直面碰觸式熱交換技藝和在儲冷中的運用

　　1直接接觸式換熱技術(shù)及其在蓄冷中的應用
　　11直接接觸式換熱的基本原理和特點
　　（a）和（b）分別為傳統(tǒng)的盤管式換熱和直接接觸式換熱應用于蓄冷系統(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)的換熱方式的最大差別在于：
　　（1）從結(jié)構(gòu)上看，它在換熱器中省去了蒸發(fā)盤管，使結(jié)構(gòu)更加簡化；
　?。?）從工作(gōng zuò)方式看，盤管式換熱器的兩種介質(zhì)是分開的（即互不接觸） ，如在圖示系統(tǒng)里制冷劑在盤管內(nèi)蒸發(fā)，水在盤管外結(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程中形成冰晶，在換熱器的上部，汽相制冷劑與水進行分離。
　　因此，直接接觸式換熱與其它換熱相比，有以下一些優(yōu)點。
　　（1）由于兩種介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))直接接觸，兩種介質(zhì)間的傳熱過程不存在液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(soil)熱阻，可大大提高(傳熱效率。
　?。?）由于盤管在系統(tǒng)的材料消耗中占了相當大的份額，直接接觸式換熱可使系統(tǒng)省卻盤管，這樣不但使系統(tǒng)構(gòu)成簡單，而且節(jié)省了材料，降低了制造成本(cost)。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設(shè)計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 
　?。?）整套設(shè)備(shèbèi)的體積大大減小。
　?。?）由于省卻了盤管，避免了盤管內(nèi)結(jié)垢，可望減少設(shè)備的維護工作量。
　　從以上的特點可以看出，直接接觸式換熱具有廣泛的應用前景。
　　12直接接觸式換熱在蓄冷中的應用研究現(xiàn)狀
　　直接接觸(contact)式換熱存在于很多自然現(xiàn)象及工程(Engineering)問題中，比如海水淡化、地熱回收、海洋能轉(zhuǎn)化、蓄能等。而在蓄冷中的直接接觸式換熱過程包括液態(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）兩個相變換熱過程。
　　由于直接接觸式換熱具有很高的換熱效率，20世紀80年代以來，直接接觸式換熱技術(shù)開始受到蓄冷界研究人員的廣泛(extensive)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，并進行了研究。爾后又把該技術(shù)用于氣體水合物系統(tǒng)。通過對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)濟比較，發(fā)現(xiàn)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)具有最高效（指效能高的）率。同時指出，要使得直接接觸式蓄冷投入實際使用，必須解決以下兩個問題。（1）壓縮機：常用工程壓縮機都是油潤滑壓縮機，其潤滑油隨制冷劑在整個制冷回路中流動，對于蓄冷罐來說，潤滑油的進入意味著蓄冷罐被污染并影響罐內(nèi)傳熱，同時，由于潤滑油進入蓄冷罐后不可能再返回壓縮機，這將有可能使壓縮機失油而損壞。（2）汽水分離(Separation)問題：在蓄冷罐內(nèi)進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并吸入管道，進而會損壞壓縮機。1984年， Ternes在其論文中敘述了在美國橡樹嶺國家實驗室內(nèi)所建立的第一臺直接接觸式蓄冷系統(tǒng)。鑒于上述兩個困難，該系統(tǒng)在其蓄冷部分采用了開式循環(huán)，即在系統(tǒng)中不用壓縮機，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)應用制冷劑R12進行了成功的運行，并觀察到在兩個相邊界（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，文章中還討論了機械攪拌的有效性及表面劑對蓄冷罐內(nèi)介質(zhì)的過冷度的減小作用。1989年，日本Keio大學Mori教授領(lǐng)導的研究小組在其直接接觸式換熱大量研究的基礎(chǔ)上，建立了一個直接接觸式蓄冷試驗臺，該試驗臺沒有放冷部分，壓縮機采用無油活塞(piston)式壓縮機，并在蓄冷罐后裝有干燥(dry)器，研究小組分別對制冷工質(zhì)R12、R134
　　A、R123等進行了系統(tǒng)研究，研究后發(fā)現(xiàn)，R12、R134a等在兩個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。對于形成氣體水合物的介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))來說，在兩個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。對于添加劑或表面(appearance)劑的影響，他們認為，隨著在罐中加入鋁（Al)粉或鋅（Zinc）粉，形成氣體水合物所需的過冷度將減小，而加入無離子表面劑如Zony1氟表面劑、Unidyne DS - 401則所需的過冷度會更小。但一種冰晶核化的細菌DDDPseudomonas fluorescens對過冷度的減小沒有作用。在20世紀80年代后期美國亞拉巴馬大學建立了一個直接接觸式蓄冷試驗臺，該試驗臺可兼顧供冷和供熱，而該裝置的供冷測試是在蓄冷罐內(nèi)安裝一個電加熱器(Heater)，供熱測試是在蓄冷罐內(nèi)安裝一個盤管，盤管內(nèi)通過冷卻水的流動來測量(cè liáng)供熱量，試驗臺中的壓縮機為01186 kW的傳統(tǒng)(Tradition)家用型壓縮機，壓縮機前應用了兩個干燥過濾器，而在其裝置圖上，并未發(fā)現(xiàn)任何油分離(Separation)器，但在其結(jié)論中認為，對于和潤滑油(Lubricating oil)不發(fā)生化學反應的介質(zhì)來說可使用(use)一般的油潤滑壓縮機，言外之意，由于一般工質(zhì)都是有毒或有腐蝕性的，無油壓縮機還是需要的，另外蓄冷罐內(nèi)潤滑油的積累還會降低整個系統(tǒng)的性能(property)。在試驗臺已試驗的工質(zhì)有R12、R114 ，通過試驗后發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)內(nèi)應安裝一個控制性比較好的調(diào)節(jié)閥，以防止流量大的波動。
　　通過對上述試驗現(xiàn)象的分析(Analyse)研究，Mori和Isobe針對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)學模型而Gadalla等對蓄冷罐內(nèi)的溫度場進行了數(shù)值分析
　　，分析結(jié)果與試驗相符。
　　2直接接觸式蓄冷的應用研究中需解決的問題
　　綜觀國內(nèi)外對直接接觸(contact)式蓄冷的應用研究，盡管已經(jīng)取得了很大的進展，我們認為還存在以下一些問題
　　21研究對象方面
　　幾乎所有的研究都認為，由于氣體水合物的相變溫度高于冰點，與空調(diào)工況相適應，因此氣體水合物系統(tǒng)優(yōu)于冰蓄冷系統(tǒng)，而此前對直接接觸(contact)式蓄冷的研究主要是對氣體水合物系統(tǒng)的研究，我們認為這種觀點是片面的盡管氣體水合物有上述優(yōu)點，但它也有一些致命的缺點至今未能解決，例如汽液相的水合物疏松問題，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排出，這將阻止蓄冷的進行，此外，如果放冷系統(tǒng)為直接接觸放冷，則氣體水合物對管道的堵塞將比冰嚴重得多。
　　相反，由于目前運行的蓄冷系統(tǒng)(system)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）的適應性比氣體水合物系統(tǒng)要強得多，隨著低溫送風技術(shù)研究的不斷深入，直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)的這種優(yōu)點將在技術(shù)與經(jīng)濟兩方面逐漸體現(xiàn)出來。另外，隨著國際CFC替代的實施，可用作蓄冷介質(zhì)的制冷劑種類越來越少，而這些制冷劑在形成冰晶時，或者處于較高壓力(pressure)，或者處于負壓，壓力太高將會使蓄冷罐制造費用(expense)昂貴，而負壓則會使得外界空氣(Basin air)漏入系統(tǒng)以及對壓縮機的選擇發(fā)生困難，因此通過(tōng guò)對高低壓制冷劑進行調(diào)壓使之成為常壓、常溫的混合工質(zhì)也是當前冰蓄冷技術(shù)的一個重要研究方向(direction)。
　　22試驗裝置方面
　　從前面的探討可以看出，目前試驗裝置方面的主要問題有下面3個：一為壓縮機問題，撇開價格問題，在直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中使用的最佳壓縮機無疑為無油壓縮機，但由于無油壓縮機過于昂貴，在此基礎(chǔ)上研制的蓄冷系統(tǒng)在以后的推廣應用中，其昂貴的價格將成為最大的障礙，為此，在試驗研究中不能使用無油壓縮機，而應在其相應的管路中使用分油效率高的分油器；二為汽水分離裝置，由于水會與制冷劑及潤滑油發(fā)生反應，將直接或間接地影響壓縮機的正常工作，因此，在系統(tǒng)中必須設(shè)置分離效率高、操作簡單的汽水分離裝置；三為放冷系統(tǒng)，為使試驗裝置迅速實用化，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，以檢驗蓄冷系統(tǒng)的實用效果。
　　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。昆山空壓機保養(yǎng)冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫，再進入后冷器對排氣進行冷卻，另一路冷卻水進水管道經(jīng)過主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進行冷卻。由于直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的研究剛剛起步，前續(xù)學者較多地重視系統(tǒng)現(xiàn)象的觀察研究，而對其傳熱問題涉及較少，由于認識上的原因，對直接接觸式冰蓄冷的傳熱問題，經(jīng)作者查閱有關(guān)文獻，沒有發(fā)現(xiàn)有這方面的文獻。
　　24理論方面
　　除了Mori等對氣體(gas)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，對于直接接觸(contact)式冰蓄冷問題，更沒有發(fā)現(xiàn)理論方面的研究。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設(shè)計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 因此要使直接接觸式蓄冷的順利推廣(Promotion)使用，必須完善其理論，加強對其傳熱問題的研究。
　　3我們所做的工作
　　上海理工大學直接接觸式蓄冷課題組分析了國外在該領(lǐng)域蓄冷研究的現(xiàn)狀，針對他們研究中存在的不足，對直接接觸式冰蓄冷進行了一系列的理論和試驗研究，為直接接觸式蓄冷技術(shù)走向市場化邁出了可喜的一步。他們主要進行了以下方面的工作。
　　31理論方面
　　對直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)(system)進行了分析。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。結(jié)果表明，直接接觸式蓄冷比傳統(tǒng)(Tradition)的盤管式蓄冷系統(tǒng)節(jié)能(Energy saving)可達30 %.根據(jù)本次試驗的觀察并參考前人的實驗結(jié)果，修改了汽泡生成的物理模型并建立了蓄冷罐網(wǎng)站內(nèi)容積(Capacity)換熱系數(shù)的數(shù)學模型，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建立了國內(nèi)外第一個同時具有蓄冷和放冷系統(tǒng)的直接接觸式冰蓄冷試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用一般的油潤滑的全封閉壓縮機，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)制冷劑帶水的問題。同時采用一定的油分離技術(shù)使系統(tǒng)中潤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)中的冰堵問題。實際運行結(jié)果(result)表明該系統(tǒng)運行正常，達到設(shè)計要求。該研究填補了我國在該領(lǐng)域的空白，使我國直接接觸式冰蓄冷技術(shù)的研究處于國際領(lǐng)先地位，為我國開展該領(lǐng)域的國際合作奠定了扎實的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)具有以下功能：
　?。?）蓄冷罐內(nèi)冰晶形成的規(guī)律研究（research)；
　?。?）蓄冷罐內(nèi)制冷劑汽泡形成的規(guī)律研究；
　?。?）蓄冷罐內(nèi)傳熱規(guī)律的試驗研究；
　?。?）蓄冷裝置效率的研究；
　　（5）試驗臺放冷規(guī)律的試驗研究；
　?。?）噴頭裝置的設(shè)計和優(yōu)化研究；
　　（7）制冷劑含水分離裝置的設(shè)計和研究；
　?。?）直接接觸式蓄冷介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))的選擇研究。
　　33首次對直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中的蓄冷罐進行了傳熱試驗
　　在國內(nèi)外首次以容積換熱系數(shù)為研究對象開展了對直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中的蓄冷罐進行傳熱試驗研究，并首次以形成冰晶的R123與水直接接觸換熱進行大量的試驗研究，研究中考察了罐內(nèi)水位、蓄冷開始時水的溫度、制冷節(jié)流閥開度、制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的充灌量、噴頭的種類及布置方式方法、添加劑的種類和數(shù)量等因素對罐內(nèi)容積換熱系數(shù)的影響，并研究了上述因素對蓄冷罐內(nèi)溫度分布的影響。通過試驗研究發(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。對于蓄冷罐內(nèi)初始水溫的影響，試驗研究表明，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)流閥開度越大，其最高容積換熱系數(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(單位:立方米每秒)，開度越大，制冷劑流量越大，換熱量也越大，而由試驗可看出，節(jié)流閥開度的大小對水與制冷劑的溫差的影響相對較小，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最佳充灌量的問題。
　?。?）對于噴頭我們發(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。
　?。?）不同添加劑的加入對蓄冷罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)產(chǎn)生不同的影響。通過比較，本試驗所用到的添加劑，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(Idea)，該概念較實際地反映了放冷過程的狀況，并應用此概念研究（research)了水流量的影響。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設(shè)計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 結(jié)果表明：平均放熱效率隨時間的變化規(guī)律隨水流量有所不同，對于相同初終水溫來說，隨著水流量的增加，其平均放熱效率將會增加。
　　有關(guān)容積換熱系數(shù)的推導過程、容積換熱系數(shù)的影響程度及機理和實驗（experiment)的運行效果由于篇幅關(guān)系將在另文詳細介紹。