1直接接触式换热技术及其在蓄冷中的应用
11直接接触式换热的基本原理和特点
（a）和（b）分别为传统的盘管式换热和直接接触式换热应用于蓄冷系统的示意图。从这两种换热方式可以看出，直接接触式换热与传统的换热方式的*大差别在于： （1）从结构上看，它在换热器中省去了蒸发盘管，使结构更加简化； （2）从工作方式看，盘管式换热器的两种介质是分开的（即互不接触） ，如在图示系统里制冷剂在盘管内蒸发，水在盘管外结冰。而直接接触式系统的两种流程在换热器内会合，制冷剂直接喷入水中，并在水中汽化，水在与制冷剂接触的过程中形成冰晶，在换热器的上部，汽相制冷剂与水进行分离。
因此，直接接触式换热与其它换热相比，有以下一些优点。
（1）由于两种介质直接接触，两种介质间的传热过程不存在液D固D液之间的传热热阻，也不存在由于介质在管壁结垢而产生的污垢热阻，可大大提高传热效率。
（2）由于盘管在系统的材料消耗中占了相当大的份额，直接接触式换热可使系统省却盘管，这样不但使系统构成简单，而且节省了材料，降低了制造成本。
（3）整套设备的体积大大减小。
（4）由于省却了盘管，避免了盘管内结垢，可望减少设备的维护工作量。
从以上的特点可以看出，直接接触式换热具有广泛的应用前景。
12直接接触式换热在蓄冷中的应用研究现状
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。而在蓄冷中的直接接触式换热过程包括液态制冷剂的蒸发及水与制冷剂直接接触后降温或凝固形成冰晶（或气体水合物）两个相变换热过程。
由于直接接触式换热具有很高的换热效率，20世纪80年代以来，直接接触式换热技术开始受到蓄冷界研究人员的广泛注意和重视。1982年， Tomlinson在其论文中提到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，于1984年提出了把直接接触式换热技术用于冰蓄冷系统的方案，并进行了研究。尔后又把该技术用于气体水合物系统。通过对直接接触式蓄冷系统与其他蓄冷系统的技术和经济比较，发现直接接触式蓄冷系统具有*高效率。同时指出，要使得直接接触式蓄冷投入实际使用，必须解决以下两个问题。（1）压缩机：常用工程压缩机都是油润滑压缩机，其润滑油随制冷剂在整个制冷回路中流动，对于蓄冷罐来说，润滑油的进入意味着蓄冷罐被污染并影响罐内传热，同时，由于润滑油进入蓄冷罐后不可能再返回压缩机，这将有可能使压缩机失油而损坏。（2）汽水分离问题：在蓄冷罐内进行换热后的制冷剂蒸汽有可能将一部分水蒸汽带入压缩机并吸入管道，进而会损坏压缩机。1984年， Ternes在其论文中叙述了在美国橡树岭国家实验室内所建立的**台直接接触式蓄冷系统。鉴于上述两个困难，该系统在其蓄冷部分采用了开式循环，即在系统中不用压缩机，而以热水槽（置于冷凝器前）和回收柜（置于蓄冷罐后）代替，系统应用制冷剂R12进行了成功的运行，并观察到在两个相边界（即制冷剂与水的液D液边界，汽D液边界）有气体水合物产生。此外，文章中还讨论了机械搅拌的有效性及表面剂对蓄冷罐内介质的过冷度的减小作用。1989年，日本Keio大学Mori教授领导的研究小组在其直接接触式换热大量研究的基础上，建立了一个直接接触式蓄冷试验台，该试验台没有放冷部分，压缩机采用无油活塞式压缩机，并在蓄冷罐后装有干燥器，研究小组分别对制冷工质R12、R134a、R123等进行了系统研究，研究后发现，R12、R134a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，R123在与水接触换热后并未形成气体水合物，而是形成冰晶。对于形成气体水合物的介质来说，在两个相界面上的气体水合物也是不一样的，液D液界面的气体水合物较紧密，而在汽液界面生成的则是疏松多孔的气体水合物。对于添加剂或表面剂的影响，他们认为，随着在罐中加入铝粉或锌粉，形成气体水合物所需的过冷度将减小，而加入无离子表面剂如Zony1氟表面剂、Unidyne DS - 401则所需的过冷度会更小。但一种冰晶核化的细菌DDDPseudomonas fluorescens对过冷度的减小没有作用。在20世纪80年代后期美国亚拉巴马大学建立了一个直接接触式蓄冷试验台，该试验台可兼顾供冷和供热，而该装置的供冷测试是在蓄冷罐内安装一个电加热器，供热测试是在蓄冷罐内安装一个盘管，盘管内通过冷却水的流动来测量供热量，试验台中的压缩机为01186 kW的传统家用型压缩机，压缩机前应用了两个干燥过滤器，而在其装置图上，并未发现任何油分离器，但在其结论中认为，对于和润滑油不发生化学反应的介质来说可使用一般的油润滑压缩机，言外之意，由于一般工质都是有毒或有腐蚀性的，无油压缩机还是需要的，另外蓄冷罐内润滑油的积累还会降低整个系统的性能。在试验台已试验的工质有R12、R114 ，通过试验后发现，在系统内应安装一个控制性比较好的调节阀，以防止流量大的波动。
通过对上述试验现象的分析研究，Mori和Isobe针对单一制冷剂液滴蒸发形成气体水合物，生成的是由水合物膜覆盖的汽液两相汽泡在水中自由上升的过程提出了物理模型，并根据水和汽泡间传热、蒸发热和水合物生成热间的热平衡建立了数学模型。而Gadalla等对蓄冷罐内的温度场进行了数值分析
，分析结果与试验相符。
2直接接触式蓄冷的应用研究中需解决的问题
综观国内外对直接接触式蓄冷的应用研究，尽管已经取得了很大的进展，我们认为还存在以下一些问题。
21研究对象方面
几乎所有的研究都认为，由于气体水合物的相变温度高于冰点，与空调工况相适应，因此气体水合物系统优于冰蓄冷系统，而此前对直接接触式蓄冷的研究主要是对气体水合物系统的研究，我们认为这种观点是片面的。尽管气体水合物有上述优点，但它也有一些致命的缺点至今未能解决，例如汽液相的水合物疏松问题，一方面它将影响单位罐体积的蓄冷量，另一方面，由于汽液界面气体水合物的搭积使制冷剂气体不能及时排出，这将阻止蓄冷的进行，此外，如果放冷系统为直接接触放冷，则气体水合物对管道的堵塞将比冰严重得多。
相反，由于目前运行的蓄冷系统大部分为冰蓄冷系统，因此其技术条件要比气体水合物蓄冷系统成熟得多，也即直接接触式冰蓄冷系统与现有空调装置（特别是蓄冷空调装置）的适应性比气体水合物系统要强得多，随着低温送风技术研究的不断深入，直接接触式冰蓄冷系统的这种优点将在技术与经济两方面逐渐体现出来。另外，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，而这些制冷剂在形成冰晶时，或者处于较高压力，或者处于负压，压力太高将会使蓄冷罐制造费用昂贵，而负压则会使得外界空气漏入系统以及对压缩机的选择发生困难，因此通过对高低压制冷剂进行调压使之成为常压、常温的混合工质也是当前冰蓄冷技术的一个重要研究方向。
22试验装置方面
从前面的探讨可以看出，目前试验装置方面的主要问题有下面3个：一为压缩机问题，撇开价格问题，在直接接触式蓄冷系统中使用的*佳压缩机无疑为无油压缩机，但由于无油压缩机过于昂贵，在此基础上研制的蓄冷系统在以后的推广应用中，其昂贵的价格将成为*大的障碍，为此，在试验研究中不能使用无油压缩机，而应在其相应的管路中使用分油效率高的分油器；二为汽水分离装置，由于水会与制冷剂及润滑油发生反应，将直接或间接地影响压缩机的正常工作，因此，在系统中必须设置分离效率高、操作简单的汽水分离装置；三为放冷系统，为使试验装置迅速实用化，放冷则是其关键环节，因此必须在放冷系统中设有空调装置，以检验蓄冷系统的实用效果。
23传热方面
本系统的提出是基于直接接触式换热具有很高的换热效率，因此必须重视其传热的研究。由于直接接触式蓄冷系统的研究刚刚起步，前续学者较多地重视系统现象的观察研究，而对其传热问题涉及较少，由于认识上的原因，对直接接触式冰蓄冷的传热问题，经作者查阅有关文献，没有发现有这方面的文献。
24理论方面
除了Mori等对气体水合物的生成建立了理论模型外，尚未发现其他方面的模型，对于直接接触式冰蓄冷问题，更没有发现理论方面的研究。因此要使直接接触式蓄冷的顺利推广使用，必须完善其理论，加强对其传热问题的研究。
3我们所做的工作
上海理工大学直接接触式蓄冷课题组分析了国外在该领域蓄冷研究的现状，针对他们研究中存在的不足，对直接接触式冰蓄冷进行了一系列的理论和试验研究，为直接接触式蓄冷技术走向市场化迈出了可喜的一步。他们主要进行了以下方面的工作。
31理论方面
对直接接触式冰蓄冷系统进行了分析。结果表明，直接接触式蓄冷比传统的盘管式蓄冷系统节能可达30 %.根据本次试验的观察并参考前人的实验结果，修改了汽泡生成的物理模型并建立了蓄冷罐内容积换热系数的数学模型，首次提出了蓄冷罐内混合蒸发结冰的物理模型，得到了结冰状态下的蓄冷罐内的容积换热系数。
32建立了国内外**个同时具有蓄冷和放冷系统的直接接触式冰蓄冷试验系统，该系统选用一般的油润滑的全封闭压缩机，并采用分子筛吸附后加热抽真空技术，较好地解决了蓄冷系统内制冷剂带水的问题。同时采用一定的油分离技术使系统中润滑油减少到较小的程度，还采取一定的措施基本解决了放冷系统中的冰堵问题。实际运行结果表明该系统运行正常，达到设计要求。该研究填补了我国在该领域的空白，使我国直接接触式冰蓄冷技术的研究处于国际**地位，为我国开展该领域的国际合作奠定了扎实的基础。该系统具有以下功能： （1）蓄冷罐内冰晶形成的规律研究； （2）蓄冷罐内制冷剂汽泡形成的规律研究； （3）蓄冷罐内传热规律的试验研究； （4）蓄冷装置效率的研究； （5）试验台放冷规律的试验研究； （6）喷头装置的设计和优化研究； （7）制冷剂含水分离装置的设计和研究； （8）直接接触式蓄冷介质的选择研究。
33首次对直接接触式蓄冷系统中的蓄冷罐进行了传热试验
在国内外首次以容积换热系数为研究对象开展了对直接接触式蓄冷系统中的蓄冷罐进行传热试验研究，并首次以形成冰晶的R123与水直接接触换热进行大量的试验研究，研究中考察了罐内水位、蓄冷开始时水的温度、制冷节流阀开度、制冷系统内制冷剂的充灌量、喷头的种类及布置方式、添加剂的种类和数量等因素对罐内容积换热系数的影响，并研究了上述因素对蓄冷罐内温度分布的影响。通过试验研究发现：（1）蓄冷罐内容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。对于蓄冷罐内初始水温的影响，试验研究表明，罐内容积换热系数随初始水温的增加而减小。
另外，制冷节流阀开度越大，其*高容积换热系数越大，其平均换热系数也越大。这主要是由于节流阀能直接调节制冷系统的流量，开度越大，制冷剂流量越大，换热量也越大，而由试验可看出，节流阀开度的大小对水与制冷剂的温差的影响相对较小，因此其容积换热系数也就越大。研究还表明，正像一般制冷循环那样，蓄冷循环中的制冷剂也存在着一个*佳充灌量的问题。
（2）对于喷头我们发现蓄冷罐内的容积换热系数随喷孔数的增多而增大，随喷孔直径的增大而减小，对于相同喷孔总截面积下的不同喷头的比较，其容积换热系数随着喷孔数的增加和喷孔直径的减小而增加。
（3）不同添加剂的加入对蓄冷罐内的容积换热系数产生不同的影响。通过比较，本试验所用到的添加剂，铁粉，锌粉和NaCl的加入较大地提高了蓄冷罐内的容积换热系数，而丁醇的加入反使蓄冷罐内的容积换热系数减小。
34提出平均放热效率的概念
首次在放热系统中提出了平均放热效率的概念，该概念较实际地反映了放冷过程的状况，并应用此概念研究了水流量的影响。结果表明：平均放热效率随时间的变化规律随水流量有所不同，对于相同初终水温来说，随着水流量的增加，其平均放热效率将会增加。
有关容积换热系数的推导过程、容积换热系数的影响程度及机理和实验的运行效果由于篇幅关系将在另文详细介绍。
