基于纳米氟碳材料的过冷水结晶机理与控制研究

动态冰蓄冷具有比静态冰蓄冷更为突出的优势，而过冷水动态制冰是效率最高、结构最简单和成本最低的动态制冰方法，在近十年来受到蓄冷、相变过程以及强化传热等研究者的高度重视，本项目针对影响过冷水连续制冰的关键问题－冰堵现象，进行理论研究，探讨纳米氟碳材料抑制过冷水结晶的机理，揭示过冷水在过冷却器纳米氟碳涂层上的冰晶形成和冰层融解的内部机制与影响因素。研究不同纳米氟碳涂层厚度、不同水质对过冷水在纳米氟碳涂层上的流动、传热以及结晶的影响，探求避免过冷水在过冷却器形成冰堵的方法。在此基础上，研究过冷水连续动态制冰的运行策略与控制模式，奠定过冷水连续动态制冰的理论与实践基础。建立过冷水动态制冰实验台，通过对比实验数据验证理论分析模型，进一步修正和完善计算方法，逐步完善过冷水动态制冰系统的设计准则，为过冷水连续动态制冰装置的实用化和产业化提供理论与实验基础。

冰浆的应用在节能与环保两方面都存在着巨大的潜力。在能源短缺和环境保护要求日益迫切的当今，发展以冰浆为载冷剂的空调系统和冷却系统有着重要的意义和广阔的应用前景。冰浆的制取的方法有许多，其中过冷水法制冰技术因具有结构简单、换热效率高、冰晶制作效率高等特点，成为目前最受关注的动态制冰方式之一。然而，过冷水法制冰的主要缺陷在于过冷却器内结冰存在随机性，冰堵的发生过于频繁，导致系统制冰的断断续续，降低了系统的效率。.本项目针对过冷却器冰堵的现象，深入分析了引起冰堵的各种原因，采用纳米氟碳涂层和扰动装置对过冷却器进行了改进，并在理论分析的基础上进行了一系列的过冷水动态制冰实验研究，为系统的优化设计提供了理论基础和实验依据。.纳米氟碳涂层表面的测试结果表明，涂到固体壁面的这层氟碳膜的平均厚度仅有9.7纳米，这层极薄的膜使得固体表面呈超疏水性，水在纳米氟碳氟碳涂层表面的接触角可高达163.01°。这种具有超疏水性的纳米氟碳涂层表面不但在能有效防止结冰，而且在防结垢上也有良好的效果。通过实验发现，与无涂层表面相比较，水在纳米氟碳涂层表面上的冻结过程较缓慢，有效抑制了结冰。.通过对过冷水动态制冰的实验研究发现，采用纳米氟碳涂层过冷却器制冰时，可在过冷却器出口得到较大的过冷度，过冷状态持续时间较长，推迟了过冷却器冰堵发生的时间，冰浆的制取量增加，系统的制冰效率得到提高。在过冷却器内部增加扰动装置进行制冰时，虽然换热系数可得到提高，但却增加了更利用过冷水结晶的条件，使过冷却器发生冰堵的频率更高。.本项目提出一种全新设计的冰浆连续制取系统，去除了原有的用于融冰的电加热装置和维持蒸发温度稳定的载冷系统，本系统即使产生冰堵，也能通过过冷却器的切换、利用高温压缩气体进行迅速融冰，并在融冰的同时不影响冰浆的连续制取，并搭建了实验平台，对冰浆的连续制取进行了相关实验研究。.本项目还基于最小熵增原理和最小 耗散原理，对过冷却器的换热性能进行了综合评价。经分析可知，与无涂层过冷却器相比，纳米氟碳涂层优化了过冷却器的换热状态，冷却器的性能提高，相应地也提高了整个制冰系统的效率，达到了节能的目的。.本项目完成了预定研究任务,取得了预期研究成果,达到了预期研究目标。