直接接触式空调蓄冷技术的研究进展

李晓燕 杜世强

直接接触式空调蓄冷技术的研究进展

李晓燕 杜世强

哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院

直接接触式蓄冷技术在暖通空调领域的应用有着广泛的研究前景，而直接接触式蓄冷技术研究模型的发展是此项技术的难点之一。本文阐述分析了直接接触式蓄冷技术理论模型的研究现状，综述了直接接触式蓄冷技术应用于不同领域的研究进展。根据国内外直接接触式换热技术的研究情况，本文提出了直接接触式换热技术急需解决的问题，为今后进一步研究提供了一定的参考依据。

蓄冷直接接触式换热技术传热系数

能源一直是人类赖以生存和社会发展的基础，但近年来随着经济的发展，人们生活质量的提高，能源的消耗量在不断增加。近些年来，城市中新建了大量具有集中空调的宾馆、办公大楼和大规模商业中心。另外，随着人民生活水平提高，居民安装空调增多，使集中空调和居民空调的制冷负荷用电占整个城市用电的比例上升，电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾相当突出，电网负荷率下降。因此，在建筑物空调中应用蓄冷技术是电力负荷需求侧管理（Demand Side Management，DSM）、改善电力供需矛盾最有效的技术措施之一。而直接接触式蓄冷空调技术的发展在节约能源方面也有着极其重要的地位，它在石油化工、能源和环保等领域具有很大的应用潜力，是目前传热领域内研究较为热门的课题之一。

1直接接触式蓄冷技术的理论研究

直接接触式换热是指两种介质直接接触进行换热的过程，最早是由Hausbrand[1]在1900年出版的《蒸发、凝结和冷却装置》一书中提出的，书中介绍了几种包括气压冷凝器在内的直接接触器。尽管直接接触式换热的概念提出得较早，但是其特性研究的发展速度一直迟于表面换热器。将直接接触式换热技术应用于常规空调工况的蓄冷系统，使载冷剂与蓄冷介质直接接触进行换热，从而使两种工质之间的传热温差可以适当降低，进而使整个系统的效率得到提高，达到节能降耗的目的。把直接接触式换热应用于空调蓄冷系统中，与其它蓄冷系统相比具有如下优点：

1）由于水与蓄冷介质直接接触，避免了两种工质之间的传热过程由换热盘管引起的热阻，因此可提高传热效率。

2）蓄冷器中不存在换热盘管，不但使蓄冷器的结构简单，体积减小，而且节省材料，降低成本。

3）由于不存在换热盘管，因此可避免盘管结垢引起的热阻阻碍换热效果和盘管腐蚀，使设备维护工作减少。

由于直接接触式换热具有很高的换热效率，自上世纪中期以来，该项技术的研究就得到研究者们的注意和重视。1965年Sideman[2]对直接接触式蒸发换热器展开研究，他对逆向喷射直接接触式换热器中正戊烷液滴初始尺寸对其在水中蒸发时间的影响进行了分析研究。研究得出气泡平均换热系数与液滴初始直径以及气泡瞬时表面积之间的关系式，并且换热系数U随着液滴初始直径d的减小而增大：

Taitel[3]通过高速摄像技术对戊烷和丁烷液滴分别在纯水和海水中的直接接触蒸发进行了实验研究，并得到Nu的计算式：

式中：Pe为贝克来数。研究发现，气泡的传热系数是与两相气泡的瞬时表面积有关的。

同样的方法Simpson等人[4]在1974年对丁烷在海水中的蒸发过程进行了实验研究，得到了气泡的生成速度公式和总换热系数公式：

式中：Des为球形气泡的直径，m；Deso为气泡内部液滴的直径，m；g为重力加速度，m/s2；ρc为液体连续相的密度，kg/m3；σ为两相之间的界面张力，N/m。

G.K.Raina等[5]为了建立更准确的单个气泡的直接接触换热模型，又对换热系数的计算式和Nu有所改进：

式中：R为两相气泡的当量球半径，m；U为两相气泡的上升速度，m/s；a为连续相液体的热扩散率，m2/s。

研究人员对采用不同工质对的直接接触式泡滴蒸发过程的平均传热系数建立了数学模型，并得到表1所示的平均传热系数。

表1采用不同工质对计算的平均传热系数

Smith[10]建立了两种不互溶液体间直接接触蒸发时容积换热系数的数学模型，并且利用水和正戊烷进行了实验，实验利用两块带喷孔的分布板，其中第二块分布板上的喷孔密集，液滴在喷孔处大量聚集。实验发现，该数学模型仅适用于连续相为静止的情况。

Shaopeng Guo等[11]基于焓法运用焓空隙率构造法建立模型。为了模拟多相流，VOF法被引入模型。由于相变材料和热采原油不相溶，所以在模型中对两相可以利用相同的守恒方程。经过验证，提高热采原油的流动速率、蓄冷前布置流动通道和增加壁面传热均可缩短蓄冷时间。仿真结果显示先前的实验在同样的运行条件下，与热采原油流速为9.2L/min时进行的实验相比，其蓄冷时间能够降低25%、26%和29%。

Kadoquchi和Katsuhiko[12]对PF5050与不相溶的热水直接接触换热进行了数值模拟研究。结果表明：相分界面之间更像大容器沸腾而不是滴状沸腾，沸腾起点是在PF5050液体层内且靠近相分界面处产生的。随着雷诺数Re的增大，相分界面处产生的气泡体积有减小趋势，增大水的流速，界面处产生的气泡与从液滴中分离出的气泡大小接近。

1995年，Bontozoglou和Karabelas[13]对直接接触填料塔式冷凝器的分析做出了改进，通过分析一个微分控制单元内的能量和质量平衡，得出局部传热和传质系数，此传热和传质系数是用渗透理论来关联的。

Deandres等[14]对装有规整填料的直接接触式换热器的性能进行了研究。此换热器作为各级压缩机的中间冷却器。压缩机从电厂抽取低温气体，被排出来的由低压蒸气和不凝性气体组成的气体与冷却剂海水接触。实验压力约为1.6～16kPa，不凝性气体的质量分数为0.1～0.9，其结果显著地改变了冷凝器的传热性能，说明高不凝性气体质量分数和过热度对传热过程的影响。

Genic[15]对采用板式塔的直接接触式换热器进行了研究，水和蒸汽在直径为300mm的塔内直接接触换热，得出了传递单元数与动能因子的关系。

靳登超等[16]简述了有相变的直接接触传热模拟研究，主要研究了单个分散相液滴在连续相中发生相变时的直接接触传热和分散相液滴群在连续相中发生相变时的直接接触传热。单个分散相在连续相中发生相变过程能够形成几种不同的形貌特征：球形液滴、球状泡滴、大球气泡和帽状气泡。对于影响液滴形状的几方面受力因素进行了模拟，并得出体积传热系数的计算公式。

式中：hbv为体积传热系数，kW/(m3·K)；Q为时间t内的换热量，kJ；V为与分散相发生热交换的全部连续相体积，m3；△θ为连续相与分散相的平均温差，℃；t为时间，s。

研究结果显示，分散相液滴在连续相中直接接触传热过程瞬时传热系数是不断变化的，一般与连续相及分散相热物性、泡滴直径及泡滴运动速度等有关。

齐涛，沈自求等人[17]对垂直管内不互溶液滴群（正戊烷与热流体水）直接接触传热过程进行了研究，并由单液滴的瞬时传热系数关联式，推导了多液滴汽化过程中的平均传热系数的表达式，研究了体积传热量和体积传热系数的影响因素，且与实验符合得很好。

Subbaiyer等[18]直接接触式蓄冷系统进行了计算机模拟，此系统利用R114作为制冷剂。模拟结果显示，直接接触式蓄冷系统的单位制冷量的耗电情况比传统壳管式制冰器减少30%，并且制取相同冷量所用时间缩短13%。

2直接接触式换热技术的研究现状

直接接触式换热是指两种相同或不同的介质通过直接接触进行换热的过程，但两种介质的密度或沸点必须不相同，彼此容易分离。此项技术可应用于生产、生活的许多方面，比如海水淡化、地热回收、海洋能转化、蓄能、分馏等，并且参与换热的介质可以是固体、液体或者气体。

2.1直接接触式换热在冰蓄冷空调系统中的应用

在冰蓄冷系统中，由于蓄冷阶段在换热器表面冰层的产生使换热器的蓄冷性能降低，通过冰层的传热只能以扩散和导热进行，这也使冰蓄冷系统的蓄冷性能减弱。为了解决这个问题，文献[19,20]提出了一种新的储能系统，称为冰浆式直接接触式蓄冷系统。在此系统中，通过在两种不互溶的液体间直接接触传热制取冰晶，较以前的系统相比更加有效地利用了能源。这种冰浆系统由较好的冰晶和液态水组成，由于利用其融化潜热，这种冰浆系统具有很大的热容量。并且，该系统的冷却能力是传统冷水系统的4到6倍。在利用直接接触换热进行制冰蓄冷过程中，主要换热方式为带固液相变的气体-液体接触换热和液体-液体接触换热。图1为直接接触式冰蓄冷系统的原理图。

图1直接接触式冰蓄冷系统原理图

Kiatsiriroat[21～22]等对用R12或R22作制冷剂的直接接触式蓄冷系统的换热特性进行了研究，他们将制冷剂以低于0℃的温度注入蓄冷器中，通过与水直接接触带走热量而蒸发。

1967年，Sideman和Gat[23]研究了戊烷-水直接接触式系统的换热特性。实验结果表明，水的流率对系统换热的影响较小。

Blair[24]等研究了直接接触式容积型锅炉的特性，通过对CFC113-水工质对的换热分析表明其容积换热系数小于Sideman和Gat研究的戊烷-水工质对。

Matsumoto[25]等利用一种新的制冰方法，水油乳剂通过在容器内搅拌被冷却形成冰油和水的悬浮液。结果表明，冰油和水的悬浮液（又称冰浆）有良好的流动性，并且不会粘附在蓄冷器表面。

郑克晴等[26]通过实验研究了在直接接触式制取冰浆的冰浆生成器中影响体积传热系数的主要因素，利用乙二醇试剂作为添加剂，发现水柱高度下降、进气质量流量增加、进气温度下降、喷嘴直径减小均能导致体积传热系数增加。

S.Thongwik等[27]利用二氧化碳气体和水进行直接接触式换热制取冰并且研究了换热性能，将低温的二氧化碳气体（-15℃和-60℃）通入初始温度为28℃的水中进行直接换热，实验发现二者之间的换热效率接近100%。考虑到注入口周围的堵塞情况，可用冰浆替代纯冰。将压缩机油和表面活性剂与水混合来制取冰浆，发现在体积比例为水/油/活性剂=100/6/1时，最容易形成大量稳定的冰浆。

章学来、李瑞阳等[28,29]利用直接接触换热技术将R123和水制备成冰晶形式，通过大量实验研究得出了以下结论：蓄冷罐内容积换热系数随罐内水温的下降而减少、罐内水位的升高而降低；随喷孔数的增多而增大、喷孔直径的增大而减小；加入不同的添加剂对罐内的容积换热系数也会产生不同的影响。

Fujita[30]将R113逆流向上喷入竖直的热水管道中，观察其上升过程中蒸发换热的过程。观察发现，由于喷孔出口处的汽泡聚合时状态不同，可将蓄冷罐内蒸发区域划分为三个区域，即不稳定区域、稳定区域和柱状区域。

M.N.A.Hawlader[31]以Fluroinert FC 84作为液态冷却剂，其凝固温度低于0℃，不溶于水，密度大于水。冷却剂由喷嘴以液滴形式喷射进入水中，在它穿过水环境时，由于温度差导致其将吸收水的热量，从而使水的温度降低，达到凝固点0℃，水发生相变成为冰，在液滴表面形成冰，由于冷却液滴受到三个力的作用（重力、水的阻力、浮力）的影响，冰从液滴脱离，慢慢聚集到容器上层形成冰浆层。并且建立了一种数学模型来分析在冷却剂液滴表面冰的增长，同样还有中间相界层的增长。如图2所示。液滴直径的增加导致了冰增长速率的增加。相似的，随着液滴初始温度的降低，冰的增长速率增加。对实验结果和预测值的比较分析显示，这个模型可以描述冰和中间相界层的增长，以及冰浆的生成。

图2冰和中间相界层形成模型

2.2直接接触式换热在水/油蓄冷空调系统中的应用

水/油蓄冷空调系统是指以水作为载冷剂，油（大多数采用石蜡）作为蓄冷剂。蓄冷时，载有冷量的低温水流入蓄冷器，液态石蜡也同时喷入蓄冷器与水直接接触换热，鉴于石蜡与水之间有密度差的存在，所以与冷水接触后凝固的石蜡颗粒漂浮在水面上；释冷时，载有热量的高温水流入蓄冷器，将热量传递给固体石蜡颗粒，石蜡吸热融化，由于密度差液体石蜡漂浮在水面上。循环一次后，液态石蜡回储存罐，以便再次循环使用。

稻叶英男[32]以正十四烷油滴作为相变材料，熔化温度5.8℃，潜热值229kJ/kg，采用直接接触式换热，应用于空调领域解决峰谷差问题。实验装置为立式长方体，壁厚为10mm，底面积为100mm。喷嘴距离顶部液体表面高度为1.6m±3mm，内径1mm，外径2mm，高度64mm。装置内部安装4个T型热电偶，直径为0.32mm，测量精度为±0.1℃。外层用50mm厚的泡沫聚乙烯来对实验装置进行保温。实验装置图如图3所示。正十四烷油珠从圆柱形单孔喷嘴喷入冷水环境下，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过与水直接换热凝结，最终完全凝结或者部分凝结。实验结果显示，油滴的凝固率随着油滴温度和水环境温度的降低而增大。但是在较低温条件下，注入的油滴在出口就冻结，其凝固速率随着注入油滴温度和水环境温度的降低而减少。

图3实验装置原理图

Battya和Seetharamu[33]研究了正戊烷和CFC113在水中直接接触式换热的过程，分析了温差、液柱高度、扩散相的流率以及分布板上喷孔的数目对换热过程的影响。结果表明，离散相密度越小，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浓度配比作为相变材料，利用直接接触式换热方式，通过实验研究发现在较低表面温度范围下，混合物热流率的下降速度要比纯物质更快。影响热流率下降的因素是由于样品中小规模分离而形成的液膜浓度分布情况不同造成的。

李晓燕等人以石蜡作为制冷剂，水作为载冷剂，模拟了直接接触式换热应用于常规空调的蓄释冷特性。蓄冷时蓄冷剂的进口温度与流量越大，蓄冷器蓄冷率越大，总蓄冷量越多。但蓄冷剂进口温度与流量不能过度增加，否则蓄冷剂不能凝固；蓄冷时蓄冷器的蓄冷量随着载冷剂入口温度的降低而增加，随着流量的增加而增加。但载冷剂温度越低，制冷机组的蒸发温度越低，效率越低。释冷时载冷剂的入口温度越高，总释冷量越多。为防止蓄冷器中冷量过快的释放及维持稳定的供水温度，在实际应用中应设置温度控制调节阀，调节空调回水进入蓄冷器与并联旁通流量的比例。

2.3直接接触式换热在废热回收方面的应用

Takahiro Nomura等[35]对直接接触式换热器进行了实验研究和分析，以赤藓糖醇（熔化温度391K）作为相变材料，油作为载冷剂，一个内径为200mm、高度为1000mm的立式气缸作为蓄能装置，喷嘴垂直安置在装置底部。通过温度的分布情况可以将蓄热分为三个阶段：固体显热储能阶段、潜热储能阶段和液体显热储能阶段。如图4所示文章研究了载冷油的流速和进口温度的变化对载冷油进出口温差、温度效能、蓄能速率的影响。实验说明载冷油流速和进口温度的增加促进了直接接触式换热器的储能速率。

图4直接接触式换热过程中热采原油的流型图解和相变材料的融化过程

Y.J.Hyun等[36]通过实验研究了利用太阳能的不相溶液-液直接接触式换热系统的热特性，由太阳能集热器、循环泵和直接接触式换热器组成。系统采用优质导热油和酸二乙酯作为流动工质，其中优质导热油的密度小于水，酸二乙酯的密度大于水。由于规定了液滴的大小，液滴的形成机理对于整个直接接触式蓄冷系统的影响非常重要。就这一点而言，向空间喷射酸二乙酯会更有效果，因为向空间喷射可以允许液滴自由下落碰撞水表面而分散成1～2mm的小液滴，更有利于换热。

3直接接触式蓄冷技术研究中需解决问题

到目前为止，综观国内外对直接接触式蓄冷技术的应用研究，尽管已经取得了很大的进步，但其研究成果还未系统化，无论从数值研究还是实验研究方面仍存在几方面问题，尚需进一步深入研究。

1）蓄冷介质方面：有机石蜡直链烷烃类相变材料可适用于直接接触式蓄冷空调，但尽管其热力学性质稳定，潜热值较小仍然是其无法广泛应用于该系统中最关键的问题所在。另外，近年来，传统制冷剂chlorofluorocarbon（CFCs）和hydroflurocarbons（HFCs）对臭氧层的破坏和造成全球变暖，使得环境问题日益严峻。随着国际CFC替代的实施，可用作蓄冷介质的制冷剂种类越来越少。寻找新型蓄冷介质成为直接接触式蓄冷技术发展的一大障碍，亟需得到解决。

2）传热方面：对于直接接触式换热的实验研究和模拟分析都应注意蓄冷器内部和外部的换热情况，由于直接接触式换热具有较高的换热效率，因此对蓄冷器内部的换热研究应该更加重视。而与此类相关的国内外文献都很少见。

3）系统装置方面：鉴于实验过程中两种不相溶介质的直接接触，无论是制冷剂与水及润滑油都存在相混合、难分离的问题。因此，必须在实验装置中添加分油器或汽水分离装置。而用于直接接触式换热系统中的无油压缩机价格昂贵，这也成为技术推广的难题。

4）设备维护方面：由于两种不溶性液体相混合，喷嘴、换热器和管道的堵塞问题就不可避免，这对设备运行维护费用造成压力，如何解决这一问题制约着直接接触式换热技术的发展。

5）经验准则方面：对于直接接触固液相变传热的相关准则关系式还没有具体归纳提出，这就会导致模拟过程的偏差增大。此外，直接接触式蓄冷技术的理论模型也不够全面，要想推广使用直接接触式蓄冷技术就必须完善相关准则和加强理论研究。

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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

李晓燕（1962～），女，博士，教授；黑龙江省哈尔滨市松北区学海街1号哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院（150028）；

E-mail:mylxy6168@sina.com

黑龙江省研究生创新科研项目（No.YJSCX2012-144HLJ）；国家自然科学基金（青年基金）项目（No.50606007）；

黑龙江省自然科学基金项目（No.E200822）；哈尔滨商业大学研究生创新科研资金项目（YTSCX2013-266HSD）