提取冷水凝固潛熱的換熱理論與裝置.pdf

1、城市污水和地表水中蘊(yùn)含有極大量的熱能可作為熱泵供暖空調(diào)的低位冷熱源。但在開發(fā)過程中，人們發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)限制可被稱為瓶頸。一是在我國秦嶺淮河以北廣大的地區(qū)冬季水面封凍，冰面以下水溫接近冰點(diǎn)，可開發(fā)的顯熱空間很小，而且普通換熱器還存在凍裂破壞的危險(xiǎn)。二是利用城市污水熱能為建筑物供暖空調(diào)時(shí)經(jīng)常遇到建筑物附近水量不足的問題。本文從節(jié)能減排的總體目標(biāo)出發(fā)，提出突破冰點(diǎn)，獲取冷水凝固潛熱的新思路與新方法，建立相關(guān)理論，開發(fā)技術(shù)與設(shè)備，將曾經(jīng)不可用的地表

2、水和不夠用的城市污水納入水源熱泵的低位冷熱源范圍內(nèi)，變?yōu)榭捎门c夠用，極大地拓寬利用熱泵為建筑物供熱空調(diào)的應(yīng)用范圍。
　　論文簡介了提取冷水凝固潛熱的熱泵系統(tǒng)，指出了凝固換熱裝置是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是本文的研究目標(biāo)。要開發(fā)凝固換熱裝置，必須解決凍結(jié)起始點(diǎn)的判定問題、凝固換熱的計(jì)算問題、換熱器的熱工設(shè)計(jì)問題、冰層的清除問題、除冰裝置的機(jī)械實(shí)現(xiàn)問題，因此論文的主要工作為：
　　1、從形核理論出發(fā)，著重研究了粗糙換熱面上的錐尖、錐

3、坑的形核功變化，給出了臨界錐坑的概念及冰核長出錐坑的條件，分析了換熱面的異質(zhì)形核過程以及換熱面的表面能和粗糙度對異質(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)的過冷度。通過對比均質(zhì)形核速率、換熱面異質(zhì)形核速率、懸浮微粒形核速率，指出接近0℃條件下，冷水只在換熱表面形核并凍結(jié)。推導(dǎo)了冰核生長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)的最小過冷度，并

4、將之作為凍結(jié)判據(jù)。
　　2、論述了連續(xù)除冰條件下凝固換熱的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)的合理性，建立了兩側(cè)對流主導(dǎo)條件下的相界面能量守恒方程，通過無因次化解析分析，分別得到了平面凍結(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、生長速率和極限凍結(jié)厚度的準(zhǔn)則公式和冰層生長規(guī)律；定義了凝固傳熱系數(shù)，并以無因次冰層厚度為基礎(chǔ)，推導(dǎo)給出了凝固換熱在壁面法線方向上的瞬時(shí)與時(shí)均換熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。結(jié)論指出，三種凍結(jié)方式的凍結(jié)過程和特點(diǎn)是各不相同，而且凝固換熱量

5、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、對換熱器進(jìn)行合理而必要的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)簡化后，以凍結(jié)判據(jù)和法向時(shí)均換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為基礎(chǔ)，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。著重分析了順流、逆流、冷媒定溫、給定蒸發(fā)器參數(shù)四種已知條件下的設(shè)計(jì)和校核方法，通過編制的適用于計(jì)算和校核、不同凍結(jié)方式、不同流動(dòng)換

6、熱形式、不同計(jì)算條件等30種組合的通用程序 FHEDesign，分析了凝固換熱裝置的換熱性能與特點(diǎn)，結(jié)論指出與其它相變換熱器類似：流動(dòng)換熱形式和相變側(cè)（冷水側(cè)）參數(shù)變化對換熱總量影響較小，具有很好的流量穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。凍結(jié)過冷度和清冰周期是影響換熱總量的主要因素。
　　4、通過建立應(yīng)力平衡方程并進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)分析，分別建立了垂直刮削、傾斜刮削條件下的冰層脫附模型和脆裂模型，依據(jù)材料強(qiáng)度理論分析得到了冰層清除所必需的外力及其影響因

7、素，并進(jìn)一步求解得到了機(jī)械刮削除冰的能耗預(yù)測公式，為刮冰機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型提供了依據(jù)。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FHE換熱量的1‰到1％，說明機(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，介紹了其工作原理和技術(shù)措施，給出了主動(dòng)絞輪和拉索直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并舉例設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)。通過樣機(jī)在熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證