制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔結(jié)構(gòu)改造研究

崔 煊，陳金花，高 明，劉婧楠，沈 艷，薛 梅，陳 浩，章立新

(1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2.煙臺藍德空調(diào)工業(yè)有限責(zé)任公司,山東 煙臺 264003；3.上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司，上海 200433；4.浙江金菱制冷工程有限公司，諸暨 311802；5.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030.)

現(xiàn)有的熱泵機組主要有水源熱泵機組、地源熱泵機組以及空氣源熱泵機組[1-3]，空氣源塔式換熱熱泵/制冷系統(tǒng)是一種近年來新興并引起廣泛關(guān)注的節(jié)能系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)的末端設(shè)備是一個與空氣直接換熱的塔式換熱設(shè)備。系統(tǒng)在夏季制冷工況運行時即為冷卻塔，冷卻塔中的工質(zhì)為水，蒸發(fā)冷卻；而在冬季制熱工況下，塔內(nèi)工質(zhì)替換為氯化鈣、乙二醇等冰點較低的載冷劑，載冷劑在塔內(nèi)獲取環(huán)境中可再生的空氣熱能[5]，即為吸熱塔。因為目前各種標準中對該系統(tǒng)末端這種塔式換熱設(shè)備沒有明確的稱呼，本文以下統(tǒng)稱吸熱塔。

吸熱塔作為該系統(tǒng)的核心部件之一，是從冷卻塔基礎(chǔ)上改造而來，夏季作為向空氣排熱的冷卻塔使用，冬季則作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)崃縼碓矗凰捎茫⑶页浞掷昧嗽瓉砝鋮s塔在冬季閑置的狀態(tài)。張晨[6]等人對比分析了現(xiàn)有三種典型結(jié)構(gòu)(普通開式、普通閉式及改進型閉式)吸熱塔的型式、工作原理及應(yīng)用性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)開式塔雖然效率高，造價低，但存在溶液飄失，溶液稀釋的問題；普通閉式結(jié)構(gòu)雖然可以有效抑制冬季結(jié)霜問題，但換熱效率低；改進型閉式結(jié)構(gòu)則結(jié)合了上述優(yōu)點，具有良好性能。李雙磊[7]對開式橫流塔和逆流塔做出詳細比較，認為橫流塔具有結(jié)構(gòu)簡單、方便拆卸、保養(yǎng)方便、對水質(zhì)要求低以及噪聲較低的優(yōu)勢，橫流塔的缺點則是飄逸率高，用水量較大。對于制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔來說由于其大多是以鹽溶液為循環(huán)工質(zhì)，所以不能使雨水通過風(fēng)機口以及進風(fēng)窗進入塔內(nèi)以免稀釋塔內(nèi)溶液。

因此對于開式橫流冷卻塔向吸熱塔改造的方向總體來說需要解決的問題是：要求工作介質(zhì)不會飄移或飛濺到塔外，對環(huán)境造成影響；雨水不會流入塔內(nèi)稀釋溶液；工作介質(zhì)不會腐蝕塔體。

1 吸熱塔塔體改造

此次改造選用的是開式橫流吸熱塔，塔長2.4m，寬4.6m，高2.6m，工作介質(zhì)為CaCl2溶液。改造后的塔體簡圖如圖1所示。

經(jīng)過改造后的吸熱塔具有以下特點：

(1) 現(xiàn)有的吸熱塔多為金屬或半金屬塔身，塔體的重量增加了安裝難度，而此次對塔身的改造是將金屬或者半金屬的塔身改為全復(fù)合材料塔身，在吸熱塔材料方面屬于創(chuàng)新改造。塔身強度基本不改變，同時又減小了吸熱塔塔體的重量，并起到防止鹽溶液對塔體的腐蝕的作用。

(2) 在風(fēng)機上部接裝一個防雨水與降噪的風(fēng)筒，能有效的防止雨水進入塔內(nèi)，而且背對風(fēng)筒的一側(cè)噪聲較小；

(3) 塔體外側(cè)進風(fēng)窗設(shè)計為百葉向下傾斜，可防止側(cè)面雨水進入塔內(nèi)；

(4) 緊挨外側(cè)設(shè)計為一層防止溶液外濺的百葉窗；

(5) 在塔體內(nèi)側(cè)再加裝一層防雨水的百葉窗，與外接風(fēng)筒形成雙層保障，降水量較小的地區(qū)可以根據(jù)需要拆除此層百葉窗；

(6) 在最底部循環(huán)溶液的集液槽上部加裝了一個雨水收集槽，將雨水導(dǎo)出塔外；

(7) 改造之后的塔內(nèi)大致風(fēng)向如圖1所示箭頭，可以發(fā)現(xiàn)越是靠近填料內(nèi)側(cè)和上部，風(fēng)量越小，所以水盆的底部設(shè)計有一個小的傾斜度，采用小孔布水，由于重力作用，這樣可以使撒下的溶液流量從內(nèi)側(cè)到外側(cè)越來越大，進而可與空氣充分換熱，提高塔的換熱性能。

(8) 三層百葉窗均為整體構(gòu)架，這樣可使拆卸保養(yǎng)更為方便。

1.防雨降噪風(fēng)機套筒;2.具有一定傾斜角的撒水盆;3.外層擋雨百葉窗;4.側(cè)面防飄液百葉窗;5.內(nèi)側(cè)防雨水百葉窗;6.雨水收集槽;7.雨水出水口;8.填料圖1 改進型開式橫流吸熱塔

2 實驗研究

本實驗是以煙臺地區(qū)某辦公樓中已經(jīng)投入運行的空氣源塔式熱泵系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將其系統(tǒng)原有的普通橫流開式吸熱塔替換為本文所述的改進型開式橫流塔進行測試。所測吸熱塔實體如圖2所示。

圖2 所測吸熱塔實物圖

在吸熱塔進出口分別布置有鉑電阻來測量溶液進出口溫度；溫度測試所有鉑電阻為Pt100，殼材為316L，精度等級為AA，測量范圍-30 70℃；流量采用超聲波流量計V法測量；風(fēng)量采用手持式風(fēng)速儀測試；噪聲采用噪聲測試儀并依照GB/T 7190.1-2008[7]所述方法進行測試。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 噪聲分析

如表1所示，本文選取了三個典型位置進行對噪聲的測試。測試流量與風(fēng)機頻率均按照系統(tǒng)正常運行的工況，分別為88t/h和40Hz。測試結(jié)果顯示風(fēng)筒背側(cè)的噪聲要比風(fēng)筒出口側(cè)小17dB，且根據(jù)國標測試的結(jié)果符合國家標準[8]。由此看出塔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且這種風(fēng)筒形式能有效的降低風(fēng)筒背側(cè)的噪聲，在實際工程中可根據(jù)現(xiàn)場情況擺放吸熱塔位置，以減少噪聲帶來的影響。

表1 不同位置的噪聲大小

3.2 溶液飄移分析

如圖3所示，系統(tǒng)運行1年后，從鐵板腐蝕程度可以看出改進型吸熱塔中的溶液從進風(fēng)窗外濺的程度較改造前明顯降低。

圖3 吸熱塔進風(fēng)窗下鐵板腐蝕情況

3.3 塔內(nèi)阻力與風(fēng)量分析

在對圖1所示中的三種不同百葉窗選擇四種工況進行測試，通過每種工況風(fēng)量的大小以來看出不同工況下塔內(nèi)阻力情況。四種工況如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)：在只有最外側(cè)進風(fēng)窗3，沒有側(cè)面防飄液百葉窗4和內(nèi)側(cè)防雨水百葉窗5的工況下的阻力最小風(fēng)量最大，在4和5進風(fēng)窗都有的工況下阻力最大，風(fēng)量最小，兩者風(fēng)量差基本在10000～13000m3·s-1之間；4和5百葉窗只有其一的兩個工況風(fēng)量處于中間位置且風(fēng)量差別不大。所以可以根據(jù)地區(qū)降水量的大小選擇是否加裝內(nèi)層防雨水百葉窗。

圖4 四種不同百葉窗工況下風(fēng)量的對比

3.4 換熱性能分析

由于是在實際投入運行的工程中進行測試，無法對環(huán)境參數(shù)以及系統(tǒng)用戶側(cè)負荷進行準確的控制變量，因此本文只能在長期的測試當中選取工況相近的兩組數(shù)據(jù)進行比較。具體參數(shù)如表2所示，在系統(tǒng)滿負荷運行，環(huán)境工況相似，風(fēng)機頻率相同，改進型吸熱塔風(fēng)量小于普通吸熱塔情況下的兩種吸熱塔換量相差不大，改進型吸熱塔的換熱量甚至略高于普通型吸熱塔。

表2 兩種塔型換熱量對比

4 結(jié)論

本文分析了制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔所需的工藝特殊性，并根據(jù)其特點在開式橫流冷卻塔基礎(chǔ)上進行了多方面的結(jié)構(gòu)改造，同時還對實塔進行了測試。實驗研究表明：

(1)全復(fù)合材料的塔體與塔身不僅拆卸安裝方便，而且具有很好的防腐蝕作用。

(2)改造后的吸熱塔噪聲不僅符合國家標準，而且更能因地制宜將噪聲污染進一步降低。

(3)改造后的吸熱塔能有效的防止雨水進入塔內(nèi)，并且很大程度上防止了進風(fēng)窗兩側(cè)溶液的外濺，降低了對環(huán)境的影響。

(4)改造后的吸熱塔在相同頻率的風(fēng)機運行下，雖然由于阻力增大，風(fēng)量降低，但是換熱性能相比普通吸熱塔相差不大，甚至略高于后者。

[1] 工業(yè)鍋爐清潔能源手冊[M].上海:海科學(xué)技術(shù)出版社，2015:142-145.

[2] 李志浩,張永銓.空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的選擇[J].暖通空調(diào),1996,26(4):3-10.

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[4] 徐政宇.夏熱冬冷地區(qū)開式吸熱塔熱泵技術(shù)的供暖研究[D].長沙:湖南大學(xué),2013.

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[8] 全國纖維增強塑料標準化技術(shù)委員會.GB/T 7190.1 2008玻璃纖維增強塑料冷卻塔 第1部分:中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔[S].北京：中國標準出版社，2008.