[科普中国]-直接接触传热

直接接触传热过程概述

传热是自然界和工程领域中一种普遍存在的传递现象，广泛存在于化工、动力、能源、冶金和环保等领域。传热过程中冷热流体的换热可分为三种：直接接触式换热、蓄热式换热及间壁式换热2。

直接接触传热是指两股或多股流体在无固体间壁情况下的热能传递过程，通常情况下还伴随有传质过程。由于冷热流体间可直接进行物理接触，因此该换热方式与间壁式换热相比，优点在于传热面积大、传热速率更高、传热效果好，且传热设备的结构更加简单，维修方便，间壁式换热设备中出现的热膨胀、结垢及腐蚀问题可大大减少。然而直接接触换热的局限性在于，其仅适用于工艺中允许两流体直接接触混合的情况，而不适于为避免混合或污染而必须使各流体分开的工艺过程。直接接触换热最早见于Hausbrand 于 1900 年的著作《蒸发、冷凝和冷却装置》，书中对包括调气压冷凝器在内的直接接触式换热器进行了介绍。尽管直接接触换热提出较早，然而关于其机理与应用的研究及发展却一直晚于表面式换热器。 直接接触传热过程有不同的分类标准。在直接接触传热设备中，冷热流体可以为并流、逆流或者错流，流体系统可为液-液、气-液、汽-液、气-固或固-固两相间的传热。就两相流股而言，既可为同一组分，如气压凝汽器中的水-水蒸气，又可为部分或全部互溶的组分。而流股间的流动状态也可分为泡状、膜状、喷射状或滴状等。

直接接触换热通常发生在吸收、制冷、精馏、干燥等单元操作及发电、原油加工、海水淡化、乙烯急冷、煤化工、核电站应急堆芯冷却、冷却塔及食品加工等工艺中。从通用设备分类看，直接接触式换热器可为精馏塔、干燥器、冷却塔、冷凝器和燃烧器等设备形式。
由于直接接触传热过程涉及行业较多，对该过程的研究一般仅限于某特定工艺或设备，较少见相关全面研究。据手册总结及相关文献报道3，汽液两相间的直接接触冷凝（Direct contact condensation）在工业过程中应用最为广泛，因此下节将对本文主要研究的直接接触冷凝传热过程的现状及进展加以介绍。

直接接触传热的理论泡滴在连续相中形状的变化液滴发生相变后,会变成一个气液两相共存的汽泡,我们将其称为泡滴。泡滴继续吸收热量,内部液相不断蒸发。随着蒸发率(蒸发的液相质量与泡滴总质量之比)的上升,其形状会发生较大的变化。按照泡滴中气相含量及其形状的不同,可将泡滴特性描述为:球形液滴、球状泡滴、大球气泡和帽状气泡,这一点在Raina的文章中也有所叙述4。

Mokhghanzaedeh-Delghan1对常压下气泡形状与蒸发率之间的关系进行了研究,指出:当液滴中蒸发量为0时,液滴还未发生相变;当蒸发率为0～0.1%时,泡滴的形状开始由球状变为扁球状;在10%左右变为帽状。

传热表面积及传热系数的计算分散相液滴从连续相中吸收热量之后,不断地发生汽化。汽化后的液滴处于一种气液共存的状态,在文献4中将其称为两相泡(即泡滴)。随着泡滴内液相的蒸发,泡滴不断长大,因而泡滴与连续相之间的接触表面积(传热表面积)不断地发生改变;同时泡滴与连续相之间的密度差不断增大,泡滴的运动速度也随之发生较大的改变,因而泡滴与连续相之间的传热系数也在不断地变化。传热表面积和传热系数的同时改变使得有相变时的直接接触传热研究变得十分复杂。

对于在实际过程中瞬时传热表面积的变化,Pinde[8]进行了详细地研究。他指出分散相液滴在不互溶液体内蒸发的过程中,存在着3种传热表面:

1)泡滴中液相与连续相之间的接触表面;

2)泡滴内气相与连续相之间的接触表面;

3)泡滴内液相与气相之间的接触表面。

泡滴与连续相之间主要是通过1)类和2)类接触表面进行热量传递的。1)类和2)类表面是有区别的,在严格计算中,不应该将它们等同。由于瞬时传热表面积计算起来十分复杂,因此目前在瞬时传热系数的研究中,计算传热表面积时都作了简化:如Sideman5、Adams6和Simpson7等都是以泡滴的初始表面积为基础对瞬时传热系数进
行计算的;Sideman和Prakash等是以瞬时总传热表面积作为基础的;而Klipstain8则是以瞬时液相接触表面积为出发点的。一些研究者,如Klipstain、Prakash和Adams,认识到有相变发生的直接接触传热过程是一个很复杂的过程,因此企图从平均传热系数上对其进行简化研究。他们认为泡滴从开始蒸发到全部蒸发完毕的这段时间内,泡滴与连续相之间的传温差恒定不变,同时传热表面积按泡滴的初始表面积进行计算。

泡滴与连续相之间瞬时传热系数在直接接触传热中,分散相液滴与连续相之间的瞬时传热系数是不断变化的,它一般与连续相及分散相的物化性质、泡滴直径以及泡滴的运动速度等有关。

无相变的直接接触传热近十年来,研究最多的是电场对分散液滴在连续相中流动及传热性能的影响。在这类换热系统中,一般连续相是电绝缘介质,而运动的分散相大多为导电介质。电场作用下达到传热强化的目的有两种方式:一种是施加交变电场使液滴产生有规律的形状共振;另一种是利用液滴在带电的电极间运动的性质使运动的实际距离增加4。

冷剂液滴在热的连续相内运动的过程中,虽从连续相中吸收热量,但并不发生汽化,因此认为液滴直径不发生变化。

近十年来,这方面研究最多的是电场对分散相液滴在连续相中流动及传热性能的影响。在这类传热系统中,一般连续相为电绝缘介质,而运动的分散相大都为导电介质。电场作用下达到强化传热的目的有两种方式:一种是施加交变电场使得液滴产生有规律的形状共振;另一种是利用液滴在电极间运动的性质使运动的实际距离增加[1]。

有相变的直接接触传热与前一种情况不同的是,分散相液滴从连续相中吸收热量之后,会不断地发生汽化,因此随着汽化量的增多,分散相液滴的直径变化很大9。
有相变时的直接接触传热是目前直接接触传热研究的主要内容,主要包括两个方面:一是单个分散相液滴在连续相中发生相变时的直接接触传热;二是分散相液滴群在连续相中发生相变时的直接接触传热。

直接接触传热在工业中的应用由于直接接触传热具有其他传热方式无法比拟的优点,因而在工程中的应用日益广泛,如地热发电(借助制冷剂的二次循环)、中低温能源回收系统、水淡化、海洋能转换、热能储存系统、盐及废水处理等。Sideman等人曾先后对这类传热问题做过综述10。

近来有研究者将其引入蒸馏领域,旨在开发一种直接接触传热蒸馏釜。在这种蒸发釜内,把被蒸馏的物料当作是分散相,另一种与之不互溶、且沸点较高的液体当作是连续相。由于釜内几乎都是连续相,它完全把给其传热的换热器壁面浸没,根本无需被蒸馏的物料去润湿,所以这就从根本上减少了塔釜持液量。被蒸馏的物料流进釜内的连续相之后,大部分立即被蒸发出来,因而釜内几乎没有残留,可达到一种“干釜”的状态。同时由于料液流入釜内后迅速被蒸发,所以其受热时间大大降低。还有一点,就是釜内连续相的温度很容易维持稳定,因此可以避免被蒸馏物料的局部过热。由于直接接触传热蒸馏釜存在着上述诸多优点,因此它很适合于热敏物料的蒸馏。