提取冷水凝固潜热的换热理论与装置

论文摘要

城市污水和地表水中蕴含有极大量的热能可作为热泵供暖空调的低位冷热源。但在开发过程中,人们发现有两个限制可被称为瓶颈。一是在我国秦岭淮河以北广大的地区冬季水面封冻,冰面以下水温接近冰点,可开发的显热空间很小,而且普通换热器还存在冻裂破坏的危险。二是利用城市污水热能为建筑物供暖空调时经常遇到建筑物附近水量不足的问题。本文从节能减排的总体目标出发,提出突破冰点,获取冷水凝固潜热的新思路与新方法,建立相关理论,开发技术与设备,将曾经不可用的地表水和不够用的城市污水纳入水源热泵的低位冷热源范围内,变为可用与够用,极大地拓宽利用热泵为建筑物供热空调的应用范围。论文简介了提取冷水凝固潜热的热泵系统,指出了凝固换热装置是该系统的关键设备,也是本文的研究目标。要开发凝固换热装置,必须解决冻结起始点的判定问题、凝固换热的计算问题、换热器的热工设计问题、冰层的清除问题、除冰装置的机械实现问题,因此论文的主要工作为:1、从形核理论出发,着重研究了粗糙换热面上的锥尖、锥坑的形核功变化,给出了临界锥坑的概念及冰核长出锥坑的条件,分析了换热面的异质形核过程以及换热面的表面能和粗糙度对异质形核的影响,结论指出采用高能表面及表面粗糙化处理可以减小冷水冻结的过冷度。通过对比均质形核速率、换热面异质形核速率、悬浮微粒形核速率,指出接近0℃条件下,冷水只在换热表面形核并冻结。推导了冰核生长速率方程和冰相面积扩张速率方程,与文献数据进行对比分析,验证了其正确性,在此基础上给出了冷水在普通钢表面发生冻结的最小过冷度,并将之作为冻结判据。2、论述了连续除冰条件下凝固换热的准稳态假设的合理性,建立了两侧对流主导条件下的相界面能量守恒方程,通过无因次化解析分析,分别得到了平面冻结、内环面冻结、外环面冻结三种情况下的冰层厚度、生长速率和极限冻结厚度的准则公式和冰层生长规律;定义了凝固传热系数,并以无因次冰层厚度为基础,推导给出了凝固换热在壁面法线方向上的瞬时与时均换热计算准则关联式。结论指出,三种冻结方式的冻结过程和特点是各不相同,而且凝固换热量不仅与换热总温差、总热阻有关,还与温差和热阻在相界面两侧的分配方式有关。3、对换热器进行合理而必要的准稳态简化后,以冻结判据和法向时均换热准则关联式为基础,根据冻结判据给出了冻结起始点的参数公式,并以之为边界条件建立了冰浆换热的内热源模型和冷媒侧的温度-热流密度耦合方程,提出了温度-热量迭代算法。着重分析了顺流、逆流、冷媒定温、给定蒸发器参数四种已知条件下的设计和校核方法,通过编制的适用于计算和校核、不同冻结方式、不同流动换热形式、不同计算条件等30种组合的通用程序FHEDesign,分析了凝固换热装置的换热性能与特点,结论指出与其它相变换热器类似:流动换热形式和相变侧（冷水侧）参数变化对换热总量影响较小,具有很好的流量稳定性和温度稳定性。冻结过冷度和清冰周期是影响换热总量的主要因素。4、通过建立应力平衡方程并进行应力状态分析,分别建立了垂直刮削、倾斜刮削条件下的冰层脱附模型和脆裂模型,依据材料强度理论分析得到了冰层清除所必需的外力及其影响因素,并进一步求解得到了机械刮削除冰的能耗预测公式,为刮冰机构的电机选型提供了依据。结论指出,倾斜刮削可极大地减小除冰能耗,40o倾斜角具有最小刮削力和能耗,冰层剥离能耗约为FHE换热量的1‰到1%,说明机械除冰具有很好的经济可行性。5、发明了一种可用于提取冷水凝固潜热的拉环式凝固换热装置,介绍了其工作原理和技术措施,给出了主动绞轮和拉索直径的设计计算方法,并举例设计了实验用样机。通过样机在热泵供暖空调系统实验台上的实验,验证了上述凝固换热理论和凝固换热装置的设计校核方法、除冰能耗预测公式的正确性,同时验证了这种新型换热装置的可靠性和技术可行性。通过对热泵系统综合性能的测试,说明凝固潜热型热泵机组具有较好性能系数。通过本文的研究工作,完成了提取冷水凝固潜热换热装置的理论研究和设计开发,并实验验证了其理论和方法的正确性及凝固潜热型热泵的可行性,为地表水和污水热能资源化找到了新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 暖通空调的能源环境问题及其出路
• 1.1.2 课题的提出及意义
• 1.2 凝固潜热型热泵系统简介
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 地表水源热泵研究现状
• 1.3.2 冰浆制取技术研究现状
• 1.3.3 凝固换热相关理论研究
• 1.3.4 冰浆流动方面的研究
• 1.3.5 国内外研究现状分析小结
• 1.4 地表水源热泵应用前景分析
• 1.5 课题的研究内容和方法
• 1.5.1 论文研究内容与思路
• 1.5.2 论文主要研究方法
• 1.5.3 论文逻辑框架
• 第2章 凝固换热的冻结判定
• 2.1 形核的充分必要条件
• 2.2 临界形核功
• 2.2.1 均质形核功
• 2.2.2 异质形核的几何判定
• 2.2.3 锥尖上的形核功
• 2.2.4 平面上的形核功
• 2.2.5 大锥坑内的形核功
• 2.2.6 临界锥坑的形核功
• 2.2.7 小锥坑内的形核功
• 2.2.8 冰核长出小锥坑的条件
• 2.3 形核速率
• 2.3.1 水与冰的微观结构
• 2.3.2 均质形核速率
• 2.3.3 固体表面异质形核速率
• 2.3.4 悬浮微粒异质形核功与形核速率
• 2.3.5 三种形核速率的对比
• 2.4 固体表面特性对形核的影响
• 2.4.1 固体表面异质形核的过程
• 2.4.2 固体表面粗糙度对形核的影响
• 2.4.3 固体表面能对形核的影响
• 2.4.4 冰与实际钢表面的接触角测定
• 2.5 冻结起始阶段的冰相生长进程
• 2.5.1 冰核垂直生长速度
• 2.5.2 表面冰层扩张进程
• 2.6 理论结果验证与冻结判定
• 2.7 本章小结
• 第3章 壁面法向的凝固换热分析
• 3.1 冰-水界面的几何形状与过冷度
• 3.2 准稳态假设及相关简化
• 3.3 平面冻结与换热
• 3.3.1 平面冻结相界面迁移方程
• 3.3.2 平面冰层持续生长条件及生长速率
• 3.3.3 平面冻结冰层内温度场的特点
• 3.3.4 平面冻结凝固换热的度量
• 3.3.5 相界面温度的确定
• 3.3.6 算例
• 3.4 内环面冻结与换热
• 3.4.1 内环面冻结相界面迁移方程
• 3.4.2 内环面冻结速率与温度定向点
• 3.4.3 冷水无显热释放的迁移方程精确解
• 3.4.4 内环面冻结迁移方程近似解
• 3.4.5 内环面冻结凝固换热的度量
• 3.4.6 算例
• 3.5 外环面冻结与换热
• 3.5.1 外环面冻结相界面迁移方程
• 3.5.2 外环面冻结速率与温度定向点
• 3.5.3 冷水无显热释放的迁移方程精确解
• 3.5.4 外环面冻结迁移方程近似解
• 3.5.5 外环面冻结凝固换热的度量
• 3.5.6 算例
• 3.6 平面冻结与环面冻结的对比
• 3.7 本章小结
• 第4章 凝固换热装置热工计算
• 4.1 凝固换热段的准稳态简化
• 4.2 凝固换热装置计算的已知参数
• 4.3 显热换热段的温度分布
• 4.3.1 防冻液/水顺流换热
• 4.3.2 防冻液/水逆流换热
• 4.3.3 制冷剂/水换热
• 4.4 凝固换热段的温度分布
• 4.4.1 冷水侧的温度分布
• 4.4.2 冷媒侧的温度分布
• 4.4.3 温度-热量的迭代计算
• 4.5 凝固起始点参数
• 4.5.1 凝固起始点判别
• 4.5.2 防冻液/水顺流换热
• 4.5.3 防冻液/水逆流换热
• 4.5.4 制冷剂/水换热
• 4.6 冷水和冷媒流量的确定
• 4.7 凝固换热装置换热设计与校核
• 4.7.1 凝固换热装置的校核
• 4.7.2 凝固换热装置的设计
• 4.7.3 给定蒸发器参数条件的设计与校核
• 4.7.4 凝固换热装置设计与校核程序
• 4.8 凝固换热装置特性分析
• 4.9 工程应用的手算方法
• 4.10 本章小结
• 第5章 机械剥冰过程分析与实现
• 5.1 冰的材料力学性能
• 5.2 冰层的脱附与脆裂
• 5.2.1 垂直刮削冰层脱附模型
• 5.2.2 垂直刮削冰层脆裂模型
• 5.2.3 倾斜刮削冰层脆裂模型
• 5.2.4 机械刮削剥冰的功耗分析
• 5.3 传统机械刮削方法的弊端
• 5.4 拉环式凝固换热装置
• 5.4.1 拉环式清冰除垢联动机构
• 5.4.2 FHE的壳体划分与要求
• 5.4.3 其它技术措施
• 5.5 拉环式凝固换热装置样机设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 拉环式凝固换热装置的实验研究
• 6.1 实验原理及实验台介绍
• 6.2 拉环式凝固换热装置的换热实验
• 6.2.1 凝固换热实验与分析
• 6.2.2 显热换热实验与分析
• 6.3 拉环式凝固换热装置的功耗
• 6.4 凝固潜热型热泵系统的性能
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历