直接接觸式空調蓄冷技術的研究進展

李曉燕 杜世強

直接接觸式空調蓄冷技術的研究進展

李曉燕 杜世強

哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院

直接接觸式蓄冷技術在暖通空調領域的應用有著廣泛的研究前景，而直接接觸式蓄冷技術研究模型的發展是此項技術的難點之一。本文闡述分析了直接接觸式蓄冷技術理論模型的研究現狀，綜述了直接接觸式蓄冷技術應用于不同領域的研究進展。根據國內外直接接觸式換熱技術的研究情況，本文提出了直接接觸式換熱技術急需解決的問題，為今后進一步研究提供了一定的參考依據。

蓄冷直接接觸式換熱技術傳熱系數

能源一直是人類賴以生存和社會發展的基礎，但近年來隨著經濟的發展，人們生活質量的提高，能源的消耗量在不斷增加。近些年來，城市中新建了大量具有集中空調的賓館、辦公大樓和大規模商業中心。另外，隨著人民生活水平提高，居民安裝空調增多，使集中空調和居民空調的制冷負荷用電占整個城市用電的比例上升，電力供應高峰不足而低谷過剩的矛盾相當突出，電網負荷率下降。因此，在建筑物空調中應用蓄冷技術是電力負荷需求側管理（Demand Side Management，DSM）、改善電力供需矛盾最有效的技術措施之一。而直接接觸式蓄冷空調技術的發展在節約能源方面也有著極其重要的地位，它在石油化工、能源和環保等領域具有很大的應用潛力，是目前傳熱領域內研究較為熱門的課題之一。

1直接接觸式蓄冷技術的理論研究

直接接觸式換熱是指兩種介質直接接觸進行換熱的過程，最早是由Hausbrand[1]在1900年出版的《蒸發、凝結和冷卻裝置》一書中提出的，書中介紹了幾種包括氣壓冷凝器在內的直接接觸器。盡管直接接觸式換熱的概念提出得較早，但是其特性研究的發展速度一直遲于表面換熱器。將直接接觸式換熱技術應用于常規空調工況的蓄冷系統，使載冷劑與蓄冷介質直接接觸進行換熱，從而使兩種工質之間的傳熱溫差可以適當降低，進而使整個系統的效率得到提高，達到節能降耗的目的。把直接接觸式換熱應用于空調蓄冷系統中，與其它蓄冷系統相比具有如下優點：

1）由于水與蓄冷介質直接接觸，避免了兩種工質之間的傳熱過程由換熱盤管引起的熱阻，因此可提高傳熱效率。

2）蓄冷器中不存在換熱盤管，不但使蓄冷器的結構簡單，體積減小，而且節省材料，降低成本。

3）由于不存在換熱盤管，因此可避免盤管結垢引起的熱阻阻礙換熱效果和盤管腐蝕，使設備維護工作減少。

由于直接接觸式換熱具有很高的換熱效率，自上世紀中期以來，該項技術的研究就得到研究者們的注意和重視。1965年Sideman[2]對直接接觸式蒸發換熱器展開研究，他對逆向噴射直接接觸式換熱器中正戊烷液滴初始尺寸對其在水中蒸發時間的影響進行了分析研究。研究得出氣泡平均換熱系數與液滴初始直徑以及氣泡瞬時表面積之間的關系式，并且換熱系數U隨著液滴初始直徑d的減小而增大：

Taitel[3]通過高速攝像技術對戊烷和丁烷液滴分別在純水和海水中的直接接觸蒸發進行了實驗研究，并得到Nu的計算式：

式中：Pe為貝克來數。研究發現，氣泡的傳熱系數是與兩相氣泡的瞬時表面積有關的。

同樣的方法Simpson等人[4]在1974年對丁烷在海水中的蒸發過程進行了實驗研究，得到了氣泡的生成速度公式和總換熱系數公式：

式中：Des為球形氣泡的直徑，m；Deso為氣泡內部液滴的直徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρc為液體連續相的密度，kg/m3；σ為兩相之間的界面張力，N/m。

G.K.Raina等[5]為了建立更準確的單個氣泡的直接接觸換熱模型，又對換熱系數的計算式和Nu有所改進：

式中：R為兩相氣泡的當量球半徑，m；U為兩相氣泡的上升速度，m/s；a為連續相液體的熱擴散率，m2/s。

研究人員對采用不同工質對的直接接觸式泡滴蒸發過程的平均傳熱系數建立了數學模型，并得到表1所示的平均傳熱系數。

表1采用不同工質對計算的平均傳熱系數

Smith[10]建立了兩種不互溶液體間直接接觸蒸發時容積換熱系數的數學模型，并且利用水和正戊烷進行了實驗，實驗利用兩塊帶噴孔的分布板，其中第二塊分布板上的噴孔密集，液滴在噴孔處大量聚集。實驗發現，該數學模型僅適用于連續相為靜止的情況。

Shaopeng Guo等[11]基于焓法運用焓空隙率構造法建立模型。為了模擬多相流，VOF法被引入模型。由于相變材料和熱采原油不相溶，所以在模型中對兩相可以利用相同的守恒方程。經過驗證，提高熱采原油的流動速率、蓄冷前布置流動通道和增加壁面傳熱均可縮短蓄冷時間。仿真結果顯示先前的實驗在同樣的運行條件下，與熱采原油流速為9.2L/min時進行的實驗相比，其蓄冷時間能夠降低25%、26%和29%。

Kadoquchi和Katsuhiko[12]對PF5050與不相溶的熱水直接接觸換熱進行了數值模擬研究。結果表明：相分界面之間更像大容器沸騰而不是滴狀沸騰，沸騰起點是在PF5050液體層內且靠近相分界面處產生的。隨著雷諾數Re的增大，相分界面處產生的氣泡體積有減小趨勢，增大水的流速，界面處產生的氣泡與從液滴中分離出的氣泡大小接近。

1995年，Bontozoglou和Karabelas[13]對直接接觸填料塔式冷凝器的分析做出了改進，通過分析一個微分控制單元內的能量和質量平衡，得出局部傳熱和傳質系數，此傳熱和傳質系數是用滲透理論來關聯的。

Deandres等[14]對裝有規整填料的直接接觸式換熱器的性能進行了研究。此換熱器作為各級壓縮機的中間冷卻器。壓縮機從電廠抽取低溫氣體，被排出來的由低壓蒸氣和不凝性氣體組成的氣體與冷卻劑海水接觸。實驗壓力約為1.6～16kPa，不凝性氣體的質量分數為0.1～0.9，其結果顯著地改變了冷凝器的傳熱性能，說明高不凝性氣體質量分數和過熱度對傳熱過程的影響。

Genic[15]對采用板式塔的直接接觸式換熱器進行了研究，水和蒸汽在直徑為300mm的塔內直接接觸換熱，得出了傳遞單元數與動能因子的關系。

靳登超等[16]簡述了有相變的直接接觸傳熱模擬研究，主要研究了單個分散相液滴在連續相中發生相變時的直接接觸傳熱和分散相液滴群在連續相中發生相變時的直接接觸傳熱。單個分散相在連續相中發生相變過程能夠形成幾種不同的形貌特征：球形液滴、球狀泡滴、大球氣泡和帽狀氣泡。對于影響液滴形狀的幾方面受力因素進行了模擬，并得出體積傳熱系數的計算公式。

式中：hbv為體積傳熱系數，kW/(m3·K)；Q為時間t內的換熱量，kJ；V為與分散相發生熱交換的全部連續相體積，m3；△θ為連續相與分散相的平均溫差，℃；t為時間，s。

研究結果顯示，分散相液滴在連續相中直接接觸傳熱過程瞬時傳熱系數是不斷變化的，一般與連續相及分散相熱物性、泡滴直徑及泡滴運動速度等有關。

齊濤，沈自求等人[17]對垂直管內不互溶液滴群（正戊烷與熱流體水）直接接觸傳熱過程進行了研究，并由單液滴的瞬時傳熱系數關聯式，推導了多液滴汽化過程中的平均傳熱系數的表達式，研究了體積傳熱量和體積傳熱系數的影響因素，且與實驗符合得很好。

Subbaiyer等[18]直接接觸式蓄冷系統進行了計算機模擬，此系統利用R114作為制冷劑。模擬結果顯示，直接接觸式蓄冷系統的單位制冷量的耗電情況比傳統殼管式制冰器減少30%，并且制取相同冷量所用時間縮短13%。

2直接接觸式換熱技術的研究現狀

直接接觸式換熱是指兩種相同或不同的介質通過直接接觸進行換熱的過程，但兩種介質的密度或沸點必須不相同，彼此容易分離。此項技術可應用于生產、生活的許多方面，比如海水淡化、地熱回收、海洋能轉化、蓄能、分餾等，并且參與換熱的介質可以是固體、液體或者氣體。

2.1直接接觸式換熱在冰蓄冷空調系統中的應用

在冰蓄冷系統中，由于蓄冷階段在換熱器表面冰層的產生使換熱器的蓄冷性能降低，通過冰層的傳熱只能以擴散和導熱進行，這也使冰蓄冷系統的蓄冷性能減弱。為了解決這個問題，文獻[19,20]提出了一種新的儲能系統，稱為冰漿式直接接觸式蓄冷系統。在此系統中，通過在兩種不互溶的液體間直接接觸傳熱制取冰晶，較以前的系統相比更加有效地利用了能源。這種冰漿系統由較好的冰晶和液態水組成，由于利用其融化潛熱，這種冰漿系統具有很大的熱容量。并且，該系統的冷卻能力是傳統冷水系統的4到6倍。在利用直接接觸換熱進行制冰蓄冷過程中，主要換熱方式為帶固液相變的氣體-液體接觸換熱和液體-液體接觸換熱。圖1為直接接觸式冰蓄冷系統的原理圖。

圖1直接接觸式冰蓄冷系統原理圖

Kiatsiriroat[21～22]等對用R12或R22作制冷劑的直接接觸式蓄冷系統的換熱特性進行了研究，他們將制冷劑以低于0℃的溫度注入蓄冷器中，通過與水直接接觸帶走熱量而蒸發。

1967年，Sideman和Gat[23]研究了戊烷-水直接接觸式系統的換熱特性。實驗結果表明，水的流率對系統換熱的影響較小。

Blair[24]等研究了直接接觸式容積型鍋爐的特性，通過對CFC113-水工質對的換熱分析表明其容積換熱系數小于Sideman和Gat研究的戊烷-水工質對。

Matsumoto[25]等利用一種新的制冰方法，水油乳劑通過在容器內攪拌被冷卻形成冰油和水的懸浮液。結果表明，冰油和水的懸浮液（又稱冰漿）有良好的流動性，并且不會粘附在蓄冷器表面。

鄭克晴等[26]通過實驗研究了在直接接觸式制取冰漿的冰漿生成器中影響體積傳熱系數的主要因素，利用乙二醇試劑作為添加劑，發現水柱高度下降、進氣質量流量增加、進氣溫度下降、噴嘴直徑減小均能導致體積傳熱系數增加。

S.Thongwik等[27]利用二氧化碳氣體和水進行直接接觸式換熱制取冰并且研究了換熱性能，將低溫的二氧化碳氣體（-15℃和-60℃）通入初始溫度為28℃的水中進行直接換熱，實驗發現二者之間的換熱效率接近100%。考慮到注入口周圍的堵塞情況，可用冰漿替代純冰。將壓縮機油和表面活性劑與水混合來制取冰漿，發現在體積比例為水/油/活性劑=100/6/1時，最容易形成大量穩定的冰漿。

章學來、李瑞陽等[28,29]利用直接接觸換熱技術將R123和水制備成冰晶形式，通過大量實驗研究得出了以下結論：蓄冷罐內容積換熱系數隨罐內水溫的下降而減少、罐內水位的升高而降低；隨噴孔數的增多而增大、噴孔直徑的增大而減小；加入不同的添加劑對罐內的容積換熱系數也會產生不同的影響。

Fujita[30]將R113逆流向上噴入豎直的熱水管道中，觀察其上升過程中蒸發換熱的過程。觀察發現，由于噴孔出口處的汽泡聚合時狀態不同，可將蓄冷罐內蒸發區域劃分為三個區域，即不穩定區域、穩定區域和柱狀區域。

M.N.A.Hawlader[31]以Fluroinert FC 84作為液態冷卻劑，其凝固溫度低于0℃，不溶于水，密度大于水。冷卻劑由噴嘴以液滴形式噴射進入水中，在它穿過水環境時，由于溫度差導致其將吸收水的熱量，從而使水的溫度降低，達到凝固點0℃，水發生相變成為冰，在液滴表面形成冰，由于冷卻液滴受到三個力的作用（重力、水的阻力、浮力）的影響，冰從液滴脫離，慢慢聚集到容器上層形成冰漿層。并且建立了一種數學模型來分析在冷卻劑液滴表面冰的增長，同樣還有中間相界層的增長。如圖2所示。液滴直徑的增加導致了冰增長速率的增加。相似的，隨著液滴初始溫度的降低，冰的增長速率增加。對實驗結果和預測值的比較分析顯示，這個模型可以描述冰和中間相界層的增長，以及冰漿的生成。

圖2冰和中間相界層形成模型

2.2直接接觸式換熱在水/油蓄冷空調系統中的應用

水/油蓄冷空調系統是指以水作為載冷劑，油（大多數采用石蠟）作為蓄冷劑。蓄冷時，載有冷量的低溫水流入蓄冷器，液態石蠟也同時噴入蓄冷器與水直接接觸換熱，鑒于石蠟與水之間有密度差的存在，所以與冷水接觸后凝固的石蠟顆粒漂浮在水面上；釋冷時，載有熱量的高溫水流入蓄冷器，將熱量傳遞給固體石蠟顆粒，石蠟吸熱融化，由于密度差液體石蠟漂浮在水面上。循環一次后，液態石蠟回儲存罐，以便再次循環使用。

稻葉英男[32]以正十四烷油滴作為相變材料，熔化溫度5.8℃，潛熱值229kJ/kg，采用直接接觸式換熱，應用于空調領域解決峰谷差問題。實驗裝置為立式長方體，壁厚為10mm，底面積為100mm。噴嘴距離頂部液體表面高度為1.6m±3mm，內徑1mm，外徑2mm，高度64mm。裝置內部安裝4個T型熱電偶，直徑為0.32mm，測量精度為±0.1℃。外層用50mm厚的泡沫聚乙烯來對實驗裝置進行保溫。實驗裝置圖如圖3所示。正十四烷油珠從圓柱形單孔噴嘴噴入冷水環境下，油珠分散形成微小油滴。由于浮力作用油滴在水中上升并且通過與水直接換熱凝結，最終完全凝結或者部分凝結。實驗結果顯示，油滴的凝固率隨著油滴溫度和水環境溫度的降低而增大。但是在較低溫條件下，注入的油滴在出口就凍結，其凝固速率隨著注入油滴溫度和水環境溫度的降低而減少。

圖3實驗裝置原理圖

Battya和Seetharamu[33]研究了正戊烷和CFC113在水中直接接觸式換熱的過程，分析了溫差、液柱高度、擴散相的流率以及分布板上噴孔的數目對換熱過程的影響。結果表明，離散相密度越小，相同流速下其孔隙率也越高。

Hiroyuki Kumano[34]以十四烷和十六烷混合、十五烷和十八烷混合以不同濃度配比作為相變材料，利用直接接觸式換熱方式，通過實驗研究發現在較低表面溫度范圍下，混合物熱流率的下降速度要比純物質更快。影響熱流率下降的因素是由于樣品中小規模分離而形成的液膜濃度分布情況不同造成的。

李曉燕等人以石蠟作為制冷劑，水作為載冷劑，模擬了直接接觸式換熱應用于常規空調的蓄釋冷特性。蓄冷時蓄冷劑的進口溫度與流量越大，蓄冷器蓄冷率越大，總蓄冷量越多。但蓄冷劑進口溫度與流量不能過度增加，否則蓄冷劑不能凝固；蓄冷時蓄冷器的蓄冷量隨著載冷劑入口溫度的降低而增加，隨著流量的增加而增加。但載冷劑溫度越低，制冷機組的蒸發溫度越低，效率越低。釋冷時載冷劑的入口溫度越高，總釋冷量越多。為防止蓄冷器中冷量過快的釋放及維持穩定的供水溫度，在實際應用中應設置溫度控制調節閥，調節空調回水進入蓄冷器與并聯旁通流量的比例。

2.3直接接觸式換熱在廢熱回收方面的應用

Takahiro Nomura等[35]對直接接觸式換熱器進行了實驗研究和分析，以赤蘚糖醇（熔化溫度391K）作為相變材料，油作為載冷劑，一個內徑為200mm、高度為1000mm的立式氣缸作為蓄能裝置，噴嘴垂直安置在裝置底部。通過溫度的分布情況可以將蓄熱分為三個階段：固體顯熱儲能階段、潛熱儲能階段和液體顯熱儲能階段。如圖4所示文章研究了載冷油的流速和進口溫度的變化對載冷油進出口溫差、溫度效能、蓄能速率的影響。實驗說明載冷油流速和進口溫度的增加促進了直接接觸式換熱器的儲能速率。

圖4直接接觸式換熱過程中熱采原油的流型圖解和相變材料的融化過程

Y.J.Hyun等[36]通過實驗研究了利用太陽能的不相溶液-液直接接觸式換熱系統的熱特性，由太陽能集熱器、循環泵和直接接觸式換熱器組成。系統采用優質導熱油和酸二乙酯作為流動工質，其中優質導熱油的密度小于水，酸二乙酯的密度大于水。由于規定了液滴的大小，液滴的形成機理對于整個直接接觸式蓄冷系統的影響非常重要。就這一點而言，向空間噴射酸二乙酯會更有效果，因為向空間噴射可以允許液滴自由下落碰撞水表面而分散成1～2mm的小液滴，更有利于換熱。

3直接接觸式蓄冷技術研究中需解決問題

到目前為止，綜觀國內外對直接接觸式蓄冷技術的應用研究，盡管已經取得了很大的進步，但其研究成果還未系統化，無論從數值研究還是實驗研究方面仍存在幾方面問題，尚需進一步深入研究。

1）蓄冷介質方面：有機石蠟直鏈烷烴類相變材料可適用于直接接觸式蓄冷空調，但盡管其熱力學性質穩定，潛熱值較小仍然是其無法廣泛應用于該系統中最關鍵的問題所在。另外，近年來，傳統制冷劑chlorofluorocarbon（CFCs）和hydroflurocarbons（HFCs）對臭氧層的破壞和造成全球變暖，使得環境問題日益嚴峻。隨著國際CFC替代的實施，可用作蓄冷介質的制冷劑種類越來越少。尋找新型蓄冷介質成為直接接觸式蓄冷技術發展的一大障礙，亟需得到解決。

2）傳熱方面：對于直接接觸式換熱的實驗研究和模擬分析都應注意蓄冷器內部和外部的換熱情況，由于直接接觸式換熱具有較高的換熱效率，因此對蓄冷器內部的換熱研究應該更加重視。而與此類相關的國內外文獻都很少見。

3）系統裝置方面：鑒于實驗過程中兩種不相溶介質的直接接觸，無論是制冷劑與水及潤滑油都存在相混合、難分離的問題。因此，必須在實驗裝置中添加分油器或汽水分離裝置。而用于直接接觸式換熱系統中的無油壓縮機價格昂貴，這也成為技術推廣的難題。

4）設備維護方面：由于兩種不溶性液體相混合，噴嘴、換熱器和管道的堵塞問題就不可避免，這對設備運行維護費用造成壓力，如何解決這一問題制約著直接接觸式換熱技術的發展。

5）經驗準則方面：對于直接接觸固液相變傳熱的相關準則關系式還沒有具體歸納提出，這就會導致模擬過程的偏差增大。此外，直接接觸式蓄冷技術的理論模型也不夠全面，要想推廣使用直接接觸式蓄冷技術就必須完善相關準則和加強理論研究。

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Progre s s in Dire c t-c onta c t The rm a l Ene rgy Stora ge Te c hnology for Air-c onditioning

LI Xiao-yan,DU Shi-qiang
School of Energy and Civil Engineering,Harbin University of Commerce

The application of the technology of direct-contact thermal energy storage has a widely research prospect in the field of HVAC,one of the difficult points of direct-contact thermal energy storage technology is the development of research model.The research status and progress of direct-contact thermal energy storage technology used in different areas are presented and analyzed in this article.Based on the summary of the domestic and foreign investigations about direct-contact heat transfer technology,the problems which were necessary to be resolved were pointed out which will provide certain reference foundation for further research.

thermal energy storage,direct-contact heat transfer technology,heat transfer coefficient

1003-0344（2014）05-041-6

2013-7-13

李曉燕（1962～），女，博士，教授；黑龍江省哈爾濱市松北區學海街1號哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院（150028）；

E-mail:mylxy6168@sina.com

黑龍江省研究生創新科研項目（No.YJSCX2012-144HLJ）；國家自然科學基金（青年基金）項目（No.50606007）；

黑龍江省自然科學基金項目（No.E200822）；哈爾濱商業大學研究生創新科研資金項目（YTSCX2013-266HSD）