穩(wěn)熱流凝固換熱理論及高效凝固潛熱型熱泵技術(shù)研發(fā)

熱泵技術(shù)是建筑節(jié)能減排的重要措施，但“熱泵好，源難找”。提取凝固潛熱技術(shù)，可以突破冰點(diǎn)對(duì)水溫利用區(qū)間的限制，解決地表水和污水所存在的水溫過(guò)低，水量不足的瓶頸問(wèn)題。熱泵提取凝固潛熱技術(shù)要求較小的凍結(jié)過(guò)冷度和穩(wěn)定的熱流密度，并采取有效措施提高系統(tǒng)年平均性能系數(shù)。課題進(jìn)行了以下方面的研究并取得相應(yīng)成果： 1、依據(jù)形核理論分析了換熱面的異質(zhì)形核過(guò)程以及換熱面的表面能和粗糙度對(duì)異質(zhì)形核的影響，結(jié)論指出采用高能表面及表面粗糙化處理可以減小冷水凍結(jié)的過(guò)冷度。推導(dǎo)了冰核生長(zhǎng)速率方程和冰相面積擴(kuò)張速率方程，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了其正確性，在此基礎(chǔ)上給出了冷水在普通鋼表面發(fā)生凍結(jié)的最小過(guò)冷度，并將之作為凍結(jié)判據(jù)。 2、通過(guò)合理的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)，分別解析分析了平面凍結(jié)、內(nèi)環(huán)面凍結(jié)、外環(huán)面凍結(jié)三種情況下的冰層厚度、生長(zhǎng)速率和極限凍結(jié)厚度的準(zhǔn)則公式和冰層生長(zhǎng)規(guī)律，以及凝固換熱的瞬時(shí)與時(shí)均換熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。結(jié)論指出，凝固換熱量不僅與換熱總溫差、總熱阻有關(guān)，還與溫差和熱阻在相界面兩側(cè)的分配方式有關(guān)。 3、根據(jù)凍結(jié)判據(jù)給出了凍結(jié)起始點(diǎn)的參數(shù)公式，并以之為邊界條件建立了冰漿換熱的內(nèi)熱源模型和冷媒側(cè)的溫度-熱流密度耦合方程，提出了溫度-熱量迭代算法。編制通用程序并分析結(jié)論指出：流動(dòng)換熱形式和相變側(cè)（冷水側(cè)）參數(shù)變化對(duì)換熱總量影響較小，具有很好的流量穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。凍結(jié)過(guò)冷度和清冰周期是影響換熱總量的主要因素。 4、通過(guò)應(yīng)力狀態(tài)分析，建立了垂直刮削、傾斜刮削條件下的冰層脫附模型和脆裂模型，求解得到了機(jī)械刮削除冰的能耗預(yù)測(cè)公式。結(jié)論指出，傾斜刮削可極大地減小除冰能耗，40o傾斜角具有最小刮削力和能耗，冰層剝離能耗約為換熱量的1‰到1%，說(shuō)明機(jī)械除冰具有很好的經(jīng)濟(jì)可行性。 5、發(fā)明了一種可用于提取冷水凝固潛熱的拉環(huán)式凝固換熱裝置，通過(guò)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這種新型換熱裝置的可靠性和技術(shù)可行性，說(shuō)明凝固潛熱型熱泵機(jī)組具有較好性能系數(shù)。 6、對(duì)水-空氣接觸式凝固換熱過(guò)程進(jìn)行了理論分析,解析求解并給出了凝固換熱裝置的熱工計(jì)算方法。搭建了水-空氣接觸凝固換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行水-空氣接觸式凝固換熱實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了壓縮彈簧變形除冰方法的可行性，數(shù)據(jù)分析顯示，空氣進(jìn)出口溫差穩(wěn)定明顯，且凝固換熱效果顯著，證實(shí)了水-空氣接觸式凝固換熱技術(shù)的可行性。 2100433B

熱泵技術(shù)是建筑節(jié)能減排的重要措施，但熱泵好，源難找。提取凝固潛熱技術(shù)，可以突破冰點(diǎn)對(duì)水溫利用區(qū)間的限制，作為一種安全措施可以解決凍裂風(fēng)險(xiǎn)；作為一種取熱措施可以補(bǔ)充顯熱不足，解決地表水和污水所存在的水溫過(guò)低，水量不足的瓶頸問(wèn)題。熱泵提取凝固潛熱技術(shù)要求較小的凍結(jié)過(guò)冷度和穩(wěn)定的熱流密度，并采取有效措施提高系統(tǒng)年平均性能系數(shù)。本項(xiàng)目采用理論解析、數(shù)值仿真及系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行：(1)凍結(jié)起始期的瞬態(tài)過(guò)程研究，闡明凍結(jié)過(guò)冷度的判據(jù)與減小機(jī)理，并為換熱理論研究奠定基礎(chǔ)；(2)穩(wěn)熱流凝固換熱過(guò)程的研究與半經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，揭示穩(wěn)熱流凝固換熱規(guī)律與特點(diǎn)和凝固換熱器的熱工設(shè)計(jì)方法；(3)薄冰層剝離機(jī)理與力學(xué)過(guò)程研究，建立機(jī)械連續(xù)除冰的能耗預(yù)測(cè)與優(yōu)化模型；(4)探索凝固潛熱型熱泵的性能特性及改善原則與措施。凝固潛熱型熱泵將傳統(tǒng)觀念中難以應(yīng)用的地表水源納入熱泵低位熱源之中，開(kāi)拓一個(gè)全新的熱泵系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

要注意區(qū)分區(qū)別熱流率和熱流密度，熱流密度表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，表示為q。國(guó)際單位是 W/m2，英制單位為BTU/sec-ft。通過(guò)面積為A的平壁時(shí)的熱流率為熱流密度與面積的乘積：Φ = qA 。