具有預(yù)凝功能的新型熱源塔的構(gòu)建及模擬

夏 燚 孫立鏢 梁彩華 張小松

(1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

(2 南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，南京210046)

近年來(lái)，夏熱冬冷地區(qū)的供暖問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)各界的廣泛關(guān)注，供暖方式及其相應(yīng)熱源的需求十分迫切，熱源塔熱泵系統(tǒng)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(xué)者和業(yè)界人士的重視并對(duì)其開展了一系列研究［1-11］.

開式熱源塔造價(jià)低、換熱效率高，是目前主要采用的熱源塔結(jié)構(gòu)形式.然而，其冬季運(yùn)行時(shí)存在溶液吸濕問(wèn)題，且冬季普遍低溫潮濕，多數(shù)時(shí)間塔內(nèi)空氣側(cè)的水蒸氣分壓力要大于溶液側(cè)的水蒸氣分壓力，空氣中的水分會(huì)進(jìn)入溶液，導(dǎo)致溶液變稀，溶液冰點(diǎn)上升，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行.現(xiàn)有的解決方案主要是添加溶質(zhì)，但這不僅增加了運(yùn)行成本，而且還可能導(dǎo)致熱源塔內(nèi)溶液溢出.同時(shí)，目前關(guān)于與熱源塔熱泵系統(tǒng)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(tǒng)的運(yùn)行效率.

為解決開式熱源塔內(nèi)的溶液吸濕問(wèn)題，本文從熱源塔傳質(zhì)原理入手，提出了一種具有預(yù)凝功能的新型熱源塔結(jié)構(gòu)［11］，并通過(guò)建立其數(shù)學(xué)模型研究其性能.

1 新型熱源塔運(yùn)行過(guò)程分析

本文研究的新型熱源塔結(jié)構(gòu)如圖1所示，即在普通開式熱源塔的進(jìn)風(fēng)側(cè)安裝翅片盤管，閥1 和閥3 開，閥2 關(guān)，低溫溶液先進(jìn)入翅片盤管，對(duì)進(jìn)口空氣進(jìn)行預(yù)凝處理.

圖1 新型熱源塔示意圖

圖2 新型熱源塔運(yùn)行過(guò)程示意圖

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

可見(jiàn)新型塔能有效減少塔內(nèi)溶液吸濕量，而盤管相當(dāng)于增加了塔的換熱面積，故總換熱量會(huì)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(jié)霜概率.當(dāng)進(jìn)口空氣溫度很低、濕度很大時(shí)，為了避免翅片盤管的結(jié)霜，可關(guān)閉閥1 和閥3，打開閥2，使循環(huán)溶液直接進(jìn)入熱源塔內(nèi)換熱.

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

將新型塔看作是普通熱源塔與翅片盤管的耦合結(jié)構(gòu)，可通過(guò)建立這2 部分的數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建新型塔的數(shù)學(xué)模型.

2.1 翅片盤管的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)濕工況下凝結(jié)水及時(shí)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(zhuǎn)換法［12］，將濕工況轉(zhuǎn)換為干工況來(lái)計(jì)算，翅片盤管的熱交換效率系數(shù)ε1和接觸系數(shù)ε2為

式中，β 為傳熱單元數(shù)，β=KcF/(Gacp，a);γ 為水當(dāng)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(zhǔn)的總傳熱系數(shù)Kc為

式中，Ao，Ai和Am分別為每米翅片管長(zhǎng)的外表面積、內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù).

管內(nèi)溶液對(duì)流換熱系數(shù)αs為

平直形翅片盤管空氣側(cè)換熱系數(shù)αo為［13］

式中，Di和Dc分別為管內(nèi)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(dòng)方向管間距;Nr為管排數(shù);ua為迎面風(fēng)速;umax為最窄截面處空氣流速.

對(duì)于固定結(jié)構(gòu)的盤管，當(dāng)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(jìn)口空氣的干球溫度、濕球溫度和露點(diǎn)溫度;Ts，ci為盤管進(jìn)口溶液溫度.

當(dāng)T3＜Td，ci時(shí)，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(dāng)T3≥Td，ci時(shí)，盤管處于干工況或臨界工況，出口空氣參數(shù)為

翅片盤管內(nèi)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(shù)學(xué)模型

假設(shè):①塔內(nèi)熱質(zhì)傳遞過(guò)程是穩(wěn)態(tài)的，忽略熱損失;②塔內(nèi)溶液和空氣都均勻分布，熱質(zhì)交換過(guò)程中不考慮軸向傳熱和傳質(zhì).

取橫流塔一側(cè)填料作為研究對(duì)象，如圖3所示，把填料按x，y 方向各等分n 份，設(shè)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(nèi)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(shù)和傳質(zhì)系數(shù);a 為比表面積;Le 為劉易斯數(shù)，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(jù)能量平衡，得

根據(jù)質(zhì)量平衡，得

由式(14)和(15)，得

結(jié)合式(15)～(19)，采用差分迭代，可得塔出口空氣和溶液參數(shù)為

2.3 數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證翅片盤管模型的準(zhǔn)確性，構(gòu)建如圖4所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).從恒溫槽吸出的低溫溶液進(jìn)入翅片盤管，循環(huán)溶液在盤管處與空氣換熱，吸收空氣中的熱量，溫度升高，進(jìn)入恒溫槽降溫.室外空氣經(jīng)放熱后，溫度降低，然后排出.

圖4 翅片盤管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)選用質(zhì)量濃度為37%的乙二醇溶液，翅片盤管迎風(fēng)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(cè)量進(jìn)、出口溶液溫度，測(cè)量精度為0.1 ℃.采用LG2000 型微型數(shù)顯流量計(jì)測(cè)量溶液流量，測(cè)量精度為1 L/min.采用HMT330 溫濕度傳感器測(cè)量進(jìn)、出口空氣溫度和濕度，測(cè)量精度為1%.采用CP300 型多功能差壓變送器測(cè)量空氣流量，測(cè)量精度為0.5%.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)位于焓差室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差ET和Ed都在10%以內(nèi)，證明該翅片盤管模型是準(zhǔn)確的.

參照文獻(xiàn)［7-8］所研究的塔結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)工況和傳熱系數(shù)，并取Le=1，對(duì)橫流熱源塔的模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)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(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差ET和EQ都在10%以內(nèi)，證明該橫流熱源塔模型是準(zhǔn)確的.

表1 翅片盤管模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

表2 橫流熱源塔模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

3 新型熱源塔特性

為研究新型熱源塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性，本文在建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)不同環(huán)境濕度下新型塔和普通塔的性能進(jìn)行了對(duì)比研究.選用本課題組橫流熱源塔為研究對(duì)象，填料尺寸長(zhǎng)×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(fēng)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(nèi)溶液為質(zhì)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(zhì)系數(shù)

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(huán)境濕度;Cs為溶液質(zhì)量濃度.

橫流熱源塔內(nèi)乙二醇水溶液與空氣間的傳質(zhì)系數(shù)采用Fujita 等［6］擬合的經(jīng)驗(yàn)公式，即

式中，AH為填料橫截面積，m2;AY為填料迎風(fēng)面積，m2.

3.2 預(yù)凝熱源塔的傳熱傳質(zhì)特性

當(dāng)進(jìn)口溶液溫度為－3 ℃，環(huán)境空氣溫度為7℃，環(huán)境濕度從90%下降到40%時(shí)，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(huán)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(huán)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(huán)境濕度由60%升高到90%，新型塔相對(duì)于普通塔換熱量的增加量略有增加，在環(huán)境濕度為60%時(shí)，新型塔換熱量增加1.22 kW，增加了12.5%，在環(huán)境濕度為90%時(shí)，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(huán)境濕度的變化

由圖5(b)可知，隨著環(huán)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(huán)境濕度增加快速增加，而新型塔吸濕量增加趨勢(shì)相對(duì)緩慢.這是因?yàn)殡S著環(huán)境濕度增加，普通塔內(nèi)氣液間的水蒸氣分壓力差快速增加，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，吸濕量增加，而對(duì)于新型塔，翅片盤管處的工況由干工況轉(zhuǎn)變?yōu)闈窆r，空氣濕度越大，空氣中的水分被預(yù)凝得越多，導(dǎo)致塔內(nèi)氣液兩側(cè)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(dāng)環(huán)境濕度為60%時(shí)，新型塔吸濕量減少0.45 g/s，減少了76.3%;環(huán)境濕度為90%時(shí)，新型塔吸濕量減少1.28 g/s，減少了55.2%;在環(huán)境濕度為40%時(shí)，塔內(nèi)溶液界面的水蒸氣分壓力大于進(jìn)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(shí)現(xiàn)塔內(nèi)溶液濃度的自平衡.

4 結(jié)論

1)理論分析了新型熱源塔的運(yùn)行過(guò)程，指出新型塔通過(guò)進(jìn)口盤管的預(yù)凝功能減少了氣液間的傳質(zhì)推動(dòng)力，從而降低了塔內(nèi)溶液的吸濕量.

2)對(duì)比模擬了新型塔和普通塔的傳熱傳質(zhì)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(huán)境下，新型塔具有更強(qiáng)的溶液再生能力，有利于實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)溶液濃度的自平衡.另外，新型塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于對(duì)普通開式熱源塔的改造，應(yīng)用前景廣闊.

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