刘志强

教授 博士生导师

入职时间:1992-08-01

所在单位:能源科学与工程学院

职务:副院长

学历:研究生(博士)毕业

办公地点:中南大学能源科学与工程学院

性别:男

学位:博士学位

在职信息:在职

主要任职:湖南省制冷学会理事;湖南省暖通空调学会委员;湖南节能评价技术研究中心副主任

毕业院校:湖南大学

学科:动力工程及工程热物理

研究内容

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冰浆储能技术 点击查看源网页


1 冰浆简介

冰浆也称二元冰,一般是指含有大量悬浮冰晶粒子的固液两相溶液,冰晶粒子的平均直径一般小于1mm。与常规冷冻水相比,冰浆具有低温显热和相变潜热大的优点,同时冰浆还具有更高的冷却速率、更大的换热面积和便于运输的特性。目前,冰浆已应用于区域能源系统及建筑物空调、工业冷却和食品冷藏等领域,潜在的应用包括管道、换热器的清理除垢、消防灭火、矿井冷却及生物医学上人体器官快速冷却等。

2 研究内容

2.1  真空闪蒸模型        

为了进一步改善真空法制取冰浆系统,根据低压下液滴闪蒸数理模型进行了数值计算,为真空法冰浆制备装置的设计和使用提高参考依据。为了研究物性参数对冰晶形成的影响,基于以上液滴模型,分析了真空压力、喷水粒径、过冷度及添加剂对冰晶粒子生成的影响规律。

2.2  新型捕冷方式

针对现有真空法制取冰浆过程中水蒸气冷凝存在的问题提出了一种新型捕冷方式。该新型真空室捕冷结构主要特点是:(1)捕冷结构壁面由内壁、夹层空间和外壁构成,其中夹层空间有制冷剂循环。(2)捕冷结构内壁内侧要求光滑并附有涂层,保证水蒸气被捕集形成冰晶粒子后能顺利下落至真空室底部。(3)捕冷结构下部有制冷剂进口,上部有制冷剂出口,供制冷剂流入与流出。新型捕冷方式在系统结构上有较大优势,能有效捕集水蒸气增强制冰效果。

2.3  太阳能喷射式真空制取冰浆系统

为了进一步改善真空法制取冰浆系统,提出了一种新型的真空法制取冰浆系统,并对该系统进行了理论研究。该系统利用热能驱动,由喷射式制冷子系统、喷射式抽取真空子系统和真空闪蒸子系统组成。该系统在大空间内冷凝形成冰晶,能有效防止冰堵,且换热效率高,运行可靠。

2.4  过冷器壁面冰层生长机理研究

基于固体表面异质成核及过冷壁面热量传递机理,结合实验观测的具体现象,建立了冰层生长模型,推导了冰层生长速率的计算公式,并探讨了主要系统和运行参数(基底材料、过冷度、流体流速等)对过冷壁面冰层生长过程的影响规律。

2.5  过冷器壁面冰层剥离机理研究

通过分析引起冰层粘附和分离的作用力,根据不同阶段冰层及冰层与流体相对位置的不同,建立了各个阶段冰层的分离条件。考虑到壁面冰层的生长和分离,分析其过程中冰层厚度的变化规律,提出了保证系统稳定运行和较高换热效率的壁面零冰层和过冷器冰层不持续生长(不发生冰堵)两种工况的系统参数条件,并对其进行了验证实验。

2.6  新型防冰堵技术研究

提出的脉动流防冰堵技术主要是利用脉动流增大流体剪切力从而实现对形成的冰层及时剥离。采用数值模拟方法,对圆管内脉动层流的动力学特性进行深入研究,并详细分析了脉动振幅、频率对近壁面速度、剪切应力分布的影响规律及脉动流强化流体壁面剪切力的效果。同时研究了利用余热预防过冷法生产冰浆冰堵的装置及其控制方法。

2.7  冰浆粒径演化机理研究

基于结晶动力学理论,分别简历描述冰晶生长、团聚、破碎、熟化等动力学行为的表达式。建立非热力平衡条件下冰晶粒径及分布演化CFD-PBM模型,模拟研究冰浆在生长、存储、管内流动过程中冰晶粒径演化规律,分析过冷度、冰浆浓度、冰晶运动状态等对冰晶粒径演化的影响。

2.8  冰晶粒径控制技术

以过冷法制备冰浆为研究对象,研究过冷状态下冰晶形成及存储过程中粒径分布状态,进而分析过冷度、添加剂、存储方式等因素对冰晶生成及粒径分布的影响。建立了冰浆储能技术实验,主要实验系统包括过冷法冰浆制备系统、冰浆储存系统、冰晶粒径测试系统和数据采集处理系统。该实验装置克服了系统易冰堵、运行参数不可调节等问题,并实现了冰浆成核、存储及流动过程的可视化观察。

2.9  冰浆流动和传热特性

冰浆在直管内的流动特性对设计和控制冰浆输运过程具有重要的意义。采用CFD-PBM耦合模型研究含冰率、流动速度两个因素对于流动过程的影响,主要考察的指标为压力、速度、含冰率和粒径的分布规律。搭建试验台研究了不同流速、流态、含冰率、粒径分布对流体压力损失及换热系数的影响规律,探究流体进出口速度及位置、换热器翅片节距、翅片高度、翅片角度等换热器结构参数对换热器热力性能的影响关系,分析得出换热器达到最佳换热效果时的结构参数值。

2.10  冰浆除湿技术应用探讨

在高湿环境下除湿,对机组的除湿性能要求比较高。通过对高湿环境下空气处理设备的理论研究,提出一种将冰浆用于高湿环境下的空气处理系统。通过实例的理论计算分析,采用EES软件模拟在不同参数(含冰率、冰浆流速、进口空气温湿度等)下的除湿效果,旨在为冰浆储湿技术的推广提供参考。


真空冷冻干燥


1 研究背景

真空冷冻干燥技术是将含水物质先冻成固态,然后使其中的水直接从固态升华成气态,以去除水分而保存物质的方法。相比于其他干燥技术,真空冷冻干燥技术具有物料骨架保持相对完整、复水性好、能抑制酶活性的特点,因此被广泛的应用于食品和药品行业,除此之外,真空冷冻干燥技术也是材料科学中制备超细粉体材料的新技术手段,通过真空冷冻干燥技术制备的粉体具有形状规则、团聚少和化学均匀性好等优势。

然而,真空冷冻干燥技术也存在一些问题,阻碍了真空冷冻干燥技术的应用与发展。比如冷冻干燥设备能耗高、冻结工艺依靠经验数据、冻干机理研究不够深入等。尽管冷冻干燥技术在材料与医学领域得到了广泛的应用,但研究大都集中在物料的形貌、尺寸与用途方面,缺乏对影响粉体颗粒形成的微观机制的研究。

本研究团队结合热力学、传热传质理论、低温工程、颗粒动力学、控制工程等学科知识,采用理论研究与实验研究相结合的方法,针对上述问题围绕真空冷冻干燥技术展开了一系列的研究。

2 研究内容

2.1  真空冷冻干燥过程机理研究

建立完整的理论体系来描述真空冷冻干燥过程中的热质传递现象以及动力学行为。综合运用热质传递理论、多场协同理论、非平衡热力学、分形理论相关知识,并与实验研究相结合,建立起能够描述溶质偏析、小尺度下的质量非平衡效应、结合水的吸附与解吸等多种复杂现象的理论。

建立数学模型研究不同因素之间的影响关系,明确不同因素对于冷冻干燥过程各个参数的影响规律,确定影响冷冻干燥耗时的主要因素,并结合最优化方法理论,给出最优参数搭配,为实际生产提供理论指导。

2.2  基于冷冻干燥技术的颗粒粒度调控研究

结合结晶动力学、分子动力学、颗粒动力学等相关理论,研究不同因素对于晶体粒度的影响,探究冰晶粒度与粉体粒度之间的作用关系,寻找冷冻干燥过程参数对超细粉体粒度形成的影响机理,力图通过优化冷冻干燥法制备粉体材料工艺实现对颗粒粒度的有效调控,指导实际工业生产。

2.3  冻干设备开发与优化研究

结合机械设计、低温工程、真空工程、控制工程等多学科知识,设计新型冻干结构,如气固相相变换热器结构。并通过数值仿真技术验证改进效果。同时,研究加热方式、托盘等部件摆放等因素对于干燥过程的影响,并结合机械设计相关要求,探求冻干机最佳配置,指导冻干设备的设计与制造。

2.4  新型干燥方式的探索研究

探索新型干燥方式,将真空冷冻干燥技术与其他干燥技术结合,如喷雾冷冻干燥、高压电场-冷冻干燥、微波-冷冻干燥等。比较不同联合干燥方式的能耗、应用范围、对物料品质的影响程度。为实际生产提供理论依据。

3 研究成果

目前已发表多篇论文和授权专利两项。冷冻干燥法制备超细粉体材料方面的综述论文系统阐述了真空冷冻干燥过程的机理、影响材料粒度的因素、传热传质数学模型、以及真空冷冻干燥法制备超细粉体材料的应用。采用多孔焓法对液态物料的冻结过程做了研究,利用数值仿真技术对不同冻结方式下的冰晶粒径变化规律做了研究,发现不同的冻结方式下会形成不同大小的冰晶,此外还得到了不同冻结参数和冰晶粒径的回归关系式,为冻干曲线的优化提供了参考。采用准稳态模型研究了冰晶粒径对于干燥过程的影响规律,揭示了冻结过程和干燥过程之间的潜在联系,突破了将冻结过程和干燥过程独立处理的传统方法。

针对传统冰温库温度波动大、果蔬储藏质量较差的问题,团队提出了将相变材料冰浆与冰温库相结合的方法,将冰浆引入冰温库,利用冰浆吸热时温度不变的特性,降低冰温库的温度波动,从而减少果蔬田间热和呼吸热的影响,提高储藏质量。利用毛细管强化散热的特性提出了一种可同时制热制冷的便携式保温箱,利用微型制冷系统实现冷量由制冷箱向制热箱内的传递,达到同时制冷制热效果。满足了人们对于不同保鲜食品的需求。



能源系统优化        


1 研究背景

能源系统优化技术能为不同的能源利用过程带来显著的节能效果和经济效益。多能源互补系统的多目标优化问题分为关键参数优化、系统设备类型及容量优化设计和系统运行策略的优化,以及衍生的系统不确定性分析、动态响应等。多目标优化问题具有复杂性及非线性,而智能算法具有较强的全局搜索能力,被广泛用于多目标问题的求解,最具代表性的为遗传算法和粒子群算法。

本团队利用流程模拟软件以及智能优化方法,对不同的能源系统进行流程模拟研究,针对不同的能源利用过程进行技术经济分析,获取系统设备最佳容量及相应的能量管理策略、用能优化策略等,并从生命周期角度对能源系统的经济性能、资源能源消耗和环境性能进行分析与评价。

2 研究内容

2.1  能源系统的技术经济分析

利用Aspen软件开展了基于水合物分离技术的碳捕集系统能效分析,在给定烟气流量和烟气成分的条件下研究过程参数对系统能耗和有效能损失的影响,并与化学吸收法进行了详细对比。提出了具备储冷功能的CO2水合物新型制冷系统,模拟研究了系统运行参数以及设备效率对系统能效的影响,并针对不同的用冷对象设计了两种不同的储冷策略。此外,本团队还利用Aspen软件优化设计了低温甲醇洗、生物质制氢等化工过程,基于流程模拟进行了深入研究。

2.2  多能互补能源系统优化

主持设计建设了集成多种可再生能源的多能互补系统,形成了运行数据实时采集、能量管理策略、及系统运行优化等方面研究的实验平台。利用TRNSYS研究了该多能互补系统不同运行方式下运行特性、能效水平与经济效益,为多能互补系统的应用推广提供参考。针对设计过程从经济性和火用效率的角度提出了一种经济-能效的非线性多目标优化模型,结合多目标优化方法得到了设备最佳容量选择及相应的能量管理策略;针对运行过程含提出了一种基于改进NSGA-II算法的多目标运行优化方法,结合多属性决策方法,获取用能优化策略来指导系统运行。

2.3  能源系统全生命周期评价

以长沙新能源与可再生能源综合利用示范与展示中心为研究案例,在全生命周期的视角下,对该系统的经济性能、资源能源消耗和环境性能进行系统地分析与评价,主要包括生命周期评价、生命周期成本分析和生命周期可持续评价。本研究能够对我国建筑分布式能源系统今后的发展提供重要参考意义。



炉窑效率提升        


1 研究背景

基于CFD技术可以实现对炉窑内和燃烧器的气体流动状况、各点温度分布情况、各点浓度分布等进行耦合计算与全息仿真,以预示炉内的气动特性和燃料的燃烧效率,指导优化运行。理论结合工程实际,通过试验研究和计算机数值模拟试验分析,可以有效地模拟了锅炉实际运行状况,指导炉窑的运行优化和技术改造。

2 研究内容

2.1  基于CAT技术的锅炉燃烧优化与管理系统研究

非设计煤质工况下的燃烧调整是我国热电企业急待解决的问题。本课题以某企业热电事业部锅炉为研究对象,对炉内的气固两相流动、传热和燃烧进行了数学模型的建立。基于组态王软件,应用模糊理论并结合专家知识,建立了风粉操作优化模糊专家系统,可对锅炉在线监测与信息管理。该系统可在线计算炉内温度场分布,对当前炉况做出实时准确判断,从而给出当前炉况下应采用的操作指导。系统不但可监控实际生产过程,同时可将现场数据进行存储,经过处理后通过企业网发布,为管理提供实时、可靠数据,为企业决策提供支持,是一个管控一体化系统。

2.2  煤粉锅炉富氧燃烧特性研究

富氧燃烧技术作为一种可提高燃烧效率降低污染物排放的新技术受到了全世界关注并被广泛应用。本课题基于数值计算和实验方法对某石化公司锅炉进行了富氧燃烧改造技术研究,以空气-增氧型富氧燃烧技术在锅炉上的应用为研究对象开展了相应的研究工作。针对复杂的煤粉燃烧过程建立了气-粒两相流颗粒动力学模型、燃烧反应模型、辐射模型等,并自定义UDF程序实现了气、粒相之间的质量传输。课题研究完成了对复杂工况条件下的煤粉燃烧的多场耦合计算。通过实验数据测试验证了数学模型的可靠性。设计了具体的工程技术改造方案。

2.3  燃气锅炉翅片管式冷凝换热器传热与流动特性研究

冷凝式换热器的合理设计和改进对提高燃气锅炉热效率和能源利用率具有重要意义。本课题以某企业燃气锅炉尾部烟气冷凝余热回收为研究对象,对烟气冷凝余热潜力进行了分析计算,并设计了翅片管冷凝换热器的结构尺寸。基于ICEMCFD软件建立了翅片管冷凝换热器物理模型,采用FLUENT软件及其多相流模型(VOF模型)对冷凝换热器烟气侧的冷凝换热过程进行了数值计算,分析了冷凝相变过程中的热量传递和质量传递,针对冷凝相变过程编译了一套完整的UDF计算程序。

2.4  冷凝壁挂炉换热器传热特性研究

冷凝壁挂炉可有效回收水蒸气的汽化潜热,降低排烟温度,显著提高热效率。以冷凝壁挂炉的关键部件-冷凝换热器为研究对象,通过对换热器的传热性能分析和换热器材质分析,提出一种新型铸铝一体式冷凝换热器,对换热器外形、结构、尺寸进行了设计。并对设计的冷凝换热器复杂的传热特性研究建立气液两相流模型、组分传输模型,通过编译UDF程序实现了冷凝相变过程的耦合计算,研究发现,由于冷凝的出现,冷凝换热器复合传热系数较普通换热器高出40~60%。