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含有極大量的熱能可作為熱泵供暖空調的低位冷熱源。但在開發(fā)過程中，人們發(fā)現(xiàn)有兩個限制可被稱為瓶頸。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，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。二是利用城市污水熱能為建筑物供暖空調時經(jīng)常遇到建筑物附近水量不足的問題。本文從節(jié)能減排的總體目標出發(fā)，提出突破冰點，獲取冷水凝固潛熱的新思路與新方法，建立相關理論，開發(fā)技術與設備，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，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的應用范圍。
　　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)的關鍵設備，也是本文的研究目標。要開發(fā)凝固換熱裝置，必須解決凍結起始點的判定問題、凝固換熱的計算問題、換熱器的熱工設計問題、冰層的清除問題、除冰裝置的機械實現(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形核過程以及換熱面的表面能和粗糙度對異質形核的影響，結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的過冷度。通過對比均質形核速率、換熱面異質形核速率、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。推導了冰核生長速率方程和冰相面積擴張速率方程，與文獻數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了其正確性，在此基礎上給出了冷水在普通鋼表面發(fā)生凍結的最小過冷度，并

4、將之作為凍結判據(jù)。
　　2、論述了連續(xù)除冰條件下凝固換熱的準穩(wěn)態(tài)假設的合理性，建立了兩側對流主導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、內環(huán)面凍結、外環(huán)面凍結三種情況下的冰層厚度、生長速率和極限凍結厚度的準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，推導給出了凝固換熱在壁面法線方向上的瞬時與時均換熱計算準則關聯(lián)式。結論指出，三種凍結方式的凍結過程和特點是各不相同，而且凝固換熱量

5、不僅與換熱總溫差、總熱阻有關，還與溫差和熱阻在相界面兩側的分配方式有關。
　　3、對換熱器進行合理而必要的準穩(wěn)態(tài)簡化后，以凍結判據(jù)和法向時均換熱準則關聯(lián)式為基礎，根據(jù)凍結判據(jù)給出了凍結起始點的參數(shù)公式，并以之為邊界條件建立了冰漿換熱的內熱源模型和冷媒側的溫度-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計和校核方法，通過編制的適用于計算和校核、不同凍結方式、不同流動換

6、熱形式、不同計算條件等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，結論指出與其它相變換熱器類似：流動換熱形式和相變側（冷水側）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、通過建立應力平衡方程并進行應力狀態(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，并進一步求解得到了機械刮削除冰的能耗預測公式，為刮冰機構的電機選型提供了依據(jù)。結論指出，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％，說明機械除冰具有很好的經(jīng)濟可行性。
　　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措施，給出了主動絞輪和拉索直徑的設計計算方法，并舉例設計了實驗用樣機。通過樣機在熱泵供暖空調系統(tǒng)實驗臺上的實驗，驗證