具有預凝功能的新型熱源塔運行性能的實驗研究

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)

具有預凝功能的新型熱源塔運行性能的實驗研究

夏 燚1,2孫立鏢1梁彩華1張小松1

(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)

為解決現有開式熱源塔冬季運行時塔內溶液吸濕量大而影響系統運行安全的缺陷，本文設計了一種具有預凝功能的新型熱源塔結構，分析了新型塔的運行過程，并對比研究了新型塔和普通塔在不同進口溶液溫度、空氣流量和溶液流量下的運行性能。實驗結果表明，新型塔具有更強的換熱性能和更低的溶液吸濕性。進口溶液溫度由1 ℃上升到3 ℃時，新型塔的換熱量相比于普通塔增加了0.62～0.24 kW，溶液吸濕量平均減少了0.13 g/s；空氣流量由1.41 kg/s升高到2.17 kg/s，新型塔的換熱量相比于普通塔增加了0.79 ～0.84 kW，溶液再生量平均增加了0.1 g/s；溶液流量由0.36 kg/s升高到0.68 kg/s，新型塔的換熱量相比于普通塔增加了0.57～0.63 kW，溶液吸濕量平均減少了0.11 g/s。

熱源塔；傳熱傳質；運行工況；預凝功能

近年來，夏熱冬冷地區的供暖問題開始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，正被學者和業界重視并開展了一系列研究[1-13]。 然而，開式熱源塔冬季運行時存在溶液吸濕問題，而該地區冬季普遍低溫潮濕，大多數時間熱源塔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。現有的方案主要為添加溶質，但這不僅增加了運行成本，還可能導致溶液溢出。目前與熱源塔熱泵系統結合的溶液再生裝置的研究[14-15]還不成熟，且需要消耗額外的熱量，大大降低了熱源塔熱泵系統的運行效率。因此，如何有效控制熱源塔中溶液的濃度是開式熱源塔熱泵系統應用與推廣亟待解決的問題。

為緩解開式熱源塔內的溶液吸濕問題，本課題組從熱源塔傳質原理入手，設計了一種具有預凝功能的新型熱源塔結構[16]，并搭建了相應的實驗系統，對其可行性和相關運行性能進行了實驗研究。

1 新型熱源塔運行過程分析

開式熱源塔內的溶液和空氣的傳質推動力是液相界面空氣與主流空氣的水蒸氣分壓力差，它是決定傳質方向和傳質量大小的重要因素之一，故減小氣液間的水蒸氣分壓力有助于減小溶液的吸濕量。基于這一原理，本文設計了如圖1所示的新型熱源塔結構，即在普通開式熱源塔的進風處安裝翅片盤管，閥門1和閥門3開，閥門2關，低溫溶液先進入翅片盤管，對進口空氣進行預處理。

圖1 新型熱源塔結構示意圖Fig.1 The structure figure of new-type tower

新型塔的運行過程如圖2所示，對于不同的進口空氣狀態，盤管處的空氣處理過程可分為干工況和濕工況，假設干、濕工況的進口空氣狀態點分別為a1和a1′，進口溶液相界面的空氣狀態點為s1，則普通塔的傳質推動力為(pa1-pbs1)或(pa1′-pbs1)，新型塔經過預凝處理，進口空氣狀態點由a1或a1′變為a2，無論處于何種工況，塔內空氣與溶液的傳質都可表述成以下三種情況：

當溶液處理后溶液界面的空氣狀態點升高到s2點，溶液界面的水蒸氣分壓力升高，傳質推動力減少到(pa2-pbs2)，(pa2-pbs2)>0，兩者差距縮小，此時塔內溶液吸濕量要明顯比普通塔小；當溶液處理后溶液界面的空氣狀態點升高到s3點，傳質推動力減少到(pa2-pbs3)，(pa2-pbs3)=0，進塔后的溶液與空氣水蒸氣分壓力相等，塔內溶液不吸濕；當溶液處理后溶液界面的空氣狀態點升高到s4點，傳質推動力減少到(pa2-pbs4)，(pa2-pbs4)<0，進塔后的溶液水蒸氣分壓力大于空氣水蒸氣分壓力，塔內溶液向空氣傳遞水分。

可見與普通塔相比，新型塔在降低溶液吸濕量上有明顯優勢，加有預凝盤管相當于增加了塔的換熱面積，總的換熱量也會有一定的增加。新型塔中的預凝盤管采用較大翅片間距，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，為避免了翅片盤管的結霜，可關閉閥門1和閥門3，打開閥門2，使循環溶液直接進入熱源塔內換熱。

圖2 新型熱源塔運行過程示意圖Fig.2 The operation process of new-type tower

2 實驗系統的構建

TH溫濕度傳感器 T溫度傳感器 F流量計圖3 實驗系統示意圖Fig.3 The schematic diagram of experiment system

為了研究新型塔的運行性能，構建了圖3所示的實驗系統。循環溶液在熱源塔內與空氣換熱，并把熱量傳遞給熱泵機組，機組吸收熱量為末端供熱。本系統采用SDC26溫控器調節恒溫器控制進口溶液溫度，通過調節手閥的開度控制溶液流量，通過變頻風機控制熱源塔空氣流量。本實驗臺的熱源塔和翅片盤管如圖4所示，熱源塔由10 t/h橫流冷卻塔改造而來，設計空氣流量6000 m3/h，填料采用斜波紋長方形PVC填料，尺寸為0.5 m×0.7 m×1 m(長×寬×高)，填料比表面積160 m2/m3。翅片盤管的結構參數見表1，通過如圖1所示的閥門切換，控制溶液直接進入熱源塔或者先進入翅片盤管再進入熱源塔，從而實現對普通塔和新型塔的對比研究。實驗中選用溶液為乙二醇水溶液，質量濃度為30%。

圖4 熱源塔及預凝盤管實物圖Fig.4 The figure of heat-source tower and finned coil

管間距/mm管排數橫縱橫縱翅片厚度/mm翅片間距/mm管外徑/mm迎風尺寸/(m×m)222513301153952084×07

實驗過程中，采用PT100鎧裝鉑電阻溫度傳感器測量溶液溫度，測溫范圍為-200～500 ℃，允許偏差為±(0.15+0.002|t|)；選用LWY-15C型渦輪流量傳感器測量溶液流量，最大流量為6.0 m3/h，精度為1.0級。采用法國KIMO-VT100S手持熱線式風速儀測量進塔空氣流量，測量范圍為0.15～30 m/s，精度±3%。采用VAISALA的HMT330系列溫濕度變送器測量塔進出口溫濕度，測量范圍為0%～100%，-40～80 ℃。所有實驗工況中，空氣側換熱量與溶液側換熱量誤差不超過15%。

3 塔運行性能的實驗研究

3.1 不同進口溶液溫度下塔性能對比研究

為對比新型塔與普通塔的性能，需在相同條件下進行實驗。實驗過程中，通過溫控器控制進口溶液溫度，研究新型塔在不同溫度下的性能，然后切換閥門，使溶液單走塔回路，排走盤管內的溶液，控制進口溶液溫度，測量普通塔在相同進口溶液溫度點的性能，各進口參數見表2。因為進口溶液溫度都高于進口空氣的露點溫度，且實驗過程中沒有明顯結露現象，故認為盤管處于干工況，測量的進出口含濕量差即為溶液的吸濕量。

從圖5和圖6可以看出，在該工況下，相同的進口溶液溫度，新型塔的換熱量和吸濕量都要明顯優于普通塔。隨著進口溶液溫度的升高，新型塔和普通塔換熱量和吸濕量都快速減小。當進口溶液溫度由1 ℃上升到3 ℃時，新型塔的換熱量為由4.21 kW下降到了1.89 kW，而普通塔由3.59 kW下降到了1.65 kW，新型塔的溶液吸濕量由0.12 g/s下降到了-0.2 g/s，而普通塔由0.02 g/s下降到了-0.34 g/s，可見較高的進口溶液溫度有利于減少溶液的吸濕量，但是同時塔的換熱量也會下降，這是因為進口溶液溫度的升高，氣液間水蒸氣分壓力差減小，溶液吸濕量減小，但是同時溶液與空氣的溫差減小，潛熱換熱和顯熱換熱都明顯減弱，對塔的換熱是不利的。故實際運行中在保證供熱需求的前提下，適當提高進口溶液溫度可有利于減小溶液吸濕量。當進口溶液上升到一定溫度，熱源塔由溶液吸濕轉變為了溶液再生，而新型塔能比普通塔更早進入再生工況，且在再生工況下，新型塔比普通塔溶液再生量更大，在進口溶液溫度為1 ℃時，普通塔量為0.12 g/s，而新型塔已經由吸濕轉變為再生，可見新型塔更有利于實現溶液濃度的自平衡。

表2 不同進口溶液溫度下各進口參數Tab.2 The inlet parameters under different inlet solution temperature

圖5 不同進口溶液溫度下各塔的換熱量Fig.5 The heat exchange rate of towers under different inlet solution temperature

圖6 不同進口溶液溫度下各塔的吸濕量Fig.6 The moisture absorption rate of towers under different inlet solution temperature

3.2 不同空氣流量下塔性能的對比研究

實驗過程中，通過風機變頻器對進入熱源塔的空氣流量進行控制，采用上節所述實驗步驟，通過閥門切換，分別對新型塔和普通塔進行實驗，各進口參數見表3。因為進口溶液溫度都高于進口空氣的露點溫度，且實驗過程中沒有明顯結露現象，故認為盤管處于干工況，測量的進出口含濕量差即為溶液的吸濕量。

表3 不同空氣流量下各進口參數Tab.3 The inlet parameters under different air flow

圖7 不同空氣流量下各塔的換熱量Fig.7 The heat exchange rate of towers under different air flow

從圖7和圖8可以看出，由于環境濕度相對較低，而溶液溫度相對較高，溶液側的水蒸氣分壓力要大于空氣側的水蒸氣分壓力，熱源塔處于溶液再生狀態。在相同的空氣流量下，新型塔的換熱量和再生量都比普通塔大，同時隨著空氣流量的升高，塔內空氣更新速率加快，傳熱傳質系數增大，新型塔和普通塔的換熱量和再生量都有一定升高。圖中空氣流量由1.41 kg/s增大到2.17 kg/s，新型塔的換熱量由3.2 kW升高到3.94 kW，而普通塔由2.41 kW升高到3.1 kW，新型塔的再生量由0.36 g/s升高到0.52 g/s，而普通塔由0.28 g/s升高到0.4 g/s。在實驗過程中發現，隨著空氣流量由1.41 kg/s增大到2.17 kg/s，新型塔經盤管處理后的進塔溶液溫度由-0.1 ℃升高到0.05 ℃，要明顯高于普通塔的進塔溶液溫度(-1 ℃)，而進塔溶液溫度越高，溶液再生量越大，新型塔具有更強的再生能力。在較干燥的環境下，適當增大空氣流量有利于塔內溶液再生，但過大的空氣流量會增加風機耗功，需綜合考慮。

圖8 各塔吸濕量隨空氣流量的變化Fig.8 The moisture absorption rate of towers under different air flow

3.3 不同溶液流量下塔性能的對比研究

實驗過程中，通過閥門開度調節進塔溶液的流量，通過閥門切換，采用前文所述的實驗步驟，分別對新型塔和普通塔進行實驗，實驗各進口參數見表4。因為進口溶液溫度都高于進口空氣的露點溫度，且實驗過程中沒有明顯結露現象，故認為盤管處于干工況，測量的進出口含濕量差即為溶液的吸濕量。

表4 不同溶液流量下各進口參數Tab.4 The inlet parameters under different solution flow

從圖9和圖10可以看出，在相同溶液流量下，新型塔有更大的換熱量和更小的吸濕量。隨著溶液流量由0.36 kg/s升高到0.68 kg/s，部分未潤濕的填料得到充分潤濕，溶液與空氣的傳熱傳質加強，故新型塔和普通塔的換熱量和吸濕量都有一定增加。新型塔的換熱量由2.88 kW升高到4.04 kW，而普通塔由2.31 kW升高到3.41 kW。新型塔的吸濕量由0 g/s升高到0.1 g/s，而普通塔由0.12 g/s升高到0.21 g/s。在實驗過程中，隨著空氣流量由0.36 kg/s升高到0.68 kg/s，新型塔經盤管處理后的進塔溶液溫度由0.78 ℃升高到1.2 ℃，溶液溫度都要明顯高于普通塔的進塔溫度0 ℃，進塔溶液溫度越高，氣液間的水蒸氣分壓力差越小，傳質推動力被減弱，故新型塔具有更低的吸濕量。而隨著溶液流量的增加，雖然氣液間的水蒸氣分壓力差減小，但是塔內傳質系數增大，實際溶液與空氣的接觸面積增大。在此環境條件下，后者對溶液吸濕量的影響較大，故而隨著溶液流量的增加，塔內溶液吸濕量增加。因而一定環境條件時，在保證系統供熱需求的前提下，適當減小溶液流量有助于減小溶液吸濕量。

圖9 不同溶液流量下各塔的換熱量Fig.9 The heat exchange rate of towers under different solution flow

圖10 各塔吸濕量隨溶液流量的變化Fig.10 The moisture absorption rate of towers under different solution flow

4 結論

本文針對夏熱冬冷地區冬季開式熱源塔運行時的溶液吸濕問題，設計了一種具有預凝功能的新型熱源塔結構，理論分析了運行過程，構建實驗系統，并對比研究了新型塔和普通塔在不同進口溶液溫度、空氣流量和溶液流量下的運行性能，結果表明：

1)在相同的運行工況下，新型塔有更大的換熱量和更小的溶液吸濕量(或更大的溶液再生量)，故能有效緩解開式熱源塔冬季溶液吸濕問題；

2)兩者的換熱量和溶液吸濕量均隨著進口溶液溫度升高而減小，在滿足換熱量的前提下，適當提高進口溶液溫度，可較少溶液吸濕量；

3)在較低環境濕度下，當新型塔與普通塔處于再生工況時，適當提高空氣流量有助于提高溶液再生量和塔換熱量；

4)隨著溶液流量的增加，兩者的吸濕量和換熱量都增加，在保證換熱量的前提下，適當減小溶液流量可減少溶液吸濕量。

[1] Luo Y, Ma R, Ding X, et al. A study of the mechanical draft heating/cooling tower heat pump system[C]//The 6th International Symposium on Heating, Ventilating and Air Conditioning, 2009: 702-707.

[2] Li N, Zhang W, Wang L, et al. Experimental study on energy efficiency of heat-source tower heat pump units in winter condition[C]//Proceedings-3rd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2011: 135-138.

[3] 梁彩華, 文先太, 張小松. 基于熱源塔的熱泵系統構建與試驗[J]. 化工學報, 2010, 61(Suppl.2): 142-146. (Liang Caihua, Wen Xiantai, Zhang Xiaosong. Construction and experimental research on heat pump system based on heat-source tower[J]. CIESC Journal, 2010, 61(Suppl.2): 142-146.)

[4] Wu J S, Zhang G Q, Zhang Q, et al. Artificial neural network analysis of the performance characteristics of a reversibly used cooling tower under cross flow conditions for heat pump heating system in winter[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(7): 1685-1693.

[5] Zhang Q, Wu J S, Zhang G Q, et al. Calculations on performance characteristics of counterflow reversibly used cooling towers[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(2): 424-433.

[6] 文先太, 梁彩華, 張小松, 等. 熱源塔液氣比優化分析與實驗研究[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2011, 41(4): 767-771. (Wen Xiantai, Liang Caihua, Zhang Xiaosong. Experimental analysis of optimized liquid to gas ratio in heat-source tower[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2011, 41(4): 767-771.)

[7] 文先太, 梁彩華, 張小松, 等. 熱源塔傳質特性的分析和實驗研究[J]. 化工學報, 2011, 62(4): 901-907. (Wen Xiantai, Liang Caihua, Zhang Xiaosong, et al. Mass transfer characteristics in heat-source tower[J]. CIESC Journal, 2011, 62(4): 901-907.)[8] 文先太, 梁彩華, 張小松, 等. 填料型叉流熱源塔不同運行模式下換熱性能實驗分析[J]. 重慶大學學報, 2011, 34(Suppl.1): 67-71. (Wen Xiantai, Liang Caihua, Zhang Xiaosong, et al. Heating transfer performance in a cross flow packing tower under different operational mode[J]. Journal of Chongqing University, 2011, 34(Suppl.1): 67-71.)

[9] Wen X T, Liang C H, Zhang X S. Experimental study on heat transfer coefficient between air and liquid in the cross-flow heat-source tower[J]. Building and Environment, 2012, 57: 205-213.

[10] Liu X H, Jiang Y, Chang X M, et al. Experimental investigation of the heat and mass transfer between air and liquid desiccant in a cross-flow regenerator[J]. Renewable Energy, 2007, 32(10): 1623-1636.

[11] Zhang L, Hihara E, Matsuoka F, et al. Experimental analysis of mass transfer in adiabatic structured packing dehumidifier/regenerator with liquid desiccant[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(13/14): 2856-2863.

[12] Asvapoositkul W, Treeutok S. A simplified method on thermal performance capacity evaluation of counter flow cooling tower[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 38:160-167.

[13] 文先太, 梁彩華, 劉成興, 等. 叉流熱源塔傳熱傳質模型的建立及實驗驗證[J]. 化工學報, 2012, 63(8): 2398-2404. (Wen Xiantai, Liang Caihua, Liu Chengxing, et al. Verification of model for heat and mass transfer process in cross flow heat-source tower[J]. CIESC Journal, 2012, 63(8): 2398-2404.)

[14] 文先太, 梁彩華, 劉成興, 等. 基于空氣能量回收的熱源塔溶液再生系統節能性分析[J]. 化工學報, 2011, 62(11): 3242-3247. (Wen Xiantai, Liang Caihua, Liu Chengxing, et al. Energy-saving analysis of solution regeneration in the heat-source tower based on recovery of air energy[J]. CIESC Journal, 2011, 62(11): 3242-3247.)

[15] 劉成興, 梁彩華, 文先太, 等. 逆流熱源塔傳熱傳質模型建立與凝水調節的可行性[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2013, 43(4): 788-792. (Liu Chengxing, Liang Caihua, Wen Xiantai, et al. Modeling of heat and mass transfer in counterflow heat-source tower and feasibility study of moisture condensation control[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2013, 43(4): 788-792.)

[16] 梁彩華, 劉成興, 文先太, 等. 具有預凝功能的熱源塔裝置: 中國, 201210365696.9[P]. 2014-06-11.

About the corresponding author

Zhang Xiaosong, male, professor, School of Energy and Environment, Southeast University, +86 25-83792722, E-mail: rachpe@seu.edu.cn. Research fields: new-type refrigeration technology, high-efficiency air-conditioning system and heat-pump technology, building energy conservation and solar energy utilization.

Experimental Study on the Performance Characteristic of a New-typeHeat-source Tower with Pre-condensation Function

Xia Yi1,2Sun Libiao1Liang Caihua1Zhang Xiaosong1

(1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China; 2. School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing, 210046, China)

The existing open heat-source tower has high moisture absorption rate in winter, which affects the safety of system. So a new-type heat-source tower structure with pre-condensation function was designed. The operation process of new-type tower was analyzed. The operation characteristic of new-type tower and ordinary tower were comparatively studied under different inlet solution temperature, mass flow of air and solution. The experiment results showed that the new-type tower had higher heat exchange performance and lower moisture absorption rate. Compared with ordinary tower, when inlet solution temperature rise from 1 ℃to 3 ℃, the new-type tower’s heat exchange rate increased 0.62-0.24 kW, and moisture absorption rate dropped 0.13 g/s in average; When air flow increased from 1.41 kg/s to 2.17 kg/s, the new-type tower’s heat exchange rate increased 0.79-0.84 kW, and moisture absorption rate dropped 0.1 g/s in average; When solution flow rate increased from 0.36 kg/s to 0.68 kg/s, the new-type tower’s heat exchange rate increased 0.57-0.63 kW, and moisture absorption rate dropped 0.11 g/s in average.

heat-source tower; heat and mass transfer; operating conditions; pre-condensation function

“十二五”國家科技支撐計劃項目課題(2011BAJ03B14)資助。(The project was supported by the Key Technologies R&D Program of China for the 12th Five-Year Plan(No.2011BAJ03B14).)

2015年7月23日

0253- 4339(2015) 06- 0047- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.047

TQ051.5；TK124

A

張小松，男，教授，東南大學能源與環境學院，(025)83792722，E-mail: rachpe@seu.edu.cn。研究方向：新型制冷技術，高效空調系統與熱泵技術，太陽能利用與建筑節能。