《穩熱流凝固換熱理論及高效凝固潛熱型熱泵技術研發》是依託哈爾濱工業大學，由張承虎擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：穩熱流凝固換熱理論及高效凝固潛熱型熱泵技術研發
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張承虎
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱泵技術是建築節能減排的重要措施，但熱泵好，源難找。提取凝固潛熱技術，可以突破冰點對水溫利用區間的限制，作為一種安全措施可以解決凍裂風險；作為一種取熱措施可以補充顯熱不足，解決地表水和污水所存在的水溫過低，水量不足的瓶頸問題。熱泵提取凝固潛熱技術要求較小的凍結過冷度和穩定的熱流密度，並採取有效措施提高系統年平均性能係數。本項目採用理論解析、數值仿真及系統化實驗的方法，進行：(1)凍結起始期的瞬態過程研究，闡明凍結過冷度的判據與減小機理，並為換熱理論研究奠定基礎；(2)穩熱流凝固換熱過程的研究與半經驗總結，揭示穩熱流凝固換熱規律與特點和凝固換熱器的熱工設計方法；(3)薄冰層剝離機理與力學過程研究，建立機械連續除凍的能耗預測與最佳化模型；(4)探索凝固潛熱型熱泵的性能特性及改善原則與措施。凝固潛熱型熱泵將傳統觀念中難以套用的地表水源納入熱泵低位熱源之中，開拓一個全新的熱泵系統套用領域。
結題摘要
熱泵技術是建築節能減排的重要措施，但“熱泵好，源難找”。提取凝固潛熱技術，可以突破冰點對水溫利用區間的限制，解決地表水和污水所存在的水溫過低，水量不足的瓶頸問題。熱泵提取凝固潛熱技術要求較小的凍結過冷度和穩定的熱流密度，並採取有效措施提高系統年平均性能係數。課題進行了以下方面的研究並取得相應成果： 1、依據形核理論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，結論指出採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。推導了冰核生長速率方程和冰相面積擴張速率方程，與文獻數據進行對比分析，驗證了其正確性，在此基礎上給出了冷水在普通鋼表面發生凍結的最小過冷度，並將之作為凍結判據。 2、通過合理的準穩態假設，分別解析分析了平面凍結、內環面凍結、外環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律，以及凝固換熱的瞬時與時均換熱計算準則關聯式。結論指出，凝固換熱量不僅與換熱總溫差、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、根據凍結判據給出了凍結起始點的參數公式，並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-熱量疊代算法。編制通用程式並分析結論指出：流動換熱形式和相變側（冷水側）參數變化對換熱總量影響較小，具有很好的流量穩定性和溫度穩定性。凍結過冷度和清冰周期是影響換熱總量的主要因素。 4、通過應力狀態分析，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，求解得到了機械刮削除凍的能耗預測公式。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，冰層剝離能耗約為換熱量的1‰到1%，說明機械除冰具有很好的經濟可行性。 5、發明了一種可用於提取冷水凝固潛熱的拉環式凝固換熱裝置，通過樣機的實驗，驗證了這種新型換熱裝置的可靠性和技術可行性，說明凝固潛熱型熱泵機組具有較好性能係數。 6、對水-空氣接觸式凝固換熱過程進行了理論分析,解析求解並給出了凝固換熱裝置的熱工計算方法。搭建了水-空氣接觸凝固換熱實驗台，進行水-空氣接觸式凝固換熱實驗研究，證實了壓縮彈簧變形除冰方法的可行性，數據分析顯示，空氣進出口溫差穩定明顯，且凝固換熱效果顯著，證實了水-空氣接觸式凝固換熱技術的可行性。
