横流热源塔传热传质系数实验研究

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1、横流热源塔传热传质系数实验研究摘要：热源塔热泵系统由于其可实现高效制冷制热，无结霜问题，且不受地理条件限制，受到了越来越多的关注。热源塔作为热泵系统冬季取热的核心部件，对系统整体性能有着重要影响。本文构建了以乙二醇溶液为循环工质的横流热源塔实验系统，研究了空气流量、温度、含湿量及溶液流量、温度、浓度对传热传质特性的影响规律。建立了耦合传热传质模型，在不假设Le数的条件下，通过空气与溶液的传热传质量分别校核传热传质系数，并拟合出了关联式，结果显示传热传质系数主要受空气流量密度及淋液密度的影响，Le数在0.91~1.12之间变化。关键词：热源塔；传热系数；传质系数；刘易斯

2、数0引言常规的空调系统冷热源方案可分为三类：冷水机组加锅炉，空气源热泵，水地源热泵。冷水机组在夏季有着较高的效率[1]，但是冬季机组处于闲置状态，只能依靠锅炉供热，而锅炉一次能源利用率较低，且对环境有污染；空气源热泵可实现冬夏兼顾，但是夏季机组效率与冷水机组相比较低，且冬季结霜时系统COP及供热量衰减的问题[2]；水地源热泵在冬夏季都拥有较高的效率[3,4]，但是其初投资较大，受到地理地质条件限制。基于此，发展出了一种新型的热泵系统——热源塔热泵系统，其夏季运行工况与常规冷水机组一致，依靠塔中循环水的蒸发冷却将机组冷凝热排放到室外，冬季工况下，塔内循环工质为低温溶液（

3、或水），主要依靠温差从室外空气中吸热作为热泵的低位热源。热源塔热泵系统实现了冬夏兼顾，无结霜问题，且不受地理条件限制，是一种具有较大潜力的冷热源解决方案。在冬季气温较高的地区，水即可作为循环工质，Tan与Deng[5-7]对以水为循环工质的逆用冷却塔（热源塔）进行了研究，指出了逆用冷却塔与冷却塔在原理及运行模式上的区别，并结合热泵机组的获得了系统COP的变化规律。在寒冷地区，冬季工况下热源塔内的循环工质为具有较低冰点的溶液，Liang[8]对以乙二醇溶液为循环工质的开式逆流热源塔系统进行了研究，在环境温度-2℃，系统蒸发温度为-13.1~-8.7℃时，系统COP为2.

4、72~3.02。Li[9]对以尿素溶液作为循环工质的闭式热源塔系统进行了研究，在室外温度-1~5℃，湿度71%~95%的条件下，系统COP可达2.58~3.9。前人对于热源塔热泵的研究主要集中在系统性能方面，热源塔作为热泵系统从空气中取热的核心部件，其传热传质系数是热源塔设计及优化中的关键参数，但相关研究较少。Wu[10]利用神经网络算法，避免了热源塔中复杂的耦合传热传质计算，得出了热源塔的出口参数。神经网络算法虽然能获得出口参数的数值解，但无法反映传热传质过程的规律，亦无法获得传热传质系数。Wen[11]对基于Muten填料的横流热源塔进行了实验研究，在假设Le数近

5、似为1的条件下，获得出了传热系数的关联式。对于水—空气系统，Le数可近似取为1，而在热源塔的热质传递过程中，Le数是否仍可取1尚无定论。本文通过实验研究，获得了空气流量、温度、含湿量及溶液流量、温度、浓度对传热传质的影响规律，并在不假设Le数的前提下，利用耦合传热传质模型，通过有限差分法分别校核空气出口温度及含湿量获得了传热传质系数，并拟合出了关联式，为热源塔的设计及优化提供了依据。1.热源塔耦合热质传递模型（a）（b）（c）图1.（a）横流热源塔三维模型（b）横流热源塔二维模型（c）单个微元示意图本文选用的横流热源塔填料模块如图1（a）所示，溶液通过孔板布液器均匀分

6、布至填料上方，在重力作用下沿填料表面呈液膜状流下，空气从填料侧面进入，流经填料表面与溶液进行热质交换。若空气与溶液沿截面分布均匀，则在z方向空气与溶液的参数不发生变化，所以可以将模型简化成x-y平面的二维模型[12]，如图1（b）所示。下面对该模型进行以下几点假设：（1）传热系数及传质系数在整个填料中保持一致；（2）填料表面的传热与传质面积相同；（3）流动方向的热传导或热扩散可以忽略；（4）填料在二维方向润湿均匀。图1（b）所示的二维模型可以分成若干个微元，单个微元如图1（c）所示，微元体积为dV=L×dx×dy。单个微元内空气与溶液的显热传递方程为：（1）空气与溶液

7、的潜热传递方程：（2）能量守恒、水分质量守恒、溶液溶质守恒可由式（3-5）表示：（3）（4）（5）用于描述对流过程中传热和传质相对大小的刘易斯数可表示为：（6）乙二醇溶液表面水蒸气分压力[13,14]为：（7）乙二醇溶液表面等效含湿量为：（8）热源塔中的传热传质过程相互耦合，无法通过简单的平均势差或对数平均势差计算，本文采用有限差分法对划分的微元逐个计算[12]，为减少迭代计算的次数，采用平均势差计算的传热传质系数作为迭代的初始值。2实验设置2.1实验系统实验系统如图2所示，其中热质交换模块为PVC人字波纹填料，是实验系统的核心部件，如图3所示，其比