直接式換熱器

直接接觸換熱是指高温介質與低温介質直接接觸進行換熱的過程，此兩種介質可以為相同物質，也可以不同。早在1900年出版的Hausbrand編著的《蒸發、凝結和冷卻裝置》一書中，就提出了直接接觸式換熱的概念，實際上直接接觸式換熱也早已應用在我們生產、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、無結垢、換熱效率高、傳熱温差小、壓降小和投資費用低等優點，同時也有一些比較明顯的缺點，比如由於兩種介質直接接觸，這就要求他們互不相溶，互不發生反應，否則將會引起污染 ^[1]  。

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展進行一些簡單的介紹，以方便了解直接接觸式換熱地研究現狀。

直接接觸蒸發的研究

在對液滴蒸發過程的研究中，大量涉及到單一液滴在互不相溶液體中的蒸發研究，而只有少量的實驗與理論研究涉及到多液滴的蒸發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時其初始尺寸的影響。之後在1967年，Sideman和Gat研究了戊烷水系統的換熱特性，發現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過程，並在Smith等分析的基礎上改進了理論容積換熱係數的理論模型，分析了液柱高度、温差、擴散相流率及分佈板噴孔直徑和數目的影響，結果表明擴散相越輕，相同流率下的空隙率越高。由於逆向流動紊流增強，容積越大，最高容積換熱係數越大，平均換熱係數也越大。而製冷劑的充灌量則對容積換熱係數影響不大。2002年，章學來等人又通過實驗，研究了添加劑對直接接觸式相變換熱的影響。結果表明，鋅粉對直接接觸式相變換熱效果最好，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驗的影響因素和傳熱特性進行了研究。研究結果表明，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，增大流速可以有效的提高體積換熱係數，當載冷劑噴口流速超過2.5m/s時，體積換熱係數隨流速增長變得緩慢。該研究得到的最大體積換熱係數約為13kW/m3·K。

在2007年，KatsuhikoKadoquchi實驗研究了揮發性液體PF5050在與不互溶的熱水直接接觸時氣化的現象，研究表明：液-液界面之間更像池狀沸騰而不同於滴狀沸騰，沸騰的起始點都不是產生在液-液接觸面上，而是在PF5050液體層中靠近界面處。隨着Re數的增大，氣泡分離的體積有減小的趨勢，水流速度增大時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，主要集中於對靜止液層中飽和及過熱蒸汽氣泡的冷凝過程的研究，而對於本課題所涉及的填料塔內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改進了對填料塔式直接接觸冷凝器的分析，對一個微分控制單元進行了能量和質量平衡的分析，得出了局部的傳熱和傳質係數。此傳熱和傳質係數採用了滲透理論來關聯。

2000年，王一平等人開發了直接接觸式環流換熱器。實驗表明，平均體積換熱係數隨着工質流量的增大而增大，隨平均傳熱温差的增大而減小。隨着工質的不斷氣化，兩相間的温差也發生變化，從而導致了軸向上的體積換熱係數隨上升高度的增大而逐漸下降。並在實驗的基礎上從單個液滴氣化傳熱的機理出發，推導出體積換熱係數分佈的表達式及平均體積換熱係數的準數關聯式。之後，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行了研究，研究表明，體積換熱係數隨着初始温度和連續相流體流速的增大而增大，而分散相的流速則對體積換熱係數影響不大。

在同一年裏，章學來等人對直接接觸式蓄冷系統進行了實驗研究，其參與換熱的介質為水與R123。研究表明，蓄冷罐內體積換熱係數隨罐內水温的下降而減小，隨罐內水位的升高而降低，隨初始水温的增加而減小。製冷節流閥開度立了兩個塔，其中一個順流換熱一個逆流換熱。研究根據守恆定律，建立了一維模型，用來描述冷凝器不同階段的温度、濕度和冷凝速率，結果表明逆流冷凝比順流冷凝效率高15%。而當水鎖發生在填料牀層中時，冷凝換熱的效率降低。當用高速攝像機觀察時發現，此種現象可能在任何操作條件下發生，其主要是由填料表面的潤濕特性決定 ^[2]  。

而早在1989年，我國的南建忠和吳治堅即對填料塔內直接接觸冷凝進行了實驗研究。通過研究，測算了鋼塔內徑為250mm，壓力在0.142~0.190MPa範圍內，使用公稱尺寸為25mm的聚丙烯矩鞍、階梯環及16，25mm瓷矩鞍四種填料時，R11蒸氣與水逆流直接接觸凝結的平均體積傳熱係數，根據塔內軸向温度場變化，測定了100cm填充高度中的有效凝結段長度。之後提出了在亂堆填料塔內描述氣液直接接觸冷凝過程的雙液膜模型，雙液膜模型再根據實驗數據，關聯成了半經驗半理論準則方程式，其擬合偏差為±15%。