稳热流凝固换热理论及高效凝固潜热型热泵技术研发

热泵技术是建筑节能减排的重要措施，但"热泵好，源难找"。提取凝固潜热技术，可以突破冰点对水温利用区间的限制，作为一种安全措施可以解决冻裂风险；作为一种取热措施可以补充显热不足，解决地表水和污水所存在的水温过低，水量不足的瓶颈问题。热泵提取凝固潜热技术要求较小的冻结过冷度和稳定的热流密度，并采取有效措施提高系统年平均性能系数。本项目采用理论解析、数值仿真及系统化实验的方法，进行：(1)冻结起始期的瞬态过程研究，阐明冻结过冷度的判据与减小机理，并为换热理论研究奠定基础；(2)稳热流凝固换热过程的研究与半经验总结，揭示稳热流凝固换热规律与特点和凝固换热器的热工设计方法；(3)薄冰层剥离机理与力学过程研究，建立机械连续除冰的能耗预测与优化模型；(4)探索凝固潜热型热泵的性能特性及改善原则与措施。凝固潜热型热泵将传统观念中难以应用的地表水源纳入热泵低位热源之中，开拓一个全新的热泵系统应用领域。

热泵技术是建筑节能减排的重要措施，但“热泵好，源难找”。提取凝固潜热技术，可以突破冰点对水温利用区间的限制，解决地表水和污水所存在的水温过低，水量不足的瓶颈问题。热泵提取凝固潜热技术要求较小的冻结过冷度和稳定的热流密度，并采取有效措施提高系统年平均性能系数。课题进行了以下方面的研究并取得相应成果：.1、依据形核理论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。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、通过合理的准稳态假设，分别解析分析了平面冻结、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，以及凝固换热的瞬时与时均换热计算准则关联式。结论指出，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、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。编制通用程序并分析结论指出：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、通过应力状态分析，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，求解得到了机械刮削除冰的能耗预测公式。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，通过样机的实验，验证了这种新型换热装置的可靠性和技术可行性，说明凝固潜热型热泵机组具有较好性能系数。.6、对水-空气接触式凝固换热过程进行了理论分析,解析求解并给出了凝固换热装置的热工计算方法。搭建了水-空气接触凝固换热实验台，进行水-空气接触式凝固换热实验研究，证实了压缩弹簧变形除冰方法的可行性，数据分析显示，空气进出口温差稳定明显，且凝固换热效果显著，证实了水-空气接触式凝固换热技术的可行性。