具有预凝功能的新型热源塔的构建及模拟

夏 燚 孙立镖 梁彩华 张小松

(1 东南大学能源与环境学院，南京210096)

(2 南京师范大学能源与机械工程学院，南京210046)

近年来，夏热冬冷地区的供暖问题引起了国内各界的广泛关注，供暖方式及其相应热源的需求十分迫切，热源塔热泵系统作为一种能够兼顾供冷供热的高效建筑冷热源方案，受到学者和业界人士的重视并对其开展了一系列研究［1-11］.

开式热源塔造价低、换热效率高，是目前主要采用的热源塔结构形式.然而，其冬季运行时存在溶液吸湿问题，且冬季普遍低温潮湿，多数时间塔内空气侧的水蒸气分压力要大于溶液侧的水蒸气分压力，空气中的水分会进入溶液，导致溶液变稀，溶液冰点上升，影响系统安全运行.现有的解决方案主要是添加溶质，但这不仅增加了运行成本，而且还可能导致热源塔内溶液溢出.同时，目前关于与热源塔热泵系统配套的溶液再生装置的研究［8-10］还不成熟，且需消耗额外的热量，这大大降低了热源塔热泵系统的运行效率.

为解决开式热源塔内的溶液吸湿问题，本文从热源塔传质原理入手，提出了一种具有预凝功能的新型热源塔结构［11］，并通过建立其数学模型研究其性能.

1 新型热源塔运行过程分析

本文研究的新型热源塔结构如图1所示，即在普通开式热源塔的进风侧安装翅片盘管，阀1 和阀3 开，阀2 关，低温溶液先进入翅片盘管，对进口空气进行预凝处理.

图1 新型热源塔示意图

图2 新型热源塔运行过程示意图

新型塔的运行过程如图2所示，假设进口空气状态点为a1和a1'时，盘管分别处于干工况和湿工况，进口溶液相界面空气状态点为s1，故普通塔的传质推动力为(Pa1－Ps1)或(Pa1'－Ps1)，而新型塔的传质特性有3 种情况:①当溶液处理后的相界面空气状态点升高到s2点，传质推动力减少到(Pa2－Ps2)，虽然(Pa2－Ps2)＞0，但是塔内溶液吸湿量明显减小;②当溶液处理后的相界面空气状态点升高到s3点，传质推动力减少到(Pa2－Ps3)，而(Pa2－Ps3)=0，塔内溶液不吸湿;③当溶液处理后的相界面空气状态点升高到s4点，传质推动力为(Pa2－Ps4)，而此时(Pa2－Ps4)＜0，塔内溶液向空气传递水分.

可见新型塔能有效减少塔内溶液吸湿量，而盘管相当于增加了塔的换热面积，故总换热量会增加.新型塔的盘管采用较大翅片间距，这样能有效降低盘管结霜概率.当进口空气温度很低、湿度很大时，为了避免翅片盘管的结霜，可关闭阀1 和阀3，打开阀2，使循环溶液直接进入热源塔内换热.

2 数学模型的建立与验证

将新型塔看作是普通热源塔与翅片盘管的耦合结构，可通过建立这2 部分的数学模型来构建新型塔的数学模型.

2.1 翅片盘管的数学模型

假设湿工况下凝结水及时从盘管流走，忽略接触热阻和污垢热阻，忽略热损失.采用干湿转换法［12］，将湿工况转换为干工况来计算，翅片盘管的热交换效率系数ε1和接触系数ε2为

式中，β 为传热单元数，β=KcF/(Gacp，a);γ 为水当量比，γ=Gacp，a/(Gscp，s);F 为翅片盘管换热面积;Ga和Gs分别为空气和溶液流量;cp，a和cp，s分别为空气和溶液的比定压热容.

以外表面为基准的总传热系数Kc为

式中，Ao，Ai和Am分别为每米翅片管长的外表面积、内表面积和平均面积;ηo为翅片效率;δt为翅片厚度;λt为铜管导热系数.

管内溶液对流换热系数αs为

平直形翅片盘管空气侧换热系数αo为［13］

式中，Di和Dc分别为管内径和翅根直径;Do为管外径;δf为翅片厚度;e 为翅片间距;sr为沿空气流动方向管间距;Nr为管排数;ua为迎面风速;umax为最窄截面处空气流速.

对于固定结构的盘管，当Ga和Gs已知，则其干工况的ε1和ε2为定值，而盘管表面平均温度［12］为

式中，Ta，ci，Tw，ci和Td，ci分别为盘管进口空气的干球温度、湿球温度和露点温度;Ts，ci为盘管进口溶液温度.

当T3＜Td，ci时，盘管处于湿工况，出口空气干球温度Ta，co和湿球温度Tw，co分别为

当T3≥Td，ci时，盘管处于干工况或临界工况，出口空气参数为

翅片盘管内总换热量Qc为

由此可得出口溶液温度为

2.2 横流热源塔数学模型

假设:①塔内热质传递过程是稳态的，忽略热损失;②塔内溶液和空气都均匀分布，热质交换过程中不考虑轴向传热和传质.

取横流塔一侧填料作为研究对象，如图3所示，把填料按x，y 方向各等分n 份，设填料体积为V，微元体体积为dV，则

图3 横流填料热源塔模型

微元段内换热包括潜热换热Qq和显热换热，即

式中，hc和hd分别为传热系数和传质系数;a 为比表面积;Le 为刘易斯数，hc/(hdcp，a)=Le2/3;rv=ro+cp，vTv;ro，Tv和cp，v分别为水蒸气的汽化潜热、温度和比定压热容.

根据能量平衡，得

根据质量平衡，得

由式(14)和(15)，得

结合式(15)～(19)，采用差分迭代，可得塔出口空气和溶液参数为

2.3 数学模型的实验验证

为验证翅片盘管模型的准确性，构建如图4所示实验系统.从恒温槽吸出的低温溶液进入翅片盘管，循环溶液在盘管处与空气换热，吸收空气中的热量，温度升高，进入恒温槽降温.室外空气经放热后，温度降低，然后排出.

图4 翅片盘管实验系统示意图

实验选用质量浓度为37%的乙二醇溶液，翅片盘管迎风尺寸为0.3 m ×0.2 m，两排管，管间距为25 mm，排间距为22 mm，翅片间距为2 mm，管外径为10 mm，翅片厚度为0.15 mm.采用PT100 铂电阻温度传感器测量进、出口溶液温度，测量精度为0.1 ℃.采用LG2000 型微型数显流量计测量溶液流量，测量精度为1 L/min.采用HMT330 温湿度传感器测量进、出口空气温度和湿度，测量精度为1%.采用CP300 型多功能差压变送器测量空气流量，测量精度为0.5%.实验系统位于焓差室内，实验工况如表1所示，在各工况下，翅片盘管出口溶液温度和空气含湿量的实验值与模拟值的相对误差ET和Ed都在10%以内，证明该翅片盘管模型是准确的.

参照文献［7-8］所研究的塔结构、实验工况和传热系数，并取Le=1，对横流热源塔的模型进行验证，结果如表2所示.在各工况下，热源塔出口溶液温度和换热量的实验值与模拟值的相对误差ET和EQ都在10%以内，证明该横流热源塔模型是准确的.

表1 翅片盘管模拟与实验数据比较

表2 横流热源塔模拟与实验数据比较

3 新型热源塔特性

为研究新型热源塔内传热传质特性，本文在建立其数学模型的基础上，对不同环境湿度下新型塔和普通塔的性能进行了对比研究.选用本课题组横流热源塔为研究对象，填料尺寸长×宽×高为0.5 m ×0.7 m ×1.0 m，填料的比表面积为160 m2/m3，翅片盘管为2 排，迎风面积为0.84 m ×0.7 m，翅片间距为3 mm.模拟工况中溶液流量为0.7 kg/s，空气流量为2.1 kg/s，塔内溶液为质量浓度30%的乙二醇水溶液.

3.1 溶液表面水蒸气分压力及传质系数

乙二醇溶液表面的水蒸气分压力［10］为

式中，Pbw为等液温水表面饱和水蒸气分压力;Xs为溶液表面等效环境湿度;Cs为溶液质量浓度.

横流热源塔内乙二醇水溶液与空气间的传质系数采用Fujita 等［6］拟合的经验公式，即

式中，AH为填料横截面积，m2;AY为填料迎风面积，m2.

3.2 预凝热源塔的传热传质特性

当进口溶液温度为－3 ℃，环境空气温度为7℃，环境湿度从90%下降到40%时，新型塔与普通塔的换热量和吸湿量如图5所示.很明显，在相同的环境湿度下，新型塔具有更大的换热量和更小的吸湿量.由图5(a)可知，随着环境湿度的增加，新型塔和普通塔在换热量上都是快速增加，随着环境湿度由60%升高到90%，新型塔相对于普通塔换热量的增加量略有增加，在环境湿度为60%时，新型塔换热量增加1.22 kW，增加了12.5%，在环境湿度为90%时，新型塔换热量增加1.45 kW，增加了10.9%.

图5 2 种塔换热量和吸湿量随环境湿度的变化

由图5(b)可知，随着环境湿度的增加，新型塔和普通塔的溶液吸湿量都增加.普通塔吸湿量随着环境湿度增加快速增加，而新型塔吸湿量增加趋势相对缓慢.这是因为随着环境湿度增加，普通塔内气液间的水蒸气分压力差快速增加，传质推动力增大，吸湿量增加，而对于新型塔，翅片盘管处的工况由干工况转变为湿工况，空气湿度越大，空气中的水分被预凝得越多，导致塔内气液两侧间水蒸气分压力差大大降低，故有效地减少了溶液的吸湿量.与普通塔相比，当环境湿度为60%时，新型塔吸湿量减少0.45 g/s，减少了76.3%;环境湿度为90%时，新型塔吸湿量减少1.28 g/s，减少了55.2%;在环境湿度为40%时，塔内溶液界面的水蒸气分压力大于进口空气的水蒸气分压力，溶液为再生工况，新型塔的再生量比普通塔增加0.36 g/s，增加了64.3%.故新型塔在一定条件下可实现塔内溶液浓度的自平衡.

4 结论

1)理论分析了新型热源塔的运行过程，指出新型塔通过进口盘管的预凝功能减少了气液间的传质推动力，从而降低了塔内溶液的吸湿量.

2)对比模拟了新型塔和普通塔的传热传质特性，结果发现，相同工况下，新型塔具有较大的换热量和较小的吸湿量，且随着环境湿度的增加，吸湿量增加速率较为缓慢，且在较为干燥的环境下，新型塔具有更强的溶液再生能力，有利于实现塔内溶液浓度的自平衡.另外，新型塔结构简单，有利于对普通开式热源塔的改造，应用前景广阔.

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