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直接接觸換熱的發(fā)展和研究現(xiàn)狀
直接接觸換熱是指高溫介質(zhì)與低溫介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱的過程，此兩種介質(zhì)可以為相同物質(zhì)，也可以不同。早在1900年出版的Hausbrand編著的《蒸發(fā)、凝結(jié)和冷卻裝置》一書中，就提出了直接接觸式換熱的概念，實(shí)際上直接接觸式換熱也早已應(yīng)用在我們生產(chǎn)、生活的許多方面，如冷卻塔、淬火、分餾、海水淡化和廢熱回收等。與間壁式換熱器相比，直接接觸式換熱器具有腐蝕小、無結(jié)垢、換熱效率高、傳熱溫差小、壓降小和投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有一些比較明顯的缺點(diǎn)，比如由于兩種介質(zhì)直接接觸，這就要求他們互不相溶，互不發(fā)生反應(yīng)，否則將會引起污染 。
對直接接觸式換熱的研究主要分為兩部分:1、對直接接觸蒸發(fā)的研究;2、對直接接觸冷凝的研究。下面對這兩部分的研究進(jìn)展進(jìn)行一些簡單的介紹，以方便了解現(xiàn)在直接接觸式換熱地研究現(xiàn)狀。
直接接觸蒸發(fā)的研究
在對液滴蒸發(fā)過程的研究中，大量涉及到單一液滴在互不相溶液體中的蒸發(fā)研究，而只有少量的實(shí)驗(yàn)與理論研究涉及到多液滴的蒸發(fā)及直接接觸式換熱器整體換熱的研究。
早在1965年，Sideman就開始了對直接接觸蒸發(fā)的研究，在其文章中研究了逆向噴射式換熱器中正戊烷液滴在水中蒸發(fā)時(shí)其初始尺寸的影響。之后在1967年，Sideman和Gat研究了戊烷水系統(tǒng)的換熱特性，發(fā)現(xiàn)水的流率對換熱的影響相對很小。
1989年Seetharamu和Battya觀察了CFC113與正戊烷在靜止蒸餾水中的直接接觸蒸發(fā)過程，并在Smith等分析的基礎(chǔ)上改進(jìn)了理論容積換熱系數(shù)的理論模型，分析了液柱高度、溫差、擴(kuò)散相流率及分布板噴孔直徑和數(shù)目的影響，結(jié)果表明擴(kuò)散相越輕，相同流率下的空隙率越高。由于逆向流動(dòng)紊流增強(qiáng)，容積越大，最高容積換熱系數(shù)越大，平均換熱系數(shù)也越大。而制冷劑的充灌量則對容積換熱系數(shù)影響不大。2002年，章學(xué)來等人又通過實(shí)驗(yàn)，研究了添加劑對直接接觸式相變換熱的影響。結(jié)果表明，鋅粉對直接接觸式相變換熱效果好，而丁醇則幾乎沒有效果。
2006年，代乾等人直接接觸式二元冰蓄冷實(shí)驗(yàn)的影響因素和傳熱特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在對載冷劑與乙二醇的分離影響不大的情況下，載冷劑在流速超過1.8m/s時(shí)，增大流速可以有效的提高體積換熱系數(shù)，當(dāng)載冷劑噴口流速超過2.5m/s時(shí)，體積換熱系數(shù)隨流速增長變得緩慢。該研究得到的最大體積換熱系數(shù)約為13kW/m3·K。
在2007年，KatsuhikoKadoquchi實(shí)驗(yàn)研究了揮發(fā)性液體PF5050在與不互溶的熱水直接接觸時(shí)氣化的現(xiàn)象，研究表明:液-液界面之間更像池狀沸騰而不同于滴狀沸騰，沸騰的起始點(diǎn)都不是產(chǎn)生在液-液接觸面上，而是在PF5050液體層中靠近界面處。隨著Re數(shù)的增大，氣泡分離的體積有減小的趨勢，水流速度增大時(shí)界面分離出的氣泡大小將接近從液滴上分離出的氣泡大小。
直接接觸冷凝的研究
對直接接觸冷凝的研究，主要集中于對靜止液層中飽和及過熱蒸汽氣泡的冷凝過程的研究，而對于本課題所涉及的填料塔內(nèi)氣液接觸冷凝過程則很少有人研究，甚至對液體表面蒸汽冷凝的研究也很少。下面簡單的介紹一下近十多年對此方向的研究。
在1995年，Bontozoglou和Karabelas改進(jìn)了對填料塔式直接接觸冷凝器的分析，對一個(gè)微分控制單元進(jìn)行了能量和質(zhì)量平衡的分析，得出了局部的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。此傳熱和傳質(zhì)系數(shù)采用了滲透理論來關(guān)聯(lián)。
2000年，王一平等人開發(fā)了直接接觸式環(huán)流換熱器。實(shí)驗(yàn)表明，平均體積換熱系數(shù)隨著工質(zhì)流量的增大而增大，隨平均傳熱溫差的增大而減小。隨著工質(zhì)的不斷氣化，兩相間的溫差也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了軸向上的體積換熱系數(shù)隨上升高度的增大而逐漸下降。并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上從單個(gè)液滴氣化傳熱的機(jī)理出發(fā)，推導(dǎo)出體積換熱系數(shù)分布的表達(dá)式及平均體積換熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。之后，王一平等人又對水與分散在水中的戊烷液滴之間的換熱進(jìn)行了研究，研究表明，體積換熱系數(shù)隨著初始溫度和連續(xù)相流體流速的增大而增大，而分散相的流速則對體積換熱系數(shù)影響不大。
在同一年里，章學(xué)來等人對直接接觸式蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其參與換熱的介質(zhì)為水與R123。研究表明，蓄冷罐內(nèi)體積換熱系數(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，隨初始水溫的增加而減小。制冷節(jié)流閥開度立了兩個(gè)塔，其中一個(gè)順流換熱一個(gè)逆流換熱。研究根據(jù)守恒定律，建立了一維模型，用來描述冷凝器不同階段的溫度、濕度和冷凝速率，結(jié)果表明逆流冷凝比順流冷凝效率高15%。而當(dāng)水鎖發(fā)生在填料床層中時(shí)，冷凝換熱的效率降低。當(dāng)用高速攝像機(jī)觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，此種現(xiàn)象可能在任何操作條件下發(fā)生，其主要是由填料表面的潤濕特性決定 。
而早在1989年，我國的南建忠和吳治堅(jiān)即對填料塔內(nèi)直接接觸冷凝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過研究，測算了鋼塔內(nèi)徑為250mm，壓力在0.142~0.190MPa范圍內(nèi)，使用公稱尺寸為25mm的聚丙烯矩鞍、階梯環(huán)及16，25mm瓷矩鞍四種填料時(shí)，R11蒸氣與水逆流直接接觸凝結(jié)的平均體積傳熱系數(shù)，根據(jù)塔內(nèi)軸向溫度場變化，測定了100cm填充高度中的有效凝結(jié)段長度。之后提出了在亂堆填料塔內(nèi)描述氣液直接接觸冷凝過程的雙液膜模型，雙液膜模型再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)成了半經(jīng)驗(yàn)半理論準(zhǔn)則方程式，其擬合偏差為±15%。
參考資料
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