。Pathuri等进行了针对系统性能评价的发动机冷却模拟,还尝试了不同的散热器风扇设计以预测空气流量。Hung等通过评价新型混合流动比(HFR)和性能指标单位散热率(SHD)，从而提高系统效率和降低能耗。其中，混合热管理系统通过比例阀、电控风扇和冷却液泵以实现对温度的控制。

根据车辆热系统一维模拟的文献检索可知，PHEV根据冷却系统模拟方面的内容还是空白。当前研究侧重模拟具有3种冷却回路(分别基于各自工作温度)的PHEV冷却系统。研究人员利用FloMASTER?软件，采用一维模拟方法对冷却回路进行了模拟。

1车辆冷却系统

对于以内燃机作为主要驱动力的传统车辆，其冷却回路由散热器和加热器组成，部分车型带有发动机机油冷却器(EOC)。针对该研究中的PHEV，在其回路中添加了1个电动冷却液加热器，用作车辆在电池耗尽模式下运行时的热源。当发动机处于停机状态时，负责驱动冷却系统中冷却液流动的主机械泵同样也会停止工作，因此需要采用1个电辅助泵驱动冷却液流动。PHEV冷却液流动的高温回路、电池回路及低温回路结构示意图见图1和图2。该冷却系统还具有带前置(FHTR)和后置加热器(RHTR)的双空调系统。

4结论

通过对PHEV车辆冷却系统的模拟，介绍了PHEV冷却系统的模拟方法。采用试验台和车辆级试验验证了一维模型。结果显示，所有环境温度条件下的模拟结果与车辆试验结果关联性良好。对冷却系统进行了高温回路发动机机油冷却器、前置加热器和置加热器，以及低温回路散热器、功率逆变器模块和辅助动力模块的稳态关联性研究。针对高环境温度、中等环境温度和低环境温度驾驶循环，进行了电池、辅助动力模块、功率逆变器模块和电动冷却液加热器的瞬态分析关联性研究。根据该试验方法可以开发1套模拟其他PHEV车辆冷却系统的标准操作程序，可使PHEV实现高效运行且具有良好的冷却液流量平衡。在概念设计的早期阶段实施这些模拟有助于研发人员根据流量分布和流量平衡进行快速决策。此外，该模拟设计还有助于在折中处理过程中通过改变管件实现紧凑结构设计。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期

作者：[印度]M.VARMA等

整理：田永海

编辑：虞展

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

❺ 冷却定律的探究报告

牛顿冷却定律（Newton's law of cooling)：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的，在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时只在温度差不太大时才成立。
是传热学的基本定律之一，用于计算对流热量的多少。
如图所示：
温差Δt＝|tw-tf|
q＝hΔt
Φ＝qA＝AhΔt＝Δt/(1/hA)
其中的1/hA 称为对流传热热阻
字母代码：
q为热流密度
h为物质的对流传热系数
Φ为传热量A为传热面积
一个热的物体的冷却速度与该物体和周围环境的温度差成正比。
即 -dT/dt=(T-Tc)/τ
式中，
-dT/dt——物体的温度随时间下降的速度，负号表示物体的温度是下降的
τ——物体的温度从T 下降到环境温度Tc实际所需要的弛豫时间
在微分条件下，-dT/dt和(T-Tc)/τ
是微线性关系。这是微线性思维的典范之一。
牛顿冷却定律的这个微分方程没有考虑物体的性质，所以这不是物性方程式。它只是关于一个假想物体，其温度随时间单纯下降的一个数学微分方程。与其叫“牛顿冷却定律”，毋宁叫“牛顿冷却定理”更准确。不过，这个明显的缺点，反而是最大的优点。它的无比抽象性在宣告：“这是任何物体冷却的共同遵守的数学规律！”。
实验表明，物体的温度随时间下降的速度和物体的结构以及理化性质并非完全无关。尤其是急速冷却的条件下，我们可以修改线性“牛顿冷却定理”，给它添加若干个非线性的项就可以了解决实际问题了。
这也告诉我们上面的微线性牛顿冷却定律至少不适用于描写那些急速温度变化的物理现象。
解方程可得牛顿冷却定律的积分形式为
Δt=t-to=τln(To-Tc)/(T-Tc)
或者 exp(Δt/τ)=To-Tc/T-Tc
式中，To——为物体在初始时刻to的温度
Δt>0,这是必然的。为此，必然有 To>T>Tc 。
这就是说，物体的起始温度To必然大于它最后的冷却温度T；物体最后的冷却温度T不能比环境温度更低Tc，而且也不能被冷却到和环境温度一样低。我们可以假设最后的冷却温度非常接近环境温度，
这时，T-Tc=ΔT，ΔT>0,且ΔT→0。也就是说，温度ΔT是一个极小的正值。
设热水的冷却方程为：exp(Δt/τ)=To-Tc/T-Tc
设冷水的冷却方程为：exp(Δt`/τ`)=To`-Tc`/T`-Tc`
假设，热水和冷水的起始时刻一致to=to`，冷却的环境温度一致Tc=Tc`，热水比冷水的起始温度高，To>To`，热水和冷水最后的状态几乎一致，即热水和冷水最后的温度与环境的温度差无穷逼近——即近似相等，ΔT=T-Tc=ΔT`=T`-Tc 。
热水和冷水方程之比：exp(Δt/τ)/exp(Δt`/τ`)=To-Tc/To`-Tc
=exp(C)>1 (即 C>0)
于是，Δt/τ - Δt`/τ` = C
Δt=(τ/τ`)Δt`+ C
这是一个截距和斜率都为正值的直线方程，
如果热水比冷水先结冰，Δt<Δt`，必须有 τ<τ` 。即斜率τ/τ`<1。
如果冷水比先热水结冰，Δt>Δt`，必须有 τ>τ` 。即斜率τ/τ`>1。
这个结果表明：牛顿冷却定律并不能直接用来判断热水和冷水谁先结冰。
而且热水和冷水无论谁先结冰，都不会影响牛顿冷却定律的正确
性。
一、中学生姆潘巴的精心观察对权威的牛顿冷却定律提出挑战
我（姆潘巴）在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时，校中的孩子们做冰淇淋总是先煮沸牛奶，待到冷却后再倒入冰盘，放进电冰箱。为了争得电冰箱的最后一只冰盘，我决心冒着弄坏电冰箱的风险而把热牛奶放进去了。一个多小时以后，我们打开电冰箱，里面出现了惊人的奇迹：我的冰盘里的热牛奶已结成坚硬的冰块，而他们的冰里还是稠稠的液体。我飞快地跑去问物理老师，他淡淡地回答说：“这样的事一定不会发生。”
进入高中后，在学习牛顿冷却定律时，我又问物理老师，他同样轻率地否定了我的观察。我继续述说我的理由，可老师不愿意听，在一旁的同学们也帮着老师质问我：“你究竟相不相信牛顿冷却定律？”我只好为自己辩解：“可定律与我观察的事实不符嘛！”在同学们的讪笑声中，老师带着无可奈何的神情说道：“你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧！”从此以后，“姆潘巴的物理”便成了我的绰号，只要我做错一点，同学们就马上说“这是姆潘巴的什么……。”尽管如此，我仍然坚信我的观察是正确的，其中可能包含着更为深刻的道理。
就在这一年，坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来我校访问，我决心求助于博士，我向他讲述了我的奇遇。他先是笑了一下，然后认真地听取了我的复述，博士回校后亲自动手并观察到了同一事实。他高度评价了我的观察，他说：“姆潘巴的观察，事实上提出了权威物理学家可能遇到的危险，同时也对物理教师提出了一个感兴趣的问题。”
博士邀请我联名发表一篇论文，登载于《英国教育》，对热牛奶在电冰箱中先行冻结的现象作了介绍和解释。其主要内容是：
1．把牛奶换成水以后再进行观察，发现电冰箱中的热水仍在冷水之前冻结成冰。
2．把热水放入电冰箱冷却时，水的上表面（S）与底部（B）之间存在着显着的温度差。缓慢冷却时的温度差几乎是观察不到的。图1-1是初始温度分别为70℃（实线）和47℃（虚线）的水的S-B温度差随时间变化的观测记录图。从图中可看出，初始时，上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的水内产生的最高温度差接近14℃,而初温为47℃的水内产生的最高温度差只有10℃左右，这就是我们所观察到的冷、热水在急剧冷却时的重大差别。
在以上定量观测的基础上，我们对热牛奶（或热水）先冻结的现象作出如下解释：
1．冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。
2．上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。
基于以上两方面的理由，热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。
除了作出热牛奶先冻结的解释外，我们还大胆地类推出一个有趣的“猜想”：在发生严重冰冻的日子里，热水管应该先于冷水管发生冻结，是不是这样呢？由于我们生活在赤道附近的坦桑尼亚，这里气候四季炎热，难以观察到这十分有趣的现象，欢迎能观察到这一现象的中学朋友们，为我们提供信息，共同讨论。
自从我们的文章发表后，世界上很多科学杂志都刊登了这一自然现象，认为这是对牛顿冷却定律的严峻挑战。而且还以我的名字把这一自然现象命名为“姆潘巴效应”。这真叫人不好意思呀！
二、反思
中学生姆潘巴观察到的现象，可能好多人都遇到过，但是为什么会发生姆潘巴的同学不相信，老师不相信，甚至连物理学博士听后也还是“先笑了一下”呢？他们可能是这样思考的：
冷牛奶从初温开妈到冻结所需时间为t1，热牛奶冷却到初温所需时间t2，则热牛奶从初温开始到冻结所需的全部时间为t1+t2。
显然有（t1+t2）>t1.
由上式可以推导出如下结论：热牛奶先冻结的现象不可能发生。
如果发生了热牛奶先冻结的现象，则必然导出（t1+t2）<t1的结论，这似乎是荒谬的。
正因为上述貌似正确的推理支配着人们的头脑，所以不少的人不但自己不去观察，甚至连别人观察到的事实也不敢相信。这种不尊重观察的态度，往往使真理从自己的鼻尖下面悄悄溜走，这难道不值得立志从事科研工作的人们引以为戒吗？
事实上，在一般实验条件下，热水会比冷水更快结冰。这种现象违反直觉，甚至连很多科学家也感到惊讶。但它的确是真的，曾在很多实验观察和研究过。虽然在经过亚里斯多德、培根，和笛卡儿 [1- 3] 三人的介绍后，此现象已被发现了几个世纪，但却一直没有被引入现代科学。直至1969年，才由坦桑尼亚的一间中学的一个名叫 Mpemba 的学生引入现代科学。这个效应早期发现史，和后期 Mpemba 再发现的故事－－尤其是后者，都是充满戏剧性的寓言。寓意人们在判断什么是不可能时，别过于仓促。这一点，下面会说到。
热水比冷水更快结冰的现象通常叫“Mpemba 效应”。无疑地，很多读者对这一点很怀疑，因此，有必要先明确地指出，什么是 Mpemba 效应。有两个形状一样的杯，装着相同体积的水，唯一的分别是水的温度。现在将两杯水在相同的环境下冷却。在某些条件下，初温较高的水会先结冰，但并不是在任何情况下，都会这样。例如，99.9° C 的热水和 0.01° C 的冷水，这样，冷水会先结冰。Mpemba 效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下，都可看到。
这似乎是不可能的，不少敏锐的读者可能已经想出一个方法，去证明它不可能。这种证明通常是这样的： 30° C 的水降温至结冰要花 10 分钟， 70° C 的水必须先花一段时间，降至 30° C，然之后再花 10 分钟降温至结冰。由于冷水必须做过的事，热水也必须做，所以热水结冰较慢。这种证明有错吗？
这种证明错在，它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响。但事实上，除了平均温度，其它因素也很重要。一杯初始温度均匀，70° C 的水，冷却到平均温度为 30° C 的水，水已发生了改变，不同于那杯初始温度均匀，30° C 的水。前者有较少质量，溶解气体和对流，造成温度分布不均。这些因素亦会改变冰箱内，容器周围的环境。下面会分别考虑这四个因素。所以前面的那种证明是行不通的，事实上，Mpemba 效应已在很多受控实验中观察到 [5,7-14]。
这种现象的发生机制，仍然没有得确切的了解。虽然有很多可能的解释已被提出过，但到目前为止，还没有一个实验可以清晰地显示它的机制。如果有的话，这实验就十分重要了。你可能会听到有人很自信地说，X 是 Mpemba 效应的原因。这些说法通常都是基于猜测，或只看着小量文献的证据，而忽略其它。当然，有根据地猜测，和选择你信赖的实验结果，是没错的。问题是，对于什么是 X，不同的人提出不同的说法。
为什么现代科学不回答这个看起来很简单的结冰问题？主要的问题是，水结冰所花的时间的长短，对实验设计中的很多因素，都是很敏感的。例子容器的形状和大小、冰箱的形状和大小、水中气体和其它杂质、结冰时间的定义，等等。因为这种敏感性，即使有实验支持 Mpemba 效应的存在，但不能支持在这些条件之外， Mpemba 效应的发生和发生的原因。正如 Firth [7] 所讲“这个问题有太多的变量，以致任何从事这项研究的实验室，一定会得出和其它实验室不同的结果。”
所以，由于做过的实验不多，而且常常在不同的实验条件下，所提出过的机制中，没有一个能很有信心地被宣称，就是“那个”机制。在上面我们提到的那四个因素，热水冷却到冷水的初始温度，会有变化。下面是这四个相关机制的简单描述，它们被认同能解释 Mpemba 效应。抱负不凡的的读者可以跟着那些连结，获得更完整的解释，相反的论调，和用这些机制解释不了的实验。似乎并没有一个机制，能解释在所有情况下的 Mpemba 效应，但不同的机制在不同的条件下是重要的。
1. 蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中，热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少，令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰，但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热，理论计算能显示蒸发能解释 Mpemba 效应 [11]。 这个解释是可信的和很直觉的，蒸发的确是很重要的一个因素。然而，这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验，在封闭的容器，没有水蒸气能离开 [12]。很多科学家声称，单是蒸发，不足以解释他们所做的实验 [5,9,12]。
2. 溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体，随着沸腾，大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流（因而令它较易冷却），或减少令单位质量的水结冰所需的热量，又或改变凝固点。有一些实验支持这种解释 [10,14]，但没有理论计算的支持。
3. 对流——由于冷却，水会形成对流，和不均匀的温度分布。温度上升，水的密度就会下降，所以水的表面比水底部热——叫“hot top”。如果水 主要透过表面失热，那么“hot top”的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时，它会有一“hot top”因此与平均温度相同，但温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。能跟上吗？你可能想重看这一段 ，小心区分初温、平均温度，和温度。虽然在实验中，能看到“hot top”和相关的对流，但对流能否解释 Mpemba 效应，仍是未知。
4. 周围的事物——两杯水的最后的一个分别，与它们自己无关，而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式，改变它周围的环境，从而影响到冷却过程。例如，如果这杯水是放在一层霜上面，霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜，从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地，这样的解释不够一般性，很多实验都不会将容器放在霜层上。
最后[supercooling]在此效应上，可能是重要的。[supercooling]现象出现在水在低于 0° C 时才结冰的情形。有一个实验 [12] 发现，热水比冷水较少会[supercooling]。这意味着热水会先结冰，因为它在较高的温度下结冰。即使这是真的，也不能完成解释 Mpemba 效应，因为我们仍需解释为什么热水较少会[supercooling]。
简单地说，在很多情况下，热水较冷水先结冰。这并非不可能，在很多实验中已观察到。然而，尽管有很多说法，但仍没有一个很好的解释。有不同的机制曾被提出，但这些实验证据都不是决定性的。