作者；张毅
在我国的蓄冷空调中应用多的是冰蓄冷空调，而冰蓄冷空调的蒸发温度低导制冷系数大大减小，换热管热阻大导致能量损失。因此，采用直接接触式蓄冷器既可以避免换热管的热阻带来的能量损耗，还可以节约成本、提高换热效率。
本文通过建立小型直接接触式蓄冷器并改变蓄冷剂的喷口位置进行实验来研究蓄冷过程的换热特性，以有机相变材料作为蓄冷剂、水作为载冷剂应用到常规空调工况的直接接触式蓄冷系统中。研究了直接接触式蓄冷器内温度分布和质量换热系数及其影响因素，为提高蓄冷器的换热效率提供了一定的参考依据。
1 实验装置
直接接触式蓄冷器的实验装置主要由三部分组成：恒温水装置（德国BILON）、数据采集装置（KEITHLEY-2700数据采集仪，精度可达每秒记录一次）、直接接触式蓄冷器装置，图1为直接接触式蓄冷器的装置图。
直接接触式蓄冷器装置是本实验的关键部分，因此为了便于观察蓄冷器内两种流体的流动及相变蓄冷情况选取高纯度的有机玻璃作为蓄冷器壳体，这样便能很好地观测实验的进行与变化。直接接触式蓄冷器的高度为0.38 m，截面为0.2 mx0.2 m的正方形。蓄冷器内设有9个测温点，载冷剂层内距离蓄冷器底部50 mm处设置第一个温度测点，沿高度向上方向依次每隔50 mm设置温度测点1～4，蓄冷剂层内距离蓄冷器底部250 mm处设置第5个测温点，向上每隔10 mm设置温度测点5～7，另外载冷剂的进出口各1个。为了实验验证不同喷口位置对换热特性的影响，喷口共有四个位置：底部喷口、中间一对喷口、上一对喷口以及顶部喷口，如图2。在蓄冷器外侧加50 mm厚的聚氨酯作为保温层，其中在蓄冷器的四个面中留一个面作为观测实验的可视窗口。
2 实验数据处理方法
2.1载冷剂层和蓄冷剂层的温度测定
由于有机混合相变材料进入载冷剂层后需要与水进行换热，而这其中的传热过程是相当复杂的，因此载冷剂层的纵向水温分布情况也是不同的，为了计算蓄冷器内的质量换热系数，就必须找到载冷剂层和蓄冷剂层的平均温度。如图2所示，载冷剂层设置4个温度，其温度为T w；蓄冷剂层设置3个温度，其温度为T p，则
2.2蓄冷剂喷口速度的确定
由连续性方程可知蓄冷剂喷口速度可以通过蓄冷剂流量除以面积计算得到，则
式中：v为蓄冷剂喷口速度，m/s；q v为蓄冷剂流量，m3/h；d为喷口直径，mm；n为喷口数量。
2.3蓄冷器内蓄冷剂质量的确定
蓄冷器内蓄冷剂的质量随着反应的进行越来越多，可以通过两个方法来确定，方法一：根据蓄冷剂的质量流量可以计算出在不同时刻下蓄冷器内蓄冷剂的质量；方法二：通过观察不同时刻下蓄冷器内蓄冷剂层的高度来算出其体积，再根据蓄冷剂的密度算出其质量。
2.4质量换热系数的计算
计算质量换热系数根据的是能量守恒原理，即由载冷剂带入蓄冷器内的冷量等于蓄冷剂失去的热量和蓄冷器向环境中的散热量的代数和，则
式中：c w为载冷剂定压比热容，kJ/(kg．K)；mw为某一时刻下载冷剂的进口质量，kg；△t为某一时刻下载冷剂的进出口温度差，℃；a为质量换热系数，kW/(kg . K)；mp为某一时刻下喷入蓄冷器内蓄冷剂的质量，kg;（T w,-TP）为某一时刻下载冷剂层与蓄冷剂层的平均温
差，℃。
忽略蓄冷器向环境的散热量的情况下，由式(4)可计算质量换热系数a：
3 实验结果与分析
3.1喷口位置对蓄冷器温度场分布的影响
在蓄冷器内自下而上均匀设置了4个测温点，通过蓄冷器内4个测点的温度分布可以看出喷口位置对直接接触式蓄冷器内温度分布的影响。
图3所示的温度分布图是在该工况下得到的：采用底部喷口，蓄冷剂进口流速1.23 m/s；载冷剂流量0.053 kg/s，载冷剂进口温度1℃。从图3的温度分布曲线可以看出：由于1号测点与蓄冷剂喷口位置接近，导致1号测点的温度比其他三个点都要高一些，蓄冷器内温度自下而上依次减小，但其中任意两点的温差均保持在1.5℃以内，说明进入蓄冷器中的蓄冷剂能够与载冷剂充分换热而减小传热过程中的能量损失，提高能量的有效利用率。随着蓄冷剂的进入，在140 s之后，2、3、4号测点的温度逐渐趋于一致并且维持稳定状态，说明蓄冷器内的温度场逐渐稳定直至蓄冷过程完成。
图4所示的温度分布图是在该工况下得到的：采用下一对喷口，蓄冷剂进口流速2.11 m/s；载冷剂流量0.053 kg/s，载冷剂进口温度1℃。从图4的温度分布曲线可以看出由于下一对喷口的位置与2号测温点更接近，因此2、3号测点的温度明显较高。
图5所示的温度分布图是在该工况下得到的：采用上一对喷口，蓄冷剂进口流速2.11 m/s;载冷剂流量0.053 kg/s，载冷剂进口温度1℃。从图5中的温度分布曲线可以看出由于上一对喷口的位置在水面上方，与4号测温点接近，因此四个测点的温度自上而下依次减小。
图6所示的温度分布图是在该工况下得到的：采用顶部喷口，蓄冷剂进口流速2.11 m/s；载冷剂流量0.053 kg/s，载冷剂进口温度1℃。与图5的温度分布相类似，由于蓄冷器底部载冷剂所带有的冷量无法向上传递，导致底部和顶部的温差较大、换热效率较低。但是在实验中发现，在这两种位置条件下，载冷剂循环部分带有的蓄冷剂很少，这样就能很好地防止蓄冷剂被水带入载冷剂循环系统，从而减小材料的浪费。
3.2蓄冷器内质量换热系数的影响因素
直接接触式蓄冷器中的换热过程非常复杂，如果仅仅依靠温度和蓄冷量的变化来评定其传热性能，一方面不能直观地看出整个换热过程复杂的变化情况，另一方面也不能体现出采用直接接触式换热方式的优势所在，因此引用质量换热系数a作为评价标准。为了提高实验结果的准确性，在整个实验过程中每隔5～10 s取一组数据来计算质量换热系数，得到多组质量换热系数后求得其平均值，进而减小误差。
图7所示是某一工况下的质量换热系数、载冷剂层平均温度和蓄冷剂层平均温度曲线图。该工况为采用底部喷口喷射蓄冷剂，蓄冷剂流速为1.23 m/s;载冷剂流量为0.053 kg/s，进口温度为1℃。在整个实验过程中计算各时刻的质量换热系数得到图中所示曲线，最后求得该工况下的质量换热系数平均值a=13.07kW/(kg . K)。如图所示，质量换热系数在某一确定的工
况下围绕着某一定值在小范围内波动，接下来分别从喷口位置、蓄冷剂喷射速度、载冷剂进口温度、载冷剂进口流量四方面来研究质量换热系数的影响因素。
3.2.1喷口位置对质量换热系数的影响
图8为不同的喷口位置工况下，不同流速时对应的质量换热系数曲线图。以下实验中载冷剂均是在流量0.053 kg/s、温度1℃情况下进行的。从图中可以看出，当蓄冷剂进口流速相同时，底部喷口的质量换热系数最大，并且随着喷口位置的上升质量换热系数减小。随着进口流速的增加，各喷口位置的质量换热系数均有所增大，但从图中可以看出当流速增大到
2.8 m/s后，底部、下一对和上一对喷口的质量换热系数趋于相同，由此可得，当流速增大到一定程度后喷口位置对质量换热系数的影响力逐渐减小。综上所述，在其他实验条件相同的情况下，采用底部喷口能够得到较大的质量换热系数。
3.2.2载冷剂进口温度对质量换热系数的影响
图9所示是采用底部喷口，蓄冷剂流速1.23 m/s;载冷剂流量0.053 kg/s。在以上条件不变的情况下，改变载冷剂的进口温度分别为1 ℃、2℃、3℃得到各时刻质量换热系数的变化曲线。由图可知各工况下质量换热系数都围绕着一个稳定的值在小范围内变化，分别计算其平均值可得：1℃ 下的a=13.07 kW/(k g .K);2℃ 下的a=8.17 kW/(kg．K);3℃下的a=4.74 kW/
(kg．K)。由此可得，在其他条件不变的前提下，直接接触式蓄冷器的质量换热系数随着载冷剂进口温度的增加而减小。
3.2.3载冷剂进口流量对质量换热系数的影响
图10所示是采用底部喷口，蓄冷剂流速1.23 m/s；载冷剂温度1 ℃。在以上条件不变的情况下，改变载冷剂的进口流量分别为0.035 kg/s、0.053 kg/s、0.071 kg/s得到各时刻质量换热系数的变化曲线。由图可知，各工况下的平均质量换热系数分别为：a=6.79kW/(kg .K),a=13.07 kW/(kg. K),a=18.06 kW/(kg .K),说明质量换热系数随着载冷剂流量的增大而增大。
4 结论
本文在搭建的小型直接接触式蓄冷器实验台上对蓄冷过程的换热特性进行了实验研究，确定了蓄冷实验数据处理方法，得到以下结论：
1)在整个实验过程中，质量换热系数是围绕一个固定的值在一个小范围内波动的，通过多次测量可求得在某一工况下的平均质量换热系数；
2)在载冷剂流量、载冷剂温度、蓄冷剂流速不变的前提下，采用底部喷口的质量换热系数最大；
3)质量换热系数随着蓄冷剂流速的增大而增大，但当流速达到2.8 m/s后，喷口位置对质量换热系数的影响力逐渐减小，最终趋于一个稳定值；
4)在喷口位置、蓄冷剂流速、载冷剂流量不变的前提下，蓄冷器的质量换热系数随着载冷剂进口温度的增加而减小；
5)在喷口位置、蓄冷剂流速、载冷剂温度不变的前提下，蓄冷器的质量换热系数随着载冷剂流量的增加而增大，但流量越大，质量换热系数波动越大，越不稳定。
5摘要：本文搭建了一个小型直接接触式蓄冷器实验台，研究了直接接触式蓄冷器内的换热特性。采用相变温度为7℃的有机相变材料作为蓄冷剂、水作为载冷剂进行直接接触式蓄冷过程的实验，通过实验研究了喷口位置、载冷剂进口温度、载冷剂进口流量、蓄冷剂进口流速对质量换热系数的影响。结果表明，质量换热系数随着载冷剂进口温度的增加而减小、载冷剂流量的增加而增大，随着喷口位置的降低而升高、蓄冷剂进口流速的增大而升高，但当流速达到2.8 m/s后，喷口位置对质量换热系数的影响力逐渐减小。
