间接式水合物蓄冷装置中传热传质过程分析

    0 引言

    蓄冷技术的发展就蓄冷介质而言大体上经历了水蓄冷→冰蓄冷→高温相变介质蓄冷3个阶段。所谓高温相变介质蓄冷,就是利用能够在5~12e范围内发生固)液相变的介质进行蓄冷,从而克服冰蓄冷系统蒸发温度太低而导致制冷机效率下降的缺点。一部分有机盐类及气体(主要是氟利昂类)的水合物就具有这样的性质。目前,前一类水合物已有商业应用(即所谓共晶盐蓄冷系统),但这种水合物的蓄冷密度只有冰的1/3,且腐蚀大,换热性能差,易分解而寿命短,因而推广前景不大。通常所说的水合物蓄冷指的是使用后一类物质蓄冷,这种蓄冷方式融合了冰蓄冷和共晶盐蓄冷的优点,蓄冷密度大,相变温度高,应用前景广阔。

    自从1982年美国橡树岭国家实验室的J.J.Tomlinson教授[1]首先提出水合物用于空调蓄冷的概念以来,美、日都投入了很大的力量开展水合物蓄冷技术实用化的研究,陆续开发出多种形式的水合物蓄冷装置。日本学者宇高义郎等人[2]则最早采用了间接接触式水合物蓄冷的方案,这种系统蓄、放冷时的传热过程均通过蓄冷容器内的换热器进行,蓄冷系统与制冷系统是互相隔离的,两个系统的运行相互独立,不需要使用昂贵的无油压缩机,技术上比较易于实现。美国、日本相继用这种方案将水合物蓄冷装置迅速推向了实用[3,4]。近年来,间接接触式水合物蓄冷装置成为研究、开发的重点。

    间接接触式水合物蓄冷装置内部的传热、传质现象非常复杂,冷凝、蒸发及水合反应这3种过程互相耦合、互相影响,其中的机理及规律还有很多尚不十分清楚。本文拟通过一些定性的理论模型并结合实验结果对间接式水合物蓄冷装置内部的传热、传质规律进行初步的探讨,以期对实用型水合物蓄冷装置的开发有所裨益。

    1 装置简介

    本文所用的间接式水合物蓄冷实验装置在原理上借鉴了宇高义郎研究小组的实验装置,引入了热管的机理,利用制冷剂的蒸发和冷凝产生的自然循环效应作为水合循环动力。蓄冷罐结构如图1所示。蓄冷罐为一不锈钢制成的圆柱筒体,可承受1.6 MPa以下的压力。罐内有两组换热器:位于罐上部的冷凝器和位于罐中、下部的蒸发器。罐内工质分为界面明显的3层:下部的氟利昂液层,中部的水层和上部的氟利昂气层。罐的侧面开有4个观察窗,罐体及底、盖均用软质聚氨酯泡沫塑料板保温。

    本装置与宇高义郎研究小组的装置的区别在于没有设置冷凝液回流管。实验表明,取消冷凝液回流管对于水合反应是有利的,这是因为: