1直接接觸式換熱技術(shù)及其在蓄冷中的應(yīng)用

　　11直接接觸式換熱的基本原理和特點(diǎn)

　　（a）和（b）分別為傳統(tǒng)的盤(pán)管式換熱和直接接觸式換熱應(yīng)用于蓄冷系統(tǒng)的示意圖。從這兩種換熱方式可以看出，直接接觸式換熱與傳統(tǒng)的換熱方式的*大差別在于： （1）從結(jié)構(gòu)上看，它在換熱器中省去了蒸發(fā)盤(pán)管，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化； （2）從工作方式看，盤(pán)管式換熱器的兩種介質(zhì)是分開(kāi)的（即互不接觸） ，如在圖示系統(tǒng)里制冷劑在盤(pán)管內(nèi)蒸發(fā)，水在盤(pán)管外結(jié)冰。而直接接觸式系統(tǒng)的兩種流程在換熱器內(nèi)會(huì)合，制冷劑直接噴入水中，并在水中汽化，水在與制冷劑接觸的過(guò)程中形成冰晶，在換熱器的上部，汽相制冷劑與水進(jìn)行分離。

　　因此，直接接觸式換熱與其它換熱相比，有以下一些優(yōu)點(diǎn)。

　　（1）由于兩種介質(zhì)直接接觸，兩種介質(zhì)間的傳熱過(guò)程不存在液D固D液之間的傳熱熱阻，也不存在由于介質(zhì)在管壁結(jié)垢而產(chǎn)生的污垢熱阻，可大大提高傳熱效率。

　?。?）由于盤(pán)管在系統(tǒng)的材料消耗中占了相當(dāng)大的份額，直接接觸式換熱可使系統(tǒng)省卻盤(pán)管，這樣不但使系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，而且節(jié)省了材料，降低了制造成本。

　　（3）整套設(shè)備的體積大大減小。

　?。?）由于省卻了盤(pán)管，避免了盤(pán)管內(nèi)結(jié)垢，可望減少設(shè)備的維護(hù)工作量。

　　從以上的特點(diǎn)可以看出，直接接觸式換熱具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　12直接接觸式換熱在蓄冷中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

　　直接接觸式換熱存在于很多自然現(xiàn)象及工程問(wèn)題中，比如海水淡化、地?zé)峄厥铡⒑Ｑ竽苻D(zhuǎn)化、蓄能等。而在蓄冷中的直接接觸式換熱過(guò)程包括液態(tài)制冷劑的蒸發(fā)及水與制冷劑直接接觸后降溫或凝固形成冰晶（或氣體水合物）兩個(gè)相變換熱過(guò)程。

　　由于直接接觸式換熱具有很高的換熱效率，20世紀(jì)80年代以來(lái)，直接接觸式換熱技術(shù)開(kāi)始受到蓄冷界研究人員的廣泛注意和重視。1982年， Tomlinson在其論文中提到提高蓄冷系統(tǒng)效率的一個(gè)重要途徑為提高制冷劑和蓄冷介質(zhì)之間的換熱效率，于1984年提出了把直接接觸式換熱技術(shù)用于冰蓄冷系統(tǒng)的方案，并進(jìn)行了研究。爾后又把該技術(shù)用于氣體水合物系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)與其他蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，發(fā)現(xiàn)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)具有*高效率。同時(shí)指出，要使得直接接觸式蓄冷投入實(shí)際使用，必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題。（1）壓縮機(jī)：常用工程壓縮機(jī)都是油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，其潤(rùn)滑油隨制冷劑在整個(gè)制冷回路中流動(dòng)，對(duì)于蓄冷罐來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑油的進(jìn)入意味著蓄冷罐被污染并影響罐內(nèi)傳熱，同時(shí)，由于潤(rùn)滑油進(jìn)入蓄冷罐后不可能再返回壓縮機(jī)，這將有可能使壓縮機(jī)失油而損壞。（2）汽水分離問(wèn)題：在蓄冷罐內(nèi)進(jìn)行換熱后的制冷劑蒸汽有可能將一部分水蒸汽帶入壓縮機(jī)并吸入管道，進(jìn)而會(huì)損壞壓縮機(jī)。1984年， Ternes在其論文中敘述了在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所建立的**臺(tái)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)。鑒于上述兩個(gè)困難，該系統(tǒng)在其蓄冷部分采用了開(kāi)式循環(huán)，即在系統(tǒng)中不用壓縮機(jī)，而以熱水槽（置于冷凝器前）和回收柜（置于蓄冷罐后）代替，系統(tǒng)應(yīng)用制冷劑R12進(jìn)行了成功的運(yùn)行，并觀察到在兩個(gè)相邊界（即制冷劑與水的液D液邊界，汽D液邊界）有氣體水合物產(chǎn)生。此外，文章中還討論了機(jī)械攪拌的有效性及表面劑對(duì)蓄冷罐內(nèi)介質(zhì)的過(guò)冷度的減小作用。1989年，日本Keio大學(xué)Mori教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在其直接接觸式換熱大量研究的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)直接接觸式蓄冷試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)沒(méi)有放冷部分，壓縮機(jī)采用無(wú)油活塞式壓縮機(jī)，并在蓄冷罐后裝有干燥器，研究小組分別對(duì)制冷工質(zhì)R12、R134a、R123等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究后發(fā)現(xiàn)，R12、R134a等在兩個(gè)界面上形成氣體水合物，可能由于分子直徑太大的緣故，R123在與水接觸換熱后并未形成氣體水合物，而是形成冰晶。對(duì)于形成氣體水合物的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，在兩個(gè)相界面上的氣體水合物也是不一樣的，液D液界面的氣體水合物較緊密，而在汽液界面生成的則是疏松多孔的氣體水合物。對(duì)于添加劑或表面劑的影響，他們認(rèn)為，隨著在罐中加入鋁粉或鋅粉，形成氣體水合物所需的過(guò)冷度將減小，而加入無(wú)離子表面劑如Zony1氟表面劑、Unidyne DS - 401則所需的過(guò)冷度會(huì)更小。但一種冰晶核化的細(xì)菌DDDPseudomonas fluorescens對(duì)過(guò)冷度的減小沒(méi)有作用。在20世紀(jì)80年代后期美國(guó)亞拉巴馬大學(xué)建立了一個(gè)直接接觸式蓄冷試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)可兼顧供冷和供熱，而該裝置的供冷測(cè)試是在蓄冷罐內(nèi)安裝一個(gè)電加熱器，供熱測(cè)試是在蓄冷罐內(nèi)安裝一個(gè)盤(pán)管，盤(pán)管內(nèi)通過(guò)冷卻水的流動(dòng)來(lái)測(cè)量供熱量，試驗(yàn)臺(tái)中的壓縮機(jī)為01186 kW的傳統(tǒng)家用型壓縮機(jī)，壓縮機(jī)前應(yīng)用了兩個(gè)干燥過(guò)濾器，而在其裝置圖上，并未發(fā)現(xiàn)任何油分離器，但在其結(jié)論中認(rèn)為，對(duì)于和潤(rùn)滑油不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)來(lái)說(shuō)可使用一般的油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，言外之意，由于一般工質(zhì)都是有毒或有腐蝕性的，無(wú)油壓縮機(jī)還是需要的，另外蓄冷罐內(nèi)潤(rùn)滑油的積累還會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。在試驗(yàn)臺(tái)已試驗(yàn)的工質(zhì)有R12、R114 ，通過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)安裝一個(gè)控制性比較好的調(diào)節(jié)閥，以防止流量大的波動(dòng)。

　　通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)現(xiàn)象的分析研究，Mori和Isobe針對(duì)單一制冷劑液滴蒸發(fā)形成氣體水合物，生成的是由水合物膜覆蓋的汽液兩相汽泡在水中自由上升的過(guò)程提出了物理模型，并根據(jù)水和汽泡間傳熱、蒸發(fā)熱和水合物生成熱間的熱平衡建立了數(shù)學(xué)模型。而Gadalla等對(duì)蓄冷罐內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析

　　，分析結(jié)果與試驗(yàn)相符。

　　2直接接觸式蓄冷的應(yīng)用研究中需解決的問(wèn)題

　　綜觀國(guó)內(nèi)外對(duì)直接接觸式蓄冷的應(yīng)用研究，盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，我們認(rèn)為還存在以下一些問(wèn)題。

　　21研究對(duì)象方面

　　幾乎所有的研究都認(rèn)為，由于氣體水合物的相變溫度高于冰點(diǎn)，與空調(diào)工況相適應(yīng)，因此氣體水合物系統(tǒng)優(yōu)于冰蓄冷系統(tǒng)，而此前對(duì)直接接觸式蓄冷的研究主要是對(duì)氣體水合物系統(tǒng)的研究，我們認(rèn)為這種觀點(diǎn)是片面的。盡管氣體水合物有上述優(yōu)點(diǎn)，但它也有一些致命的缺點(diǎn)至今未能解決，例如汽液相的水合物疏松問(wèn)題，一方面它將影響單位罐體積的蓄冷量，另一方面，由于汽液界面氣體水合物的搭積使制冷劑氣體不能及時(shí)排出，這將阻止蓄冷的進(jìn)行，此外，如果放冷系統(tǒng)為直接接觸放冷，則氣體水合物對(duì)管道的堵塞將比冰嚴(yán)重得多。

　　相反，由于目前運(yùn)行的蓄冷系統(tǒng)大部分為冰蓄冷系統(tǒng)，因此其技術(shù)條件要比氣體水合物蓄冷系統(tǒng)成熟得多，也即直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)與現(xiàn)有空調(diào)裝置（特別是蓄冷空調(diào)裝置）的適應(yīng)性比氣體水合物系統(tǒng)要強(qiáng)得多，隨著低溫送風(fēng)技術(shù)研究的不斷深入，直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)的這種優(yōu)點(diǎn)將在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩方面逐漸體現(xiàn)出來(lái)。另外，隨著國(guó)際CFC替代的實(shí)施，可用作蓄冷介質(zhì)的制冷劑種類越來(lái)越少，而這些制冷劑在形成冰晶時(shí)，或者處于較高壓力，或者處于負(fù)壓，壓力太高將會(huì)使蓄冷罐制造費(fèi)用昂貴，而負(fù)壓則會(huì)使得外界空氣漏入系統(tǒng)以及對(duì)壓縮機(jī)的選擇發(fā)生困難，因此通過(guò)對(duì)高低壓制冷劑進(jìn)行調(diào)壓使之成為常壓、常溫的混合工質(zhì)也是當(dāng)前冰蓄冷技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。

　　22試驗(yàn)裝置方面

　　從前面的探討可以看出，目前試驗(yàn)裝置方面的主要問(wèn)題有下面3個(gè)：一為壓縮機(jī)問(wèn)題，撇開(kāi)價(jià)格問(wèn)題，在直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中使用的*佳壓縮機(jī)無(wú)疑為無(wú)油壓縮機(jī)，但由于無(wú)油壓縮機(jī)過(guò)于昂貴，在此基礎(chǔ)上研制的蓄冷系統(tǒng)在以后的推廣應(yīng)用中，其昂貴的價(jià)格將成為*大的障礙，為此，在試驗(yàn)研究中不能使用無(wú)油壓縮機(jī)，而應(yīng)在其相應(yīng)的管路中使用分油效率高的分油器；二為汽水分離裝置，由于水會(huì)與制冷劑及潤(rùn)滑油發(fā)生反應(yīng)，將直接或間接地影響壓縮機(jī)的正常工作，因此，在系統(tǒng)中必須設(shè)置分離效率高、操作簡(jiǎn)單的汽水分離裝置；三為放冷系統(tǒng)，為使試驗(yàn)裝置迅速實(shí)用化，放冷則是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此必須在放冷系統(tǒng)中設(shè)有空調(diào)裝置，以檢驗(yàn)蓄冷系統(tǒng)的實(shí)用效果。

　　23傳熱方面

　　本系統(tǒng)的提出是基于直接接觸式換熱具有很高的換熱效率，因此必須重視其傳熱的研究。由于直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的研究剛剛起步，前續(xù)學(xué)者較多地重視系統(tǒng)現(xiàn)象的觀察研究，而對(duì)其傳熱問(wèn)題涉及較少，由于認(rèn)識(shí)上的原因，對(duì)直接接觸式冰蓄冷的傳熱問(wèn)題，經(jīng)作者查閱有關(guān)文獻(xiàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有這方面的文獻(xiàn)。

　　24理論方面

　　除了Mori等對(duì)氣體水合物的生成建立了理論模型外，尚未發(fā)現(xiàn)其他方面的模型，對(duì)于直接接觸式冰蓄冷問(wèn)題，更沒(méi)有發(fā)現(xiàn)理論方面的研究。因此要使直接接觸式蓄冷的順利推廣使用，必須完善其理論，加強(qiáng)對(duì)其傳熱問(wèn)題的研究。

　　3我們所做的工作

　　上海理工大學(xué)直接接觸式蓄冷課題組分析了國(guó)外在該領(lǐng)域蓄冷研究的現(xiàn)狀，針對(duì)他們研究中存在的不足，對(duì)直接接觸式冰蓄冷進(jìn)行了一系列的理論和試驗(yàn)研究，為直接接觸式蓄冷技術(shù)走向市場(chǎng)化邁出了可喜的一步。他們主要進(jìn)行了以下方面的工作。

　　31理論方面

　　對(duì)直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，直接接觸式蓄冷比傳統(tǒng)的盤(pán)管式蓄冷系統(tǒng)節(jié)能可達(dá)30 %.根據(jù)本次試驗(yàn)的觀察并參考前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修改了汽泡生成的物理模型并建立了蓄冷罐內(nèi)容積換熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，首次提出了蓄冷罐內(nèi)混合蒸發(fā)結(jié)冰的物理模型，得到了結(jié)冰狀態(tài)下的蓄冷罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)。

　　32建立了國(guó)內(nèi)外**個(gè)同時(shí)具有蓄冷和放冷系統(tǒng)的直接接觸式冰蓄冷試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用一般的油潤(rùn)滑的全封閉壓縮機(jī)，并采用分子篩吸附后加熱抽真空技術(shù)，較好地解決了蓄冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑帶水的問(wèn)題。同時(shí)采用一定的油分離技術(shù)使系統(tǒng)中潤(rùn)滑油減少到較小的程度，還采取一定的措施基本解決了放冷系統(tǒng)中的冰堵問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該研究填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的空白，使我國(guó)直接接觸式冰蓄冷技術(shù)的研究處于國(guó)際**地位，為我國(guó)開(kāi)展該領(lǐng)域的國(guó)際合作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)具有以下功能： （1）蓄冷罐內(nèi)冰晶形成的規(guī)律研究； （2）蓄冷罐內(nèi)制冷劑汽泡形成的規(guī)律研究； （3）蓄冷罐內(nèi)傳熱規(guī)律的試驗(yàn)研究； （4）蓄冷裝置效率的研究； （5）試驗(yàn)臺(tái)放冷規(guī)律的試驗(yàn)研究； （6）噴頭裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究； （7）制冷劑含水分離裝置的設(shè)計(jì)和研究； （8）直接接觸式蓄冷介質(zhì)的選擇研究。

　　33首次對(duì)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中的蓄冷罐進(jìn)行了傳熱試驗(yàn)

　　在國(guó)內(nèi)外首次以容積換熱系數(shù)為研究對(duì)象開(kāi)展了對(duì)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中的蓄冷罐進(jìn)行傳熱試驗(yàn)研究，并首次以形成冰晶的R123與水直接接觸換熱進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，研究中考察了罐內(nèi)水位、蓄冷開(kāi)始時(shí)水的溫度、制冷節(jié)流閥開(kāi)度、制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的充灌量、噴頭的種類及布置方式、添加劑的種類和數(shù)量等因素對(duì)罐內(nèi)容積換熱系數(shù)的影響，并研究了上述因素對(duì)蓄冷罐內(nèi)溫度分布的影響。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：（1）蓄冷罐內(nèi)容積換熱系數(shù)隨罐內(nèi)水溫的下降而減小，隨罐內(nèi)水位的升高而降低。對(duì)于蓄冷罐內(nèi)初始水溫的影響，試驗(yàn)研究表明，罐內(nèi)容積換熱系數(shù)隨初始水溫的增加而減小。

　　另外，制冷節(jié)流閥開(kāi)度越大，其*高容積換熱系數(shù)越大，其平均換熱系數(shù)也越大。這主要是由于節(jié)流閥能直接調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)的流量，開(kāi)度越大，制冷劑流量越大，換熱量也越大，而由試驗(yàn)可看出，節(jié)流閥開(kāi)度的大小對(duì)水與制冷劑的溫差的影響相對(duì)較小，因此其容積換熱系數(shù)也就越大。研究還表明，正像一般制冷循環(huán)那樣，蓄冷循環(huán)中的制冷劑也存在著一個(gè)*佳充灌量的問(wèn)題。

　?。?）對(duì)于噴頭我們發(fā)現(xiàn)蓄冷罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)隨噴孔數(shù)的增多而增大，隨噴孔直徑的增大而減小，對(duì)于相同噴孔總截面積下的不同噴頭的比較，其容積換熱系數(shù)隨著噴孔數(shù)的增加和噴孔直徑的減小而增加。

　　（3）不同添加劑的加入對(duì)蓄冷罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)產(chǎn)生不同的影響。通過(guò)比較，本試驗(yàn)所用到的添加劑，鐵粉，鋅粉和NaCl的加入較大地提高了蓄冷罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)，而丁醇的加入反使蓄冷罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)減小。

　　34提出平均放熱效率的概念

　　首次在放熱系統(tǒng)中提出了平均放熱效率的概念，該概念較實(shí)際地反映了放冷過(guò)程的狀況，并應(yīng)用此概念研究了水流量的影響。結(jié)果表明：平均放熱效率隨時(shí)間的變化規(guī)律隨水流量有所不同，對(duì)于相同初終水溫來(lái)說(shuō)，隨著水流量的增加，其平均放熱效率將會(huì)增加。

　　有關(guān)容積換熱系數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程、容積換熱系數(shù)的影響程度及機(jī)理和實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行效果由于篇幅關(guān)系將在另文詳細(xì)介紹。