新型蒸发式过冷水的流态冰制取方法及实验研究

摘要

利用溶液除湿的蒸发式过冷水流态冰制取方法是一种新型的动态制冰技术，利用溶液除湿循环获取低水蒸气分压力的环境，水滴在此环境中蒸发过冷，过冷的水滴经解冷装置解冷后制得流态冰。它解决了传统过冷水法容易冰堵的问题，并可以与太阳能等新能源的开发利用相结合，具有巨大节能潜力。本文在原系统的基础上提出了一种改进型溶液除湿蒸发式过冷水流态冰制取系统，改进的系统增加了水预冷子系统，并利用自身的冷却水对除湿后的空气进行降温，不仅提高了制冰效率，而且又一步降低了系统对电能的依赖。此外，对改进型溶液除湿蒸发式过冷水制冰系统进行了拓展，并根据除湿方法的不同，又提出了一种基于冷冻除湿的蒸发式过冷水流态冰制取系统，它包括蒸发式过冷水制冰和湿空气冷凝水过冷制冰两个制冰子系统。该系统是利用蒸气压缩式制冷方式将湿空气冷凝除湿，除湿过程析出的冷凝水滴被冷空气冷却到过冷状态，同时经冷凝除湿得到的低温低含湿量空气送入蒸发式过冷水制冰室，与其中的喷淋水滴进行热质交换，水滴被冷却到过冷状态，然后过冷水滴经解冷装置解冷后制得冰晶。该系统一定程度的解决了传统过冷水法容易冰堵的问题，系统比较简单、运行稳定性好，在电能充足地区具有一定的应用优势。 本文主要围绕着改进型溶液除湿蒸发式过冷水流态冰制取方法进行研究。为了分析单个水滴在低温低含湿量空气中的运动和蒸发过冷特性，建立了描述整个传热传质及运动过程的数学模型，并通过对悬挂水滴的蒸发过冷实验验证了模型的有效性。通过对水滴运动方程的求解和蒸发过冷特性分析，为确定制冰室高度以及喷嘴与制冰室壁面水平距离的设计提供了理论参考，并在单个水滴蒸发冷却模型的基础上，建立了制冰室喷淋水滴的蒸发过冷过程传热传质数理模型，通过相关实验对该模型进行了验证。在此基础上模拟分析了顺流和逆流条件下，蒸发冷却过程中水滴与空气间的显热驱动力与蒸发潜热驱动力的变化特点，以及逆流条件下，初始水温、水滴初始直径、气水比、空气温度和含湿量对水滴蒸发过冷性能、换热过程中总显热量及潜热量与总换热量比值变化以及反向显热换热量的影响。通过对喷淋水滴蒸发过冷特性的研究，进一步为制冰室结构设计及系统运行参数优化匹配提供了理论指导。另外，从热力学第二定律出发，分析了水滴蒸发冷却过程中系统有效能的变化特点及其转化效率，以期为系统运行参数优化提供一定的理论指导。 最后，对这两种新型蒸发式过冷水流态冰制取系统进行了性能分析，结果表明:在一定工况下，与传统过冷水法相比，改进型溶液除湿蒸发式过冷水系统的制冰性能系数可提高33.8％，而基于冷冻除湿的蒸发式过冷水系统的制冰性能系数则与之基本相等。另外，对改进型溶液除湿蒸发式过冷水系统的单位循环干空气制冰量进行了分析。

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摘要

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主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 空调蓄冷技术的分类及应用

1．2．1 水蓄冷

1．2．2 冰蓄冷

1．3 动态制冰技术的国内外研究现状

1．3．1 冰片滑落式

1．3．2 刮削式

1．3．3 常规过冷水法

1．3．4 真空法

1．3．5 直接接触式

1．4 基于溶液除湿的蒸发式过冷水流态冰制取方法

1．5 本文研究的内容

第二章 新型蒸发式过冷水流态冰制取系统及实验平台

2．1 新型蒸发式过冷水流态冰制取系统

2．1．1 改进型溶液除湿蒸发式过冷水流态冰制取系统

2．1．2 基于冷冻除湿的蒸发式过冷水流态冰制取系统

2．2 水滴的近凝固温区蒸发过冷实验系统

2．2．1 测试容器内空气参数调节装置(低温恒温槽)

2．2．2 温湿度测量仪

2．3 蒸发式过冷水制冰实验系统

2．3．1 蒸发式过冷水制冰实验模块1

2．3．2 蒸发式过冷水制冰实验模块2

2．3．3 系统主要测量设备介绍

2．4 实验系统误差分析

2．5 本章小结

第三章 单个水滴蒸发过冷特性分析

3．1 液滴蒸发理论研究现状及存在的问题

3．2 水滴蒸发过冷却模型

3．2．1 液滴运动轨迹方程

3．2．2 对流传质模型

3．2．3 球形扩散传质模型(经典模型)

3．3 实验结果分析与模型验证及比较

3．3．1 不同气体扩散系数的对流传质模型比较

3．3．2 对流传质模型与经典模型比较

3．4 基于数学模型的计算结果分析

3．4．1 水滴运动过程分析

3．4．2 水滴初参数对其蒸发过冷特性的影响

3．4．3 空气参数对水清蒸发过冷特性的影响

3．5 本章小结

第四章 蒸发式过冷水制取流态冰预冷及过冷过程研究

4．1 喷淋水滴蒸发过冷模型

4．1．1 喷淋水滴的运动方程

4．1．2 传质方程

4．1．3 能量方程

4．2 蒸发预冷及过冷过程实验及模型验证

4．2．1 蒸发冷却实验模块1

4．2．2 蒸发冷却实验模块2

4．3 顺流模型与逆流模型对比分析

4．3．1 制冰室空气和水的实际状态变化过程

4．3．2 两种模型下喷淋水滴蒸发特性比较

4．4 蒸发预冷过程计算结果分析

4．4．1 初始水温的影响

4．4．2 水滴初始直径的影响

4．4．3 空气与水质量流量比的影响

4．4．4 水滴初速的影响

4．5 蒸发过冷过程计算结果分析

4．5．1 初始水温的影响

4．5．2 水滴初始直径的影响

4．5．3 空气与水质量流量比的影响

4．5．4 空气温度的影响

4．5．5 空气含湿量的影响

4．6 蒸发式过冷水制取冰晶

4．7 本章小结

第五章 制冰室水滴蒸发冷却过程有效能分析

5．1 喷淋水滴蒸发冷却过程的(火用)分析

5．2 计算结果及分析

5．2．1 蒸发冷却过程空气和水(火用)的变化

5．2．2 蒸发冷却过程中系统(火用)的影响因素分析

5．3 本章小结

第六章 系统性能及制冰量分析

6．1 性能分析

6．1．1 传统过冷水系统

6．1．2 改进型溶液除湿蒸发式过冷水制冰系统

6．1．3 基于冷冻除湿的蒸发式过冷水制冰系统

6．2 改进型溶液除湿蒸发式过冷水系统的制冰量分析

6．3 本章小结

第七章 结论和展望

7．1 本文主要工作和结论

7．2 本文创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文及其它成果