孔板波紋填料熱源塔的熱質(zhì)傳遞性能

呂珍余，梁彩華，黃世芳，張小松

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孔板波紋填料熱源塔的熱質(zhì)傳遞性能

呂珍余，梁彩華，黃世芳，張小松

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

提出一種采用大比表面積、表面沖有網(wǎng)孔的塑料孔板波紋填料的熱源塔，并通過構(gòu)建橫流式熱源塔實驗系統(tǒng)，開展風(fēng)量密度和淋液密度等對孔板波紋填料熱源塔熱質(zhì)傳遞性能的研究，并與常規(guī)人字波紋填料熱源塔熱質(zhì)傳遞性能進行實驗對比。研究結(jié)果表明：孔板波紋填料表面的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)促進液膜在填料兩側(cè)的交叉流動及液膜表面的擾動；相比人字波紋填料，當(dāng)風(fēng)量密度為2.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的傳熱系數(shù)提高9.5%，換熱量為人字波紋填料的2倍，為熱源塔熱質(zhì)傳遞強化及緊湊化提供參考。

熱源塔；孔板波紋填料；傳熱；傳質(zhì)

熱源塔作為一種新型的熱質(zhì)交換設(shè)備，是熱源塔熱泵系統(tǒng)的核心部件之一。在夏季工況下，熱源塔利用部分冷卻水的蒸發(fā)將機組冷凝熱排放到環(huán)境中；在冬季工況時，熱源塔依靠低溫溶液從空氣中吸收熱量作為熱泵的低位熱源[1?2]。熱源塔熱泵系統(tǒng)兼顧了常規(guī)水冷冷水機組夏季高運行效率的優(yōu)勢[3?5]，同時在冬季可替代鍋爐進行供暖，一次能源利用效率高。相比空氣源熱泵，熱源塔熱泵系統(tǒng)不存在結(jié)霜問題[6?8]，可在較低的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作；相比水/地源熱泵，熱源塔熱泵系統(tǒng)不受地理地質(zhì)條件限制[9?10]。熱源塔夏季換熱以潛熱為主，冬季換熱則以顯熱為主，夏季散熱量大于冬季吸熱量[11]。為了保證熱泵系統(tǒng)冬季穩(wěn)定工作，熱源塔需按冬季工況設(shè)計。如使用常規(guī)冷卻塔填料，勢必造成熱源塔體積過大，使得存在在一些場合因場地受限而不能應(yīng)用的問題。根據(jù)熱源塔的傳熱傳質(zhì)原理可知，為減小熱源塔體積，可通過增大熱源塔填料的比表面積以獲得更大的氣液接觸面積及提高填料熱質(zhì)傳遞系數(shù)來實現(xiàn)。目前，填料的研究主要集中在通過表面改性和表面微結(jié)構(gòu)改造來提高填料表面的潤濕性。填料的宏觀結(jié)構(gòu)，如填料排列方式及波紋片幾何尺寸等，決定了氣體和液體的基本流動方式；填料的微觀結(jié)構(gòu)，如凸點、溝槽、小孔、小波紋等，則主要促進液體流動中液膜的鋪展、湍動及液相的徑向分布[12]。液體在規(guī)整填料表面的流動形式主要以膜狀流為主[13]，李洪等[14]對5種不同的波紋規(guī)整填料進行研究，發(fā)現(xiàn)依靠滲流作用的波紋規(guī)整填料具有更好的熱質(zhì)傳遞性能。近年來，HOFFMANN等[15?17]通過數(shù)值模擬方法，研究了規(guī)整填料表面液膜流體動力學(xué)特性。譚麗媛等[16]利用計算流體力學(xué)中的VOF多相流模型，對液體在兩相鄰規(guī)整填料特征單元上的分布進行三維仿真模擬，發(fā)現(xiàn)液體在高比表面積、填料表面有波紋的規(guī)整填料上分布較好。雖然前人對填料方面進行了很多研究，但對于結(jié)合熱源塔傳熱傳質(zhì)特性的填料優(yōu)化涉及較少。為此，本文作者提出一種采用大比表面積(500 m2/m3)、表面沖有網(wǎng)孔的塑料孔板波紋填料的橫流熱源塔，所采用的塑料孔板波紋填料具有規(guī)整填料的特性，且比表面積大、表面潤濕性能好，結(jié)構(gòu)上利于氣液兩相充分接觸及液膜流動。同時，通過構(gòu)建橫流熱源塔實驗系統(tǒng)和熱源塔數(shù)學(xué)模型，深入研究孔板波紋填料熱源塔傳熱傳質(zhì)性能并與常規(guī)人字波紋填料熱源塔進行對比。

1 熱源塔的數(shù)學(xué)模型

在橫流熱源塔中，空氣沿水平方向進入填料，溶液從填料頂部流下，兩者在填料表面完成熱質(zhì)交換，溶液吸收空氣中的顯熱及潛熱，溫度升高。針對熱源塔內(nèi)溶液與空氣間熱質(zhì)傳遞過程的特征，提出以下假設(shè)：1) 傳熱與傳質(zhì)系數(shù)在整個填料中保持一致；2) 填料表面的傳熱與傳質(zhì)面積相同；3) 流動方向的導(dǎo)熱可以忽略；4) 填料在二維方向潤濕均勻。

橫流熱源塔中，填料的長×寬×高為××。任取圖1中1個微元體d為研究對象。在溶液與濕空氣的熱質(zhì)交換過程中，遵循能量守恒、質(zhì)量守恒(包括水分質(zhì)量守恒和溶質(zhì)質(zhì)量守恒)及對流傳熱傳質(zhì)關(guān)系式。

圖1 橫流熱源塔模型

能量守恒：

水分質(zhì)量守恒：

溶質(zhì)質(zhì)量守恒：

對流傳熱方程為

對流傳質(zhì)方程為

通過對上述控制方程的差分離散，再結(jié)合溶液與空氣的物性參數(shù)，可得到熱源塔中各個微元內(nèi)空氣與溶液的參數(shù)。實驗測得空氣與溶液的進出口參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)可推算出填料的傳熱傳質(zhì)系數(shù)。具體計算流程如圖2所示：假定傳熱和傳質(zhì)系數(shù)，根據(jù)熱源塔的進口空氣和溶液參數(shù)，利用差分離散求解方法，求出熱源塔出口參數(shù)。通過校核出口空氣溫度的計算值與測量值，修正傳熱系數(shù)；校核出口空氣含濕量的計算值和測量值，修正傳質(zhì)系數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)，直到達到一定精度，輸出相應(yīng)的傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)實驗測得的空氣與溶液的進出口參數(shù)，由式(11)和式(12)分別求得熱源塔的總換熱量和潛熱換熱量：

式中：為總換熱量，kW；L為潛熱換熱量，kW；a,in和a,out分別為熱源塔進出口的空氣焓，J/g；a為空氣的密度，kg/m3；a為空氣體積流量，m3/h；a,in和a,out分別為熱源塔進出口空氣的含濕量，g/kg；為水蒸氣的汽化潛熱，J/g。

圖2 熱源塔傳熱傳質(zhì)系數(shù)計算流程圖

2 實驗臺簡介

2.1 實驗裝置

熱源塔實驗系統(tǒng)如圖3所示，主要包括熱源塔、空氣處理系統(tǒng)、溶液系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊。空氣處理系統(tǒng)包括表冷器、加熱器、加濕器、風(fēng)機等，溶液系統(tǒng)包括流量計、泵、溶液槽和外部冷熱源。

圖3 熱源塔實驗系統(tǒng)

實驗過程中，溶液槽1中配制好的溶液被外部冷熱源處理到設(shè)定溫度后，由溶液泵抽出，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥、流量計后送入熱源塔頂部的布液裝置。溶液在熱源塔中潤濕填料并與來流空氣進行熱質(zhì)傳遞，吸熱后的溶液流入溶液槽2中。熱源塔中空氣和溶液的流量均采用變頻器控制，溶液選用的是質(zhì)量濃度為24.2%的乙二醇溶液。

2.2 熱源塔填料結(jié)構(gòu)

熱源塔為實驗臺的核心設(shè)備，分別采用人字波紋填料和孔板波紋填料，填料長×寬×高均為280 mm×430 mm×700 mm，比表面積分別為172 m2/m3和500 m2/m3，片間距分別為15 mm和6.3 mm。

人字波填料表面有連續(xù)的人字形通道(如圖4(a)所示)，液體流動路線較長，空氣流經(jīng)人字波紋填料時有良好的擾動性。孔板波紋填料的表面沖有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)(如圖4(b)所示)，自由下降的液體可在填料上形成穩(wěn)定的降膜流動，網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)促進液膜在填料兩側(cè)的交叉流動，可有效增加填料表面利用率，加強氣液界面上液膜的湍動程度，提高傳熱效果。孔板波紋填料的材質(zhì)是聚丙烯，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿及有機溶劑的腐蝕。同時，相同材質(zhì)的填料在化工領(lǐng)域已有使用，具有工程應(yīng)用價值。實驗中使用的孔板波紋填料單片橫向安裝形成一層，填料層與層之間縱向排布，相鄰兩層交錯90°安裝。填料長×寬×高為280 mm× 430 mm×700 mm，每層填料高度為100 mm，共7層。

圖4 2種填料結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 測試裝置

實驗測量的空氣參數(shù)主要有空氣流量、熱源塔進出口空氣的干球溫度和含濕量。溶液參數(shù)主要有熱源塔進出口溶液流量、溫度以及濃度。實驗測量裝置及精度如表1所示。

3 實驗結(jié)果分析與討論

為得到運行參數(shù)對2種填料熱質(zhì)傳遞性能的影響規(guī)律，實驗通過對溶液與空氣間的傳熱傳質(zhì)過程進行變工況研究，獲得不同運行工況下(表2)熱源塔的進出口狀態(tài)參數(shù)，然后基于模型對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到該過程不同填料的熱質(zhì)傳遞系數(shù)和換熱量。

3.1 實驗測試誤差分析

根據(jù)間接測量的誤差傳遞原理，以典型工況為例，對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行誤差分析，典型工況直接測量值見表3。

表1 實驗測試測量裝置

注：FS為測量儀器的量程；RH為空氣的相對濕度。

表2 熱源塔熱質(zhì)傳遞性能實驗進口參數(shù)

注：a為風(fēng)量密度；s為淋液密度；a,in為空氣進口溫度；a,in為空氣進口含濕量；s,in為溶液進口溫度；s,in為溶液進口質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3 典型工況直接測量值

注：a為風(fēng)量；a,out為空氣出口溫度；a,out為空氣出口含濕量；s為溶液流量；s,out為溶液出口溫度；s為溶液密度。

總換熱量的絕對誤差為

總換熱量的最大相對誤差為

從以上的數(shù)據(jù)誤差分析可知，本研究所得總換熱量最大相對誤差符合實驗要求。

3.2 風(fēng)量密度對熱源塔熱質(zhì)傳遞性能的影響

當(dāng)熱源塔在如表2中工況a所示進口參數(shù)條件下，調(diào)節(jié)風(fēng)量密度從1.2 kg/(m2·s)變化到3.2 kg/(m2·s)，分析2種填料的熱質(zhì)傳遞性能隨風(fēng)量密度的變化規(guī)律，其變化曲線如圖5~8所示。為方便表示，人字波紋填料和孔板波紋填料在圖中分別用1號和2號代替。

圖5所示為風(fēng)量密度對2種填料傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律。從圖5可知：2種填料的傳熱傳質(zhì)系數(shù)均隨著風(fēng)量密度的增大而增大。由于風(fēng)量密度的增加，溶液表面與空氣主流的擴散滲透增強，同時溶液液膜也會在加大的空氣流速下產(chǎn)生較強烈的擾動，從而使系數(shù)增加。隨著風(fēng)量密度的增加，孔板波紋填料的平均傳熱系數(shù)比人字波紋填料提高5%，而孔板波紋填料的平均傳質(zhì)系數(shù)比人字波紋填料提高7.2%。其原因主要是孔板波紋填料表面的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)能增強液膜的滲流效應(yīng)及液膜表面的擾動，溶液與空氣之間的熱質(zhì)傳遞更為劇烈。相比于人字波紋填料，在相同運行條件下，孔板波紋填料布液更為均勻，表面潤濕更充分。

1—1號，hc；2—2號，hc；3—1號，hd；4—2號，hd。

圖6所示為風(fēng)量密度對2種填料換熱量和進出口溶液溫差的影響規(guī)律。由圖6可知：2種填料的換熱量、溶液溫升均隨著風(fēng)量密度的增加而增加；當(dāng)風(fēng)量密度從1.2 kg/(m2·s)上升至3.1 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的換熱量從2.08 kW上升至4.15 kW，溶液溫升也增加至原來的2.00倍。由于風(fēng)量密度增加導(dǎo)致填料換熱系數(shù)增大，進而促使換熱量和溶液溫升增加；當(dāng)風(fēng)量密度均為2.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的換熱量為人字波紋填料的2.00倍。這主要是因為孔板波紋填料的比表面積和熱質(zhì)傳遞系數(shù)均比人字波紋填料的大。

1—1號，Q；2—2號，Q；3—1號，Δts；4—2號，Δts。

圖7所示為風(fēng)量密度對2種填料潛熱換熱量和潛熱百分比的影響規(guī)律。從圖7可知：2種填料的潛熱換熱量隨著風(fēng)量密度增加而增加，而風(fēng)量密度對2種填料的潛熱百分比的影響較小。風(fēng)量密度的增加提高了傳熱傳質(zhì)系數(shù)，溶液與空氣之間的顯熱和潛熱換熱量均提高，導(dǎo)致潛熱百分比無明顯變化。由于孔板波紋填料的比表面積和熱質(zhì)傳遞系數(shù)均比人字波紋填料的大，所以，當(dāng)風(fēng)量密度均為2.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的潛熱換熱量是人字波紋填料的1.57倍，而孔板波紋填料的潛熱百分比略比人字波紋填料的低。

圖8所示為風(fēng)量密度對2種填料的進出口空氣溫差和含濕量差的影響規(guī)律。由圖8可知：2種填料的進出口空氣溫差和含濕量差均隨著風(fēng)量密度的增加而增加；隨著風(fēng)量密度的增加，孔板波紋填料的進出口空氣溫差下降為原來的80%，進出口空氣含濕量差下降到原來的66%。這是因為風(fēng)量密度的增加導(dǎo)致與溶液接觸的空氣的總量增大，但空氣與溶液之間的接觸較之前不夠充分。當(dāng)風(fēng)量密度均為2.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的進出口空氣溫差是人字波紋填料的2.00倍，孔板波紋填料的進出口空氣含濕量差是人字波紋填料的1.60倍。

1—1號，QL；2—2號，QL；3—1號，φ；4—2號，φ。

1—1號，Δta；2—2號，Δta；3—1號，Δda；4—2號，Δda。

3.3 淋液密度對熱源塔熱質(zhì)傳遞性能的影響

當(dāng)熱源塔在如表2中b所示進口參數(shù)條件下，調(diào)節(jié)淋液密度從2.3 kg/(m2·s)變化到4.5 kg/(m2·s)，分析2種填料的熱質(zhì)傳遞性能隨風(fēng)量密度的變化規(guī)律，其變化曲線如圖9~12所示。為方便表示，人字波紋填料和孔板波紋填料在圖中分別用1號和2號代替。

圖9所示為淋液密度對2種填料傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律。從圖9可知：2種填料的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)均隨著淋液密度的增加而增加，隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均傳熱系數(shù)比人字波紋填料提高15%，孔板波紋填料的平均傳質(zhì)系數(shù)比人字波紋填料提高18%。其主要原因是孔板波紋填料表面的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)促進了液膜在填料兩側(cè)的交叉流動，有效增加了填料表面利用率，加強了氣液界面上液膜湍動程度，提高了傳熱效果。同時，高比表面積的孔板波紋填料相比于人字波紋填料布液更均勻。

1—1號，hc；2—2號，hc；3—1號，hd；4—2號，hd。

圖10所示為淋液密度對2種填料換熱量和進出口溶液溫差的影響規(guī)律。由圖10可知：2種填料的換熱量隨著淋液密度的增加而增加，而溶液溫差則隨著淋液密度的增加而減少；當(dāng)淋液密度從2.5 kg/(m2·s)上升至4.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的換熱量從41.5 kW上升至55.0 kW，上升至原來的1.30倍，進出口溶液溫差則下降為原來的70%。由于淋液密度的增加導(dǎo)致填料的熱質(zhì)傳遞系數(shù)增大，促使溶液與空氣之間的換熱量上升；隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均換熱量約為人字波紋填料的2.20倍，平均進出口溶液溫差約為人字波紋填料的1.90倍。這是孔板波紋填料的傳熱傳質(zhì)系數(shù)和比表面積均比人字波紋填料的大所導(dǎo)致的。

圖11所示為淋液密度對2種填料的潛熱換熱量和潛熱百分比的影響規(guī)律。從圖11可知：2種填料的潛熱換熱量均隨淋液密度的增加而增加，而淋液密度對填料的潛熱百分比影響不大；當(dāng)淋液密度從2.3 kg/(m2·s)增加至4.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的潛熱換熱量上升至原來的1.47倍。淋液密度的增加提高了填料的熱質(zhì)傳遞系數(shù)，促使溶液與空氣之間的顯熱和潛熱均增加，導(dǎo)致潛熱百分比變化不大；隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均潛熱換熱量是人字波紋填料的1.78倍，而孔板波紋填料的潛熱百分比比人字波紋填料的略低。

1—1號，Q；2—1號，Q；3—1號，Δts；4—2號，Δts。

1—1號，QL；2—2號，QL；3—1號，φ；4—2號，φ。

圖12所示為淋液密度對2種填料的進出口空氣溫差和含濕量差的影響規(guī)律，由圖12可知：2種填料的進出口空氣溫差和含濕量差均隨著淋液密度的增加而增加；當(dāng)淋液密度從2.5 kg/(m2·s)上升至4.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料進出口空氣溫差上升為原來的1.26倍，而進出口空氣含濕量差上升為原來的1.47倍；隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均進出口空氣溫差為人字波紋填料的2.10倍，而平均進出口空氣含濕量差為人字波紋填料的1.78倍。這主要是因為淋液密度的增加導(dǎo)致2種填料的傳熱傳質(zhì)系數(shù)均增加，潛熱和顯熱換熱量隨之增加，而孔板波紋填料的比表面積和傳熱傳質(zhì)系數(shù)均比人字波紋填料的大，故其進出口空氣溫差和含濕量差均比人字波紋填料的大。

1—1號，Δta；2—2號，Δta；3—1號，Δda；4—2號，Δda。

在熱源塔中，空氣與溶液發(fā)生傳熱傳質(zhì)，空氣側(cè)和溶液側(cè)相互影響。風(fēng)量密度增加導(dǎo)致溶液在熱源塔中滯留時間增加，而空氣和溶液交界面處溶液的擾動也更為劇烈，強化了溶液側(cè)的換熱。同時，淋液密度的增加提升了空氣與溶液界面處溶液的更新速度，單位體積的空氣與溶液接觸更充分，強化了空氣側(cè)的 換熱。

4 結(jié)論

1) 采用孔板波紋填料，相比于傳統(tǒng)的人字波紋填料，其具有較大的比表面積，孔板波紋填料表面的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)增強液膜的滲流效應(yīng)以及液膜表面的擾動，溶液與空氣之間的熱質(zhì)傳遞更為劇烈。在相同運行條件下，孔板波紋填料布液更均勻，表面潤濕更充分。

2) 隨著風(fēng)量密度的增加，孔板波紋填料的傳熱系數(shù)從10.9 W/(m2·K)上升至22 W/(m2·K)，換熱量從2.08 kW上升至4.15 kW。而淋液密度的增加使孔板波紋填料的傳熱系數(shù)從20.2 W/(m2·K)上升至26.0 W/(m2·K)，換熱量上升至原來的1.30倍。

3) 當(dāng)風(fēng)量密度為2.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的平均傳熱系數(shù)比人字波紋填料提高9.5%，換熱量為人字波紋填料的2.00倍，潛熱換熱量是人字波紋填料的1.57倍。

4) 隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均傳熱系數(shù)比人字波紋填料提高15%，平均換熱量為人字波紋填料的2.20倍，平均潛熱換熱量是人字波紋填料的1.78倍。

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(編輯 楊幼平)

Heat and mass transfer performance of porous corrugated packing in heat-source tower

Lü Zhenyu, LIANG Caihua, HUANG Shifang, ZHANG Xiaosong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A plastics porous corrugated plate packing was proposed which had large specific surface area and was punched with holes on its surface. Cross-flow heat-source tower experiment system was established. The influence of air mass flow flux, liquid desiccant mass flow flux on the heat and mass transfer performance of porous corrugated packing was studied and compared with that of herringbone corrugated packing under the same conditions. The results show that the mesh structure of the porous corrugated packing promotes liquid film’s crossflow on the both sides of the packing and perturbation of liquid film surface. When the air mass flow flux is 2.5 kg/(m2·s), the heat transfer coefficient of porous corrugated packing is 9.5% larger than that of herringbone corrugated packing and porous corrugated packing’s heat transfer is 2 times larger than that of herringbone corrugated packing, which gives reference to enhance the heat and mass transfer and to reduce the volume of heat-source tower.

heat-source tower; porous corrugated packing; heat transfer; mass transfer

TU831.6

A

1672?7207(2018)04?1003?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.031

2017?04?29；

2017?06?22

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC070030)(Project(2016YFC070030) supported by the National Key Research and Development Program of China during the 13th Five Year Plan Period)

梁彩華，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事制冷空調(diào)、建筑節(jié)能及可再生能源利用研究；E-mail：caihualiang@163.com