具有预凝功能的新型热源塔运行性能的实验研究

夏 燚 孙立镖 梁彩华 张小松

(1 东南大学能源与环境学院 南京 210096；2 南京师范大学能源与机械工程学院 南京 210046)

具有预凝功能的新型热源塔运行性能的实验研究

夏 燚1,2孙立镖1梁彩华1张小松1

(1 东南大学能源与环境学院 南京 210096；2 南京师范大学能源与机械工程学院 南京 210046)

为解决现有开式热源塔冬季运行时塔内溶液吸湿量大而影响系统运行安全的缺陷，本文设计了一种具有预凝功能的新型热源塔结构，分析了新型塔的运行过程，并对比研究了新型塔和普通塔在不同进口溶液温度、空气流量和溶液流量下的运行性能。实验结果表明，新型塔具有更强的换热性能和更低的溶液吸湿性。进口溶液温度由1 ℃上升到3 ℃时，新型塔的换热量相比于普通塔增加了0.62～0.24 kW，溶液吸湿量平均减少了0.13 g/s；空气流量由1.41 kg/s升高到2.17 kg/s，新型塔的换热量相比于普通塔增加了0.79 ～0.84 kW，溶液再生量平均增加了0.1 g/s；溶液流量由0.36 kg/s升高到0.68 kg/s，新型塔的换热量相比于普通塔增加了0.57～0.63 kW，溶液吸湿量平均减少了0.11 g/s。

热源塔；传热传质；运行工况；预凝功能

近年来，夏热冬冷地区的供暖问题开始引起了国内各界的广泛关注，供暖方式及其相应热源的需求十分迫切，热源塔热泵系统作为一种能够兼顾供冷供热的高效建筑冷热源方案，正被学者和业界重视并开展了一系列研究[1-13]。 然而，开式热源塔冬季运行时存在溶液吸湿问题，而该地区冬季普遍低温潮湿，大多数时间热源塔塔内空气侧的水蒸气分压力要大于溶液侧的水蒸气分压力，空气中的水分会进入溶液，导致溶液变稀，溶液冰点上升，影响系统安全运行。现有的方案主要为添加溶质，但这不仅增加了运行成本，还可能导致溶液溢出。目前与热源塔热泵系统结合的溶液再生装置的研究[14-15]还不成熟，且需要消耗额外的热量，大大降低了热源塔热泵系统的运行效率。因此，如何有效控制热源塔中溶液的浓度是开式热源塔热泵系统应用与推广亟待解决的问题。

为缓解开式热源塔内的溶液吸湿问题，本课题组从热源塔传质原理入手，设计了一种具有预凝功能的新型热源塔结构[16]，并搭建了相应的实验系统，对其可行性和相关运行性能进行了实验研究。

1 新型热源塔运行过程分析

开式热源塔内的溶液和空气的传质推动力是液相界面空气与主流空气的水蒸气分压力差，它是决定传质方向和传质量大小的重要因素之一，故减小气液间的水蒸气分压力有助于减小溶液的吸湿量。基于这一原理，本文设计了如图1所示的新型热源塔结构，即在普通开式热源塔的进风处安装翅片盘管，阀门1和阀门3开，阀门2关，低温溶液先进入翅片盘管，对进口空气进行预处理。

图1 新型热源塔结构示意图Fig.1 The structure figure of new-type tower

新型塔的运行过程如图2所示，对于不同的进口空气状态，盘管处的空气处理过程可分为干工况和湿工况，假设干、湿工况的进口空气状态点分别为a1和a1′，进口溶液相界面的空气状态点为s1，则普通塔的传质推动力为(pa1-pbs1)或(pa1′-pbs1)，新型塔经过预凝处理，进口空气状态点由a1或a1′变为a2，无论处于何种工况，塔内空气与溶液的传质都可表述成以下三种情况：

当溶液处理后溶液界面的空气状态点升高到s2点，溶液界面的水蒸气分压力升高，传质推动力减少到(pa2-pbs2)，(pa2-pbs2)>0，两者差距缩小，此时塔内溶液吸湿量要明显比普通塔小；当溶液处理后溶液界面的空气状态点升高到s3点，传质推动力减少到(pa2-pbs3)，(pa2-pbs3)=0，进塔后的溶液与空气水蒸气分压力相等，塔内溶液不吸湿；当溶液处理后溶液界面的空气状态点升高到s4点，传质推动力减少到(pa2-pbs4)，(pa2-pbs4)<0，进塔后的溶液水蒸气分压力大于空气水蒸气分压力，塔内溶液向空气传递水分。

可见与普通塔相比，新型塔在降低溶液吸湿量上有明显优势，加有预凝盘管相当于增加了塔的换热面积，总的换热量也会有一定的增加。新型塔中的预凝盘管采用较大翅片间距，能有效降低盘管结霜概率。当进口空气温度很低、湿度很大时，为避免了翅片盘管的结霜，可关闭阀门1和阀门3，打开阀门2，使循环溶液直接进入热源塔内换热。

图2 新型热源塔运行过程示意图Fig.2 The operation process of new-type tower

2 实验系统的构建

TH温湿度传感器 T温度传感器 F流量计图3 实验系统示意图Fig.3 The schematic diagram of experiment system

为了研究新型塔的运行性能，构建了图3所示的实验系统。循环溶液在热源塔内与空气换热，并把热量传递给热泵机组，机组吸收热量为末端供热。本系统采用SDC26温控器调节恒温器控制进口溶液温度，通过调节手阀的开度控制溶液流量，通过变频风机控制热源塔空气流量。本实验台的热源塔和翅片盘管如图4所示，热源塔由10 t/h横流冷却塔改造而来，设计空气流量6000 m3/h，填料采用斜波纹长方形PVC填料，尺寸为0.5 m×0.7 m×1 m(长×宽×高)，填料比表面积160 m2/m3。翅片盘管的结构参数见表1，通过如图1所示的阀门切换，控制溶液直接进入热源塔或者先进入翅片盘管再进入热源塔，从而实现对普通塔和新型塔的对比研究。实验中选用溶液为乙二醇水溶液，质量浓度为30%。

图4 热源塔及预凝盘管实物图Fig.4 The figure of heat-source tower and finned coil

管间距/mm管排数横纵横纵翅片厚度/mm翅片间距/mm管外径/mm迎风尺寸/(m×m)222513301153952084×07

实验过程中，采用PT100铠装铂电阻温度传感器测量溶液温度，测温范围为-200～500 ℃，允许偏差为±(0.15+0.002|t|)；选用LWY-15C型涡轮流量传感器测量溶液流量，最大流量为6.0 m3/h，精度为1.0级。采用法国KIMO-VT100S手持热线式风速仪测量进塔空气流量，测量范围为0.15～30 m/s，精度±3%。采用VAISALA的HMT330系列温湿度变送器测量塔进出口温湿度，测量范围为0%～100%，-40～80 ℃。所有实验工况中，空气侧换热量与溶液侧换热量误差不超过15%。

3 塔运行性能的实验研究

3.1 不同进口溶液温度下塔性能对比研究

为对比新型塔与普通塔的性能，需在相同条件下进行实验。实验过程中，通过温控器控制进口溶液温度，研究新型塔在不同温度下的性能，然后切换阀门，使溶液单走塔回路，排走盘管内的溶液，控制进口溶液温度，测量普通塔在相同进口溶液温度点的性能，各进口参数见表2。因为进口溶液温度都高于进口空气的露点温度，且实验过程中没有明显结露现象，故认为盘管处于干工况，测量的进出口含湿量差即为溶液的吸湿量。

从图5和图6可以看出，在该工况下，相同的进口溶液温度，新型塔的换热量和吸湿量都要明显优于普通塔。随着进口溶液温度的升高，新型塔和普通塔换热量和吸湿量都快速减小。当进口溶液温度由1 ℃上升到3 ℃时，新型塔的换热量为由4.21 kW下降到了1.89 kW，而普通塔由3.59 kW下降到了1.65 kW，新型塔的溶液吸湿量由0.12 g/s下降到了-0.2 g/s，而普通塔由0.02 g/s下降到了-0.34 g/s，可见较高的进口溶液温度有利于减少溶液的吸湿量，但是同时塔的换热量也会下降，这是因为进口溶液温度的升高，气液间水蒸气分压力差减小，溶液吸湿量减小，但是同时溶液与空气的温差减小，潜热换热和显热换热都明显减弱，对塔的换热是不利的。故实际运行中在保证供热需求的前提下，适当提高进口溶液温度可有利于减小溶液吸湿量。当进口溶液上升到一定温度，热源塔由溶液吸湿转变为了溶液再生，而新型塔能比普通塔更早进入再生工况，且在再生工况下，新型塔比普通塔溶液再生量更大，在进口溶液温度为1 ℃时，普通塔量为0.12 g/s，而新型塔已经由吸湿转变为再生，可见新型塔更有利于实现溶液浓度的自平衡。

表2 不同进口溶液温度下各进口参数Tab.2 The inlet parameters under different inlet solution temperature

图5 不同进口溶液温度下各塔的换热量Fig.5 The heat exchange rate of towers under different inlet solution temperature

图6 不同进口溶液温度下各塔的吸湿量Fig.6 The moisture absorption rate of towers under different inlet solution temperature

3.2 不同空气流量下塔性能的对比研究

实验过程中，通过风机变频器对进入热源塔的空气流量进行控制，采用上节所述实验步骤，通过阀门切换，分别对新型塔和普通塔进行实验，各进口参数见表3。因为进口溶液温度都高于进口空气的露点温度，且实验过程中没有明显结露现象，故认为盘管处于干工况，测量的进出口含湿量差即为溶液的吸湿量。

表3 不同空气流量下各进口参数Tab.3 The inlet parameters under different air flow

图7 不同空气流量下各塔的换热量Fig.7 The heat exchange rate of towers under different air flow

从图7和图8可以看出，由于环境湿度相对较低，而溶液温度相对较高，溶液侧的水蒸气分压力要大于空气侧的水蒸气分压力，热源塔处于溶液再生状态。在相同的空气流量下，新型塔的换热量和再生量都比普通塔大，同时随着空气流量的升高，塔内空气更新速率加快，传热传质系数增大，新型塔和普通塔的换热量和再生量都有一定升高。图中空气流量由1.41 kg/s增大到2.17 kg/s，新型塔的换热量由3.2 kW升高到3.94 kW，而普通塔由2.41 kW升高到3.1 kW，新型塔的再生量由0.36 g/s升高到0.52 g/s，而普通塔由0.28 g/s升高到0.4 g/s。在实验过程中发现，随着空气流量由1.41 kg/s增大到2.17 kg/s，新型塔经盘管处理后的进塔溶液温度由-0.1 ℃升高到0.05 ℃，要明显高于普通塔的进塔溶液温度(-1 ℃)，而进塔溶液温度越高，溶液再生量越大，新型塔具有更强的再生能力。在较干燥的环境下，适当增大空气流量有利于塔内溶液再生，但过大的空气流量会增加风机耗功，需综合考虑。

图8 各塔吸湿量随空气流量的变化Fig.8 The moisture absorption rate of towers under different air flow

3.3 不同溶液流量下塔性能的对比研究

实验过程中，通过阀门开度调节进塔溶液的流量，通过阀门切换，采用前文所述的实验步骤，分别对新型塔和普通塔进行实验，实验各进口参数见表4。因为进口溶液温度都高于进口空气的露点温度，且实验过程中没有明显结露现象，故认为盘管处于干工况，测量的进出口含湿量差即为溶液的吸湿量。

表4 不同溶液流量下各进口参数Tab.4 The inlet parameters under different solution flow

从图9和图10可以看出，在相同溶液流量下，新型塔有更大的换热量和更小的吸湿量。随着溶液流量由0.36 kg/s升高到0.68 kg/s，部分未润湿的填料得到充分润湿，溶液与空气的传热传质加强，故新型塔和普通塔的换热量和吸湿量都有一定增加。新型塔的换热量由2.88 kW升高到4.04 kW，而普通塔由2.31 kW升高到3.41 kW。新型塔的吸湿量由0 g/s升高到0.1 g/s，而普通塔由0.12 g/s升高到0.21 g/s。在实验过程中，随着空气流量由0.36 kg/s升高到0.68 kg/s，新型塔经盘管处理后的进塔溶液温度由0.78 ℃升高到1.2 ℃，溶液温度都要明显高于普通塔的进塔温度0 ℃，进塔溶液温度越高，气液间的水蒸气分压力差越小，传质推动力被减弱，故新型塔具有更低的吸湿量。而随着溶液流量的增加，虽然气液间的水蒸气分压力差减小，但是塔内传质系数增大，实际溶液与空气的接触面积增大。在此环境条件下，后者对溶液吸湿量的影响较大，故而随着溶液流量的增加，塔内溶液吸湿量增加。因而一定环境条件时，在保证系统供热需求的前提下，适当减小溶液流量有助于减小溶液吸湿量。

图9 不同溶液流量下各塔的换热量Fig.9 The heat exchange rate of towers under different solution flow

图10 各塔吸湿量随溶液流量的变化Fig.10 The moisture absorption rate of towers under different solution flow

4 结论

本文针对夏热冬冷地区冬季开式热源塔运行时的溶液吸湿问题，设计了一种具有预凝功能的新型热源塔结构，理论分析了运行过程，构建实验系统，并对比研究了新型塔和普通塔在不同进口溶液温度、空气流量和溶液流量下的运行性能，结果表明：

1)在相同的运行工况下，新型塔有更大的换热量和更小的溶液吸湿量(或更大的溶液再生量)，故能有效缓解开式热源塔冬季溶液吸湿问题；

2)两者的换热量和溶液吸湿量均随着进口溶液温度升高而减小，在满足换热量的前提下，适当提高进口溶液温度，可较少溶液吸湿量；

3)在较低环境湿度下，当新型塔与普通塔处于再生工况时，适当提高空气流量有助于提高溶液再生量和塔换热量；

4)随着溶液流量的增加，两者的吸湿量和换热量都增加，在保证换热量的前提下，适当减小溶液流量可减少溶液吸湿量。

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About the corresponding author

Zhang Xiaosong, male, professor, School of Energy and Environment, Southeast University, +86 25-83792722, E-mail: rachpe@seu.edu.cn. Research fields: new-type refrigeration technology, high-efficiency air-conditioning system and heat-pump technology, building energy conservation and solar energy utilization.

Experimental Study on the Performance Characteristic of a New-typeHeat-source Tower with Pre-condensation Function

Xia Yi1,2Sun Libiao1Liang Caihua1Zhang Xiaosong1

(1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China; 2. School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing, 210046, China)

The existing open heat-source tower has high moisture absorption rate in winter, which affects the safety of system. So a new-type heat-source tower structure with pre-condensation function was designed. The operation process of new-type tower was analyzed. The operation characteristic of new-type tower and ordinary tower were comparatively studied under different inlet solution temperature, mass flow of air and solution. The experiment results showed that the new-type tower had higher heat exchange performance and lower moisture absorption rate. Compared with ordinary tower, when inlet solution temperature rise from 1 ℃to 3 ℃, the new-type tower’s heat exchange rate increased 0.62-0.24 kW, and moisture absorption rate dropped 0.13 g/s in average; When air flow increased from 1.41 kg/s to 2.17 kg/s, the new-type tower’s heat exchange rate increased 0.79-0.84 kW, and moisture absorption rate dropped 0.1 g/s in average; When solution flow rate increased from 0.36 kg/s to 0.68 kg/s, the new-type tower’s heat exchange rate increased 0.57-0.63 kW, and moisture absorption rate dropped 0.11 g/s in average.

heat-source tower; heat and mass transfer; operating conditions; pre-condensation function

“十二五”国家科技支撑计划项目课题(2011BAJ03B14)资助。(The project was supported by the Key Technologies R&D Program of China for the 12th Five-Year Plan(No.2011BAJ03B14).)

2015年7月23日

0253- 4339(2015) 06- 0047- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.047

TQ051.5；TK124

A

张小松，男，教授，东南大学能源与环境学院，(025)83792722，E-mail: rachpe@seu.edu.cn。研究方向：新型制冷技术，高效空调系统与热泵技术，太阳能利用与建筑节能。