制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔結(jié)構(gòu)改造研究

崔 煊，陳金花，高 明，劉婧楠，沈 艷，薛 梅，陳 浩，章立新

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，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 200093；2.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；3.上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司，上海 200433；4.浙江金菱制冷工程有限公司，諸暨 311802；5.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030.)

現(xiàn)有的熱泵機(jī)組主要有水源熱泵機(jī)組、地源熱泵機(jī)組以及空氣源熱泵機(jī)組[1-3]，空氣源塔式換熱熱泵/制冷系統(tǒng)是一種近年來新興并引起廣泛關(guān)注的節(jié)能系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)的末端設(shè)備是一個(gè)與空氣直接換熱的塔式換熱設(shè)備。系統(tǒng)在夏季制冷工況運(yùn)行時(shí)即為冷卻塔，冷卻塔中的工質(zhì)為水，蒸發(fā)冷卻；而在冬季制熱工況下，塔內(nèi)工質(zhì)替換為氯化鈣、乙二醇等冰點(diǎn)較低的載冷劑，載冷劑在塔內(nèi)獲取環(huán)境中可再生的空氣熱能[5]，即為吸熱塔。因?yàn)槟壳案鞣N標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該系統(tǒng)末端這種塔式換熱設(shè)備沒有明確的稱呼，本文以下統(tǒng)稱吸熱塔。

吸熱塔作為該系統(tǒng)的核心部件之一，是從冷卻塔基礎(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，并且充分利用了原來冷卻塔在冬季閑置的狀態(tài)。張晨[6]等人對(duì)比分析了現(xiàn)有三種典型結(jié)構(gòu)(普通開式、普通閉式及改進(jìn)型閉式)吸熱塔的型式、工作原理及應(yīng)用性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開式塔雖然效率高，造價(jià)低，但存在溶液飄失，溶液稀釋的問題；普通閉式結(jié)構(gòu)雖然可以有效抑制冬季結(jié)霜問題，但換熱效率低；改進(jìn)型閉式結(jié)構(gòu)則結(jié)合了上述優(yōu)點(diǎn)，具有良好性能。李雙磊[7]對(duì)開式橫流塔和逆流塔做出詳細(xì)比較，認(rèn)為橫流塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便拆卸、保養(yǎng)方便、對(duì)水質(zhì)要求低以及噪聲較低的優(yōu)勢(shì)，橫流塔的缺點(diǎn)則是飄逸率高，用水量較大。對(duì)于制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔來說由于其大多是以鹽溶液為循環(huán)工質(zhì)，所以不能使雨水通過風(fēng)機(jī)口以及進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入塔內(nèi)以免稀釋塔內(nèi)溶液。

因此對(duì)于開式橫流冷卻塔向吸熱塔改造的方向總體來說需要解決的問題是：要求工作介質(zhì)不會(huì)飄移或飛濺到塔外，對(duì)環(huán)境造成影響；雨水不會(huì)流入塔內(nèi)稀釋溶液；工作介質(zhì)不會(huì)腐蝕塔體。

1 吸熱塔塔體改造

此次改造選用的是開式橫流吸熱塔，塔長(zhǎng)2.4m，寬4.6m，高2.6m，工作介質(zhì)為CaCl2溶液。改造后的塔體簡(jiǎn)圖如圖1所示。

經(jīng)過改造后的吸熱塔具有以下特點(diǎn)：

(1) 現(xiàn)有的吸熱塔多為金屬或半金屬塔身，塔體的重量增加了安裝難度，而此次對(duì)塔身的改造是將金屬或者半金屬的塔身改為全復(fù)合材料塔身，在吸熱塔材料方面屬于創(chuàng)新改造。塔身強(qiáng)度基本不改變，同時(shí)又減小了吸熱塔塔體的重量，并起到防止鹽溶液對(duì)塔體的腐蝕的作用。

(2) 在風(fēng)機(jī)上部接裝一個(gè)防雨水與降噪的風(fēng)筒，能有效的防止雨水進(jìn)入塔內(nèi)，而且背對(duì)風(fēng)筒的一側(cè)噪聲較小；

(3) 塔體外側(cè)進(jìn)風(fēng)窗設(shè)計(jì)為百葉向下傾斜，可防止側(cè)面雨水進(jìn)入塔內(nèi)；

(4) 緊挨外側(cè)設(shè)計(jì)為一層防止溶液外濺的百葉窗；

(5) 在塔體內(nèi)側(cè)再加裝一層防雨水的百葉窗，與外接風(fēng)筒形成雙層保障，降水量較小的地區(qū)可以根據(jù)需要拆除此層百葉窗；

(6) 在最底部循環(huán)溶液的集液槽上部加裝了一個(gè)雨水收集槽，將雨水導(dǎo)出塔外；

(7) 改造之后的塔內(nèi)大致風(fēng)向如圖1所示箭頭，可以發(fā)現(xiàn)越是靠近填料內(nèi)側(cè)和上部，風(fēng)量越小，所以水盆的底部設(shè)計(jì)有一個(gè)小的傾斜度，采用小孔布水，由于重力作用，這樣可以使撒下的溶液流量從內(nèi)側(cè)到外側(cè)越來越大，進(jìn)而可與空氣充分換熱，提高塔的換熱性能。

(8) 三層百葉窗均為整體構(gòu)架，這樣可使拆卸保養(yǎng)更為方便。

1.防雨降噪風(fēng)機(jī)套筒;2.具有一定傾斜角的撒水盆;3.外層擋雨百葉窗;4.側(cè)面防飄液百葉窗;5.內(nèi)側(cè)防雨水百葉窗;6.雨水收集槽;7.雨水出水口;8.填料圖1 改進(jìn)型開式橫流吸熱塔

2 實(shí)驗(yàn)研究

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)，將其系統(tǒng)原有的普通橫流開式吸熱塔替換為本文所述的改進(jìn)型開式橫流塔進(jìn)行測(cè)試。所測(cè)吸熱塔實(shí)體如圖2所示。

圖2 所測(cè)吸熱塔實(shí)物圖

在吸熱塔進(jìn)出口分別布置有鉑電阻來測(cè)量溶液進(jìn)出口溫度；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；風(fēng)量采用手持式風(fēng)速儀測(cè)試；噪聲采用噪聲測(cè)試儀并依照GB/T 7190.1-2008[7]所述方法進(jìn)行測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 噪聲分析

如表1所示，本文選取了三個(gè)典型位置進(jìn)行對(duì)噪聲的測(cè)試。測(cè)試流量與風(fēng)機(jī)頻率均按照系統(tǒng)正常運(yùn)行的工況，分別為88t/h和40Hz。測(cè)試結(jié)果顯示風(fēng)筒背側(cè)的噪聲要比風(fēng)筒出口側(cè)小17dB，且根據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試的結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]。由此看出塔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且這種風(fēng)筒形式能有效的降低風(fēng)筒背側(cè)的噪聲，在實(shí)際工程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況擺放吸熱塔位置，以減少噪聲帶來的影響。

表1 不同位置的噪聲大小

3.2 溶液飄移分析

如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行1年后，從鐵板腐蝕程度可以看出改進(jìn)型吸熱塔中的溶液從進(jìn)風(fēng)窗外濺的程度較改造前明顯降低。

圖3 吸熱塔進(jìn)風(fēng)窗下鐵板腐蝕情況

3.3 塔內(nèi)阻力與風(fēng)量分析

在對(duì)圖1所示中的三種不同百葉窗選擇四種工況進(jìn)行測(cè)試，通過每種工況風(fēng)量的大小以來看出不同工況下塔內(nèi)阻力情況。四種工況如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)：在只有最外側(cè)進(jìn)風(fēng)窗3，沒有側(cè)面防飄液百葉窗4和內(nèi)側(cè)防雨水百葉窗5的工況下的阻力最小風(fēng)量最大，在4和5進(jìn)風(fēng)窗都有的工況下阻力最大，風(fēng)量最小，兩者風(fēng)量差基本在10000～13000m3·s-1之間；4和5百葉窗只有其一的兩個(gè)工況風(fēng)量處于中間位置且風(fēng)量差別不大。所以可以根據(jù)地區(qū)降水量的大小選擇是否加裝內(nèi)層防雨水百葉窗。

圖4 四種不同百葉窗工況下風(fēng)量的對(duì)比

3.4 換熱性能分析

由于是在實(shí)際投入運(yùn)行的工程中進(jìn)行測(cè)試，無法對(duì)環(huán)境參數(shù)以及系統(tǒng)用戶側(cè)負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確的控制變量，因此本文只能在長(zhǎng)期的測(cè)試當(dāng)中選取工況相近的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。具體參數(shù)如表2所示，在系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，環(huán)境工況相似，風(fēng)機(jī)頻率相同，改進(jìn)型吸熱塔風(fēng)量小于普通吸熱塔情況下的兩種吸熱塔換量相差不大，改進(jìn)型吸熱塔的換熱量甚至略高于普通型吸熱塔。

表2 兩種塔型換熱量對(duì)比

4 結(jié)論

本文分析了制冷與供熱系統(tǒng)用空氣源換熱塔所需的工藝特殊性，并根據(jù)其特點(diǎn)在開式橫流冷卻塔基礎(chǔ)上進(jìn)行了多方面的結(jié)構(gòu)改造，同時(shí)還對(duì)實(shí)塔進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)研究表明：

(1)全復(fù)合材料的塔體與塔身不僅拆卸安裝方便，而且具有很好的防腐蝕作用。

(2)改造后的吸熱塔噪聲不僅符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且更能因地制宜將噪聲污染進(jìn)一步降低。

(3)改造后的吸熱塔能有效的防止雨水進(jìn)入塔內(nèi)，并且很大程度上防止了進(jìn)風(fēng)窗兩側(cè)溶液的外濺，降低了對(duì)環(huán)境的影響。

(4)改造后的吸熱塔在相同頻率的風(fēng)機(jī)運(yùn)行下，雖然由于阻力增大，風(fēng)量降低，但是換熱性能相比普通吸熱塔相差不大，甚至略高于后者。

[1] 工業(yè)鍋爐清潔能源手冊(cè)[M].上海:?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2015:142-145.

[2] 李志浩,張永銓.空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的選擇[J].暖通空調(diào),1996,26(4):3-10.

[3] 常世鈞,龔光彩.冷熱源及建筑節(jié)能的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2003(5):18-23.

[4] 徐政宇.夏熱冬冷地區(qū)開式吸熱塔熱泵技術(shù)的供暖研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2013.

[5] 王慶一.2015中國(guó)能源效率評(píng)析[J].中國(guó)能源,2017,39(6):43-47.

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[7] 李雙磊.數(shù)據(jù)中心用橫流冷卻塔與逆流冷卻塔優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析[J].低碳世界,2015,9(6):282-283.

[8] 全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7190.1 2008玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔 第1部分:中小型玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.