海冰蓄能淡化的成冰脱盐微观机理及成核微粒迁移机制

The seawater based ice thermal storage technology can utilize the low temperature waste heat to produce both cold storage and freshwater, which is of great significance for energy saving and refrigeration-freshwater supply in the island area. However, the salts contained in the sea ice seriously affect the desalination quality. The purpose of this proposal is to investigate the heterogeneous-nucleation assisted heat and mass transfer process and the particle migration within the ice layer, as well as to develop the surface growth theory for the sea ice crystal with the progressive freeze desalination method. The crystallization kinetics and nonlinear fluid dynamics will be applied into the research and the mechanism of the heat and mass transfer and the ice surface growth will be investigated. The mechanism about the coupling effect between the heat and mass transfer and the phase transition will be understood, the effect of heterogeneous nucleation on ice surface growth will be explored and the particle migration characteristics within the non-Newtonian fluid will be obtained. Besides, the three-dimension laser holography experimental setup will be established; both the micro-level and the application-level experiments will be made to verify the theoretical results. The outcome of the proposal will support the surface growth theory for the sea ice crystal and be helpful for improving the primary desalination rate of crystallization, which ultimately promote the application of progressive freeze desalination method.

以海水为蓄能材料的冰蓄能技术可利用低温余热同时实现蓄冷和海水淡化的目的，对于海岛地区的节能与制冷-淡水供应具有重要意义。然而，海冰中包裹的盐分严重影响了淡化品质。课题对海冰卤水泡的抑制形成机制展开探索，针对异质成核作用下海水冰层表面的热质交换与冰层生长机制问题，以及成核微粒在非牛顿流体中的迁移特性理论问题，将结晶动力学与非线性流体力学的基本方法引入结晶热质交换与冰层生长机理的研究中，从而发展海冰表面成冰理论。以期从理论上认识海水冰层表面微结构内的相场、温度场与浓度场的非线性耦合机制，阐明成核微粒在非牛顿流体中的迁移机理，以及异质成核作用下的冰层渐进生长机制。课题通过试验研究，重点对异质成核作用下的海冰表面微观成冰原理展开验证，同时探索提高海冰脱盐率的技术方法。课题的研究结果可为海水冷冻淡化中卤水泡的抑制形成机制提供理论依据，有望提升海水一次结晶脱盐率，对发展海水冷冻淡化技术具有重要意义。

以海水为蓄能材料的冰蓄能技术可利用低温余热同时实现蓄冷和海水淡化的目的，对于海岛地区的节能与制冷-淡水供应具有重要意义。然而，海冰中包裹的盐分严重影响了淡化品质。项目对海冰卤水泡的抑制形成机制展开探索，针对异质成核作用下海水冰层表面的热质交换与冰层生长机制问题，以及成核微粒在流体中的迁移特性理论问题，将结晶动力学的基本方法引入结晶热质交换与冰层生长机理的研究中，从而发展海冰表面成冰理论，以期从理论上认识海水冰层表面微结构内的相场、温度场与浓度场的耦合机制，阐明成核微粒在流体中的迁移机理，以及异质成核作用下的冰层渐进生长机制。.首先，本项目对海水结晶的多场耦合理论及成冰机制展开研究，实现了海冰在单晶核、多晶核、壁面成核条件下的成冰脱盐相场-浓度场-温度场-流场多场耦合模型求解，确定了影响冰晶形态和生长过程的主要因素，研究了吸附作用下的海冰盐胞生成及抑制过程，探究了磁场作用下传热与冰晶生长相变间的耦合关系；其次，项目对微粒固相边界界面的动态描述方法及形变微粒沉降特性展开研究，探究了流场作用下冰晶生长的微观机理；观测了流场中的海冰结晶现象，基于微粒表面冰晶固相边界的网格节点更新法，分析了流场中压力梯度力、重力、惯性力、广义升力与广义阻力作用下的非球形异质形核结晶过程及运动规律；再次，项目对异质形核作用下的海冰定向生长开展了试验研究，建立了异质形核结晶试验系统，观测了在微粒作用下的冰层生长过程过程；最后，项目探索了海水冷冻结晶脱盐的应用技术，完成了基于平壁面冰晶定向结晶生长的2kW级海水冷冻淡化试验样机研制，一次脱盐率达43.7%，含盐率降至19.7‰，冷冻淡化水产量35L/h，反渗透淡化成本降低26%，为海水冷法淡化的工程化奠定了基础。.综上所述，项目的研究结果为海水冷冻淡化中卤水泡的抑制形成机制提供了理论依据，指出了提升海水结晶脱盐率的技术手段，对发展海水冷冻淡化技术具有重要意义。

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