《非熱力平衡條件下冰晶粒徑及分布演化規律研究》是依託中南大學，由劉志強擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：非熱力平衡條件下冰晶粒徑及分布演化規律研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉志強
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
冰漿是一種良好的製冷劑和載冷介質，其流動與換熱特性直接與冰晶粒徑及分布密切相關，因而研究冰晶粒徑及分布在儲存、流動和換熱過程中的演化規律具有重要意義。冰漿中冰晶粒徑變化主要是由冰晶生長、冰晶團聚和冰晶破碎等過程決定的,某一狀態下冰晶粒徑的具體分布是以上過程相互作用的結果。申請課題將以過冷法製取冰漿為研究對象，結合實驗研究建立非熱力平衡條件下能反映冰晶生長、冰晶破碎和冰晶團聚等過程的控制方程並獲取相關性能參數，進而建立完整的冰晶粒徑及分布演化數群平衡動態模型。基於數群平衡動態模型，數值模擬分析研究過冷度、添加劑、冰漿濃度、熱流密度、冰晶運動狀態等對冰晶粒徑及分布的影響，探討非熱力平衡條件下冰晶粒徑演化機理，進一步分析各參數協同作用規律和關鍵控制因素，為冰晶生長、預測和控制提供理論依據。項目的特色及創新在於對高效儲能介質中冰晶粒徑及分布演化展開非平衡熱力學研究。
結題摘要
冰漿具有較高的儲能密度和良好的流動換熱特點，可廣泛地作為製冷劑和儲能載體使用。目前，冰漿技術已成功地套用於區域供冷及建築物空調、工業冷卻和食品冷藏等領域，潛在的套用包括消防滅火、礦井冷卻及人體器官快速冷卻等。 本項目對非熱力平衡條件下冰晶生長（融化）機理、冰晶動力學行為對冰晶粒徑及分布影響規律、描述冰漿流動及冰晶粒徑演化的CFD-PBM耦合模型、冰晶生成及存儲過程中粒徑分布展開理論和實驗研究。研究結果表明冰晶成核及生長主要受過冷度的影響，過冷度增加，臨界成核能差隨著過冷度的增加而顯著減小，同時冰晶生長過程中傳熱速度增大，促進相變發生，冰晶粒徑增長速率越大。冰晶在生長、存儲過程中冰晶粒徑不斷增長，冰漿濃度和速度對冰晶粒徑的變化均起到正相關的作用，但加入添加劑、增大耗損率（加入攪拌裝置）、降低冰漿濃度等方法可以抑制其增長。同一種添加劑下，添加劑濃度越大，冰晶粒徑增長的速度越小；不同添加劑（以氯化鈉、乙二醇、吐溫80為代表）情況下，抑制冰晶生長效果由大至小依次為質量分數0.05%-0.10%的吐溫80、5.00%-10.00%的乙二醇、4.00%-7.00%的氯化鈉，且隨質量分數增加抑制效果增強。含冰率越低，冰漿溶液中冰晶粒徑增長速度越慢。存儲方式不同其他條件相同的情況下，有攪拌作用的均勻存儲比非均勻儲存的冰晶平均粒徑小、冰晶數量多，且隨著存儲時間的增加，該現象有會減弱。多因素共同作用時，過冷度對冰晶的生長速率影響最大，添加劑種類及濃度、存儲方式對冰晶粒徑演化的影響較明顯。 通過該項目研究，掌握冰漿製備及存儲過程中非熱力平衡條件下冰晶粒徑演化的規律，對冰晶非平衡熱力學演變過程進行理論模擬和定量描述，對更深層次地揭示冰晶的形成和控制過程的各種規律具有積極的意義，也有利於推動現有動態冰蓄冷工程套用中出現的冰晶富集、冰堵等問題的解決。同時，掌握冰晶粒徑控制規律，有利於擴大動態冰蓄冷的套用範圍，如可利用在速凍、人體器官快速冷卻等方面。
