制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔的傳熱傳質(zhì)特性研究

章立新，崔煊，高明，劉婧楠，沈艷，陳金花，陳浩，薛梅

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制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔的傳熱傳質(zhì)特性研究

章立新*1，崔煊1，高明1，劉婧楠1，沈艷2，陳金花3，陳浩4，薛梅5

（1-上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海理工大學(xué) 200093；2-上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司，上海 200433；3-煙臺(tái)藍(lán)德空調(diào)工業(yè)有限責(zé)任公司，山東煙臺(tái) 264003；4-華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030；5-浙江金菱制冷工程有限公司，浙江諸暨 311802）

本文闡述了空氣源塔式換熱熱泵的概念，研究了用同一水環(huán)機(jī)組實(shí)現(xiàn)供熱與制冷兩種工作模式時(shí)，其終端設(shè)備換熱塔的特殊工藝要求及傳熱傳質(zhì)機(jī)理。結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)境空氣干濕度條件滿足，吸熱塔向空氣同時(shí)吸收顯熱和潛熱時(shí)，存在一個(gè)溶液升溫的最高極限；供熱工況下塔內(nèi)依然會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象；在設(shè)計(jì)熱泵系統(tǒng)的換熱塔時(shí)，只要能滿足制熱所需條件，夏季當(dāng)作冷卻塔使用時(shí)，其散熱能力是足夠的。

熱泵系統(tǒng)；換熱塔；傳熱傳質(zhì)；換熱能力

0 引言

在傳統(tǒng)空調(diào)冷熱源方案中，通常需分別設(shè)置制冷機(jī)制冷和鍋爐供熱。由于效率問題和環(huán)境污染問題，特別在實(shí)施煤改電的大背景下，空調(diào)熱源已逐漸由鍋爐變?yōu)楦咝?、更環(huán)保的熱泵機(jī)組。

傳統(tǒng)熱泵機(jī)組有地源熱泵機(jī)組、水源熱泵機(jī)組和空氣源熱泵機(jī)組[1-3]，空氣源塔式換熱熱泵/制冷系統(tǒng)是一種以空氣為冷熱源，通過塔體內(nèi)循環(huán)工質(zhì)與空氣進(jìn)行熱量交換，實(shí)現(xiàn)制冷、供暖及提供生活熱水多種功能的新型節(jié)能系統(tǒng)。所謂空氣源塔式換熱熱泵/制冷系統(tǒng)，是將大氣作為熱源或冷源，用同一套設(shè)備通過對(duì)制冷劑壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)的熱力循環(huán)，實(shí)現(xiàn)供熱或制冷的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主機(jī)為水環(huán)機(jī)組，即用戶端通過制取熱水或冷水來供熱或制冷。機(jī)組末端為一個(gè)與空氣換熱的塔式換熱設(shè)備[4-6]，其在制冷模式時(shí)，即為冷卻塔，換熱工質(zhì)為水，水從主機(jī)冷凝器中吸熱，在塔內(nèi)向空氣放熱；其在供熱（熱泵）模式時(shí)，換熱工質(zhì)為鹽溶液等載冷劑，載冷劑在塔內(nèi)獲取環(huán)境中可再生的空氣熱能[7]，向主機(jī)的蒸發(fā)器放熱，因此筆者認(rèn)為此時(shí)稱吸熱塔最為貼切。但由于傳統(tǒng)原因及商業(yè)上的不同名稱，有加熱塔、熱源塔、能源塔等幾種稱謂，本文統(tǒng)稱換熱塔。與水源或地源熱泵相比較，該系統(tǒng)不受地上地下水資源和占地面積的限制[8]（2010年到2015年我國地源熱泵每年供暖面積的增長率趨于逐漸降低的趨勢(shì)，這與地源熱泵受到地理?xiàng)l件的限制有很大關(guān)系[9]）；與翅片管式空氣源熱泵相比較，雖然都以空氣作為熱源，但該系統(tǒng)冬季運(yùn)行更加穩(wěn)定，避免了在空氣濕度大、溫度低的地方運(yùn)行時(shí)的結(jié)霜問題[10]，所以在冬冷夏熱的地區(qū)更能突出其優(yōu)勢(shì)。

換熱塔是在冷卻塔基礎(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?，一塔兩用，?jié)能降耗，改變了冷卻塔僅限于在夏季運(yùn)行、冬季處于閑置的狀態(tài)。換熱塔在冬夏季運(yùn)行的過程都伴隨著傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行，但是兩種工況運(yùn)行下的傳熱傳質(zhì)目的卻是不同的。在制冷模式時(shí)作為冷卻塔，主要通過水蒸發(fā)的潛熱交換散掉冷凝器中的熱量。在供熱模式時(shí)作為吸熱塔，主要通過吸收空氣中的顯熱和潛熱來達(dá)到向蒸發(fā)器中提供低品位能量的目的[11-12]。換熱塔和冷卻塔的種類一樣有開式和閉式之分。HUANG等[13]對(duì)開式塔的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行針對(duì)性的研究，總結(jié)了空氣狀態(tài)和溶液狀態(tài)等對(duì)換熱塔傳熱傳質(zhì)的影響。CHENG等[14]對(duì)閉式和開式塔系統(tǒng)在冬夏季的相關(guān)性能進(jìn)行了分析，認(rèn)為閉式塔系統(tǒng)具有更好的性能和發(fā)展前景。不過，業(yè)內(nèi)對(duì)此尚爭議不斷，李達(dá)等[15]以乙二醇溶液為研究對(duì)象，提出了一種低壓沸騰再生的裝置和方法，為解決溶液再生問題提供了一定的幫助。徐政宇[16]在對(duì)實(shí)際運(yùn)行的工程案例中的開式換熱塔熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析，認(rèn)為開式塔仍有其優(yōu)勢(shì)。

本文以山東某地區(qū)的空氣源開塔式熱泵系統(tǒng)研究為基礎(chǔ)，分析了在相對(duì)濕度較低的華北華東接壤地區(qū)使用該系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，為空氣源塔式熱泵系統(tǒng)在該區(qū)域的設(shè)計(jì)和選型提供一定的依據(jù)。

1 系統(tǒng)的工作原理及一塔兩用的工藝特殊性

本節(jié)以開塔式熱泵/制冷系統(tǒng)來說明其工作原理。

系統(tǒng)示意圖如圖1，制冷模式下打開A閥門，關(guān)閉B閥門。從水環(huán)機(jī)組冷熱源側(cè)換熱器（此時(shí)為冷凝器）中吸收了制冷劑冷凝時(shí)所放熱量的循環(huán)冷卻水被輸送至換熱塔（如圖2所示）內(nèi)，通過布水器在填料表面形成水膜，水膜直接與其交叉流動(dòng)的空氣充分接觸，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)后溫度降低，再經(jīng)管道輸送回水環(huán)機(jī)組的冷凝器，帶走制冷劑冷凝時(shí)所放出的熱量，然后被送至換熱塔內(nèi)進(jìn)行冷卻，如此不斷循環(huán)。

圖1 開塔式熱泵/制冷系統(tǒng)圖

圖2 換熱塔

供熱模式下打開B閥門，關(guān)閉A閥門。從水環(huán)機(jī)組冷熱源側(cè)換熱器（此時(shí)為蒸發(fā)器）中流出的低溫防凍工質(zhì)被輸送至換熱塔內(nèi)，通過噴淋器被均勻噴淋在具有親液性填料層上，在填料表面形成液膜，直接與溫度比工質(zhì)高的環(huán)境空氣充分接觸，提取空氣中的低品位熱能后溫度升高，再經(jīng)管道輸送至水環(huán)機(jī)組的蒸發(fā)器，為熱泵系統(tǒng)提供穩(wěn)定的熱量來源。

根據(jù)上述換熱塔的工作原理，夏季優(yōu)先采用水作為工作介質(zhì)，冬季則要求采用防凍溶液作為工作介質(zhì)。這是由于水在0 ℃以下時(shí)會(huì)結(jié)冰，無法再以流體的方式傳遞熱量。用換熱塔向空氣取熱的熱泵系統(tǒng)可以很好地利用環(huán)境空氣作為低品位熱源，兼有夏季冷水機(jī)組、冬季空氣源熱泵機(jī)組的優(yōu)勢(shì)，可有效解決夏熱冬冷地區(qū)翅片管直接換熱型空氣源熱泵供熱系統(tǒng)結(jié)霜的問題。但是換熱塔在不同工作模式下需要轉(zhuǎn)換，對(duì)塔的工藝要求上有特殊性：

1）要求工作介質(zhì)不會(huì)飛濺到塔外對(duì)環(huán)境造成影響，雨水不會(huì)流入塔內(nèi)稀釋工作介質(zhì)；

2）工作介質(zhì)不會(huì)腐蝕塔體；

3）工作模式切換時(shí)，工作介質(zhì)方便更換。

2 實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)導(dǎo)出

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

冬季，在橫流或逆流的開式換熱塔內(nèi)主要以氯化鈣和氯化鋰等鹽溶液作為工作介質(zhì)。換熱塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)在填料表面進(jìn)行，水從噴頭或撒水盆中噴灑而下，在填料表面形成流動(dòng)的水膜或液滴，風(fēng)逆向或橫向掠過其表面，直接接觸并發(fā)生傳熱傳質(zhì)過程。由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在溶液的表面會(huì)形成一個(gè)溫度等于溶液表面溫度的飽和空氣層，主流空氣與工作介質(zhì)之間就是在這一邊界層進(jìn)行傳熱傳質(zhì)的。在此邊界層內(nèi)的空氣溫度t與主流空氣溫度t存在溫差，這決定了兩者之間顯熱交換的方向：若t>t，熱量就會(huì)通過邊界層內(nèi)的飽和空氣向主流空氣傳遞；若t<t，熱量就通過主流空氣向邊界層內(nèi)的飽和空氣傳遞。而潛熱熱量交換的方向決定于邊界層內(nèi)水蒸氣分壓力p與主流空氣的水蒸氣分壓力p的大小：若p>p，則邊界層內(nèi)的水蒸氣分子向主流空氣移動(dòng)，然后被送到塔外，邊界層里液膜表面的水分子則通過溶液中水的蒸發(fā)來進(jìn)行補(bǔ)充；若p<p，主流空氣中的水蒸氣分子向邊界層移動(dòng)，邊界層中的水蒸氣則發(fā)生凝結(jié)進(jìn)入液膜，主流空氣中的水分子不斷補(bǔ)充到邊界層中。圖3為淋液填料及其表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)過程示意圖。

一定流量的溶液經(jīng)過填料且滿足t<（t為溶液溫度，為環(huán)境空氣干球溫度）和p<p<p<p的條件，其中下腳標(biāo)表示進(jìn)口，下腳標(biāo)表示出口，此時(shí)溶液溫升如圖4中的曲線①所示，開始熱質(zhì)傳遞都使溶液升溫；經(jīng)過一段時(shí)間1后，t=t但p仍然小于p，空氣中水份的潛熱不斷進(jìn)入溶液中，液溫繼續(xù)升高；顯熱和潛熱的傳遞是反向的，溶液升溫速率減緩；當(dāng)溶液溫度升高到一定程度，空氣從溶液中吸收的顯熱等于空氣向溶液釋放的潛熱，溶液溫度將不再升高，此時(shí)的溶液溫度就是吸熱極限溫度，而對(duì)使用鹽溶液作為換熱介質(zhì)的換熱塔來說就是它的鹽球溫度t[17]。

一定流量的溶液經(jīng)過填料且滿足t<和p>p>p>p的條件，溶液溫升如圖4中的曲線②所示，溶液吸收顯熱同時(shí)釋放潛熱，故升溫速率緩慢，隨著時(shí)間的推移溶液會(huì)接近干球溫度。

圖3 填料表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)過程示意圖

tw-溶液溫度，T-空氣與溶液的接觸時(shí)間，twi-溶液進(jìn)口溫度，θ-環(huán)境空氣干球溫度，ts-換熱塔的鹽球溫度，①-twi<θ, pwipwo>pgo>pgi條件下溶液溫升曲線

前文中已經(jīng)定性地對(duì)鹽溶液與空氣的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的表 述，并提出了鹽溶液的吸熱極限。下面將通過公式的推導(dǎo)進(jìn)一步對(duì)吸熱極限進(jìn)行論證。

當(dāng)一定流量的鹽溶液（或其它防凍溶液，也可借用鹽球溫度的概念）在填料表面形成面積足夠大的流動(dòng)液面，其表面與流動(dòng)的濕空氣進(jìn)行熱質(zhì)傳遞，可以做以下假設(shè)：

1）由于溶液層很薄，液膜厚度方向的溫度變化可以忽略不計(jì)；

2）通過濃度控制可以使溶液進(jìn)口濃度保持不變；

3）來自環(huán)境的濕空氣量足夠大，假設(shè)進(jìn)口狀態(tài)不變；

4）無任何其他熱源和水源進(jìn)入；

5）輻射換熱可以忽略。

經(jīng)過足夠的換熱面積與時(shí)間，過程中水獲得的熱量等于空氣所失去的熱量，根據(jù)以上關(guān)系，可列出下式：

式中：

Q——進(jìn)口溶液量，kg；

——進(jìn)口濕空氣量，kg；

C——溶液定壓比熱，kJ/(kg·℃)；

——進(jìn)口空氣焓，kJ/kg；

d——吸濕/蒸發(fā)量，kg。

公式(1)可以寫為：

式中：

c——空氣的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；

——進(jìn)口空氣含濕量，kg/kg；

0——水的汽化潛熱，kJ/kg。

則有：

如果當(dāng)無窮大即氣液比無窮大時(shí)，換熱塔有足夠的吸熱能力，吸熱塔的出塔水溫就達(dá)到其吸熱的極限溫度t。此時(shí)，式(5)可簡化為：

由式(2)可以看出，換熱塔的出口水溫不僅與空氣的初始狀態(tài)有關(guān)，還與溶液量、空氣量及溶液溫度有關(guān)。

2.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

本實(shí)驗(yàn)是以煙臺(tái)地區(qū)某辦公樓中已經(jīng)投入運(yùn)行的空氣源塔式熱泵系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在原有管道上開設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)原理圖即如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理圖

測(cè)試選擇在夏季7、8月份和冬季1、2月份這兩個(gè)月進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試過程中熱泵系統(tǒng)始終保持100%負(fù)荷運(yùn)行。此實(shí)驗(yàn)選用的是橫流開式換熱塔，塔長2.4 m、寬4.6 m、高2.6 m，工作介質(zhì)為CaCl2溶液。在換熱塔進(jìn)出口分別布置有鉑電阻來測(cè)量溶液進(jìn)出口溫度；在距離進(jìn)出口2 m~5 m處及距地面1.5 m處放置一鉑電阻暴露在環(huán)境中測(cè)試干球溫度；濕球溫度計(jì)使用的是阿斯曼濕球溫度計(jì)，布置在塔的進(jìn)風(fēng)口中心位置；溫度測(cè)試所有鉑電阻為Pt100，殼材為316L，精度等級(jí)為AA，測(cè)量范圍-30 ℃~70 ℃；流量采用超聲波流量計(jì)V法測(cè)量。大氣壓力采用DYM-1型動(dòng)槽式水銀氣壓表測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為實(shí)際工程項(xiàng)目，采用一套數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)長時(shí)間采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3 誤差分析

在本實(shí)驗(yàn)中，用于對(duì)換熱塔性能進(jìn)行對(duì)比的相關(guān)參數(shù)主要有溶液濃度ρ、空氣相對(duì)濕度、氣水/氣液比和換熱量。這些參數(shù)都是通過所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，所以需進(jìn)行誤差分析。實(shí)驗(yàn)誤差包括系統(tǒng)誤差W和隨機(jī)誤差W。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是測(cè)量所用的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法精度不足，所涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見表1；隨機(jī)誤差是測(cè)試過程中隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)生的。本次實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差W用測(cè)量工具的測(cè)量精度來計(jì)算；隨機(jī)誤差W用同一工況中對(duì)同一個(gè)參數(shù)20次測(cè)量結(jié)果的平均值與這20個(gè)結(jié)果的最大差值來表示。實(shí)驗(yàn)誤差用公式(8)進(jìn)行計(jì)算。

式中：

W——隨機(jī)誤差；

W——系統(tǒng)誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)表

1） 溶液濃度ρ誤差分析：

2） 空氣相對(duì)濕度誤差分析：

相對(duì)濕度根據(jù)大氣壓力Pa、干球溫度、濕球溫度t查溫濕表得出，所以：

3） 氣水/液比誤差分析：

4） 換熱量誤差分析：

換熱量計(jì)算根據(jù)式(11)計(jì)算：

式中：

——換熱量，kW；

m——溶液質(zhì)量流量，kg/h；

D——溶液進(jìn)出口溫差，℃。

換熱量計(jì)算公式中，溶液比熱容查表得，誤差忽略，進(jìn)出口溫差和溶液質(zhì)量流量的誤差分析見式(14)和式(15)：

則換熱量誤差為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

因?yàn)槎緭Q熱塔運(yùn)行時(shí)空氣側(cè)的焓差比夏季時(shí)小很多，所需風(fēng)量相對(duì)比夏季要大，所以氣液比要比氣水比大得多。由表2可以看出，在室外干球溫度和相對(duì)濕度變化過程中，當(dāng)氣液比為1.67、相對(duì)濕度在86%~92%范圍內(nèi)變化時(shí)，溶液密度經(jīng)過1.5 h下降了0.83%；而相對(duì)濕度在51%~56%范圍內(nèi)變化時(shí)，溶液密度經(jīng)過3 h下降了0.81%。當(dāng)氣液比增大到3.8、相對(duì)濕度在50%~52%范圍內(nèi)變化時(shí)，塔內(nèi)出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象，溶液密度經(jīng)過1.5 h升高了0.81%。由此說明，根據(jù)環(huán)境條件的不同，通過濃淡兩儲(chǔ)液罐對(duì)溶液的收與放，控制運(yùn)行過程中的溶液濃度，可以減少排放稀溶液對(duì)環(huán)境的影響。

在表3中，工況1是換熱塔在冬季運(yùn)行的工況；工況2為該換熱塔在夏季當(dāng)作冷卻塔運(yùn)行且氣水比等于冬季氣液比的工況；工況3是同一塔夏季按正常氣水比運(yùn)行的工況。可以發(fā)現(xiàn)：如果按照冬季換熱塔的要求來設(shè)計(jì)，那么相同流量且氣水比等于氣液比情況下，夏季將該換熱塔當(dāng)作冷卻塔運(yùn)行時(shí)的換熱量大于該塔在夏季按正常氣水比運(yùn)行時(shí)換熱量的13%（工況2與工況3的濕球溫度基本相同，故有可比性）。在選擇熱泵系統(tǒng)的換熱塔時(shí)，只要能滿足制熱所需條件，夏季亦可正常運(yùn)行，甚至可以調(diào)低風(fēng)量、降低風(fēng)機(jī)功率。

表2 3種工況下CaCl2溶液密度對(duì)比

表3 3種工況下?lián)Q熱量對(duì)比

4 結(jié)論

1）在冬季工況下，當(dāng)環(huán)境空氣干濕度條件滿足換熱塔能向空氣同時(shí)吸收顯熱和潛熱時(shí)，存在一個(gè)溶液升溫的最高極限，即鹽球溫度，該溫度可以高于空氣的干球溫度。

2）在設(shè)計(jì)熱泵系統(tǒng)的換熱塔時(shí)，只要能滿足制熱所需條件，夏季當(dāng)作冷卻塔使用時(shí)，其散熱能力是足夠的。但開式塔一塔兩用時(shí)，要在防腐、防鹽溶液漂移、防雨水滲入等方面在塔的結(jié)構(gòu)上作特殊設(shè)計(jì)。

3）在換熱塔工況下，潛熱的轉(zhuǎn)移方向決定于溶液水蒸氣分壓力與環(huán)境空氣水蒸氣分壓力之差，可以根據(jù)環(huán)境條件的不同，通過濃淡兩儲(chǔ)液罐對(duì)溶液的收與放，控制運(yùn)行過程中的溶液濃度，以減少排放稀溶液對(duì)環(huán)境的影響。

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Study on Heat and Mass Transfer Characteristics of Air-source Heat Exchange Tower for Refrigeration and Heating System

ZHANG Lixin*1, CUI Xuan1, GAO Ming1, LIU Jingnan1, SHEN Yan2, CHEN Jinhua3, CHEN Hao4, XUE Mei5

(1-Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, 200093, China; 2-Shanghai Tongchi Heat Exchange Equipment Technology Co., Ltd, Shanghai 200433, China; 3-Yantai Land Air-Conditioning Industry Co., Ltd, Yantai, Shandong 264003, China; 4-Huandian Electric Power Research Institute Co., Ltd, Hangzhou, Zhejiang 310030, China; 5- Zhejiang Jinling Refrigeration Engineering Co., Ltd, Zhuji, Zhejiang 311802, China)

The concept of heat pump for air source tower is expounded, and the heat and mass transfer mechanism as well as the special technical requirements of the heat exchanger tower is analyzed, when the terminal device of the same water loop is working at modes of heating and cooling. Results show that there is a maximum solution temperature when the humidity of ambient air meets the condition that the endothermic tower can absorb sensible heat and latent heat from air.Evaporation still occurs when the tower absorbs heat. The tower’s heat dissipation capacity is good enough as a cooling tower when it meets the requirements of heating in design of the heat exchanger packed tower for heat pump system.

Heat pump system; Heat-exchange packed tower; Heat and mass transfer; Heat transfer capability

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.106

*章立新（1964-），男，教授，碩士。研究方向：傳熱傳質(zhì)及蒸發(fā)冷卻設(shè)備節(jié)能節(jié)水技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，郵編：200093。聯(lián)系電話：021-55272106，E-mail：Zhanglixin@usst.edu.cn。

國家自然科學(xué)青年基金（No. 51506127）；發(fā)改委能源自主創(chuàng)新及重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造（能源裝備）項(xiàng)目（No. CHDKJ14-01-47）。