（化工过程机械专业论文）采用直接接触式换热器的蒸气压缩式热泵系统的初步研究.pdf

摘要 直接接触换热为一种高效的换热方式，与传统的间壁式换热相比，它的热阻 大大减小，并且不受换热面结垢和腐蚀的影响。把直接接触换热技术用于热泵系 统则会大大提高热泵系统中冷凝器和蒸发器的换热效率，减小两换热器的换热温 差，提高热泵系统的效率。因此本文对采用直接接触式换热器的蒸气压缩式热泵 进行了初步研究。 首先，为了明确换热温差的降低对热泵性能系数c o p 的影响，通过用热力 学的方法，对理论c o p 进行了计算。计算表明，随着冷凝温度与蒸发温度的不 断接近，c o p 的提升速度也不断加快，即两端温差越小，减小冷凝温度与蒸发 温度之差就会对c o p 的提升越有效。 之后，选择r 6 0 0 a 作为制冷剂，水为载冷剂，建立了采用直接接触式换热器 的热泵实验系统。经过调试，此热泵系统实现了稳定运行。 最后，通过实验对影响直接接触式换热器体积换热系数和热泵系统c o p 的 因素进行了研究。研究表明，体积换热系数随对数平均温差成负指数变化，随气 体流量的增大而线性增大；热泵系统的c o p 则随着气体流量和换热器体积换热 系数的增大都相应增大。 关键词：直接接触换热，热泵，性能系数，换热温差，体积换热系数 a b s t r a c t d i r e c t c o n t a c th e a tt r a n s f e ri sak i n do fh e a tt r a n s f e rm e t h o do fh i g he f f i c i e n c y c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a li n d i r e c th e a tt r a n s f e r , i th a sl o wt h e r m a lr e s i s t a n c ea n dn o s c a l i n ga n dc o r r o s i o n i ft h ed i r e c tc o n t a c th e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yi st ob eu s e di n h e a tp u m ps y s t e m ，h e a te x c h a n g ee f f i c i e n c yo fc o n d e n s e ra n de v a p o r a t o rw i l lb e i n c r e a s e dg r e a t l ya n dh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew i l lb ed e c r e a s e d s ot h e c o po fh e a tp u m pi si n c r e a s e d i nt h i sw o r k ，t h ev a p o rc o m p r e s s i o nh e a tp u m p s y s t e mw i t hd i r e c t c o n t a c th e a te x c h a n g e rw a ss t u d i e do nap i l o ts y s t e m f i r s to fa l l ，i no r d e rt om a k ec l e a rt h ei n f l u e n c eo fh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo nt h ec o po fh e a tp u m p ，t h et h e o r e t i c a lc o pw a sc a l c u l a t e db y t h e r m o d y n a m i c sm e t h o d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o p i n c r e a s e sr a p i d l y a st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ea n de v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e d e c r e a s e s t h a ti s ，t h es m a l l e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t h el a r g e rp r o m o t i o nt ot h e c o pb yt h ed e c r e a s eo ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e t h e n ，t h eh e a tp u m pe x p e r i m e n t a ls y s t e mw i t hd i r e c t - c o n t a c th e a te x c h a n g e rw a s e s t a b l i s h e d r 6 0 0 aa n dw a t e rw e r eu s e da sr e f r i g e r a n ta n dc o o l a n t s t a b l eo p e r a t i o n w a sa c h i e v e da f t e rc o m m i s s i o n i n g a tl a s t ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ev o l u m eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h e c o pw e r es t u d i e db ye x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev o l u m eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n th a sa p p r o x i m a t e l yan e g a t i v ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i pw i t hl o g a r i t h m i c m e a nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dap o s i t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hg a sf l o wr a t e t h e c o pi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ev o l u m eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dg a sf l o w r a t e k e yw o r d s ：d i r e c t - c o n t a c th e a tt r a n s f e r , h e a tp u m p ，c o p , h e a tt r a n s f e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，v o l u m eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 2 前言 1 - j 刖吾 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界能源形势越发严峻，与此同时，化石能源的广 泛、大量使用所带来的环境问题也日益加剧。人们普遍开始关注节约能源、有效 利用能源、开发新能源等问题。在各种解决能源紧缺和加强环境保护的措施中， 热泵技术正是开发和强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维护 生态平衡的有效途径之一，推进热泵技术的发展是能源工程综合利用的需要。 热泵是以消耗一部分高品位能( 如机械能、电能或高温位能等) 为代价，通过 热力循环，把相对较多的热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置，从而 在能量品位上“损不足以补有余 ，使之适于人们利用。早在十九世纪初，欧洲 即提出了“热泵”的概念，而我国也在二十世纪中期开始了对热泵的研究。近年 来，随着经济发展和热泵技术的进步，黄河流域、华北等寒冷地区政府有关部门 已积极倡导用热泵供暖。由于各种热泵效率高，使用方便，对使用地不产生污染， 已逐渐成为供热的首选技术。因此对新型高效热泵的研究，对整个社会的节能和 环保有着重要的意义。 作为热泵系统中的主要构成部分，蒸发器和冷凝器的换热性能以及换热温差 对热泵系统的性能系数有着十分重要的影响。在现有的热泵系统中，常用的冷凝 器有壳管式冷凝器、盘管式冷凝器、套管式冷凝器、气冷式冷凝器和板式冷凝器； 常用的蒸发器则分为干式蒸发器和满液式蒸发器。在这些换热器中，制冷剂与载 冷剂之间间壁换热，因此制冷剂与载冷剂之间一般必须有5 甚至5 以上的传 热温差才能保证传热有效的进行。由于传热温差的存在，使得热泵系统中的蒸发 温度必须低于热源温度5 ，冷凝温度则需要高于热汇温度5 ，蒸发温度与冷 凝温度之间差值的增大使得热泵系统的效率发生了降低。 直接接触换热可以有效地减小两流体之间的换热温差，从而减小蒸发温度与 冷凝温度之间的差值，提高热泵系统的效率。与间壁式换热相比，直接接触换热 还具有腐蚀小、无结垢、换热效率高、压降小和投资费用低等优点，因此，本文 将直接接触式换热器与蒸气压缩式热泵相结合，冷凝器和蒸发器同时都采用直接 接触的换热方式，以减小两端的换热温差，从而提高热泵系统的性能系数。实验 结果表明，此种新型热泵是可行的，采用直接接触式换热器的蒸气压缩式热泵系 统实现了稳定运行，且制冷剂与载冷剂在换热器内实现了高效的换热，两者之间 的传热温差得到了有效的降低。在通过不断的完善后，此热泵系统将能更进一步 的提高效率，从而实现节能降耗的目的。 符号说明 符号说明 英文字母 r a 传热面积，m 2 ；关联系数 口 比表面积，m 2 m 3 ，理想气体p 热容温度关联系数 仃 c 热容，j ( k g ) c o p 性能系数下标 d 极差 b d直径，m m c g 重力加速度，9 8 1 m s 2 c h 谂k j k g d k 换热系数，w ( m 2 ) e 聊 质量流量，k g s 或k g h f p 压力，m p a ；理论功率，k w g q 热量，冷量，j ；换热量，w 日 q 热流密度，w m 2 ； f r 通用气体常数， 三 8 31 4 j ( m o l k ) ；蒸发焓，k j k gm s 熵，k j ( k g k ) ；壁厚，m m n 丁 绝对温度，k o t相对温度，p u 喷淋密度，m 3 ( m l h ) r 材 速度，m s ， y 体积，m 3 ；体积流量，m 3 h s ， 比容，m 3 l ( g s n 形 功，j 丁 z 气体压缩系数 f 希腊字母 1 ， 彳 差值符号 w s逆卡诺循环的性能系数：空隙上标 率，m 3 一堙 s 转子流量计的膨胀系数 r 热力完善度 黏度，m p a s 密度，k g m 3 许用应力，m p a 偏心因子 沸点下 冷凝器 临界性质，连续相，压缩机 分散相 蒸发器 泛点 出发生器 热泵；高温热源 进口 液相 单位质量，平均值 标准状态下 出口 等压条件下 制冷机 对比性质，制冷剂 使用状态下 被测量流体在标准状态下 等温条件下 理论值 单位体积，气相 水 理想气体状态 剩余性质 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锄瞒签字日期：聊年么月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 乙 签字日期：泗扩年乡月2 日 签字日期：1 伊矿狰石月日 第一章绪论 1 1 热泵系统的发展 第一章绪论 欧洲在十九世纪初最早使用“热泵 这个词，实际上压缩式热泵理论可以追 溯到1 8 2 4 年，由科学家卡诺提出了著名的卡诺循环。十九世纪初，科学界开始 对热能是否可泵送至较高温度发生了兴趣。英国物理学家焦耳论证了改变气体的 压力f l 臣j l 起温度变化的原理。开尔文首先提出并描述了关于热泵的设想，但当时 的技术基础使他没有可能设计出现代这样的热泵装置。 直至上个世纪2 0 3 0 年代，热泵才有了较快发展。一方面，在这之前的工业 技术特别是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础，另一方面社会上出现 了对热泵的需求，有代表性的是英国的h a i d a n e 1 】于1 9 3 0 年在他的著作中报道了 1 9 2 7 年苏格兰试验安装的一台家用热泵。用氨作工质，外界空气为热源，用来 作为采暖及加热水。这是英国安装的第一台热泵。当时h a l d a n e 己认识到通过简 单的循环切换来实现冬季供热、夏季制冷的可能性。他还研究了利用废水热量， 廉价的低谷电力，用低温热源制冰等问题。在这之后，美国开始对热泵进行了不 少设计与研究，但能进行成功实验的很少。至1 9 3 1 年左右，美国南加利福尼亚 安迪生公司的洛杉机办公楼，将制冷设备用于供热，这是大容量热泵的最早应用， 供热量达1 0 5 0 k w ，制热系数达2 5 【2 1 。欧洲第一台较大的热泵在1 9 3 8 - 1 9 3 9 年间， 安装于瑞士苏黎世【3 】。以河水作低温热源，采用离心式压缩机，r 1 2 作工质，向 市政厅供热1 7 5 k w ，制热系数为2 0 ，输出水温6 0 。c ，有蓄热系统，在高峰负荷 时采用电加热作为辅助加热，该装置夏季也能用来制冷。 热泵技术在2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代早期又获得迅速发展，到1 9 4 3 年大型 热泵的数量已相当可观。4 0 年代，美国也开始对热泵有了进一步的认识。1 9 4 8 年小型热泵的开发工作有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用热泵大批投放市 场。英国在5 0 年代也生产了许多小型民用热泵。1 9 5 0 年左右，美、英两国开始 了对使用地下盘管吸收地热作为热源的家用热泵的研究工作。至1 9 5 0 年，已有 2 0 个厂商及1 0 余所大学和研究单位从事热泵的研究，当时拥有的6 0 0 台热泵中 约5 0 用于房屋供暖，4 5 为商用建筑空调，仅5 用于工业。通用电器公司生 产的以空气为热源、制热与制冷可自动切换的机组，使空调用热泵作为一种全年 运行空调机组进入了空调商品市场【l j 。 热泵技术在2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代初( 1 9 5 2 1 9 6 3 ) 这1 0 年中经历着迅 第一章绪论 速成长的阶段。由于热泵可以把制冷与采暖合用一套装置，在电力充足而电能价 格又便宜的地区使用时运行费用甚低，用户对热泵产生了兴趣，使热泵进入了早 期发展阶段。1 9 5 7 年美国决定在建造大批住房项目中用热泵采暖代替原先设想 的燃气供热方案，这又是热泵的发展形成了一个高潮，至6 0 年代初在美国安装 的热泵机组已近8 万台【4 1 。然而，由于过快的产品增长速度造成设备制造质量较 差，设计安装水平低，维修及运行费过高，到1 9 6 4 年热泵可靠性的问题已成了 一个十分严峻的问题，又因6 0 年代电价持续下降，人们对电加热器的需求不断 增加，使之成了热泵发展的主要竞争对手，限制了热泵的发展，热泵工业进入了 l o 年的徘徊状态。 直至2 0 世纪7 0 年代中期，热泵才重新有了快速增长。这一方面是由于热泵 技术的发展，机组可靠性的提高，另一方面是1 9 7 3 年能源危机的推动。7 0 年代 初期，人们广泛认识到矿物燃料在地球上是有限的，热泵以其回收低温废热、节 约能源的特点，在对产品性能和可靠性进行改进后重新登上历史舞台，受到了人 们的青睐。比如美国，热泵的年产量从1 9 7 1 年的8 2 万套猛增至1 9 7 6 年的3 0 万套，1 9 7 7 年再次跃升为5 0 万套【1 】。至19 8 8 年，热泵式房间空调器年产量已达 3 2 1 万台。至1 9 9 9 年，包括热泵式的单元式热泵空调机年产量超过了10 0 0 万台。 1 9 9 2 1 9 9 4 年，国际能源机构的热泵中心在国际制冷学会的合作下进行了国 际热泵状况与政策调研，对于2 5 个国家在热泵方面的技术和市场状况、有关政 策和国际合作等进行了调查和分析【4 】。全世界当时已经安装运行的热泵己超过 5 5 0 0 万台，除住宅热泵外，世界已有7 0 0 0 台工业热泵在使用，近4 0 0 套区域集 中供热系统在供热。 我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵发展与应用说来，有一段 明显的滞后期。1 9 6 5 年，原上海空调器厂研制成功我国第一台制热量为3 7 2 0 w 的热泵型空调器【4 】，但因换向阀的工作可靠性问题，长期未有发展。相比之下， 我国的学术界比较活跃，早在5 0 年代，我校的一些学者已开始从事热泵研究。 7 0 年代后期，由于能源危机所推动的世界性热泵发展也影响了我国学术界。中 国制冷学会、中国建筑科学研究院空调研究所、广州能源研究所等组织了有关热 泵及低势能利用方面的学术会议。当时学术界的普遍看法是我国的热泵发展首先 应从工业应用开始，然后才有可能用于空调并逐步进入家庭。实际情况的发展也 确是如此，这也与日本及其他国家的热泵发展过程相似。 随着我国改革开放政策所带来的经济飞速发展，人们生活水平的显著提高， 住宅条件的改善，电力供应的增长，特别是城市商场、高层住宅的兴建，大大促 进了空调与热泵产业。以包括热泵在内的房间空调器年产量的增长为例，1 9 9 1 年的产量仅5 9 6 万台，2 0 0 5 年空调产量已达7 4 6 9 万刽4 | ，这种发展速度是空前 2 第一章绪论 的。 此外，单元式热泵机组及热泵型冷水机组也有相应发展。就我国目前空调用 各种热泵的产量而言，大致相当于美国或日本9 0 年代的水平。数量上已步入世 界空调用热泵产量的大国。产品在质量上也与美国、日本等相差不远。 进入2 l 世纪以来，我国热泵理论研究工作比前1 0 年显著的加大了深度与广 度，打破了空气源热泵一统天下的局面和研究工作仅局限于空气空气热泵的研 究范畴。这1 0 年中高等院校和科研单位纷纷对空气源热泵、水源热泵、地源热 泵和水环热泵空调系统等进行了研究，尤其是对大地耦合热泵的理论研究更活 跃，研究的内容也十分广泛，包括热泵的变频技术与变容积技术、热泵计算机仿 真和优化技术、热泵的c f c s 替代技术、空气源热泵的除霜技术、多联式热泵技 术等，热泵热水器、海水源热泵、与太阳能结合的热泵系统等新产品不断涌现。 但新品种特别是压缩机的开发能力与国际先进水平差距还较大。 1 2 热泵用换热器 冷凝器和蒸发器是蒸气压缩式热泵系统的主要换热设备，其运行特性直接影 响到装置的热力性能及经济性。 1 2 1 冷凝器 冷凝器将压缩机排出的高温高压蒸气的热量导走，使之冷凝成液态工质。冷 凝器必须有足够的传热面积。有时，冷凝器中一部分容积担当贮液器的功能。常 用的冷凝器有：壳管式冷凝器、盘管式冷凝器、套管式冷凝器、气冷式冷凝器、 板式冷凝器。下面分别对其进行介绍。 1 、壳管式冷凝器【5 】 壳管式冷凝器分为卧式和立式两种，在热泵应用中最为广泛。图1 1 所示为 卧式壳管式冷凝器的结构简图，它是由外壳、管板、冷凝管、折流板和水箱所组 成。 图1 1 卧式壳管式冷凝器 f i g u r e1 - 1h o r i z o n t a ls h e l la n dt u b ec o n d e n s e r 第一章绪论 卧式壳管式冷凝器的优点是传热系数较高，故应用十分广泛，可与大、中、 小容量的压缩机配套。 立式壳管式冷凝器占地面积小，可露天安装，清洗较方便；缺点是传热系数 较低，冷却水消耗量较大，适用于水源充足、水质较差的地区。目前主要用于大 中型氨制冷系统中。 2 、盘管式冷凝器1 5 】 在圆柱形壳体内由一组或多组螺旋盘管组成，如图1 2 所示。高温高压蒸气 从壳侧项部进入，冷凝液从底部流出。冷却水在螺旋盘管内流动。可制成卧式或 立式结构。它比壳管式的结构更简单，造价低，但不能用机械清洗。适用于中小 型系统。 图1 2 盘管式冷凝器 f i g u r e1 - 2c o i l p i p ec o n d e n s e r 3 、套管式冷凝器1 6 j 套管式是冷凝器中，结构最紧凑而且蓄液量最小的型式。如图1 3 所示，它 在一根较大直径管中套入一根或几根小直径的铜管弯制成螺旋型，内、外管间距 离靠低肋片保持相等。一般在管外流动的是待冷凝的工质蒸气，而内管中流动的 则是冷却水，工质和冷却水完全呈逆流布置。套管式冷凝器一般用于制冷量小于 4 0 k w 的系统中。管壁如被污染时，可用化学方法清洗。 4 第一章绪论 工质蒸气 工质液体 图1 3 套管式冷凝器 f i g u r el 一3d o u b l ep i p ec o n d e n s e r 4 、气冷式冷凝器l 气冷式冷凝器由几组蛇形盘管组成，在盘管外加肋片，并采用风机加速空气 流动以强化空气侧换热效果。 气冷式冷凝器结构型式如图1 4 所示。工质蒸气从上部的分配管进入蛇形管 中，冷凝液从下部排出。空气与工质呈叉流布置。其最突出的优点是不用冷却水， 特别适用于供水因难地区。气冷式冷凝器已在中、小型机组中得到广泛应用，并 且在大型系统中的应用也日益增多。该型式操作简单，制造费用最低。缺点是它 受季节的影响较大，在夏季气冷式比水冷式冷凝器的冷凝温度高出许多，使压缩 机功耗增加。另外，气冷式的噪音问题在设计时也应考虑到。气冷式冷凝器置于 室外，肋片和管壁外表面易被污染，由此使换热性能下降，故应考虑定期清洗。 进气 图1 4 气冷式冷凝器 f i g u r e1 - 4a i rc o o l e dc o n d e n s e r 第一章绪论 5 、板式冷凝器1 6 】 图1 5 所示为钎焊板式冷凝器结构。它是由一组人字形波纹的不锈钢板装配 而成的，相邻板的波纹角朝向相反。板组件就是靠这些波峰彼此交叉而形成的大 量接触点来支撑的。板式冷凝器是一种高效紧凑的换热器，适用于各种容量的热 泵系统中的制冷工质与水的换热。但对冷却水质要求较高，需要过滤处理，定期 清洗；而且由于内容积小，不能贮存液体工质，需要另外安装贮液器。 图1 5 钎焊板式冷凝器 f i g u r el 一5s o l d e r i n gp l a t ec o n d e n s e r 冷凝器必须将工质在蒸发器中的吸热量和压缩工质所耗的功转变成的热量 全部排掉。单位时间内冷凝器的排热量称为冷凝器的热负荷，用幽表示，单位 为w 。冷凝器的尺寸，也即其换热面积可由换热方程得到： 绋= 砭4 码= q n 4 ( 1 - 1 ) 式中一换热系数，w ( m 2 - ) ； 彳广换热面积，m 2 ； 彳f 广冷凝器平均换热温差，； 口广冷凝器热流密度，w m 2 。 常用冷凝器的传热系数和热流密度q z 值可参考表1 1 【2 】 6 第一章绪论 表1 1 常用冷凝器的传热系数群和热流密度 值 t a b l e1 - 1c o m m o n l yu s e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dh e a tf l u xo fc o n d e n s e r 1 2 2 蒸发器 蒸发器将被冷却对象的热量传递给循环工质，使工质液体蒸发成蒸气返回压 缩机。在制冷时，工质通过蒸发器吸取热量使被冷却对象达到低温；在制热时， 工质通过蒸发器吸收低温环境或余热废热的热量，向高温区输送。因此，蒸发器 的性能直接影响到热泵的性能。 根据流过蒸发器的工质液体和蒸气的相对量的多少可以将蒸发器分为干式 蒸发器和满液式蒸发器。在干式蒸发器中，如图1 6 1 6 j 所示，通过制冷工质流量 控制装置，只让一定量的液体工质进入蒸发器，并在到达出口时正好完全被蒸发 或有一点过热，所有工质都以干蒸气形式离开蒸发器。工质在管内流动与在管外 流动的被冷却介质呈叉流。这种形式的一个主要特征是在管中未被工质液体完全 充满，由于蒸气量大，液体量小，管子内表面只有一部分被液体浸润。由于管壁 表面对液体传热比对气体传热强得多，因而干式蒸发器与完全被液体浸湿相比， 需要更大的传热面积。但干式蒸发器充注工质量小，润滑油易返回压缩机，在空 调上应用较多。属于这一类的有壳管式蒸发器和直接蒸发式空气冷却器。 2 1 工质液体；2 工质气体 图1 6 干式蒸发器 1 - r e f r i g e r a n tl i q u i d ；2 一r e f r i g e r a n tg a s f i g u r e1 - 6d r y e v a p o r a t o r 7 第一章绪论 满液式蒸发器结构如图1 7 t 6 1 所示，它可以弥补干式蒸发器的不足。其主要特 点是蒸发器传热面积的大部分或全部被液体工质浸润，因而换热系数较大。其缺 点是需要充注较大量的工质；而且若采用能溶于润滑油的工质，则润滑油将难于 返回压缩机。属于这一类的蒸发器有立管式、螺旋管式和卧式壳管式蒸发器等。 1 工质液体；2 浮球阀；3 工质气体；4 蒸发盘管 图1 7 满液式蒸发器 1 - r e 仔i g e r a n tl i q u i d ；2 一f l o a tv a l v e ；3 - r e 丘i g e r a n tg a s ；4 - e v a p o r a t i n gc o i l f i g u r e1 - 7f l o o d e de v a p o r a t o r 蒸发器传热面积的计算与冷凝器相同，常用蒸发器的传热系数和热流密 度q r 值可以参考表1 - 2 2 1 。 表1 - 2 常用蒸发器的传热系数和热流密度q r 值 t a b l e1 - 2c o m m o n l yu s e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dh e a tf l u xo fe v a p o r a t o r 第一章绪论 1 3 接触换热的发展和研究现状 直接接触换热是指高温介质与低温介质直接接触进行换热的过程，此两种介 质可以为相同物质，也可以不同。早在1 9 0 0 年出版的h a u s b r a n d 编著的蒸发、 凝结和冷却装置一书中，就提出了直接接触式换热的概念，实际上直接接触式 换热也早已应用在我们生产、生活的许多方面，如冷却塔、淬火、分馏、海水淡 化和废热回收等。与间壁式换热器相比，直接接触式换热器具有腐蚀小、无结垢、 换热效率高、传热温差小、压降小和投资费用低等优点，同时也有一些比较明显 的缺点，比如由于两种介质直接接触，这就要求他们互不相溶，互不发生反应， 否则将会引起污染。 对直接接触式换热的研究主要分为两部分：1 、对直接接触蒸发的研究；2 、 对直接接触冷凝的研究。下面对这两部分的研究进展进行一些简单的介绍，以方 便了解现在直接接触式换热地研究现状。 1 3 1 直接接触蒸发的研究 在对液滴蒸发过程的研究中，大量涉及到单一液滴在互不相溶液体中的蒸发 研究，而只有少量的实验与理论研究涉及到多液滴的蒸发及直接接触式换热器整 体换热的研究。 早在1 9 6 5 年，s i d e m a n l 7 1 就开始了对直接接触蒸发的研究，在其文章中研究 了逆向喷射式换热器中正戊烷液滴在水中蒸发时其初始尺寸的影响。之后在1 9 6 7 年，s i d e m a n 和g a t 8 】研究了戊烷水系统的换热特性，发现水的流率对换热的影 响相对很小。 1 9 7 9 年b l a i r 掣9 j 研究了直接接触式容积型锅炉的特性，通过对c f c1 1 3 水 工质对的换热分析表明其容积换热系数小于s i d e m a n 和g a t 的戊烷水工质对。 1 9 8 2 年s m i t h 等【1 0 】用环戊烷和静止水进行了实验，实验中采用两块喷孔分布 板，其中第二块板分布密集，使从喷孔出来的液滴大量聚合，在一定的温差下完 成蒸发过程所需液柱高度增加。在此研究基础上建立了两种互不相溶的液体直接 接触蒸发的容积换热系数的分析模型，在其模型中，传热应用单液滴关系表示， 而流动应用漂移流动假说，并将热交换器分为两个区域，即聚合前( 单汽泡行为) 、 聚合后( 当空隙率一定时，汽泡互相干涉) ，但该模型仅限于连续相为静止的情况。 在19 8 9 年s e e t h a r a m u 和b a t t y a t 观察了c f c1 13 与正戊烷在静止蒸馏水中 的直接接触蒸发过程，并在s m i t h 等分析的基础上改进了理论容积换热系数的理 论模型，分析了液柱高度、温差、扩散相流率及分布板喷孔直径和数目的影响， 结果表明扩散相越轻，相同流率下的空隙率越高。由于逆向流动紊流增强，容积 9 第一章绪论 换热系数也相应增大。 1 9 8 8 年时，f u j i t a 1 2 】对r 11 3 逆流向上喷入装有热水的垂直管道中并在其中蒸 发上升的过程进行了研究，通过研究表明，由于喷嘴出口处汽泡聚合时状态的不 同，蓄冷罐内的蒸发区域可划分为三个不同的区域，即不稳定、稳定及柱状，而 制冷剂温度、流量、温差、核化用的氮气量等的增加可使流型由不稳定、稳定最 后变为柱状。 在同一年里，s h i m i z u 和m o r i i b 】研究了1 4 1 7 m m 直径的正戊烷液滴和r l l 3 在0 4 8 m p a 以内的蒸发过程，通过研究认为，在相同的温差下，压力对液滴的 运动并无影响，但可增加液滴完全蒸发的时间和柱高。s h i m i z u 和m o r i l l 4 1 也认为 压力几乎对液滴的上升速度没有影响，但对于压力对柱高的影响没有得出肯定的 结论。s h i m i z u h 和m o r i 1 5 】通过对非共沸混合制冷工质c f c l1 3 c f c l1 4 的分析得 出：与单工质相比较，压力和温差对非共沸混合制冷工质汽泡的换热的影响更大。 c e l a t a 和c u m o 1 6 j 在1 9 9 5 年对不互溶液体直接接触并发生沸腾的现象进行了 实验研究，连续相水为静止的，分散相r l l 4 通过喷嘴以不同速度和状态喷入水 中，通过摄像机记录制冷剂喷入和喷入之后以及制冷剂气化上升时的状况，通过 计量通过系统后未被气化的制冷剂量来确定沸腾效率。实验表明，在换热温差小 于1 2 1 5 k 时，液滴在管内的蒸发带来的局部温度降低几乎可以忽略，此时由喷 入口带来的湍流在传热中起到了更重要的作用。 19 9 9 年，s i q u e i r o s 和b o n i l l a 1 7 】建立了鼓泡塔形式的三相直接接触式换热器， 其中戊烷为分散相，水为连续相，水入口温度为7 5 度8 8 度，戊烷入口温度为 2 3 - 3 8 度，体积换热系数、持液量、热流率是戊烷质量流量的函数，在柱高1 9 m 时，体积换热系数约为4 。4 8 o k w m 3 k 。而过高的戊烷流量则会导致换热器液泛， 并在有效容积的顶部有液态的戊烷积累。 在2 0 0 0 年，王一平等人【1 8 】开发了直接接触式环流换热器。实验表明，平均 体积换热系数随着工质流量的增大而增大，随平均传热温差的增大而减小。随着 工质的不断气化，两相间的温差也发生变化，从而导致了轴向上的体积换热系数 随上升高度的增大而逐渐下降。并在实验的基础上从单个液滴气化传热的机理出 发，推导出体积换热系数分布的表达式及平均体积换热系数的准数关联式。之后， 王一平等人【19 又对水与分散在水中的戊烷液滴之间的换热进行了研究，研究表 明，体积换热系数随着初始温度和连续相流体流速的增大而增大，而分散相的流 速则对体积换热系数影响不大。 在同一年里，章学来等人【2 0 】对直接接触式蓄冷系统进行了实验研究，其参与 换热的介质为水与r 1 2 3 。研究表明，蓄冷罐内体积换热系数随罐内水温的下降 而减小，随罐内水位的升高而降低，随初始水温的增加而减小。制冷节流阀开度 l o 第一章绪论 越大，最高容积换热系数越大，平均换热系数也越大。而制冷剂的充灌量则对容 积换热系数影响不大。之后在2 0 0 2 年，章学来等人【2 1 】又通过实验，研究了添加 剂对直接接触式相变换热的影响。结果表明，锌粉对直接接触式相变换热效果最 好，而丁醇则几乎没有效果。 2 0 0 6 年，代乾等人【2 2 】对直接接触式二元冰蓄冷实验的影响因素和传热特性进 行了研究。研究结果表明，在对载冷剂与乙二醇的分离影响不大的情况下，载冷 剂在流速超过1 8 m s 时，增大流速可以有效的提高体积换热系数，当载冷剂喷 口流速超过2 5 m s 时，体积换热系数随流速增长变得缓慢。该研究得到的最大 体积换热系数约为1 3k w m 3 k 。 在2 0 0 7 年，k a t s u h i k ok a d o q u c h i t 2 3 】实验研究了挥发性液体p f 5 0 5 0 在与不互 溶的热水直接接触时气化的现象，研究表明：液液界面之间更像池状沸腾而不 同于滴状沸腾，沸腾的起始点都不是产生在液液接触面上，而是在p f 5 0 5 0 液体 层中靠近界面处。随着r e 数的增大，气泡分离的体积有减小的趋势，水流速度 增大时界面分离出的气泡大小将接近从液滴上分离出的气泡大小。 1 3 2 直接接触冷凝的研究 对直接接触冷凝的研究，主要集中于对静止液层中饱和及过热蒸汽气泡的冷 凝过程的研究，而对于本课题所涉及的填料塔内气液接触冷凝过程则很少有人研 究，甚至对液体表面蒸汽冷凝的研究也很少。下面简单的介绍一下近十多年对此 方向的研究。 在1 9 9 5 年，b o n t o z o g l o u 和k a r a b e l a s 【2 4 】改进了对填料塔式直接接触冷凝器的 分析，对一个微分控制单元进行了能量和质量平衡的分析，得出了局部的传热和 传质系数。此传热和传质系数采用了渗透理论来关联。 1 9 9 6 年，d e a n d r e s 等人【2 5 】通过实验考察了装有规整填料的直接接触式换热 器的性能，此换热器作为各级压缩机中的中间冷却器。压缩机从发电厂抽取低温 气体。被抽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。此次 实验在压力为1 6 到1 6 k p a ，不凝性气体质量分数为0 1 到0 9 间进行，其结果显 著地扩展了冷凝器的基础数据，说明了高不凝性气体质量分数和过热度对传质传 热过程的影响。结果表明，此换热器可以被设计用来冷凝蒸气，同时只引起少量 的温度降低和压力降低。 2 0 0 6 年，g e n i c 2 6 j 对采用板式塔的直接接触冷凝进行了实验研究，水和蒸汽 在直径3 0 0 m m 的塔内在降液盘上接触换热，研究总结得出了传递单元数与动能 因子的关系。 同年，l i 等人【27 】对用填料塔凝结空气中的水蒸气进行了研究，实验中建 第一章绪论 立了两个塔，其中一个顺流换热一个逆流换热。研究根据守恒定律，建立了一维 模型，用来描述冷凝器不同阶段的温度、湿度和冷凝速率，结果表明逆流冷凝比 顺流冷凝效率高1 5 。而当水锁发生在填料床层中时，冷凝换热的效率降低。当 用高速摄像机观察时发现，此种现象可能在任何操作条件下发生，其主要是由填 料表面的润湿特性决定。 而早在1 9 8 9 年，我国的南建忠和吴治坚【2 8 】即对填料塔内直接接触冷凝进行 了实验研究。通过研究，测算了钢塔内径为2 5 0 m m ，压力在o 1 4 2 - 0 1 9 0 m p a 范 围内，使用公称尺寸为2 5 m m 的聚丙烯矩鞍、阶梯环及1 6 ，2 5 m m 瓷矩鞍四种填 料时，r 1l 蒸气与水逆流直接接触凝结的平均体积传热系数，根据塔内轴向温度 场变化，测定了l o o c m 填充高度中的有效凝结段长度。之后提出了在乱堆填料 塔内描述气液直接接触冷凝过程的双液膜模型，双液膜模型再根据实验数据，关 联成了半经验半理论准则方程式，其拟合偏差为15 。 1 4 课题的提出 本课题提出把直接接触式换热器与蒸气压缩式热泵系统相结合，使制冷剂与 载冷剂进行直接接触换热，从而降低制冷剂与载冷剂之间的传热温差，使热泵系 统的效率得以提高，达到节能降耗的目的。 1 4 1 课题的理论依据 热泵是以消耗一部分高品位能( 如机械能、电能或高温位能等) 为代价，通过 热力循环，把相对较多的热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。与制 冷相比其工作机理完全相同，区别只是制冷利用的是吸热端，而热泵利用的是放 热端。按工作原理不同，热泵的基本形式分为压缩式、喷射式、吸收式、吸附式、 热电式和化学热泵等【1 1 ，其中压缩式热泵的应用最广，技术也最为成熟。 蒸气压缩式热泵利用压缩机做功，使系统得到大于输入功的热量。蒸气压缩 理论循环过程如图1 8 所示： 1 2 第一章绪论 图1 8 温一熵示意图 f i g u r e1 - 8s k e t c ho f t - s 从上图中可以看出，其蒸发和冷凝温差越小，则性能系数c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ) 越大，系统的经济性就越高。传统的蒸气压缩式热泵均采用间壁式 换热器，考虑初投资和运行费等因素，载冷剂和制冷剂之间的经济换热温差通常 选为3 5 【2 纠，即若要得到一定温度的载冷剂，蒸发和冷凝之间的温差因两侧间 壁换热的原因须增大6 1 0 。若能有效降低载冷剂和制冷剂之间的换热温差， 在同样的制热( 冷) 量的情况下，系统耗电量能将大大降低。据业内统计，截止 到2 0 0 2 年全世界约有1 3 亿台热泵在运行【3 0 1 。最新统计数据表明，全世界使用 的热泵数量已超过1 5 亿台。随着节能要求的增加，这个数量还将大幅度增加， 因此本课题所开发的技术一旦成功，必将产生巨大的社会、环境和经济效益。 1 4 2 课题的研究内容和目标 究： 本课题拟从以下两方面入手，对采用直接接触式换热器的热泵系统进行研 采用直接接触式换热器的蒸气压缩式热泵系统的集成研究，即研究由 直接接触式换热器的使用而带来的关于热泵系统稳定运行的相关问 题。通过此部分的研究，使得直接接触式换热器能够顺利应用于蒸气 压缩式热泵系统，此热泵系统能够长期稳定的运行，从而极大地推动 此技术的推广和应用。 直接接触式换热器换热效率的研究，即对直接接触式换热器的结构形 式以及内部构件进行研究。一方面，使得在运行工况下，制冷剂与载 冷剂之间的换热温差能够降低到l 以下；另一方面，通过对直接接 触式换热器的优化研究，使得此换热器有尽量小的体积，从而便于蒸 第一章绪论 气压缩式热泵系统的集成。 1 4 3 本文的工作 由于目前在国内外公开文献中都未见对采用直接接触式换热器的蒸气压缩 式热泵的研究进行报道，因此可以借鉴的资料非常少，对应也作了更多的前期准 备工作和探索性尝试。本文将对采用直接接触式换热器的蒸气压缩式热泵系统进 行初步的理论和实验研究，具体研究内容主要包括： 1 、理论分析和计算换热温差的减小对蒸气压缩式热泵系统性能系数的影 响； 2 、设计建造一台采用直接接触式换热器的蒸气压缩式热泵系统； 3 、调试和运行此热泵系统，记录整个过程中的温度、压力和流量的变化， 从中分析此热泵系统运行过程中出现的问题，了解直接接触式换热器和 此热泵系统的性能及相关因素的影响。 1 4 第二章热泵性能的理论分析 第二章热泵性能的理论分析 任何一个有功能转换的热力系统，都有性能评价问题，评价一个热力系统的 性能，总是以最小的消耗而获得最大的收益为原则，热泵也如此。通常用热泵性 能系数c o p 来评价热泵的性能，因此对采用直接接触式换热器之后所带来的热 泵效率的提升我们也用c o p 的提高来说明。 性能系数用符号c o p 来表示。制冷时，它是所获得的制冷量与所加入的能 量( 电能、机械能或热能) 之比，即： c o p r 丑w 或c o p r = 赛 ( 2 1 ) 对于热泵，其性能系数为： c o p h = 害或c d 昂= 害 ( 2 - 2 ) 在热泵系统中供热量等于制冷量与加入能量之和，因此： c o p h = 学或c = 警 ( 2 - 3 ) 故有： c o p , , = 1 + c o e ( 2 - 4 ) 即热泵供热系数恒大于制冷系数，并且是大于1 的数值。 2 1 热泵系统性能系数的计算 在蒸气压缩循环过程中，所获得的制冷量与制热量以及压缩机所做的功都可 以以焓差的形式表示出来，在制冷过程中，制冷量为图2 1 中状态点1 与状态点 5 之间的焓差，压缩机做功为状态点2 与状态点l 之间的焓差，因此制冷时的性 能系数可表示为： c o p ：丝：(25)r h l - h 4 一彻1 _ 2 日2 一月1 再根据式( 2 4 ) ，即可准确计算得到热泵的性能系数，从而可以准确得出蒸发 温度与冷凝温度的变化对热泵系统性能系数的影响程度，明确制冷剂与载冷剂之 间换热温差的降低对热泵系统效率的影响。以下根据热力学的方法，对