制冷与供热系统用空气源换热塔的传热传质特性研究
2018-11-21章立新崔煊高明刘婧楠沈艳陈金花陈浩薛梅
章立新，崔煊，高明，刘婧楠，沈艳，陈金花，陈浩，薛梅
制冷与供热系统用空气源换热塔的传热传质特性研究
章立新*1，崔煊1，高明1，刘婧楠1，沈艳2，陈金花3，陈浩4，薛梅5
（1-上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海理工大学 200093；2-上海同驰换热设备科技有限公司，上海 200433；3-烟台蓝德空调工业有限责任公司，山东烟台 264003；4-华电电力科学研究院，浙江杭州 310030；5-浙江金菱制冷工程有限公司，浙江诸暨 311802）
本文阐述了空气源塔式换热热泵的概念，研究了用同一水环机组实现供热与制冷两种工作模式时，其终端设备换热塔的特殊工艺要求及传热传质机理。结果表明：当环境空气干湿度条件满足，吸热塔向空气同时吸收显热和潜热时，存在一个溶液升温的最高极限；供热工况下塔内依然会出现蒸发现象；在设计热泵系统的换热塔时，只要能满足制热所需条件，夏季当作冷却塔使用时，其散热能力是足够的。
热泵系统；换热塔；传热传质；换热能力
0 引言
在传统空调冷热源方案中，通常需分别设置制冷机制冷和锅炉供热。由于效率问题和环境污染问题，特别在实施煤改电的大背景下，空调热源已逐渐由锅炉变为更高效、更环保的热泵机组。
传统热泵机组有地源热泵机组、水源热泵机组和空气源热泵机组[1-3]，空气源塔式换热热泵/制冷系统是一种以空气为冷热源，通过塔体内循环工质与空气进行热量交换，实现制冷、供暖及提供生活热水多种功能的新型节能系统。所谓空气源塔式换热热泵/制冷系统，是将大气作为热源或冷源，用同一套设备通过对制冷剂压缩、冷凝、节流、蒸发的热力循环，实现供热或制冷的系统，该系统的主机为水环机组，即用户端通过制取热水或冷水来供热或制冷。机组末端为一个与空气换热的塔式换热设备[4-6]，其在制冷模式时，即为冷却塔，换热工质为水，水从主机冷凝器中吸热，在塔内向空气放热；其在供热（热泵）模式时，换热工质为盐溶液等载冷剂，载冷剂在塔内获取环境中可再生的空气热能[7]，向主机的蒸发器放热，因此笔者认为此时称吸热塔最为贴切。但由于传统原因及商业上的不同名称，有加热塔、热源塔、能源塔等几种称谓，本文统称换热塔。与水源或地源热泵相比较，该系统不受地上地下水资源和占地面积的限制[8]（2010年到2015年我国地源热泵每年供暖面积的增长率趋于逐渐降低的趋势，这与地源热泵受到地理条件的限制有很大关系[9]）；与翅片管式空气源热泵相比较，虽然都以空气作为热源，但该系统冬季运行更加稳定，避免了在空气湿度大、温度低的地方运行时的结霜问题[10]，所以在冬冷夏热的地区更能突出其优势。
换热塔是在冷却塔基础上改造而来，夏季作为向空气排热的冷却塔使用，冬季则作为热泵系统的低温热量来源，一塔两用，节能降耗，改变了冷却塔仅限于在夏季运行、冬季处于闲置的状态。换热塔在冬夏季运行的过程都伴随着传热传质的进行，但是两种工况运行下的传热传质目的却是不同的。在制冷模式时作为冷却塔，主要通过水蒸发的潜热交换散掉冷凝器中的热量。在供热模式时作为吸热塔，主要通过吸收空气中的显热和潜热来达到向蒸发器中提供低品位能量的目的[11-12]。换热塔和冷却塔的种类一样有开式和闭式之分。HUANG等[13]对开式塔的传热传质特性进行针对性的研究，总结了空气状态和溶液状态等对换热塔传热传质的影响。CHENG等[14]对闭式和开式塔系统在冬夏季的相关性能进行了分析，认为闭式塔系统具有更好的性能和发展前景。不过，业内对此尚争议不断，李达等[15]以乙二醇溶液为研究对象，提出了一种低压沸腾再生的装置和方法，为解决溶液再生问题提供了一定的帮助。徐政宇[16]在对实际运行的工程案例中的开式换热塔热泵系统进行了定性分析，认为开式塔仍有其优势。
本文以山东某地区的空气源开塔式热泵系统研究为基础，分析了在相对湿度较低的华北华东接壤地区使用该系统的性能特点，为空气源塔式热泵系统在该区域的设计和选型提供一定的依据。
1 系统的工作原理及一塔两用的工艺特殊性
本节以开塔式热泵/制冷系统来说明其工作原理。
系统示意图如图1，制冷模式下打开A阀门，关闭B阀门。从水环机组冷热源侧换热器（此时为冷凝器）中吸收了制冷剂冷凝时所放热量的循环冷却水被输送至换热塔（如图2所示）内，通过布水器在填料表面形成水膜，水膜直接与其交叉流动的空气充分接触，进行传热传质后温度降低，再经管道输送回水环机组的冷凝器，带走制冷剂冷凝时所放出的热量，然后被送至换热塔内进行冷却，如此不断循环。
图1 开塔式热泵/制冷系统图
图2 换热塔
供热模式下打开B阀门，关闭A阀门。从水环机组冷热源侧换热器（此时为蒸发器）中流出的低温防冻工质被输送至换热塔内，通过喷淋器被均匀喷淋在具有亲液性填料层上，在填料表面形成液膜，直接与温度比工质高的环境空气充分接触，提取空气中的低品位热能后温度升高，再经管道输送至水环机组的蒸发器，为热泵系统提供稳定的热量来源。
根据上述换热塔的工作原理，夏季优先采用水作为工作介质，冬季则要求采用防冻溶液作为工作介质。这是由于水在0 ℃以下时会结冰，无法再以流体的方式传递热量。用换热塔向空气取热的热泵系统可以很好地利用环境空气作为低品位热源，兼有夏季冷水机组、冬季空气源热泵机组的优势，可有效解决夏热冬冷地区翅片管直接换热型空气源热泵供热系统结霜的问题。但是换热塔在不同工作模式下需要转换，对塔的工艺要求上有特殊性：
1）要求工作介质不会飞溅到塔外对环境造成影响，雨水不会流入塔内稀释工作介质；
2）工作介质不会腐蚀塔体；
3）工作模式切换时，工作介质方便更换。
2 实验原理及数据导出
2.1 实验原理
冬季，在横流或逆流的开式换热塔内主要以氯化钙和氯化锂等盐溶液作为工作介质。换热塔内的传热传质在填料表面进行，水从喷头或撒水盆中喷洒而下，在填料表面形成流动的水膜或液滴，风逆向或横向掠过其表面，直接接触并发生传热传质过程。由于分子的不规则运动，在溶液的表面会形成一个温度等于溶液表面温度的饱和空气层，主流空气与工作介质之间就是在这一边界层进行传热传质的。在此边界层内的空气温度t与主流空气温度t存在温差，这决定了两者之间显热交换的方向：若t>t，热量就会通过边界层内的饱和空气向主流空气传递；若t<t，热量就通过主流空气向边界层内的饱和空气传递。而潜热热量交换的方向决定于边界层内水蒸气分压力p与主流空气的水蒸气分压力p的大小：若p>p，则边界层内的水蒸气分子向主流空气移动，然后被送到塔外，边界层里液膜表面的水分子则通过溶液中水的蒸发来进行补充；若p<p，主流空气中的水蒸气分子向边界层移动，边界层中的水蒸气则发生凝结进入液膜，主流空气中的水分子不断补充到边界层中。图3为淋液填料及其表面传热传质过程示意图。
一定流量的溶液经过填料且满足t<（t为溶液温度，为环境空气干球温度）和p<p<p<p的条件，其中下脚标表示进口，下脚标表示出口，此时溶液温升如图4中的曲线①所示，开始热质传递都使溶液升温；经过一段时间1后，t=t但p仍然小于p，空气中水份的潜热不断进入溶液中，液温继续升高；显热和潜热的传递是反向的，溶液升温速率减缓；当溶液温度升高到一定程度，空气从溶液中吸收的显热等于空气向溶液释放的潜热，溶液温度将不再升高，此时的溶液温度就是吸热极限温度，而对使用盐溶液作为换热介质的换热塔来说就是它的盐球温度t[17]。
一定流量的溶液经过填料且满足t<和p>p>p>p的条件，溶液温升如图4中的曲线②所示，溶液吸收显热同时释放潜热，故升温速率缓慢，随着时间的推移溶液会接近干球温度。
图3 填料表面传热传质过程示意图
tw-溶液温度，T-空气与溶液的接触时间，twi-溶液进口温度，θ-环境空气干球温度，ts-换热塔的盐球温度，①-twi<θ, pwi
前文中已经定性地对盐溶液与空气的传热传质过程进行了详细的表 述，并提出了盐溶液的吸热极限。下面将通过公式的推导进一步对吸热极限进行论证。
当一定流量的盐溶液（或其它防冻溶液，也可借用盐球温度的概念）在填料表面形成面积足够大的流动液面，其表面与流动的湿空气进行热质传递，可以做以下假设：
1）由于溶液层很薄，液膜厚度方向的温度变化可以忽略不计；
2）通过浓度控制可以使溶液进口浓度保持不变；
3）来自环境的湿空气量足够大，假设进口状态不变；
4）无任何其他热源和水源进入；
5）辐射换热可以忽略。
经过足够的换热面积与时间，过程中水获得的热量等于空气所失去的热量，根据以上关系，可列出下式：
式中：
Q——进口溶液量，kg；
——进口湿空气量，kg；
C——溶液定压比热，kJ/(kg·℃)；
——进口空气焓，kJ/kg；
d——吸湿/蒸发量，kg。
公式(1)可以写为：
式中：
c——空气的定压比热，kJ/(kg·℃)；
——进口空气含湿量，kg/kg；
0——水的汽化潜热，kJ/kg。
则有：
如果当无穷大即气液比无穷大时，换热塔有足够的吸热能力，吸热塔的出塔水温就达到其吸热的极限温度t。此时，式(5)可简化为：
由式(2)可以看出，换热塔的出口水温不仅与空气的初始状态有关，还与溶液量、空气量及溶液温度有关。
2.2 数据导出
本实验是以烟台地区某办公楼中已经投入运行的空气源塔式热泵系统为基础，在原有管道上开设测点进行测试，实验原理图即如图5所示。
图5 实验原理图
测试选择在夏季7、8月份和冬季1、2月份这两个月进行数据测试，测试过程中热泵系统始终保持100%负荷运行。此实验选用的是横流开式换热塔，塔长2.4 m、宽4.6 m、高2.6 m，工作介质为CaCl2溶液。在换热塔进出口分别布置有铂电阻来测量溶液进出口温度；在距离进出口2 m~5 m处及距地面1.5 m处放置一铂电阻暴露在环境中测试干球温度；湿球温度计使用的是阿斯曼湿球温度计，布置在塔的进风口中心位置；温度测试所有铂电阻为Pt100，壳材为316L，精度等级为AA，测量范围-30 ℃~70 ℃；流量采用超声波流量计V法测量。大气压力采用DYM-1型动槽式水银气压表测量。本实验对象为实际工程项目，采用一套数据采集与自动存储系统长时间采集大量数据进行分析。
2.3 误差分析
在本实验中，用于对换热塔性能进行对比的相关参数主要有溶液浓度ρ、空气相对湿度、气水/气液比和换热量。这些参数都是通过所测数据计算得到，所以需进行误差分析。实验误差包括系统误差W和随机误差W。系统误差产生的原因是测量所用的设备和实验方法精度不足，所涉及的实验设备参数见表1；随机误差是测试过程中随机波动产生的。本次实验的系统误差W用测量工具的测量精度来计算；随机误差W用同一工况中对同一个参数20次测量结果的平均值与这20个结果的最大差值来表示。实验误差用公式(8)进行计算。
式中：
W——随机误差；
W——系统误差。
表1 实验设备参数表
1） 溶液浓度ρ误差分析：
2） 空气相对湿度误差分析：
相对湿度根据大气压力Pa、干球温度、湿球温度t查温湿表得出，所以：
3） 气水/液比误差分析：
4） 换热量误差分析：
换热量计算根据式(11)计算：
式中：
——换热量，kW；
m——溶液质量流量，kg/h；
D——溶液进出口温差，℃。
换热量计算公式中，溶液比热容查表得，误差忽略，进出口温差和溶液质量流量的误差分析见式(14)和式(15)：
则换热量误差为：
3 实验结果分析
因为冬季换热塔运行时空气侧的焓差比夏季时小很多，所需风量相对比夏季要大，所以气液比要比气水比大得多。由表2可以看出，在室外干球温度和相对湿度变化过程中，当气液比为1.67、相对湿度在86%~92%范围内变化时，溶液密度经过1.5 h下降了0.83%；而相对湿度在51%~56%范围内变化时，溶液密度经过3 h下降了0.81%。当气液比增大到3.8、相对湿度在50%~52%范围内变化时，塔内出现蒸发现象，溶液密度经过1.5 h升高了0.81%。由此说明，根据环境条件的不同，通过浓淡两储液罐对溶液的收与放，控制运行过程中的溶液浓度，可以减少排放稀溶液对环境的影响。
在表3中，工况1是换热塔在冬季运行的工况；工况2为该换热塔在夏季当作冷却塔运行且气水比等于冬季气液比的工况；工况3是同一塔夏季按正常气水比运行的工况。可以发现：如果按照冬季换热塔的要求来设计，那么相同流量且气水比等于气液比情况下，夏季将该换热塔当作冷却塔运行时的换热量大于该塔在夏季按正常气水比运行时换热量的13%（工况2与工况3的湿球温度基本相同，故有可比性）。在选择热泵系统的换热塔时，只要能满足制热所需条件，夏季亦可正常运行，甚至可以调低风量、降低风机功率。
表2 3种工况下CaCl2溶液密度对比
表3 3种工况下换热量对比
4 结论
1）在冬季工况下，当环境空气干湿度条件满足换热塔能向空气同时吸收显热和潜热时，存在一个溶液升温的最高极限，即盐球温度，该温度可以高于空气的干球温度。
2）在设计热泵系统的换热塔时，只要能满足制热所需条件，夏季当作冷却塔使用时，其散热能力是足够的。但开式塔一塔两用时，要在防腐、防盐溶液漂移、防雨水渗入等方面在塔的结构上作特殊设计。
3）在换热塔工况下，潜热的转移方向决定于溶液水蒸气分压力与环境空气水蒸气分压力之差，可以根据环境条件的不同，通过浓淡两储液罐对溶液的收与放，控制运行过程中的溶液浓度，以减少排放稀溶液对环境的影响。
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Study on Heat and Mass Transfer Characteristics of Air-source Heat Exchange Tower for Refrigeration and Heating System
ZHANG Lixin*1, CUI Xuan1, GAO Ming1, LIU Jingnan1, SHEN Yan2, CHEN Jinhua3, CHEN Hao4, XUE Mei5
(1-Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, 200093, China; 2-Shanghai Tongchi Heat Exchange Equipment Technology Co., Ltd, Shanghai 200433, China; 3-Yantai Land Air-Conditioning Industry Co., Ltd, Yantai, Shandong 264003, China; 4-Huandian Electric Power Research Institute Co., Ltd, Hangzhou, Zhejiang 310030, China; 5- Zhejiang Jinling Refrigeration Engineering Co., Ltd, Zhuji, Zhejiang 311802, China)
The concept of heat pump for air source tower is expounded, and the heat and mass transfer mechanism as well as the special technical requirements of the heat exchanger tower is analyzed, when the terminal device of the same water loop is working at modes of heating and cooling. Results show that there is a maximum solution temperature when the humidity of ambient air meets the condition that the endothermic tower can absorb sensible heat and latent heat from air.Evaporation still occurs when the tower absorbs heat. The tower’s heat dissipation capacity is good enough as a cooling tower when it meets the requirements of heating in design of the heat exchanger packed tower for heat pump system.
Heat pump system; Heat-exchange packed tower; Heat and mass transfer; Heat transfer capability
10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.106
*章立新（1964-），男，教授，硕士。研究方向：传热传质及蒸发冷却设备节能节水技术。联系地址：上海市上海理工大学能源与动力工程学院，邮编：200093。联系电话：021-55272106，E-mail：Zhanglixin@usst.edu.cn。
国家自然科学青年基金（No. 51506127）；发改委能源自主创新及重点产业振兴和技术改造（能源装备）项目（No. CHDKJ14-01-47）。
