具有預凝功能的新型熱源塔的構建及模擬

夏 燚 孫立鏢 梁彩華 張小松

(1 東南大學能源與環境學院，南京210096)

(2 南京師范大學能源與機械工程學院，南京210046)

近年來，夏熱冬冷地區的供暖問題引起了國內各界的廣泛關注，供暖方式及其相應熱源的需求十分迫切，熱源塔熱泵系統作為一種能夠兼顧供冷供熱的高效建筑冷熱源方案，受到學者和業界人士的重視并對其開展了一系列研究［1-11］.

開式熱源塔造價低、換熱效率高，是目前主要采用的熱源塔結構形式.然而，其冬季運行時存在溶液吸濕問題，且冬季普遍低溫潮濕，多數時間塔內空氣側的水蒸氣分壓力要大于溶液側的水蒸氣分壓力，空氣中的水分會進入溶液，導致溶液變稀，溶液冰點上升，影響系統安全運行.現有的解決方案主要是添加溶質，但這不僅增加了運行成本，而且還可能導致熱源塔內溶液溢出.同時，目前關于與熱源塔熱泵系統配套的溶液再生裝置的研究［8-10］還不成熟，且需消耗額外的熱量，這大大降低了熱源塔熱泵系統的運行效率.

為解決開式熱源塔內的溶液吸濕問題，本文從熱源塔傳質原理入手，提出了一種具有預凝功能的新型熱源塔結構［11］，并通過建立其數學模型研究其性能.

1 新型熱源塔運行過程分析

本文研究的新型熱源塔結構如圖1所示，即在普通開式熱源塔的進風側安裝翅片盤管，閥1 和閥3 開，閥2 關，低溫溶液先進入翅片盤管，對進口空氣進行預凝處理.

圖1 新型熱源塔示意圖

圖2 新型熱源塔運行過程示意圖

新型塔的運行過程如圖2所示，假設進口空氣狀態點為a1和a1'時，盤管分別處于干工況和濕工況，進口溶液相界面空氣狀態點為s1，故普通塔的傳質推動力為(Pa1－Ps1)或(Pa1'－Ps1)，而新型塔的傳質特性有3 種情況:①當溶液處理后的相界面空氣狀態點升高到s2點，傳質推動力減少到(Pa2－Ps2)，雖然(Pa2－Ps2)＞0，但是塔內溶液吸濕量明顯減小;②當溶液處理后的相界面空氣狀態點升高到s3點，傳質推動力減少到(Pa2－Ps3)，而(Pa2－Ps3)=0，塔內溶液不吸濕;③當溶液處理后的相界面空氣狀態點升高到s4點，傳質推動力為(Pa2－Ps4)，而此時(Pa2－Ps4)＜0，塔內溶液向空氣傳遞水分.

可見新型塔能有效減少塔內溶液吸濕量，而盤管相當于增加了塔的換熱面積，故總換熱量會增加.新型塔的盤管采用較大翅片間距，這樣能有效降低盤管結霜概率.當進口空氣溫度很低、濕度很大時，為了避免翅片盤管的結霜，可關閉閥1 和閥3，打開閥2，使循環溶液直接進入熱源塔內換熱.

2 數學模型的建立與驗證

將新型塔看作是普通熱源塔與翅片盤管的耦合結構，可通過建立這2 部分的數學模型來構建新型塔的數學模型.

2.1 翅片盤管的數學模型

假設濕工況下凝結水及時從盤管流走，忽略接觸熱阻和污垢熱阻，忽略熱損失.采用干濕轉換法［12］，將濕工況轉換為干工況來計算，翅片盤管的熱交換效率系數ε1和接觸系數ε2為

式中，β 為傳熱單元數，β=KcF/(Gacp，a);γ 為水當量比，γ=Gacp，a/(Gscp，s);F 為翅片盤管換熱面積;Ga和Gs分別為空氣和溶液流量;cp，a和cp，s分別為空氣和溶液的比定壓熱容.

以外表面為基準的總傳熱系數Kc為

式中，Ao，Ai和Am分別為每米翅片管長的外表面積、內表面積和平均面積;ηo為翅片效率;δt為翅片厚度;λt為銅管導熱系數.

管內溶液對流換熱系數αs為

平直形翅片盤管空氣側換熱系數αo為［13］

式中，Di和Dc分別為管內徑和翅根直徑;Do為管外徑;δf為翅片厚度;e 為翅片間距;sr為沿空氣流動方向管間距;Nr為管排數;ua為迎面風速;umax為最窄截面處空氣流速.

對于固定結構的盤管，當Ga和Gs已知，則其干工況的ε1和ε2為定值，而盤管表面平均溫度［12］為

式中，Ta，ci，Tw，ci和Td，ci分別為盤管進口空氣的干球溫度、濕球溫度和露點溫度;Ts，ci為盤管進口溶液溫度.

當T3＜Td，ci時，盤管處于濕工況，出口空氣干球溫度Ta，co和濕球溫度Tw，co分別為

當T3≥Td，ci時，盤管處于干工況或臨界工況，出口空氣參數為

翅片盤管內總換熱量Qc為

由此可得出口溶液溫度為

2.2 橫流熱源塔數學模型

假設:①塔內熱質傳遞過程是穩態的，忽略熱損失;②塔內溶液和空氣都均勻分布，熱質交換過程中不考慮軸向傳熱和傳質.

取橫流塔一側填料作為研究對象，如圖3所示，把填料按x，y 方向各等分n 份，設填料體積為V，微元體體積為dV，則

圖3 橫流填料熱源塔模型

微元段內換熱包括潛熱換熱Qq和顯熱換熱，即

式中，hc和hd分別為傳熱系數和傳質系數;a 為比表面積;Le 為劉易斯數，hc/(hdcp，a)=Le2/3;rv=ro+cp，vTv;ro，Tv和cp，v分別為水蒸氣的汽化潛熱、溫度和比定壓熱容.

根據能量平衡，得

根據質量平衡，得

由式(14)和(15)，得

結合式(15)～(19)，采用差分迭代，可得塔出口空氣和溶液參數為

2.3 數學模型的實驗驗證

為驗證翅片盤管模型的準確性，構建如圖4所示實驗系統.從恒溫槽吸出的低溫溶液進入翅片盤管，循環溶液在盤管處與空氣換熱，吸收空氣中的熱量，溫度升高，進入恒溫槽降溫.室外空氣經放熱后，溫度降低，然后排出.

圖4 翅片盤管實驗系統示意圖

實驗選用質量濃度為37%的乙二醇溶液，翅片盤管迎風尺寸為0.3 m ×0.2 m，兩排管，管間距為25 mm，排間距為22 mm，翅片間距為2 mm，管外徑為10 mm，翅片厚度為0.15 mm.采用PT100 鉑電阻溫度傳感器測量進、出口溶液溫度，測量精度為0.1 ℃.采用LG2000 型微型數顯流量計測量溶液流量，測量精度為1 L/min.采用HMT330 溫濕度傳感器測量進、出口空氣溫度和濕度，測量精度為1%.采用CP300 型多功能差壓變送器測量空氣流量，測量精度為0.5%.實驗系統位于焓差室內，實驗工況如表1所示，在各工況下，翅片盤管出口溶液溫度和空氣含濕量的實驗值與模擬值的相對誤差ET和Ed都在10%以內，證明該翅片盤管模型是準確的.

參照文獻［7-8］所研究的塔結構、實驗工況和傳熱系數，并取Le=1，對橫流熱源塔的模型進行驗證，結果如表2所示.在各工況下，熱源塔出口溶液溫度和換熱量的實驗值與模擬值的相對誤差ET和EQ都在10%以內，證明該橫流熱源塔模型是準確的.

表1 翅片盤管模擬與實驗數據比較

表2 橫流熱源塔模擬與實驗數據比較

3 新型熱源塔特性

為研究新型熱源塔內傳熱傳質特性，本文在建立其數學模型的基礎上，對不同環境濕度下新型塔和普通塔的性能進行了對比研究.選用本課題組橫流熱源塔為研究對象，填料尺寸長×寬×高為0.5 m ×0.7 m ×1.0 m，填料的比表面積為160 m2/m3，翅片盤管為2 排，迎風面積為0.84 m ×0.7 m，翅片間距為3 mm.模擬工況中溶液流量為0.7 kg/s，空氣流量為2.1 kg/s，塔內溶液為質量濃度30%的乙二醇水溶液.

3.1 溶液表面水蒸氣分壓力及傳質系數

乙二醇溶液表面的水蒸氣分壓力［10］為

式中，Pbw為等液溫水表面飽和水蒸氣分壓力;Xs為溶液表面等效環境濕度;Cs為溶液質量濃度.

橫流熱源塔內乙二醇水溶液與空氣間的傳質系數采用Fujita 等［6］擬合的經驗公式，即

式中，AH為填料橫截面積，m2;AY為填料迎風面積，m2.

3.2 預凝熱源塔的傳熱傳質特性

當進口溶液溫度為－3 ℃，環境空氣溫度為7℃，環境濕度從90%下降到40%時，新型塔與普通塔的換熱量和吸濕量如圖5所示.很明顯，在相同的環境濕度下，新型塔具有更大的換熱量和更小的吸濕量.由圖5(a)可知，隨著環境濕度的增加，新型塔和普通塔在換熱量上都是快速增加，隨著環境濕度由60%升高到90%，新型塔相對于普通塔換熱量的增加量略有增加，在環境濕度為60%時，新型塔換熱量增加1.22 kW，增加了12.5%，在環境濕度為90%時，新型塔換熱量增加1.45 kW，增加了10.9%.

圖5 2 種塔換熱量和吸濕量隨環境濕度的變化

由圖5(b)可知，隨著環境濕度的增加，新型塔和普通塔的溶液吸濕量都增加.普通塔吸濕量隨著環境濕度增加快速增加，而新型塔吸濕量增加趨勢相對緩慢.這是因為隨著環境濕度增加，普通塔內氣液間的水蒸氣分壓力差快速增加，傳質推動力增大，吸濕量增加，而對于新型塔，翅片盤管處的工況由干工況轉變為濕工況，空氣濕度越大，空氣中的水分被預凝得越多，導致塔內氣液兩側間水蒸氣分壓力差大大降低，故有效地減少了溶液的吸濕量.與普通塔相比，當環境濕度為60%時，新型塔吸濕量減少0.45 g/s，減少了76.3%;環境濕度為90%時，新型塔吸濕量減少1.28 g/s，減少了55.2%;在環境濕度為40%時，塔內溶液界面的水蒸氣分壓力大于進口空氣的水蒸氣分壓力，溶液為再生工況，新型塔的再生量比普通塔增加0.36 g/s，增加了64.3%.故新型塔在一定條件下可實現塔內溶液濃度的自平衡.

4 結論

1)理論分析了新型熱源塔的運行過程，指出新型塔通過進口盤管的預凝功能減少了氣液間的傳質推動力，從而降低了塔內溶液的吸濕量.

2)對比模擬了新型塔和普通塔的傳熱傳質特性，結果發現，相同工況下，新型塔具有較大的換熱量和較小的吸濕量，且隨著環境濕度的增加，吸濕量增加速率較為緩慢，且在較為干燥的環境下，新型塔具有更強的溶液再生能力，有利于實現塔內溶液濃度的自平衡.另外，新型塔結構簡單，有利于對普通開式熱源塔的改造，應用前景廣闊.

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