低温工况下热源塔传热特性及其反季节应用研究

发布时间：2020-07-30 16:43

【摘要】：热源塔热泵因结合了空气源热泵和水源热泵的优点而受到了越来越多研究者的关注,其主要是在空气源热泵的蒸发器与空气之间添加了一层载热介质(防冻液),这使得热源塔热泵可以有效地防止空气源热泵中的结霜问题。本文对低温工况下开式横流热源塔的传热传质特性进行了研究,建立了相应的数学计算模型,数值计算分析了热源塔内空气、溶液的温度、含湿量分布情况,研究了空气和溶液参数对热源塔换热性能、最佳液气比的影响。此外,试验研究了易挥发型溶液作为防冻液的热源塔传热传质性能,并比较分析了溶质易挥发型与不挥发型防冻液对热源塔传热的影响。为了解决热源塔热泵中的溶液浓度下降问题,提出了一种无额外能耗的冬季存储、夏季运行再生的方式,以南京地区为例进行了模拟计算并对其可行性进行了分析。为了解决地源热泵应用瓶颈问题——土壤热平衡,提出了一种新的、高效补热方法,利用热源塔在夏季吸收空气中的热量给土壤储热以达到地源热泵全年储热、取热平衡,并以严寒地区长春为例进行了模拟计算,对其可行性进行了分析。通过对上述几个方面内容的研究,得到如下一些结论:(1)当进口气液温差较低且含湿量差较大时,塔内部分区域会出现溶液温度高于空气温度的情况,即显热的传递方向是从溶液传递到空气,这对于热源塔吸收空气中的热量是不利的。此外,溶液质量浓度的变化对热源塔最佳液气比的影响较大,溶液质量浓度从0.15增加到0.40的过程中,其最佳液气比的值从0.320上升到0.403,增幅约25.9%;与之相反的是,改变空气相对湿度,对热源塔的最佳液气比影响很小。(2)当使用溶质挥发型溶液作为防冻液时,热源塔从空气中吸收的热量会随着环境温度的降低而缓慢上升。其中,随着环境温度的降低,由溶质挥发而引起的潜热吸热阻力大为降低。通过比较溶质挥发的相变潜热量与水蒸气冷凝的相变潜热量,可以发现潜热换热量随着环境温度的降低而升高。而潜热换热量的增加降低了溶液与空气之间的温度梯度,从而降低了热源塔的显热换热量。与风冷热泵相比,热源塔热泵的制热量随着环境温度的下降而减少的趋势更为缓慢,与其他空气源热泵的蒸发器相比,热源塔从空气中吸收的显热量相对较少,而对低温环境下(低于3℃)的潜热吸收方面有着明显的优势。(3)夏季溶液浓缩再生时,空气、溶液的温度、含湿量在塔内大部分区域变化较小,而越接近空气出口、溶液进口(即右上角)位置时,其空气、溶液的温度、含湿量变化越大。在以南京为例的计算中,连续补充溶液与阶段性更换溶液两种运行模式对再生时间影响不大,根据冬季的稀溶液存储量(17.69吨),并结合南京地区夏季冷负荷逐时变化,在夏季每天供冷10小时的前提下,采取连续补充溶液的方式,约8天可以完成所有冬季产生的稀溶液的浓缩再生工作。(4)夏季利用热源塔给土壤储热时,计算对比长春地区最热月的日均温最高时间段以及日均含湿量最高时间段的累计储热量,发现含湿量的大小,对总储热量,尤其是潜热量有着极为重要的影响。控制每根地埋管水流量为1kg/s,热源塔液气比为1:3时,热源塔内水流量增加会导致每根地埋管的平均储热量都有所减少,但减少量不大。以7月平均气象参数为基础,热源塔内水流量为5kg/s时,约34天可以完成严寒地区1000平米建筑的储热,以达成地源热泵全年的土壤热平衡,其补热的能效比为27.54。假设地源热泵系统的制热与制冷的能效比均为4.0,那么在使用热源塔解决地源热泵土壤热平衡问题时的全年制热能效比与全年总能效比分别为3.605和3.677。因此,为了保证全年土壤热平衡,利用热源塔给土壤反季节补热是高效、低代价的。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

图 2.1 不同温度下湿空气与氯化钙溶液含湿量Figure 2.1 Humidity ratio of air and calcium chloride solution.2.4 传热传质系数根据文献[39][51][52]，热源塔内溶液与空气的换热系数（hc）可以表示为cmajh (2.00.6RePr)/D1/21/3 （2.28）其中 Dj为填料间距，雷诺数 Re 与普朗特数 Pr 可由式（2.29~2.31）表示。 jmadadassolsolDLHmmLBm 1/2222222]()()()Re [（2.29）mamaa Pr （2.30）mapmamamaca （2.31）

-5 -10 0.1 1.1 25% 55% 1040 1054-5 -11.4 0.1 1.1 25% 55% 1420 1354-5 -10 0.15 1.1 25% 55% 1280 1257-5 -9.85 0.15 1.1 25% 55% 1250 1320-5 -10 0.2 1.1 25% 55% 1720 1755-5 -8 0.2 1.1 25% 55% 1150 11510 -3.4 0.1 1.1 25% 55% 820 8350 -4.2 0.1 1.1 25% 55% 920 9810 -7 0.1 1.1 25% 55% 1210 12710 -9.7 0.1 1.1 25% 55% 1750 16740 -10.6 0.1 1.1 25% 55% 2100 23390 -4.4 0.15 1.1 25% 55% 1020 10390 -5.9 0.15 1.1 25% 55% 1150 1060

26(c) (d)图 3.1 热源塔内空气和溶液的温湿度比变化趋势Figure 3.1 The temperature and humidity ratio change trend of air and solution in heatsource tower.图 3.2 给出了热源塔内溶液与空气直接接触时的空气与溶液的温度场。对于冬季热源塔的使用，在理想的传热传质过程中，溶液的温度与含湿量应始终低于空气的温度与含湿量。这样可以确保热量总是由空气中传递到溶液中。图 3.2 所对应工况的计算结果是一个较为理想的传热传质过程。由于是横流热源塔，所以空气温度在空气进口处最高，且等温度线在空气进口截面上，而随着空气的运动其与溶液进行热质交换，空气的等温度线逐渐倾斜并且变化为曲线，其温度的最

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本文编号：2775811