直接接触式冰蓄冷系统双相变过程理论研究

    1 前言

    直接接触式换热存在于很多自然现象及工程问题中,比如海水淡化、地热回收、海洋能转化、蓄能等。由于直接接触式换热具有很高的换热效率,八十年代以来,直接接触式换热技术受到了蓄冷界的广泛注意和重视。Tomlinson[1]认为提高蓄冷系统效率的一个重要途径为提高制冷剂和蓄冷介质之间的换热效率,提出了直接接触式换热技术用于冰蓄冷的方案,并进行了研究[2]。Ternes叙述了国际第一台直接接触式蓄冷系统[3],应用CFC12进行了成功的运行,观察到在两个相边界有气体水合物产生。日本Keio大学Mori教授领导的研究小组对CFC12、HFC134a、HCFC123等进行了系统研究[4~6],研究后发现,CFC12、HFC134a等在两个界面上形成气体水合物,可能由于分子直径太大的缘故,HCFC123在与水接触换热后并未形成气体水合物,而是形成冰晶。而后作者所在的研究小组建立了我国第一个直接接触式冰蓄冷试验台,以HCFC123对直接接触式传热问题进行了系统研究[7]。

    直接接触式相变换热的研究始于1963年美国的Klipstein对直接接触中的两种工质换热时扩散相工质氯乙烷单一汽泡生成的研究[8],自此以后,直接接触式单相变换热分为扩散相工质单一汽泡生成的传热研究和换热器内两种工质直接接触的换热研究两部分同时进行。

    对于汽泡生成的研究的特征是各个研究者在研究中普遍使用了传统的换热系数,即单位汽泡表面积的换热量,他们采用了连续相和扩散相的各种组合,研究大部分在静止的连续相中进行,而大部分研究者采用了沸点高于环境温度的扩散相,如正戊烷、异戊烷等。在研究中探讨的主要参数有:换热系数、总蒸发时间、完全蒸发高度、温度驱动力、汽泡生长率、上升速度、液滴尺寸、路径、表面及界面张力、液体的性质、界面的面积以及表面剂的影响。

    由于在汽泡生成研究中的换热系数所涉及到的换热面积测量的不准确性,因此学者们对汽泡生成研究结果的可靠性表示怀疑的同时,渐渐地把一部分注意力集中于换热器内两种工质直接接触的换热研究,由于换热器的液柱容积测量简单可靠,因此在其换热研究中都采用了容积换热系数。其中Smithet al.[9],Seetharamu et al.[10],Coban et al.[11]通过理论分析和实验验证,得到了在不同条件下换热器内容积换热系数的分析表达式。而他们的研究仅局限于单相变的传热研究。

    对于双相变的传热研究,除了Mori等对气体水合物的生成建立了理论模型外,还没发现其他方面的模型。要使直接接触式冰蓄冷的顺利推广使用,必须完善其理论,加强其传热研究。本文针对直接接触式冰蓄冷系统中扩散相两相汽泡在连续相溶液中的运动以及连续相的结冰,建立结冰汽泡换热的物理模型,推导了容积换热系数及汽泡半径随时间的变化表达式,并讨论其影响因素。