噴淋工況下閉式熱源塔傳熱特性

賀志明，李念平，成劍林，陳 琦，張 鼎

(湖南大學 土木工程學院，長沙 410082)

?

噴淋工況下閉式熱源塔傳熱特性

賀志明，李念平，成劍林，陳 琦，張 鼎

(湖南大學 土木工程學院，長沙 410082)

建立了閉式熱源塔的數學模型，利用MATLAB自編程序，實現了對噴淋工況下熱源塔的數值模擬，并將計算結果與實驗結果進行了比較。利用程序得到了噴淋工況下的閉式熱源塔內噴淋溶液、載熱流體、空氣焓值的分布，結果表明：塔內空氣焓值呈線性分布，翅片換熱器上半部分換熱效果比下半部分好，塔的中部位置附近最先出現結霜現象，空氣干球溫度高于5.1℃，相對濕度高于75%，閉式熱源塔熱泵系統沒有結霜風險，可以停止噴淋泵，有助減少熱泵系統的運行能耗。

模型簡化；數值模擬；傳熱；熱源塔；噴淋工況

閉式熱源塔熱泵系統是一種通過輸入少量高位能源，利用熱源塔吸收空氣中的冷量或熱量，將低品位能源向高品位轉移的新型、節能、環保的系統，在“低溫高濕”的條件下，能夠持續、有效地為用戶創造舒適度較高的室內環境[1-2]。隨著閉式熱源塔熱泵技術逐漸應用于實際工程，并取得了很好的效果，對熱源塔熱泵系統的研究也逐漸增多。章文杰等[3]基于ε-NTU模型，進行了熱源塔在含濕工況下的熱工計算，得出熱源塔從空氣中吸收的熱量仍然以空氣的顯熱為主,但在高濕地區，如長沙、重慶和南昌等城市，空氣中的水蒸氣產生的相變潛熱也占較大的比重，均高于35%，濕空氣中水蒸氣的相變潛熱用于空調方式采暖的熱源具有重要意義。黃從健等[4]利用MATLAB軟件對干工況下閉式熱源塔進行了數值求解，對比了順流式和逆流式之間傳熱傳質的異同。文先太等[5]采用實驗的方式，在不同室外空氣參數情況下，以水和溶液(乙二醇水溶液)作為介質且在不同液氣比時，對熱源塔的夏季工況、冬季干濕工況的換熱性能進行了研究。文先太等[6]針對熱源塔噴淋溶液稀釋問題，提出了一種基于空氣能量回收的熱源塔溶液再生系統，并對其節能性進行了模擬分析。

熱源塔的傳熱性能對熱源塔熱泵系統穩定運行至關重要，為了保證熱源塔能夠從空氣中取熱，防止熱源塔換熱表面結霜，因此在低溫高濕環境下需要采用冰點較低的防凍溶液對其換熱表面進行噴淋，而對熱源塔噴淋工況研究的內容目前采用比較少，故本文將著重從噴淋工況的角度，研究熱源塔熱泵系統噴淋條件下的傳熱特性。

1 閉式熱源塔噴淋條件下傳熱過程分析

為了簡化模型方便計算作如下假設：

1)閉式熱源塔內空氣側傳熱傳質只沿著空氣流動方向進行，翅片換熱器四周邊界絕熱。

2)塔內空氣側的比熱、流速、劉易斯數沿著換熱器表面保持不變。

3)塔內導管內的流量分布均勻，且保持恒定。

4)熱源塔噴淋系統近似成閉式系統，忽略飄灑，噴淋水均勻分布在翅片換熱器表面。

5)當管程數超過4時，交叉流翅片換熱器性能近似為全逆流翅片換熱器。

閉式熱源塔的主要換熱元件為翅片換熱器，在噴淋工況期間，熱源塔從空氣中取熱，翅片換熱器內流動著體積濃度為27.7%的乙二醇溶液，外部采用了密度為1 094 kg·m-3的CaCl2溶液加以噴淋，同時風機抽取空氣進行強制對流，以熱源塔翅片換熱器為研究對象，取熱源塔翅片換熱器的微元高度dz來討論，計算模型微元控制體如圖1所示。

圖1 傳熱模型微元控制體Fig.1 A heat transfer model micro control volume

塔管內流體得熱量為

dQw=mw×Cpa×dtw=Ki×Ai×(tx-tw)×A×dz

(1)

式中：mw為導管內乙二醇溶液的質量流量，kg．s-1；Ki為從傳熱管內流體到管外噴淋水本身的總傳熱系數，W·m-2·K-1；Ai為熱源塔翅片換熱器單位容積的傳熱管的傳熱面積，m2·m-3；A為熱源塔翅片換熱器橫截面積，m2；z為距離翅片換熱器頂部的距離。

空氣失去的熱量為

dQa=ma×dia=hmd×Ao×(ia-isa)×A×dz

(2)

式中：ma為導管外空氣的質量流量，kg·s-1；Ao為熱源塔翅片換熱器單位容積空氣側總換熱面積，m2·m-3；isa為管外濕空氣噴淋水溫度下飽和濕空氣的焓，kJ·kg-1；hmd為從管外噴淋水本身向空氣的總傳質系數,kg·m-2·s-1。

管外噴淋水得到的熱量為

dQx=(mx+dmx)(ix+dix)-mxdix

(3)

式中：mx為噴淋水的質量流量，kg·s-1；ix為管外噴淋水的焓，kJ·kg-1。

取圖1中虛框內的部分計算控制體，所得能量方程為

dQw+dQx-dQa=0

(4)

將式(1)、(2)、(3)代入式(4)，略去二階無窮小，假設mx=const，化簡整理為

(5)

為了使方程有唯一解，需要確定方程組的邊界條件，由于噴淋水是循環的，因此微分方程滿足Qw=Qa，因此微分方程組的邊界條件為：

(6)

(7)

式(7)為線性齊次微分方程組，采用經典四階Runge-Kutta方法計算，如圖2所示，當第1層的所有變量已知，就能求出各層的所有變量，而第1層中的tx,in、ia,out都未知，故必須先假設這兩個變量的初值，當ia,in=ia(n)、Qw=Qa時，所有結果即為最終結果[7-15]。

圖2 噴淋工況計算示意圖Fig.2 Calculating diagram under spraying conditions

2 閉式熱源塔熱泵系統實驗臺的搭建

圖3 閉式熱源塔熱泵系統實驗臺Fig.3 Experimental apparatus of closed heat source heat pump system

圖4 熱源塔現場圖Fig.4 Field diagram of closed heat source tower

表1 典型計算數據

表2 測試儀器及精度

表3 實測數據與模擬計算數據對比

3 分析與討論

繪制圖5、6、7的工況條件ma=3 399 m3/h、mw=2.11 m3/h、tdb1=4.4 ℃、twb1=3.9 ℃、tw1=-7.4 ℃。圖5中，沿著z軸方向，塔內空氣焓值近似呈線性增長。這主要是因為，熱源塔熱泵冬季運行采用是小溫差大流量技術，載熱流體進出口溫差比較小，實驗臺所測得兩者溫差近似相等(3 ℃左右)，在狹窄的變化區間內，空氣與載熱流體的溫差變化沿著z軸方向比較均勻，同時總的傳熱系數沿z軸方向不變，故空氣沿著z軸均勻放熱，空氣焓值與z值呈線性關系。圖6、7中，沿著z軸方向，載熱流體的溫度先增長較快，后增長較慢，噴淋溶液溫度先降低后升高，這主要是因為閉式熱源塔采用的是逆流方式換熱，載熱流體自上而下的流動，空氣流向正好相反，塔的上半部分溫度比下半部分低，載熱流體不僅得到來自空氣中的熱量，同時噴淋溶液自身也向載熱流體傳熱，而在塔的下半部分中，噴淋溶液與載熱流體的溫差比上半部分小，而空氣的傳熱量兩者是近似相等的，噴淋溶液傳給載熱流體的熱量減少，自身還得到了來自空氣中的熱量，所以下半部分載流體的溫度增長速度減緩，噴淋溶液溫度上升。

圖5 熱源塔內空氣焓值分布Fig.5 Air enthalpy value distribution in the heat source tower

圖6 載熱流體溫度分布Fig.6 Refrigerant temperature distribution in the heat source tower

圖7 熱源塔內噴淋溶液溫度分布Fig.7 Spray solution temperature distribution in the heat source tower

圖8中初始條件為ma=3 399 m3/h，mw=2.11 m3/h，φ=75%，tw1=-10 ℃， 保持相對濕度不變，空氣干球溫度提高，熱源塔內噴淋溶液溫度分布整體提高。圖9中初始條件為ma=3 399 m3/h，mw=2.11 m3/h，tdb1=5.1 ℃，tw1=-10 ℃，保持干球溫度不變，空氣相對濕度減少，熱源塔內噴淋溶液溫度分布整體降低；這主要是因為噴淋工況下，閉式熱源塔換熱的驅動力跟空氣的焓值有關，提高空氣的干球溫度，相對濕度，空氣入口的焓值增加，空氣沿z軸焓值分布整體提高，故噴淋溶液溫度分布也隨著空氣焓值分布增加而增加。但是當空氣溫度低于5.1 ℃時候，提高相對濕度，噴淋溶液整體分布最初會提高，但是相對濕度增加，熱源塔中凝結水量增加，噴淋溶液的濃度降低，冰點下降，當冰點高于噴淋溶液的最低溫度，熱源塔熱泵系統內出現結霜，隨著結霜程度加深，噴淋溶液溫度分布反而整體下降，熱源塔換熱將惡化，影響熱源塔熱泵系統的運行，所以在低溫高濕地區，閉式熱源塔熱泵系統必須考慮噴淋溶液稀釋的問題，或者改進化霜手段。綜述所述，當空氣干球溫度高于5.1 ℃，相對濕度大于75%時候，噴淋溶液最低溫度將高于0 ℃，沒有結霜風險，此時可以停止開啟噴淋泵，有助于減少熱泵系統的運行能耗。

圖8 不同進風干球溫度下噴淋溶液塔內溫度分布Fig.8 Spray solution temperature distribution with different inlet dry bulb temperature

圖9 不同進風相對濕度下噴淋溶液塔內溫度分布Fig.9 Spray solution temperature distribution with different inlet relative humidity

4 結論

1) 自編了噴淋工況下閉式熱源塔的數值程序，經實驗驗證是可靠的，對以后研究噴淋條件下閉式熱源塔熱泵系統的運行優化提出了新思路。

2)在噴淋條件下閉式熱源塔內，空氣焓值從翅片換熱器頂部至底部，近似呈線性變化，對載熱流體而言，翅片換熱器上半部分換熱強度比下半部分強。噴淋溶液最低溫度處于塔的中部位置，結霜現象最先從這里開始。

3)當空氣干球溫度高于5.1 ℃，相對濕度大于75%時候，噴淋溶液最低溫度將高于0 ℃，閉式熱源塔熱泵系統沒有結霜風險，可以停止噴淋泵，減少能耗。

[1] 劉秋克，王英武.熱源塔熱泵低熱能再生技術在我國南方的應用[J].建設與科技，2008(19)：94-95.

Liu Q K，Wang Y W.The application of heat source tower heat pump technology in south China [J].Construction Science and Technology，2008(19):94-95.(in Chinese)

[2] 游程贏，陳陽陽.熱源塔熱泵系統的產生與運用[J].世界華商經濟年鑒·城鄉建設，2012，19(11)：156-168.

You C Y，Chen Y Y.The introduction of heat source tower heat pump system [J].World Chinese Economic Yearboo：Urban and Rural Construction,2012，19(11)：156-168.(in Chinese)

[3] 章文杰，李念平，王麗潔.熱源塔熱泵系統相變潛熱的應用研究[J].重慶大學學報，2011，34(Sup)：58-59

Zhang W J，Li N P，Wang L J.Availability of latent heat by moist air condensation with the heat-source tower heat pump units [J].Journal of Chongqing University,2011，34(Sup)：58-59.(in Chinese)

[4] 黃從健，李念平，申小杭，等.冬季干工況下閉式熱源塔傳熱特性分析[J].安全與環境學報，2013，13(6)：96-100.

Huang C J，Li N P，Shen X H，et al.Analysis and study of the heat transfer characteristics of closed heat source tower in winter dry working conditions [J].Journal of Safety and Environment：2013，13(6)：96-100.(in Chinese)

[5] 文先太，梁彩華，張小松，等.熱源塔傳質特性的分析及實驗研究[J].化工學報，2011，62(4)：901-907.

Wen X T，Liang C H，Zhang X S，et al.Mass transfer characteristics in heat-source tower [J].CIESC Journal,2013，13(6)：96-100.(in Chinese)

[6] 文先太，梁彩華，劉成興，等.基于空氣能量回收的熱源塔溶液再生系統節能性分析[J].化工學報，2011，62(11):3242-3247

Wen X T，Liang C H，Liu C X，et al.Energy-saving analysis of solution regeneration in heat-source tower based on recovery of air energy [J].CIESC Journal,2011，62(11):3242-3247.(in Chinese)

[7] Ala H，Kai S. Theoretical and computational analysis of closed wet cooling towers and its applications in cooling of buildings [J]. Energy and Building，2002，34(5)：477-486.

[8] 劉乃玲，邵東岳，稽旭明，等.小型閉式冷卻塔的數值計算[J].山東建筑大學學報，2008，23(2)：120-124

Liu N L，Shao D Y，Ji X M，et al.Numerical calculation on small-scaled closed wet cooling tower [J].Journal of Shandong JianZhu University,2008，23(2)：120-124.(in Chinese)

[9] Ala H.Performance analysis of heat transfer processes from wet and dry surfaces：cooling towers and heat exchangers [D]. Finland：Helsinki University of Technology，005.

[10] Wei M Y，Li H Y， Wu Y J，et al.Performance of finned tube heat exchangers operating under frosting conditions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46(5)，871-877.

[11] Liang X，Chan M Y，Deng S M，et al.Analytical solutions for evaluating the thermal performances of wet air cooling coils under both unit and non-unit Lewis factors [J]. Energy Conversion and Management，2010，51：2079-2086.

[12] Threlkeld J L.Thermal environmental engineering [M]. 3nd ed. Engledood Cliffs,NJ：Prentice-Hall，1998：288-331.

[13] Ren C Q，Yang H X.An analytical model for the heat and mass transfer processes in indirect evaporative cooling with parallel/counter flow configurations [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2006,49：617-627.

[14] 錢泰磊，吳佳菲，朱冬生，等. 閉式冷卻塔空冷傳熱性能的試驗研究及優化運行[J].流體機械，2013，41(6)：70-73.

Qian T L，Wu J F，Zhu D S，et al.Experimental investigation of heat transfer and energy-saving operation of an air-cooled closed circuit cooling tower [J].Fluid Machinery:2013，41(6)：70-73.(in Chinese)

[15] 章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學[M].5版.北京：中國建筑工業出版社，2007：268-270.

(編輯 王秀玲)

Performance of closed heat source tower under spraying conditions

HeZhiming，LiNianping，ChengJianlin，ChenQi，ZhangDing

(College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，P.R.China)

Compling a program by matlab to investigate closed heat source tower operating under spraying conditions. The numerical results of the spray solution temperature, the refrigerant temperature, air enthalpy value were compared with the experimental ones. The program was used to calculate the distribution of the spray temperature, refrigerant temperature, air enthalpy in the closed heat source tower under spraying conditions. Some results were obtained. The air enthalpy is linear distribution and upper fin heat exchanger heat transfer effect is better than the lower part.The center of the tower is firstly frosting. The air dry bulb temperature is above 5.1 ℃and relative humidity is above 75%. The closed heat source heat pump system is without risk of frost, so stopping the spray pump is viable in order to reduce the energy consumption of the operation of the heat pump system.

model reduction ；numerical simulation ；heat transfer；heat source tower；spraying conditions

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.007

2014-06-18

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAJ03B05-6);長沙市科技計劃項目(K1104010-11)

賀志明(1989-)，男，主要從事閉式熱源塔熱泵系統研究，(E-mail)792616332@qq.com。 李念平(通信作者)，男,博士,教授,(E-mail)381397487@qq.com。

Foundation item：Twelfth Five-Year National Science and Technology Support Program(No.2011BAJ03B05-6)；Changsha City Science and Technology Project(No.K1104010-11)

TU831

A

1674-4764(2015)01-0035-05

Received：2014-06-18

Author brief：He Zhiming(1989-)，main research intrest:closed heat-source tower pump system,(E-mail)792616332@qq.com. Li Nianping(corresponding author),PhD,professor，(E-mail)381397487@qq.com.