小型动态制冰机工作过程的多尺度耦合研究

摘要

冰浆物性不同是冰晶的微观特性差异的宏观体现。改变宏观制备参数可得到具有理想微观特征冰晶的冰浆，不同物性的冰浆具有不同的应用价值。动态制冰过程这一多尺度相互影响的现象或可实现冰浆应用的可调可控。动态制冰过程中溶液过冷结晶机理的研究，对于获得理想粒度分布、含冰率的冰浆，提高系统制冰效率、稳定性和能源利用率，以及缓解电力紧张状况、保护生态环境和维持可持续发展等均具有十分重要的科学理论意义和应用价值。
　　本研究在考虑晶粒成核、生长、聚并和破碎的情况下，从过冷度、刮削速度等影响结晶过程的宏观条件入手，利用宏观多相流、微观结晶动力学理论对动态制冰机过程进行分析和研究。采用分组法求解粒数衡算方程，通过耦合粒数衡算与多相流方程，建立了多尺度的结晶模型，模拟了动态制冰装置内水的动态结晶过程，获得不同温度、刮削速度、结晶时间等外界条件下晶粒数密度分布、云图等信息，分析了外界宏观条件对水的动态结晶过程的影响。结果表明：由于碰撞引起的晶粒聚并和破碎使得晶粒的尺寸分布更为集中和均匀；在过冷温差（流体局部温度与水的相变温度差值）不大于20℃，刮削速度不大于10 r/s范围内，降低壁面温度、增加刮削速度可以加速水的结晶与生长。通过实验分析刮削速度、载冷剂温度等外界条件对小型动态制冰机工作过程的影响。实验证明添加剂浓度等宏观参数对动态制冰过程溶液含冰率及晶粒微观特性存在影响：强极性无机化合物抑制冰晶生长的效果大于乙二醇等醇类化合物，表面活性剂因添加量通常很小而忽略其对冰晶生长的影响；载冷剂温度降低，冰晶尺寸有减小趋势，但成核速率增大，溶液含冰率仍增大；添加剂浓度越大，对冰晶成核、生长的抑制作用越大；200 r/min的刮削速度内，溶液结晶过冷度、传热、传质速率均随刮削速度的增大而增大，冰晶临界成核能和生长阻力均减小，对冰晶成核、生长的抑制减小。但冰晶尺寸和刮削速度足够大时，冰晶将产生聚并和破碎现象。根据实验装置模拟5％乙二醇溶液的冷却结晶过程。实验与模拟相互补充和验证，揭示溶液结晶机理，为冰浆能够得以更充分、有效的应用作补充。

目录

声明

符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究内容

第2章 多尺度耦合结晶模型的建立

2.1 冰晶的成核与生长机理

2.2 冰晶的聚并与破碎

2.3 粒数衡算与多相流耦合结晶模型

2.4 小结

第3章 小型动态制冰装置工作过程实验研究

3.1 实验系统

3.2 实验结果与分析

3.3 冰浆流动换热特性分析

3.4 小结

第4章 数值模拟结果与实验验证

4.1 表面刮削制冰过程模拟

4.2 小型动态制冰机工作过程模拟

4.3 小结

第5章 结论

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果