非热力平衡条件下冰晶粒径及分布演化规律研究

Ice slurry is considered as a promising refrigerant and secondary refrigerant on cold thermal energy storage, its thermodynamics and heat transfer has great influence on ice particle size and distribution. It is of significant importance to carry out investigations on ice crystal size and distribution during cold thermal energy storage. The three processes of growth, attrition and agglomeration during cold thermal energy storage have a crucial influence on the variation of ice crystal size and distribution, and governing equations in non-equilibrium thermodynamic state will be presented to obtain parameters of performance. Population Balance Model (PBM) is developed to govern the variation of ice crystal size, distribution and its evolution. Based on PBM, all the factors effecting ice particle size and distribution, which include degree of upercooling, addictives, concentration of ice slurry, thermal flux and state of movement during storage, are to be studied numerically to expatiate on the mechanism of ice crystal distribution and its evolution on non-equilibrium thermodynamic state, and all those factors are analyzed systematically to provide support in theory for ice crystal growth, evaluation and control of ice slurry. The innovation of this research is to investigate ice crystal particle, distribution and its evolution on non-equilibrium thermodynamic state.

冰浆是一种良好的制冷剂和载冷介质，其流动与换热特性直接与冰晶粒径及分布密切相关，因而研究冰晶粒径及分布在储存、流动和换热过程中的演化规律具有重要意义。冰浆中冰晶粒径变化主要是由冰晶生长、冰晶团聚和冰晶破碎等过程决定的,某一状态下冰晶粒径的具体分布是以上过程相互作用的结果。申请课题将以过冷法制取冰浆为研究对象，结合实验研究建立非热力平衡条件下能反映冰晶生长、冰晶破碎和冰晶团聚等过程的控制方程并获取相关性能参数，进而建立完整的冰晶粒径及分布演化数群平衡动态模型。基于数群平衡动态模型，数值模拟分析研究过冷度、添加剂、冰浆浓度、热流密度、冰晶运动状态等对冰晶粒径及分布的影响，探讨非热力平衡条件下冰晶粒径演化机理，进一步分析各参数协同作用规律和关键控制因素，为冰晶生长、预测和控制提供理论依据。项目的特色及创新在于对高效储能介质中冰晶粒径及分布演化展开非平衡热力学研究。

冰浆具有较高的储能密度和良好的流动换热特点，可广泛地作为制冷剂和储能载体使用。目前，冰浆技术已成功地应用于区域供冷及建筑物空调、工业冷却和食品冷藏等领域，潜在的应用包括消防灭火、矿井冷却及人体器官快速冷却等。.本项目对非热力平衡条件下冰晶生长（融化）机理、冰晶动力学行为对冰晶粒径及分布影响规律、描述冰浆流动及冰晶粒径演化的CFD-PBM耦合模型、冰晶生成及存储过程中粒径分布展开理论和实验研究。研究结果表明冰晶成核及生长主要受过冷度的影响，过冷度增加，临界成核能差随着过冷度的增加而显著减小，同时冰晶生长过程中传热速度增大，促进相变发生，冰晶粒径增长速率越大。冰晶在生长、存储过程中冰晶粒径不断增长，冰浆浓度和速度对冰晶粒径的变化均起到正相关的作用，但加入添加剂、增大耗损率（加入搅拌装置）、降低冰浆浓度等方法可以抑制其增长。同一种添加剂下，添加剂浓度越大，冰晶粒径增长的速度越小；不同添加剂（以氯化钠、乙二醇、吐温80为代表）情况下，抑制冰晶生长效果由大至小依次为质量分数0.05%-0.10%的吐温80、5.00%-10.00%的乙二醇、4.00%-7.00%的氯化钠，且随质量分数增加抑制效果增强。含冰率越低，冰浆溶液中冰晶粒径增长速度越慢。存储方式不同其他条件相同的情况下，有搅拌作用的均匀存储比非均匀储存的冰晶平均粒径小、冰晶数量多，且随着存储时间的增加，该现象有会减弱。多因素共同作用时，过冷度对冰晶的生长速率影响最大，添加剂种类及浓度、存储方式对冰晶粒径演化的影响较明显。.通过该项目研究，掌握冰浆制备及存储过程中非热力平衡条件下冰晶粒径演化的规律，对冰晶非平衡热力学演变过程进行理论模拟和定量描述，对更深层次地揭示冰晶的形成和控制过程的各种规律具有积极的意义，也有利于推动现有动态冰蓄冷工程应用中出现的冰晶富集、冰堵等问题的解决。同时，掌握冰晶粒径控制规律，有利于扩大动态冰蓄冷的应用范围，如可利用在速冻、人体器官快速冷却等方面。