孔板波紋填料熱源塔換熱及阻力特性實驗研究

鄒俊杰 梁彩華 呂珍余 張小松

東南大學能源與環境學院

0 引言

目前建筑能耗在我國總能耗中所占比重約為27.5%[1]，其中空調用能經常占到50%以上。人們對環境舒適度的追求將使空調需求快速增加，這給我國能源供應和安全帶來挑戰。冷熱源在空調系統能耗中占比很大，因此開發高效節能的冷熱源設備對于節能減排具有重要意義。在傳統空調系統冷熱源中，冷水機組加鍋爐系統存在設備閑置和供暖效率不高的問題。水地源熱泵存在系統初投資高、回報期長、受地理條件限制等問題，且地源熱泵易出現土壤熱不平衡現象，導熱系統性能下降和土壤生態的破壞[2-4]。空氣源熱泵系統冬季易結霜且隨著霜層的形成傳熱熱阻增大，制熱性能衰減嚴重[5-6]。為解決這些問題，發展出一套新型高效的建筑冷熱源方案——熱源塔熱泵系統。熱源塔熱泵系統在夏季運行模式與水冷式冷水機組一致，具有較高的制冷效率。在冬季通過低溫溶液從空氣中吸熱，徹底解決了結霜問題。

近年來熱源塔傳熱傳質研究逐漸成為熱點，Tan和Deng 等[7-9]對比研究了逆用冷卻塔（RUWCT）與常規冷卻塔在傳熱傳質上的不同點，修正了Merkel 公式使其適用于逆用冷卻塔，并通過實驗研究驗證了基于此建立的數學模型的準確性。Wu 等[10]基于大量的實驗數據利用神經網絡建立了具有11 個神經元和輸出層的橫流熱源塔模型，該模型可以預測橫流熱源塔不同工況下的熱力性能。Zhang[11]和Lu[12]等建立了逆流熱源塔傳熱傳質數值模型，該數學模型可用于不同路易斯的運行工況，并分析了進口參數對逆流熱源塔換熱的影響。Cui 等[13-14]研究了無填料熱源塔傳熱傳質特性，發現降低液滴直徑和溶液溫度和提高液滴速度可以提高熱源塔的換熱效率。文先太和梁彩華等[15-16]建立了叉流熱源塔模型并對不同工況下傳熱傳質進行了實驗研究，發現潛熱百分比低于35%，熱源塔冬季工況下的換熱量遠小于夏季工況。

大部分學者建立的模型并不區分填料類型，填料性能對熱源塔傳熱傳質和阻力特性的影響研究較少。填料的表面結構[17-18]、阻力[19]、布置方式[20-21]、表面親水性[22]等都會影響傳熱傳質效果。常用的規整填料類型有S 波、折波、人字波等，而孔板波紋填料因比表面積大、傳質效率高而被廣泛應用結晶塔和吸收塔中[23-24]。孔板波紋填料有助于減小熱源塔體積，但其在熱源塔工況下的傳熱傳質及阻力特性有待研究。本文通過構建橫流熱源塔實驗裝置，以乙二醇溶液為循環介質，實驗研究空氣流量、溫度、含濕量及溶液流量、溫度、濃度對孔板波紋填料熱源塔熱質傳遞的影響及孔板波紋填料熱源塔的阻力特性，結合實驗數據擬合出熱質傳遞系數及壓降的關聯式，這將為熱源塔的設計及優化提供依據。

1 試驗裝置及系統介紹

1.1 實驗裝置及系統工作流程

橫流熱源塔實驗裝置如圖1 所示，空氣處理回路包括風機、溫濕度控制系統（表冷器、加熱器和加濕器）、均流板等組成，溶液回路包括流量計、閥門、溶液泵、噴淋裝置等。

圖1 熱源塔實驗裝置示意圖

實驗時，先啟動外部冷熱源裝置將溶液槽1 中乙二醇溶液降溫到實驗設定溫度，通過溶液泵送到塔頂，經布液裝置均勻地噴灑在填料表面，熱質交換完成后的溶液收集在溶液槽2 中。室外空氣在風機的抽吸作用下經過溫濕度控制系統處理到設置的溫濕度，與溶液在填料中完成熱質交換后被排至室外。實驗時熱源塔中空氣和溶液呈交叉流動，通過變頻器對溶液流量和風量進行調節。實驗結束后，將溶液槽2 中的溶液泵到溶液槽1 中，實現溶液的重復利用。

1.2 孔板波紋填料結構

實驗中的孔板波紋填料的是在斜波波紋填料的基礎上，在其表面沖邊長為2 mm 的方孔，孔距離為4 mm，填料片間距為6.5 mm（如圖2 所示）。本實驗中使用的孔板波紋填料由聚丙烯（PP）制成，能夠耐酸、堿及有機溶劑的腐蝕，能夠適應熱源塔低溫工況和不同類型溶液。安裝時將孔板波紋填料片橫向堆疊，相鄰兩層填料的波紋傾斜方向相反，填料尺寸280 mm×430 mm×700 mm，每層的填料高度為100 mm，總共有7 層。

圖2 孔板波紋填料結構與安裝圖

液膜在斜波波紋填料表面流動時大部分溶液易聚集在波谷處，溶液不能在填料表面均勻分布，導致表面積利用率低。孔板波紋填料在波紋的波峰和波谷處開孔，孔結構可以將聚集在波谷處的溶液引導至另一側，加強了液體的橫向擴散，開孔對填料表面的潤濕性有改善作用，可有效提高填料表面積利用率。同時孔結構可以降低液膜厚度并加強氣液界面上液膜的湍動程度，有助于加強傳熱傳質。

2 實驗內容及測量方法

2.1 實驗測試工況

傳熱傳質實驗中研究了流體性質和流速的影響，包括空氣含濕量dai、空氣干球溫度tai、溶液溫度tsi、溶液濃度Xsi、風量密度Ga和淋液密度Gs。通過實驗研究變工況下（表1）溶液與空氣的傳熱傳質過程，獲得空氣與溶液進出口狀態參數，通過對這些參數進行相關處理即可得到孔板波紋填料的傳熱傳質特性和流體力學性能。孔板波紋填料的流動性能實驗參數按（表2）所示進行設置。

表1 熱質傳遞性能實驗測試工況

表2 熱源塔流動性能實驗進口參數值

2.2 實驗參數的測量

孔板波紋填料進出口空氣干球溫度和含濕量由HMT330 溫濕度計測量，空氣流量由空氣流量由CP300 差壓變送器測量，填料前后的壓差由LFM110壓差變送器測量。孔板波紋填料進出口溶液溫度由PT100 鉑電阻進行測量，濃度由玻璃密度計測量，溶液流量由LWC-15C 渦輪流量計測量。實驗時通過Agilent 34970A 將儀器信號數據采集記錄于計算機中，進行處理和分析后得到相關實驗數據。測量儀器型號及測量精度見表3。

表3 實驗測試測量裝置

3 實驗結果與討論

3.1 能量平衡分析

忽略與環境之間熱量交換，熱源塔的熱質交換過程可認為是絕熱過程，遵循質量守恒和能量守恒定律。根據熱源塔的傳質特性，忽略漂液的影響，假定溶液質量的變化等于空氣側水分質量的變化，即滿足質量守恒。由于實驗中產生的凝水量不足以使溶液濃度產生大的變化，通過實驗測得的數據難以驗證質量守恒，本文假定其質量守恒。本實驗中的空氣側與溶液側的能量平衡如圖3 所示，所有實驗的能量不平衡率均小于±15%，符合誤差要求。

圖3 實驗能量平衡率分布圖

3.2 填料熱力和流動性能評價指標

3.2.1 熱力性能評價指標

本文采用傳熱系數hc、傳質系數hd、換熱量Q 這三個指標來評價熱源塔的傳熱傳質性能。將熱源塔簡化為二維模型，僅考慮高度y 和寬度x 方向的參數變化，其傳熱傳質過程偏微分方程組見式（1）-（4）：

式中：ma和ms分別為空氣和溶液的質量流量，kg/s；ha為空氣焓，kJ/kg；Ts和Ta為溶液和空氣溫度，K；wa和ws為濕空氣含濕量和溶液等效含濕量，g/kg；Xs為溶液質量濃度，%；Cps、Cpa和Cpv分別為溶液定壓比熱容、干空氣定壓比熱容和水蒸氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；hc為傳熱系數，W/(m2·℃)；hd為濕差傳質系數，kg/(m2·s)；aw為填料比表面積，m2/m3；V 為填料體積，m3。

計算時先輸入hc、hd的初始值，然后將式（1）-（4）向前差分后迭代計算，直至計算出的出口空氣的溫度和濕度與測量值一致，即可得到傳熱系數hc和傳質系數hd。

熱源塔的換熱性量主要由總換熱量，顯熱換熱量和潛熱換熱量來衡量，可由式（5）～（7）表示：

式中：Q 為總換熱量，kW；QL為潛熱換熱量，kW；Qs為顯熱換熱量，kW；Ta,in和Ta,out分別為熱源塔進出口的空氣溫度，K；wa,in和wa,out分別為熱源塔進出口空氣的含濕量，g/kg；r 為水蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg。

3.2.2 阻力性能評價指標

為了方便對不同尺寸填料阻力進行比較，采用單位寬度填料的壓降ΔP*來評價，其定義如下：

式中：ΔP 為填料總壓降，Pa；W 為填料寬度，m；ΔP*單位填料寬度壓降，Pa/m。

3.3 熱質傳遞過程影響因素分析

3.3.1 風量密度對熱源塔熱質傳遞性能的影響

如圖4 所示，當風量密度由1.18 kg/(m2·s)增加至3.01 kg/(m2·s)，傳熱系數由10.92 W/(m2·℃)增加至22.01 W/(m2·℃)，傳質系數由11.98 g/(m2·s)增加至21.29 g/(m2·s)。隨著風量密度的增加，流過溶液表面的空氣速度變快，表面空氣更新率增大，同時溶液液膜和氣流擾動加強，從而使傳熱傳質系數增加。由圖5可知，熱源塔的總換熱量，顯熱換熱量和潛熱換熱量均有所增加，但顯熱換熱量增加的速率大于潛熱換熱量增加的速率。

圖5 換熱量隨風量密度的變化

3.3.2 空氣入口溫度對熱源塔熱質傳遞性能的影響

當進口空氣溫度從3.81 ℃增加到9.53 ℃時，孔板波紋填料的傳熱傳質系數的變化規律如圖6 所示。隨著空氣入口溫度的升高，傳熱系數和傳質系數穩定在21.4 W/(m2·℃)和21.2 g/(m2·s)左右。這是因為在五組實驗工況下，入口空氣溫度和溶液入口溫度的變化幅度較小，在該溫度變化范圍內空氣和溶液的物性變化不大，填料傳熱傳質系數受到的影響也較小。由圖7 可知，孔板波紋填料的總換熱量和顯熱換熱量隨著空氣入口溫度的提高而變大，而潛熱換熱量則略有降低。這是因為空氣與溶液間的傳熱溫差變大而傳熱系數基本不變，填料的顯熱換熱量增加，顯熱換熱量的增加導致溶液等效含濕量變大，在空氣含濕量不變時傳質勢差變小，傳質系數不變時填料的潛熱換熱量降低。

圖6 傳熱傳質系數隨空氣入口溫度的變化

圖7 換熱量隨空氣入口溫度的變化

3.3.3 空氣入口含濕量對熱源塔熱質傳遞性能的影響

從圖8 中可以看到隨著空氣入口含濕量由2.73 g/kg 增加到4.68 g/kg，傳熱系數保持在21.2 W/(m2·℃)左右，傳質系數則保持在21.5 g/(m2·s)左右。這是因為空氣入口含濕量變化對熱質傳遞產生的影響主要在于使空氣及溶液的密度、比熱容等物性參數發生改變。在實驗中，入口空氣含濕量變化范圍為2 g/kg，而入口空氣和溶液入口最大溫差均小于1 ℃，填料傳熱傳質系數因空氣和溶液的物性變化較小沒有受到影響。由圖9 可知，隨著空氣入口含濕量的增加，填料的總換熱量和潛熱換熱量顯著增加，而填料的顯熱換熱量則略有下降。入口空氣含濕量的增加使得空氣與溶液間的傳質勢差變大，而傳質系數基本不變，故填料的潛熱換熱量顯著增加，但潛熱換熱量的增加導致傳熱溫差變小，因此顯熱換熱量降低。

圖8 傳熱傳質系數隨空氣入口含濕量的變化

圖9 換熱量隨空氣入口含濕量的變化

3.3.4 淋液密度對熱源塔熱質傳遞性能的影響

如圖10 所示，隨著淋液密度由2.51 kg/(m2·s)增加到4.5 kg/(m2·s)，傳熱系數由20.16 W/(m2·℃)增加到26.01 W/(m2·℃)，傳質系數由19.64 g/(m2·s)增加到26.47 g/(m2·s)。淋液密度的增加擴大了填料的濕潤面積，同時液膜表面波動更劇烈，液膜表面更新速度加快，因而傳熱傳質系數顯著增加。由圖11 可知，孔板波紋填料的總換熱量，顯熱換熱量和潛熱換熱量均隨著淋液密度的增加而變大，這是因為淋液密度的增加使孔板波紋填料的傳熱傳質系數顯著增加，同時溶液流量變大后較大的熱容量使其吸收相同熱量后溫升變小，能保持較低的溫度和表面蒸汽分壓力。

圖10 傳熱傳質系數隨淋液密度的變化

圖11 換熱量隨淋液密度的變化

3.3.5 溶液入口溫度對熱源塔熱質傳遞性能的影響

如圖12 所示，隨著溶液入口溫度由-4.5 ℃增加到1.1 ℃，傳熱系數保持在21.8 W/(m2·℃)左右，傳質系數保持在21.9 g/(m2·s)左右。這是因為溶液入口溫度僅通過影響溶液及空氣的物性來影響熱質傳遞過程，在該實驗工況下，空氣平均溫度變化僅為6 ℃，而溶液進口溫度變化僅為5.72 ℃，在該溫度變化范圍內，兩種流體的物性變化較小，其對填料傳熱傳質系數的影響較小。由圖13 可知，孔板波紋填料熱源塔的總換熱量，顯熱換熱量和潛熱換熱量均隨著溶液入口溫度的升高而變小。溶液入口溫度的增加使空氣與溶液間的傳質勢差和溫差都降低，而傳熱傳質系數基本不變，因此顯熱和潛熱換熱量均降低。

圖12 傳熱傳質系數隨溶液入口溫度的變化

圖13 換熱量隨溶液入口溫度的變化

3.3.6 溶液入口濃度對熱源塔熱質傳遞性能的影響

由圖14 可知，隨著溶液入口濃度由19.44%增加到29.75%，傳熱系數和傳質系數分別保持在21.7 W/(m2·℃)和21.6 g/(m2·s)左右。因為溶液入口濃度僅通過影響空氣與溶液的物性來影響傳熱傳質過程，在實驗工況下，空氣入口溫度和溶液入口溫度的變化僅為0.2 ℃和0.15 ℃，在該溫度變化范圍內，兩種流體的物性變化對填料傳熱傳質系數的影響較小。由圖15 可知，隨著溶液入口濃度的增加，潛熱換熱量逐漸增加，顯熱換熱量有所減少，而總換熱量略有增加。溶液濃度越大其等效含濕量越低，因此空氣與溶液間的含濕量差增加，而傳質系數基本不變，所以潛熱換熱量增加。同時，潛熱換熱量增加導致溶液溫度上升，空氣與溶液間的溫差減少，故顯熱換熱量下降。

圖14 傳熱傳質系數隨溶液入口濃度的變化

圖15 換熱量隨溶液入口濃度的變化

3.3.7 孔板波紋填料熱源塔熱質傳遞系數擬合

由前文分析可知，空氣入口溫度和含濕量，溶液入口溫度和濃度僅通過影響兩種流體的物性影響熱源塔傳熱傳質系數，而在熱源塔實際運行工況下，這些參數對于物性的影響較小，可以忽略。對溶液與空氣之間傳熱傳質系數起決定性作用的為風量密度和淋液密度。

基于實驗數據對孔板波紋填料的傳熱傳質系數進行了擬合，關聯式如下：

式（9）、（10）分別為孔板波紋填料的傳熱傳質系數擬合公式，相關系數分別為0.982、0.974，適用的淋液密度范圍為2.3～4.5 kg/(m2·s)，風量密度范圍為1.2～3.2 kg/(m2·s)。

3.4 孔板波紋填料熱源塔流動性能實驗研究

在熱源塔中，填料的選擇不僅與熱源塔的換熱量有關，而且對空氣動力性能有很大的影響，實驗中孔板波紋填料比其他填料間距小，比表面積更大，故需對孔板波紋填料熱源塔的阻力特性進行研究。

由圖16 可知，孔板波紋填料的單位寬度填料壓降隨風量密度的增加而快速上升，而受淋液密度影響較小。當淋液密度為2.3 kg/(m2·s)時，隨著風量密度從1.5 kg/(m2·s)增加到3.5 kg/(m2·s)，填料的單位寬度壓降從26 Pa 增加到144 Pa，增加了5 倍多。

圖16 單位寬度填料壓降變化規律

將單位寬度孔板波紋填料壓降ΔP*與淋液密度Gs和風量密度Ga的關聯式：

式（11）為孔板波紋填料單位寬度填料壓降的擬合關系式，相關系數均為0.999，適用的淋液密度范圍為2.3～4.3 kg/(m2·s)，風量密度范圍為1.5～3.5 kg/(m2·s)。

4 結論

本文構建了橫流式熱源塔實驗系統，對空氣和溶液入口參數對孔板波紋填料熱源塔的熱質傳遞性能及阻力特性的影響規律進行了研究，得到以下結論：

1）孔板波紋填料熱源塔的傳熱傳質系數受風量密度和淋液密度的影響較大，風量密度和淋液密度的增加會導致填料傳熱傳質系數的增加，得到了孔板波紋填料傳熱傳質系數關于風量密度與淋液密度的關聯式。

2）空氣側參數的變化對熱源塔傳熱傳質性能的影響主要體現在以下方面。隨著風量密度增加，熱源塔顯熱和潛熱換熱量均增加。隨著空氣入口溫度增加，熱源塔顯熱換熱量增加，而潛熱換熱量略有下降。隨著空氣入口含濕量增加，熱源塔潛熱換熱量增加，而顯熱換熱量略有下降。

3）溶液側參數對源塔傳熱傳質性能的影響主要體現在隨著淋液密度增加，熱源塔顯熱和潛熱換熱量均增加。溶液入口溫度增加，潛熱和顯熱換熱量均減少。溶液入口濃度增加，潛熱換熱量增加，而顯熱換熱量降低。

4）孔板波紋填料的單位寬度填料壓降隨風量密度的增加而顯著增加，而受淋液密度的影響較小，擬合出了填料壓降關于風量密度及淋液密度的關聯式。