無填料熱源塔冬季吸熱量分析

張 楠

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030)

熱源塔熱泵技術(shù)是一種利用防凍溶液從空氣中吸收熱量通過換熱用以室內(nèi)環(huán)境供熱的新型節(jié)能技術(shù)。熱源塔熱泵技術(shù)可以解決空氣源熱泵冬季易結(jié)霜，地源熱泵技術(shù)受地形限制，電暖器能耗過高等問題，在我國南方地區(qū)已有使用[1-3]。

近年來，對(duì)于傳統(tǒng)開式熱源塔和閉式塔的理論研究已趨于成熟。陳琦等[4]對(duì)閉式熱源塔在不同工況下的換熱性能進(jìn)行分析，對(duì)閉式熱源塔的優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了解析。李勝兵等[5]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了閉式熱源塔與開式熱源塔的吸熱效率，發(fā)現(xiàn)開式熱源塔的吸熱效率高于閉式塔，但運(yùn)行較為復(fù)雜。崔海蛟等[6-8]利用MATLAB軟件分析了開式熱源塔液滴直徑、空氣流速對(duì)逆流式無填料熱源塔吸熱效率的影響。張楠等[9]對(duì)熱源塔在夏季工況下噴嘴位置、進(jìn)風(fēng)位置對(duì)不同環(huán)境參數(shù)對(duì)其散熱效率的影響進(jìn)行分析。章文杰等[10]建立了熱源塔熱泵系統(tǒng)冬季吸熱能力模型，并根據(jù)氣象參數(shù)對(duì)不同城市熱源塔潛熱換熱和顯熱換熱量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。文先太等[11-13]通過實(shí)驗(yàn)分析了交叉流動(dòng)時(shí)熱源塔的傳質(zhì)特性并對(duì)熱源塔氣水比進(jìn)行了優(yōu)化分析。李念平等[14]以某辦公建筑為研究對(duì)象，利用DeST軟件對(duì)建筑負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)熱源塔熱泵與空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱源塔熱泵技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)。

本文通過搭建的無填料熱源塔進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同干球溫度、相對(duì)濕度、氣水比、溶液入口溫度對(duì)熱源塔吸熱量以及吸熱量中潛熱量和顯熱量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為無填料熱源塔，無填料熱源塔和傳統(tǒng)的開式熱源塔相比，去除了填料部分，不僅可以減小風(fēng)機(jī)能耗，同時(shí)解決了傳統(tǒng)的填料熱源塔存在結(jié)垢的問題。無填料熱源塔的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)、收水器、霧化噴頭、集水池等組成，塔內(nèi)中空設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)量增加，收水器可以阻礙液滴飛出塔外，減少環(huán)境污染。

1.2 換熱原理

無填料熱源塔內(nèi)，循環(huán)溶液與空氣直接接觸進(jìn)行換熱。循環(huán)溶液經(jīng)霧化噴嘴噴灑出微小的液滴，液滴表面水分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在液滴表面周圍形成飽和空氣層，飽和空氣層溫度與液滴溫度相同，當(dāng)飽和空氣層溫度高于空氣溫度時(shí)，在溫差作用下熱量從空氣向飽和空氣層轉(zhuǎn)移，兩者發(fā)生顯熱交換。當(dāng)飽和空氣層水蒸氣分壓力低于空氣水蒸氣壓力時(shí)，空氣中水分子向液滴擴(kuò)散，在液滴表面凝結(jié)放熱，溶液溫度升高。溶液與液滴之間既可能只發(fā)生顯熱交換，也可能顯熱交換和潛熱交換同時(shí)發(fā)生。

1.3 測(cè)量儀器介紹

本次實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試儀器及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀表和測(cè)量參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)分析

溶液吸收的熱量和空氣放出的熱量的計(jì)算公式如式(1)，式(2)所示：

Qs=qscs(to-ti)

(1)

Qa=qa(hi-ho)

(2)

其中，qs為溶液的流量，kg/m3；cs為溶液比熱容，kJ/(kg·℃)；ti,to分別為溶液的進(jìn)出口溫度，℃；qa為溶液的流量，kg/m3；hi,ho分別為溶液的進(jìn)出口溫度，kJ/kg。

由于實(shí)驗(yàn)過程中存在誤差，溶液的吸熱量與空氣釋放熱量并不完全相等。誤差分析計(jì)算結(jié)果：

(3)

本次實(shí)驗(yàn)選取誤差在5%之內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，保證了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

根據(jù)已有的無填料熱源塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別改變空氣進(jìn)口溫度、相對(duì)濕度、溶液入口溫度以及氣水比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)溶液的出口溫度、空氣出口處的溫濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，整理分析其對(duì)熱源塔潛熱吸熱量、顯熱吸熱量以及總吸熱量的影響。

2.1 熱源塔吸熱量

對(duì)無熱源塔的吸熱量多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)，室外空氣溫度為8 ℃，相對(duì)濕度70%，氣水比2.8，溶液入口溫度為-3 ℃。

逆流式無填料熱源塔的吸熱量如圖2所示。由圖2可知，無填料熱源塔的總吸熱量在7.9 kW～8.2 kW之間變動(dòng)，潛熱吸熱量保持在1.0 kW～1.1 kW，潛熱吸熱量占總吸熱量比例約在13%。因此，無填料熱源塔的吸熱量潛熱占比較小，熱源塔內(nèi)的換熱主要以顯熱換熱為主。這主要是因?yàn)?，冬季工況下，循環(huán)溶液的入口溫度較低，經(jīng)常保持在0 ℃以下，液滴表面水蒸氣分子遷移較慢，空氣中水蒸氣不易凝結(jié)，潛熱得熱得不到充分利用的原因造成的。

2.2 空氣干球溫度對(duì)吸熱量的影響

保持相對(duì)濕度70%，溶液入口溫度-3 ℃，氣水比2.8不變。改變空氣溫度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？諝鉁囟葘?duì)熱源塔吸熱量的影響如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，熱源塔的總吸熱量隨著空氣的干球溫度升高而增大，且增幅明顯，空氣溫度從2升至10，熱源塔的總吸熱量從2.8 kW升至10.5 kW，增長了285%，說明空氣溫度對(duì)熱源塔的吸熱量影響明顯，低溫工況下，熱源塔的吸熱量可能會(huì)導(dǎo)致不能滿足室內(nèi)需求。然而在圖3中，潛熱換熱量并未隨干球溫度的升高而增大，反而有降低趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榭諝鉁囟壬?，空氣與溶液直接接觸時(shí)，換熱溫差增大，這直接導(dǎo)致了顯熱換熱量的增大，與潛熱換熱關(guān)系不大，因此顯熱換熱量基本保持不變。

2.3 相對(duì)濕度對(duì)換熱量的影響

保持空氣溫度8 ℃，溶液入口溫度-3 ℃，氣水比2.8不變，改變空氣相對(duì)濕度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析相對(duì)濕度對(duì)熱源塔換熱量的影響。

相對(duì)濕度對(duì)熱源塔吸熱量影響的變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，熱源塔的總吸熱量隨著空氣的相對(duì)濕度的增高而增大，這是因?yàn)橄鄬?duì)濕度的增加，空氣中水蒸氣含量增加，增強(qiáng)了熱質(zhì)交換，效率得到提升。但換熱量中的顯熱換熱量保持微小增加，而潛熱換熱量隨著相對(duì)濕度的增加而迅速增加，換熱量的增加主要是潛熱換熱量增加引起的。

從圖4中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度為50%時(shí)，熱源塔的吸熱量為負(fù)值，這說明相對(duì)濕度較低時(shí)，溶液的水蒸氣分子向空氣傳遞，抑制了熱源塔的傳熱。這是因?yàn)榭諝庀鄬?duì)濕度低，空氣周圍水蒸氣分壓力低于溶液液滴周圍的水蒸氣分壓力，在壓力差的作用下，溶液水蒸氣分子向空氣側(cè)遷移，抑制了換熱，因而，熱源塔在低溫高濕的南方環(huán)境下比較適用。

2.4 氣水比對(duì)換熱量的影響

保持空氣溫度8 ℃，溶液入口溫度-3 ℃，相對(duì)濕度70%不變，依次增加氣水比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析氣水比對(duì)熱源塔換熱量的影響。

氣水比對(duì)吸熱量影響的變化曲線如圖5所示，氣水比增加，總的吸熱量和顯熱吸熱量增大，但增速緩慢。潛熱吸熱量降低，氣水比從1.2升至4.4，潛熱吸熱量占總換熱量的比值從24.7%降低至7.6%。這是因?yàn)槿芤翰蛔儦馑仍黾樱ㄟ^熱源塔的截面風(fēng)速加快，而風(fēng)速的增加強(qiáng)化了對(duì)流換熱，顯熱換熱量增加。但換熱時(shí)間縮短，潛熱換熱中水蒸氣的凝結(jié)受到影響，導(dǎo)致潛熱換熱量的減少。

2.5 溶液入口溫度對(duì)換熱量的影響

保持空氣溫度8 ℃，氣水比2.8，相對(duì)濕度70%不變，依次提高溶液入口溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析溶液入口溫度對(duì)熱源塔換熱量的影響。

熱源塔吸熱量隨溶液入口溫度的變化曲線如圖6所示，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，入口溫度升高，熱源塔的潛熱吸熱量和顯熱吸熱量先增大而后減小，這是因?yàn)槿芤喝肟跍囟鹊奶岣撸M(jìn)出口溫差降低導(dǎo)致吸熱量降低。而潛熱換熱量隨入口溫度的增加一直減小，這是因?yàn)槿芤簻囟容^低時(shí)，水分子運(yùn)動(dòng)。溶液周圍水蒸氣分壓力較小，空氣中水蒸氣凝結(jié)，潛熱換熱量較大。

3 結(jié)論

1)無填料熱源塔中的吸熱包括顯熱吸熱和潛熱吸熱，其中顯熱吸熱占比較大，潛熱吸熱量占比較小，換熱以顯熱為主。2)空氣溫度的提高可以大幅度的增加熱源塔的吸熱量，但吸熱量中潛熱吸熱量并不會(huì)隨空氣溫度的升高而增大，溫度對(duì)熱源塔的吸熱量較其他因素相比影響最大。3)相對(duì)濕度 對(duì)熱源塔的總吸熱量和潛熱吸熱量影響較大，濕度升高潛熱換熱量增加。但濕度較低時(shí)，會(huì)抑制潛熱換熱的發(fā)生，適用于我國南方低溫高濕的氣候環(huán)境。4)熱源塔中的潛熱換熱主要是水凝結(jié)造成的，水凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致溶液濃度的降低，因此開式塔需配有濃縮裝置，而且由于飄散損失的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致溶液對(duì)環(huán)境造成污染，運(yùn)行復(fù)雜。5)氣水比增加，溶液總吸熱量和顯熱吸熱量均出現(xiàn)增大，但潛熱吸熱量減小。而溶液入口溫度的提高會(huì)導(dǎo)致熱源塔的潛熱換熱量降低，顯熱換熱量和總換熱量波動(dòng)范圍較小。