橫流熱源塔傳熱傳質(zhì)系數(shù)實驗研究

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1、橫流熱源塔傳熱傳質(zhì)系數(shù)實驗研究摘要：熱源塔熱泵系統(tǒng)由于其可實現(xiàn)高效制冷制熱，無結(jié)霜問題，且不受地理條件限制，受到了越來越多的關(guān)注。熱源塔作為熱泵系統(tǒng)冬季取熱的核心部件，對系統(tǒng)整體性能有著重要影響。本文構(gòu)建了以乙二醇溶液為循環(huán)工質(zhì)的橫流熱源塔實驗系統(tǒng)，研究了空氣流量、溫度、含濕量及溶液流量、溫度、濃度對傳熱傳質(zhì)特性的影響規(guī)律。建立了耦合傳熱傳質(zhì)模型，在不假設(shè)Le數(shù)的條件下，通過空氣與溶液的傳熱傳質(zhì)量分別校核傳熱傳質(zhì)系數(shù)，并擬合出了關(guān)聯(lián)式，結(jié)果顯示傳熱傳質(zhì)系數(shù)主要受空氣流量密度及淋液密度的影響，Le數(shù)在0.91~1.12之間變化。關(guān)鍵詞：熱源塔；傳熱系數(shù)；傳質(zhì)系數(shù)；劉易斯

2、數(shù)0引言常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源方案可分為三類：冷水機(jī)組加鍋爐，空氣源熱泵，水地源熱泵。冷水機(jī)組在夏季有著較高的效率[1]，但是冬季機(jī)組處于閑置狀態(tài)，只能依靠鍋爐供熱，而鍋爐一次能源利用率較低，且對環(huán)境有污染；空氣源熱泵可實現(xiàn)冬夏兼顧，但是夏季機(jī)組效率與冷水機(jī)組相比較低，且冬季結(jié)霜時系統(tǒng)COP及供熱量衰減的問題[2]；水地源熱泵在冬夏季都擁有較高的效率[3,4]，但是其初投資較大，受到地理地質(zhì)條件限制。基于此，發(fā)展出了一種新型的熱泵系統(tǒng)——熱源塔熱泵系統(tǒng)，其夏季運(yùn)行工況與常規(guī)冷水機(jī)組一致，依靠塔中循環(huán)水的蒸發(fā)冷卻將機(jī)組冷凝熱排放到室外，冬季工況下，塔內(nèi)循環(huán)工質(zhì)為低溫溶液（

3、或水），主要依靠溫差從室外空氣中吸熱作為熱泵的低位熱源。熱源塔熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)了冬夏兼顧，無結(jié)霜問題，且不受地理條件限制，是一種具有較大潛力的冷熱源解決方案。在冬季氣溫較高的地區(qū)，水即可作為循環(huán)工質(zhì)，Tan與Deng[5-7]對以水為循環(huán)工質(zhì)的逆用冷卻塔（熱源塔）進(jìn)行了研究，指出了逆用冷卻塔與冷卻塔在原理及運(yùn)行模式上的區(qū)別，并結(jié)合熱泵機(jī)組的獲得了系統(tǒng)COP的變化規(guī)律。在寒冷地區(qū)，冬季工況下熱源塔內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)為具有較低冰點的溶液，Liang[8]對以乙二醇溶液為循環(huán)工質(zhì)的開式逆流熱源塔系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在環(huán)境溫度-2℃，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為-13.1~-8.7℃時，系統(tǒng)COP為2.

4、72~3.02。Li[9]對以尿素溶液作為循環(huán)工質(zhì)的閉式熱源塔系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在室外溫度-1~5℃，濕度71%~95%的條件下，系統(tǒng)COP可達(dá)2.58~3.9。前人對于熱源塔熱泵的研究主要集中在系統(tǒng)性能方面，熱源塔作為熱泵系統(tǒng)從空氣中取熱的核心部件，其傳熱傳質(zhì)系數(shù)是熱源塔設(shè)計及優(yōu)化中的關(guān)鍵參數(shù)，但相關(guān)研究較少。Wu[10]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，避免了熱源塔中復(fù)雜的耦合傳熱傳質(zhì)計算，得出了熱源塔的出口參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法雖然能獲得出口參數(shù)的數(shù)值解，但無法反映傳熱傳質(zhì)過程的規(guī)律，亦無法獲得傳熱傳質(zhì)系數(shù)。Wen[11]對基于Muten填料的橫流熱源塔進(jìn)行了實驗研究，在假設(shè)Le數(shù)近

5、似為1的條件下，獲得出了傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。對于水—空氣系統(tǒng)，Le數(shù)可近似取為1，而在熱源塔的熱質(zhì)傳遞過程中，Le數(shù)是否仍可取1尚無定論。本文通過實驗研究，獲得了空氣流量、溫度、含濕量及溶液流量、溫度、濃度對傳熱傳質(zhì)的影響規(guī)律，并在不假設(shè)Le數(shù)的前提下，利用耦合傳熱傳質(zhì)模型，通過有限差分法分別校核空氣出口溫度及含濕量獲得了傳熱傳質(zhì)系數(shù)，并擬合出了關(guān)聯(lián)式，為熱源塔的設(shè)計及優(yōu)化提供了依據(jù)。1.熱源塔耦合熱質(zhì)傳遞模型（a）（b）（c）圖1.（a）橫流熱源塔三維模型（b）橫流熱源塔二維模型（c）單個微元示意圖本文選用的橫流熱源塔填料模塊如圖1（a）所示，溶液通過孔板布液器均勻分

6、布至填料上方，在重力作用下沿填料表面呈液膜狀流下，空氣從填料側(cè)面進(jìn)入，流經(jīng)填料表面與溶液進(jìn)行熱質(zhì)交換。若空氣與溶液沿截面分布均勻，則在z方向空氣與溶液的參數(shù)不發(fā)生變化，所以可以將模型簡化成x-y平面的二維模型[12]，如圖1（b）所示。下面對該模型進(jìn)行以下幾點假設(shè)：（1）傳熱系數(shù)及傳質(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）流動方向的熱傳導(dǎo)或熱擴(kuò)散可以忽略；（4）填料在二維方向潤濕均勻。圖1（b）所示的二維模型可以分成若干個微元，單個微元如圖1（c）所示，微元體積為dV=L×dx×dy。單個微元內(nèi)空氣與溶液的顯熱傳遞方程為：（1）空氣與溶液

7、的潛熱傳遞方程：（2）能量守恒、水分質(zhì)量守恒、溶液溶質(zhì)守恒可由式（3-5）表示：（3）（4）（5）用于描述對流過程中傳熱和傳質(zhì)相對大小的劉易斯數(shù)可表示為：（6）乙二醇溶液表面水蒸氣分壓力[13,14]為：（7）乙二醇溶液表面等效含濕量為：（8）熱源塔中的傳熱傳質(zhì)過程相互耦合，無法通過簡單的平均勢差或?qū)?shù)平均勢差計算，本文采用有限差分法對劃分的微元逐個計算[12]，為減少迭代計算的次數(shù)，采用平均勢差計算的傳熱傳質(zhì)系數(shù)作為迭代的初始值。2實驗設(shè)置2.1實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)如圖2所示，其中熱質(zhì)交換模塊為PVC人字波紋填料，是實驗系統(tǒng)的核心部件，如圖3所示，其比