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孔板波紋填料熱源塔的熱質傳遞性能
2019-07-23 閱讀：
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提出一種采用大比表面積、表面沖有網孔的塑料孔板波紋填料的熱源塔，并通過構建橫流式熱源塔實驗系統，開展風量密度和淋液密度等對孔板波紋填料熱源塔熱質傳遞性能的研究，并與常規人字波紋填料熱源塔熱質傳遞性能進行實驗對比。研究結果表明：孔板波紋填料表面的網孔結構促進液膜在填料兩側的交叉流動及液膜表面的擾動；相比人字波紋填料，當風量密度為 2.5 kg/(m2·s)時，孔板波紋填料的傳熱系數提高 9.5%，換熱量為人字波紋填料的 2 倍，為熱源塔熱質傳遞強化及緊湊化提供參考。
熱源塔作為一種新型的熱質交換設備，是熱源塔熱泵系統的核心部件之一。在夏季工況下，熱源塔利用部分冷卻水的蒸發將機組冷凝熱排放到環境中；在冬季工況時，熱源塔依靠低溫溶液從空氣中吸收熱量作為熱泵的低位熱源[1−2]。熱源塔熱泵系統兼顧了常規水冷冷水機組夏季高運行效率的勢[3−5]，同時在冬季可替代鍋爐進行供暖，一次能源利用效率高。相比空氣源熱泵，熱源塔熱泵系統不存在結霜問題[6−8]，可在較低的環境溫度下穩定工作；相比水/地源熱泵，熱源塔熱泵系統不受地理地質條件限制[9−10]。熱源塔夏季換熱以潛熱為主，冬季換熱則以顯熱為主，夏季散熱量大于冬季吸熱量[11]。為了保證熱泵系統冬季穩定工作，熱源塔需按冬季工況設計。如使用常規冷卻塔填料，勢必造成熱源塔體積過大，使得存在在一些場合因場地受限而不能應用的問題。根據熱源塔的傳熱傳質原理可知，為減小熱源塔體積，可通過熱源塔填料的比表面積以獲得更大的氣液接觸面積及提高填料熱質傳遞系數來實現。目前，填料的研究主要集中在通過表面改性和表面微結構改造來提高填料表面的潤濕性。填料的宏觀結構，如填料排列方式及波紋片幾何尺寸等，決定了氣體和液體的基本流動方式；填料的微觀結構，如凸點、溝槽、小孔、小波紋等，則主要促進液體流動中液膜的鋪展、湍動及液相的徑向分布[12]。液體在規整填料表面的流動形式主要以膜狀流為主[13]，李洪等[14]對 5 種不同的波紋規整填料進行研究，發現依靠滲流作用的波紋規整填料具有的熱質傳遞性能。近年來，HOFFMANN 等[15−17]通過數值模擬方法，研究了規整填料表面液膜流體動力學特性。譚麗媛等[16]利用計算流體力學中的 VOF 多相流模型，對液體在兩相鄰規整填料特征單元上的分布進行三維仿真模擬，發現液體在高比表面積、填料表面有波紋的規整填料上分布較好。雖然前人對填料方面進行了很多研究，但對于結合熱源塔傳熱傳質特性的填料化涉及較少。為此，本文作者提出一種采用大比表面積(500 m2/m3)、表面沖有網孔的塑料孔板波紋填料的橫流熱源塔，所采用的塑料孔板波紋填料具有規整填料的特性，且比表面積大、表面潤濕性能好，結構上利于氣液兩相充分接觸及液膜流動。同時，通過構建橫流熱源塔實驗系統和熱源塔數學模型，深入研究孔板波紋填料熱源塔傳熱傳質性能并與常規人字波紋填料熱源塔進行對比。
1 熱源塔的數學模型
在橫流熱源塔中，空氣沿水平方向進入填料，溶液從填料頂部流下，兩者在填料表面完成熱質交換，溶液吸收空氣中的顯熱及潛熱，溫度升高。針對熱源塔內溶液與空氣間熱質傳遞過程的特征，提出以下假設：1) 傳熱與傳質系數在整個填料中保持一致；2) 填料表面的傳熱與傳質面積相同；3) 流動方向的導熱可以忽略；4) 填料在二向潤濕均勻。
橫流熱源塔中，填料的長×寬×高為 W×L×H。任取圖 1 中 1 個微元體 dV 為研究對象。在溶液與濕空氣的熱質交換過程中，遵循守恒、質量守恒(包括水分質量守恒和溶質質量守恒)及對流傳熱傳質關系式。
守恒：
式中：ma 和 ms 分別為空氣和溶液的質量流量，kg/s； ha 為空氣焓，J/g；Ts 為溶液溫度，K；wa 為濕空氣含濕量，g/kg；Xs 為溶液質量分數，%；cps 為溶液比定壓熱容，kJ/(kg·K)。
對流傳熱方程為
式中：cpa 為干空氣比定壓熱容，kJ/(kg·K)；cpv 為水蒸氣比定壓熱容，kJ/(kg·K)；Ta 為空氣溫度，K；hc為傳熱系數，W/(m2·K)；aw 為填料比表面積，m2/m3；
V 為填料體積，m3；hd 為濕差傳質系數，kg/(m2·s)； ws 為溶液等效含濕量，g/kg。
其中，空氣的焓變化量 dha = (c pa + wa ×
cp v ) × d Ta + r × dwa ，經過一系列推導，得到熱源塔內部傳熱傳質的控制方程：
通過對上述控制方程的差分離散，再結合溶液與空氣的物性參數，可得到熱源塔中各個微元內空氣與溶液的參數。實驗測得空氣與溶液的進出口參數，根據這些參數可推算出填料的傳熱傳質系數。具體計算流程如圖 2 所示：假定傳熱和傳質系數，根據熱源塔的進口空氣和溶液參數，利用差分離散求解方法，求出熱源塔出口參數。通過校核出口空氣溫度的計算值與測量值，修正傳熱系數；校核出口空氣含濕量的計算值和測量值，修正傳質系數，如此往復，直到達到一定精度，輸出相應的傳熱系數和傳質系數。根據實驗測得的空氣與溶液的進出口參數，由式(11)和式(12)分別求得熱源塔的總換熱量和潛熱換熱量：
式中：Q 為總換熱量，kW；QL 為潛熱換熱量，kW；
熱源塔作為一種新型的熱質交換設備，是熱源塔熱泵系統的核心部件之一。在夏季工況下，熱源塔利用部分冷卻水的蒸發將機組冷凝熱排放到環境中；在冬季工況時，熱源塔依靠低溫溶液從空氣中吸收熱量作為熱泵的低位熱源[1−2]。熱源塔熱泵系統兼顧了常規水冷冷水機組夏季高運行效率的勢[3−5]，同時在冬季可替代鍋爐進行供暖，一次能源利用效率高。相比空氣源熱泵，熱源塔熱泵系統不存在結霜問題[6−8]，可在較低的環境溫度下穩定工作；相比水/地源熱泵，熱源塔熱泵系統不受地理地質條件限制[9−10]。熱源塔夏季換熱以潛熱為主，冬季換熱則以顯熱為主，夏季散熱量大于冬季吸熱量[11]。為了保證熱泵系統冬季穩定工作，熱源塔需按冬季工況設計。如使用常規冷卻塔填料，勢必造成熱源塔體積過大，使得存在在一些場合因場地受限而不能應用的問題。根據熱源塔的傳熱傳質原理可知，為減小熱源塔體積，可通過熱源塔填料的比表面積以獲得更大的氣液接觸面積及提高填料熱質傳遞系數來實現。目前，填料的研究主要集中在通過表面改性和表面微結構改造來提高填料表面的潤濕性。填料的宏觀結構，如填料排列方式及波紋片幾何尺寸等，決定了氣體和液體的基本流動方式；填料的微觀結構，如凸點、溝槽、小孔、小波紋等，則主要促進液體流動中液膜的鋪展、湍動及液相的徑向分布[12]。液體在規整填料表面的流動形式主要以膜狀流為主[13]，李洪等[14]對 5 種不同的波紋規整填料進行研究，發現依靠滲流作用的波紋規整填料具有的熱質傳遞性能。近年來，HOFFMANN 等[15−17]通過數值模擬方法，研究了規整填料表面液膜流體動力學特性。譚麗媛等[16]利用計算流體力學中的 VOF 多相流模型，對液體在兩相鄰規整填料特征單元上的分布進行三維仿真模擬，發現液體在高比表面積、填料表面有波紋的規整填料上分布較好。雖然前人對填料方面進行了很多研究，但對于結合熱源塔傳熱傳質特性的填料化涉及較少。為此，本文作者提出一種采用大比表面積(500 m2/m3)、表面沖有網孔的塑料孔板波紋填料的橫流熱源塔，所采用的塑料孔板波紋填料具有規整填料的特性，且比表面積大、表面潤濕性能好，結構上利于氣液兩相充分接觸及液膜流動。同時，通過構建橫流熱源塔實驗系統和熱源塔數學模型，深入研究孔板波紋填料熱源塔傳熱傳質性能并與常規人字波紋填料熱源塔進行對比。
1 熱源塔的數學模型
在橫流熱源塔中，空氣沿水平方向進入填料，溶液從填料頂部流下，兩者在填料表面完成熱質交換，溶液吸收空氣中的顯熱及潛熱，溫度升高。針對熱源塔內溶液與空氣間熱質傳遞過程的特征，提出以下假設：1) 傳熱與傳質系數在整個填料中保持一致；2) 填料表面的傳熱與傳質面積相同；3) 流動方向的導熱可以忽略；4) 填料在二向潤濕均勻。
橫流熱源塔中，填料的長×寬×高為 W×L×H。任取圖 1 中 1 個微元體 dV 為研究對象。在溶液與濕空氣的熱質交換過程中，遵循守恒、質量守恒(包括水分質量守恒和溶質質量守恒)及對流傳熱傳質關系式。
守恒：
| ma × dha = - c p × d( ms × Ts ) = | ||
| s | ||
| - c p | × ms × d Ts - c p × Ts × dms | (1) |
| s | s | |
| 水分質量守恒： | ||
| d ms = - ma × dwa | (2) | |
| 溶質質量守恒： | ||
| Xs × ms | = ( X s + dX s )( ms + dms ) | (3) |
對流傳熱方程為
| ma ×(c p | + wa × c p | ) × dTa = hC × (Ts - Ta ) × a w × dV | (4) |
| a | v | ||
| 對流傳質方程為 | |||
| ma d wa | = hd ( ws - wa ) × a w × dV | (5) | |
V 為填料體積，m3；hd 為濕差傳質系數，kg/(m2·s)； ws 為溶液等效含濕量，g/kg。
其中，空氣的焓變化量 dha = (c pa + wa ×
cp v ) × d Ta + r × dwa ，經過一系列推導，得到熱源塔內部傳熱傳質的控制方程：
| dw = | hd × dV × a w × ( ws - wa ) | (6) | ||
| a | ma | |||
| d ms = - ma × dwa | (7) | |||
通過對上述控制方程的差分離散，再結合溶液與空氣的物性參數，可得到熱源塔中各個微元內空氣與溶液的參數。實驗測得空氣與溶液的進出口參數，根據這些參數可推算出填料的傳熱傳質系數。具體計算流程如圖 2 所示：假定傳熱和傳質系數，根據熱源塔的進口空氣和溶液參數，利用差分離散求解方法，求出熱源塔出口參數。通過校核出口空氣溫度的計算值與測量值，修正傳熱系數；校核出口空氣含濕量的計算值和測量值，修正傳質系數，如此往復，直到達到一定精度，輸出相應的傳熱系數和傳質系數。根據實驗測得的空氣與溶液的進出口參數，由式(11)和式(12)分別求得熱源塔的總換熱量和潛熱換熱量：
| Q = ma × ( ha ,in - ha,out ) = | ||||
| ra × Va [c p | a | × (Ta ,in - Ta ,out ) + r × ( wa ,in - wa,out )] | (11) | |
| QL = ma × ( wa ,in - wa ,out ) × r | (12) |
ha,in 和 ha,out 分別為熱源塔進出口的空氣焓，J/g；ρa 為空氣的密度，kg/m3；Va 為空氣體積流量，m3/h；wa,in和 wa,out 分別為熱源塔進出口空氣的含濕量，g/kg；r為水蒸氣的汽化潛熱，J/g。
2 實驗臺簡介
2.1 實驗裝置
熱源塔實驗系統如圖 3 所示，主要包括熱源塔、空氣處理系統、溶液系統和數據采集模塊。空氣處理系統包括表冷器、加熱器、加濕器、風機等，溶液系統包括流量計、泵、溶液槽和外部冷熱源。
實驗過程中，溶液槽 1 中配制好的溶液被外部冷熱源處理到設定溫度后，由溶液泵抽出，經過調節閥、流量計后送入熱源塔頂部的布液裝置。溶液在熱源塔中潤濕填料并與來流空氣進行熱質傳遞，吸熱后的溶液流入溶液槽 2 中。熱源塔中空氣和溶液的流量均采用變頻器控制，溶液選用的是質量濃度為 24.2%的乙二醇溶液。
2.2 熱源塔填料結構
熱源塔為實驗臺的核心設備，分別采用人字波紋填料和孔板波紋填料，填料長×寬×高均為 280mm×430 mm×700 mm，比表面積分別為 172 m2/m3和 500 m2/m3，片間距分別為 15 mm 和 6.3 mm。
人字波填料表面有連續的人字形通道(如圖 4(a) 所示)，液體流動路線較長，空氣流經人字波紋填料時有良好的擾動性。孔板波紋填料的表面沖有網孔結構(如圖 4(b)所示)，自由下降的液體可在填料上形成穩定的降膜流動，網孔結構促進液膜在填料兩側的交叉流動，可有效增加填料表面利用率，加強氣液界面上液膜的湍動程度，提高傳熱效果。孔板波紋填料的材質是聚丙烯，化學穩定性好，耐酸、堿及溶劑的腐蝕。同時，相同材質的填料在化工領域已有使用，具有工程應用價值。實驗中使用的孔板波紋填料單片橫向安裝形成一層，填料層與層之間縱向排布，相鄰兩層交錯 90°安裝。填料長×寬×高為 280 mm× 430 mm×700 mm，每層填料高度為 100 mm，共 7 層。
2.3 測試裝置
實驗測量的空氣參數主要有空氣流量、熱源塔進出口空氣的干球溫度和含濕量。溶液參數主要有熱源塔進出口溶液流量、溫度以及濃度。實驗測量裝置及精度如表 1 所示。
3 實驗結果分析與討論為得到運行參數對 2 種填料熱質傳遞性能的影響規律，實驗通過對溶液與空氣間的傳熱傳質過程進行變工況研究，獲得不同運行工況下(表 2)熱源塔的進出口狀態參數，然后基于模型對實驗數據進行處理，得到該過程不同填料的熱質傳遞系數和換熱量。
3.1 實驗測試誤差分析
根據間接測量的誤差傳遞原理，以典型工況為例，對實驗數據結果進行誤差分析，典型工況直接測量值見表 3。
從以上的數據誤差分析可知，本研究所得總換熱量大相對誤差符合實驗要求。
3.2 風量密度對熱源塔熱質傳遞性能的影響 當熱源塔在如表2 中工況a 所示進口參數條件下，調節風量密度從 1.2 kg/(m2•s)變化到 3.2 kg/(m2•s)，分析 2 種填料的熱質傳遞性能隨風量密度的變化規律，其變化曲線如圖 5~8 所示。為方便表示，人字波紋填料和孔板波紋填料在圖中分別用 1 號和 2 號代替。
圖 5 所示為風量密度對 2 種填料傳熱傳質系數的影響規律。從圖 5 可知：2 種填料的傳熱傳質系數均隨著風量密度的而。由于風量密度的增加，溶液表面與空氣主流的擴散，同時溶液液膜也會在加大的空氣流速下產生較強烈的擾動，從而使系數增加。隨著風量密度的增加，孔板波紋填料的平均傳熱系數比人字波紋填料提高 5%，而孔板波紋填料的平均傳質系數比人字波紋填料提高 7.2%。其原因
主要是孔板波紋填料表面的網孔結構能液膜的滲流效應及液膜表面的擾動，溶液與空氣之間的熱質傳遞更為劇烈。相比于人字波紋填料，在相同運行條件下，孔板波紋填料布液更為均勻，表面潤濕更充分。
圖 6 所示為風量密度對 2 種填料換熱量和進出口溶液溫差的影響規律。由圖 6 可知：2 種填料的換熱量、溶液溫升均隨著風量密度的增加而增加；當風量密度從 1.2 kg/(m2•s)上升至 3.1 kg/(m2•s)時，孔板波紋
(13) 填料的換熱量從 2.08 kW 上升至 4.15 kW，溶液溫升也增加至原來的 2.00 倍。由于風量密度增加導致填料換熱系數，進而促使換熱量和溶液溫升增加；當風量密度均為 2.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料的換熱量為人字波紋填料的 2.00 倍。這主要是因為孔板波紋填料的比表面積和熱質傳遞系數均比人字波紋填料的大。
圖 7 所示為風量密度對 2 種填料潛熱換熱量和潛熱百分比的影響規律。從圖 7 可知：2 種填料的潛熱換熱量隨著風量密度增加而增加，而風量密度對 2 種填料的潛熱百分比的影響較小。風量密度的增加提高了傳熱傳質系數，溶液與空氣之間的顯熱和潛熱換熱量均提高，導致潛熱百分比無明顯變化。由于孔板波紋填料的比表面積和熱質傳遞系數均比人字波紋填料的大，所以，當風量密度均為 2.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料的潛熱換熱量是人字波紋填料的 1.57 倍，而孔板波紋填料的潛熱百分比略比人字波紋填料的低。
圖 8 所示為風量密度對 2 種填料的進出口空氣溫差和含濕量差的影響規律。由圖 8 可知：2 種填料的進出口空氣溫差和含濕量差均隨著風量密度的增加而增加；隨著風量密度的增加，孔板波紋填料的進出口空氣溫差下降為原來的 80%，進出口空氣含濕量差下降到原來的 66%。這是因為風量密度的增加導致與溶液接觸的空氣的總量，但空氣與溶液之間的接觸較之前不夠充分。當風量密度均為 2.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料的進出口空氣溫差是人字波紋填料的 2.00 倍，孔板波紋填料的進出口空氣含濕量差是人字波紋填料的 1.60 倍。
3.3 淋液密度對熱源塔熱質傳遞性能的影響當熱源塔在如表 2 中 b 所示進口參數條件下，調節淋液密度從 2.3 kg/(m2•s)變化到 4.5 kg/(m2•s)，分析2 種填料的熱質傳遞性能隨風量密度的變化規律，其變化曲線如圖 9~12 所示。為方便表示，人字波紋填料和孔板波紋填料在圖中分別用 1 號和 2 號代替。
圖 9 所示為淋液密度對 2 種填料傳熱和傳質系數的影響規律。從圖 9 可知：2 種填料的傳熱和傳質系數均隨著淋液密度的增加而增加，隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均傳熱系數比人字波紋填料提
高 15%，孔板波紋填料的平均傳質系數比人字波紋填料提高 18%。其主要原因是孔板波紋填料表面的網孔結構促進了液膜在填料兩側的交叉流動，有效增加了填料表面利用率，加強了氣液界面上液膜湍動程度，提高了傳熱效果。同時，高比表面積的孔板波紋填料相比于人字波紋填料布液更均勻。
圖 10 所示為淋液密度對2 種填料換熱量和進出口溶液溫差的影響規律。由圖 10 可知：2 種填料的換熱量隨著淋液密度的增加而增加，而溶液溫差則隨著淋液密度的增加而減少；當淋液密度從 2.5 kg/(m2•s)上升至 4.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料的換熱量從 41.5 kW上升至 55.0 kW，上升至原來的 1.30 倍，進出口溶液溫差則下降為原來的 70%。由于淋液密度的增加導致填料的熱質傳遞系數，促使溶液與空氣之間的換熱量上升；隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均換熱量約為人字波紋填料的 2.20 倍，平均進出口溶液溫差約為人字波紋填料的 1.90 倍。這是孔板波紋填料的傳熱傳質系數和比表面積均比人字波紋填料的大所導致的。
圖 11 所示為淋液密度對 2 種填料的潛熱換熱量和潛熱百分比的影響規律。從圖 11 可知：2 種填料的潛熱換熱量均隨淋液密度的增加而增加，而淋液密度對填料的潛熱百分比影響不大；當淋液密度從 2.3 kg/(m2•s) 增加至 4.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料的潛熱換熱量上升至原來的 1.47 倍。淋液密度的增加提高了填料的熱質傳遞系數，促使溶液與空氣之間的顯熱和潛熱均增加，導致潛熱百分比變化不大；隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均潛熱換熱量是人字波紋填料的 1.78 倍，而孔板波紋填料的潛熱百分比比人字波紋填料的略低。
圖 12 所示為淋液密度對2 種填料的進出口空氣溫差和含濕量差的影響規律，由圖 12 可知：2 種填料的
進出口空氣溫差和含濕量差均隨著淋液密度的增加而增加；當淋液密度從 2.5 kg/(m2•s)上升至 4.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料進出口空氣溫差上升為原來的 1.26 倍，而進出口空氣含濕量差上升為原來的 1.47 倍；隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均進出口空氣溫差為人字波紋填料的 2.10 倍，而平均進出口空氣含濕量差為人字波紋填料的 1.78 倍。這主要是因為淋液密度的增加導致 2 種填料的傳熱傳質系數均增加，潛熱和顯熱換熱量隨之增加，而孔板波紋填料的比表面積和傳熱傳質系數均比人字波紋填料的大，故其進出口空氣溫差和含濕量差均比人字波紋填料的大。
在熱源塔中，空氣與溶液發生傳熱傳質，空氣側和溶液側相互影響。風量密度增加導致溶液在熱源塔中滯留時間增加，而空氣和溶液交界面處溶液的擾動也更為劇烈，強化了溶液側的換熱。同時，淋液密度的增加提升了空氣與溶液界面處溶液的更新速度，單位體積的空氣與溶液接觸更充分，強化了空氣側的換熱。
4 結論
1) 采用孔板波紋填料，相比于傳統的人字波紋填料，其具有較大的比表面積，孔板波紋填料表面的網孔結構液膜的滲流效應以及液膜表面的擾動，溶液與空氣之間的熱質傳遞更為劇烈。在相同運行條件下，孔板波紋填料布液更均勻，表面潤濕更充分。
2) 隨著風量密度的增加，孔板波紋填料的傳熱系數從10.9 W/(m2•K)上升至22 W/(m2•K)，換熱量從2.08 kW 上升至 4.15 kW。而淋液密度的增加使孔板波紋填料的傳熱系數從 20.2 W/(m2•K)上升至 26.0 W/(m2•K)，換熱量上升至原來的 1.30 倍。
3) 當風量密度為 2.5 kg/(m2•s)時，孔板波紋填料的平均傳熱系數比人字波紋填料提高 9.5%，換熱量為人字波紋填料的 2.00 倍，潛熱換熱量是人字波紋填料的 1.57 倍。
4) 隨著淋液密度的增加，孔板波紋填料的平均傳熱系數比人字波紋填料提高 15%，平均換熱量為人字波紋填料的 2.20 倍，平均潛熱換熱量是人字波紋填料的 1.78 倍。
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