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 。
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 ,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。