新型热源塔溶液再生系统非稳态特性分析与实验研究

引 言

夏热冬冷地区的气候特点为夏季酷热、冬季湿冷、全年空气湿度较大，热源塔热泵系统正是在该气候环境下发展出来的一种新型节能技术。其在供冷模式下具有传统冷水机组能效高的特点，在供暖模式下其利用载冷剂吸收室外空气的热量，通过热泵机组提升品味，从而实现系统高效供暖。目前东南大学[1-3]、湖南大学[4-5]、重庆大学[6]等众多高校的学者从机组性能、塔换热性能和系统性能等方面对其进行了广泛而深入的研究，充分论证了热源塔热泵技术不仅可以有效解决空气源热泵的结霜问题以及地源热泵受地质条件限制的问题，而且具有显著的节能效果和良好的经济性。

热源塔热泵在供暖模式下运行时，空气和载冷剂在热源塔中进行热质交换，空气中的水蒸气伴随着换热过程进入溶液之中，热源塔循环溶液的浓度变低，因此采取合适的方式进行溶液再生对该系统的大规模推广应用至关重要。目前从再生原理角度来看，溶液再生方式主要有加热再生、电渗析再生以及真空再生等。其中以加热再生方式的研究居多，技术也较为成熟。梁彩华团队[7-11]提出了一种基于空气能量回收的热源塔溶液再生系统，建立了叉流热源塔传热传质模型，对不同室外环境和不同再生方式下热源塔溶液的特性进行了理论分析，并对不同入口条件下的叉流热源塔再生速率进行了实验研究。Qi等[12]选择太阳能作为溶液再生过程中的辅助热源，在4个主要气候区域5个城市的商业建筑中进行了模拟，并对该系统的可行性和适用性进行评估。彭冬根团队[13-15]基于热平衡原理，建立了强制对流太阳能集热器/再生器传热传质模型，并进一步提出了带同级热回收和级间热回收的太阳能分级溶液集热再生方法。Khoudor等[16]研究了使用太阳能溶液再生的可行性。由于太阳能溶液再生系统的运行情况取决于天气条件，为了提高太阳能再生系统的可靠性和稳定性，殷勇高团队[17]利用热空气中的废热作为溶液再生的热源，对热空气用于氯化锂水溶液的顺流再生过程进行了实验研究，此外还有不少学者对其进行了深入研究[18-20]。

在电渗析再生方面，Li等[21-22]提出了采用电渗析膜再生的方式实现溶液再生，并利用太阳能光伏发电作为动力源。研究表明，该再生方法可以有效避免外部高湿环境对系统性能的不良影响，具有良好的稳定性且其性能远高于热再生方式。Cheng等[23-26]提出了一种新型溶液预处理电渗析再生系统。该系统综合利用太阳能与多种能源，可在多种工况下可靠运行，在深度除湿领域具有良好的应用前景。Alexander等[27]开发了平板膜蒸馏装置，针对溶液再生的传热传质过程建立了模型并对其进行了详细分析，探究了如何提高再生器性能的方法，此外还有不少学者对其进行了深入研究[28-30]。真空沸腾再生即利用水在真空状态下沸点降低的特性，实现溶液中水分在高真空状态时常温沸腾，达到溶液浓缩的目的。目前真空沸腾在废水回收、乳制品干燥等场所应用较为普遍，研究结果表明真空沸腾浓缩具有较好的节能效果[31]。在除湿性溶液真空沸腾再生方面，张涛等[32-33]对其进行了相关理论分析和实验研究，指出真空再生为一种高效溶液再生方式。

目前热源塔热泵系统中的循环溶液为低温防冻液，其既具有除湿性溶液的特性，同时又有区别，除湿性溶液具有吸水性，而热源塔热泵系统中的溶液为防冻液，其本身吸水性不强。因此针对以上情况本文提出了一种基于真空沸腾冷凝的新型热源塔溶液再生系统，该系统结合了化工领域溶液浓缩真空沸腾的特点，并充分利用了水蒸气在翅片管表面低温冷凝的优势，将真空沸腾与水蒸气在翅片管表面低温冷凝融为一体，从而达到高效溶液再生的目的。由于该系统再生过程和冷凝过程融为一体，一方面存在相变过程，即水沸腾变为水蒸气，同时水蒸气冷凝变为液态水；另一方面存在换热过程，即沸腾吸收大量热量，而冷凝释放大量热量。因此在设备初始运行过程中，存在整个设备温度场的建立。同时随着系统的运行水分从溶液中分离，溶液浓度则不断发生变化，因而本文主要针对系统初始运行时的性能以及在运行时变溶液浓度的性能进行实验研究。

1 热源塔溶液再生系统原理和工作过程分析

目前常用的溶液再生原理是对溶液进行加热，当加热至相应压力条件下的沸点后，物料中水分不断地由液态变为气态，气化时所产生的二次蒸汽不断地被排出设备，使稀溶液的浓度不断提高，直至达到所规定的浓度。

与加热再生不同的是，真空条件下的溶液再生过程是将稀溶液存于气密性良好的真空再生装置中，利用水环式真空泵为系统提供所需的真空环境，同时利用电加热器和部分冷凝热为溶液再生提供热量，实现水分在真空下快速蒸发，直至达到沸腾状态，从而实现溶液浓缩。蒸发后的水蒸气向上流入翅片管换热器，水蒸气与真空再生装置内温度较低的翅片管换热，在其表面冷凝为液态水。

新型热源塔溶液再生装置系统图如图1所示。

图1 热源塔溶液再生系统
Fig.1 Schematic of solution regeneration system for heat-source tower

1—solenoid valve1；2—solenoid valve 2；3—solenoid valve 3；4—solenoid valve 4；5—solenoid valve 5；6—solenoid valve 6；7—solenoid valve 7；8—pump；9—vacuum pump；10—electric heater；11—vacuum meter

当系统正常运行时，系统需经历抽真空、运行、排冷凝水和排溶液四种模式。

（1）抽真空模式（Mode1）：打开水环式真空泵，打开电磁阀3、电磁阀4、电磁阀5、电磁阀7，电磁阀1和电磁阀2处于关闭状态，5 s后打开电磁阀6，当真空压力达到设定值后关闭电磁阀4、电磁阀5、电磁阀6和电磁阀7，关闭真空泵，抽真空结束，此时电磁阀1/2/4/5/6/7均处于关闭状态，仅电磁阀3打开。此时系统的真空度达到溶液中水沸腾所需要的真空状态。

（2）运行模式（Mode 2）：抽真空模式结束，2 s后打开电磁阀1和电磁阀7，关闭电磁阀2/3/4/5/6。2 s后打开自吸泵，10 s后打开电加热器。当电加热器出口温度低于设定温度，关闭电磁阀1、电磁阀7和自吸泵；当电加热器温度高于设定温度，打开电磁阀1、电磁阀7，1 min后若电加热器温度仍然高于设定温度，打开吸水泵，若低于设定温度，关闭电磁阀1和电磁阀7，关闭水泵，循环进行。当溶液达到液位高报警值时，打开电磁阀2，2 s后关闭电磁阀1。当溶液低于液位高报警值时，打开电磁阀1，当溶液高于液位高报警值后，关闭电磁阀1，系统在此工况下运行设定时间（从进入运行模式开始计算）；通过系统正常运行，可以将溶液中的水分源源不断地从溶液中沸腾出来并在翅片管表面冷凝。

（3）排冷凝水模式（Mode 3）：当冷凝水侧液位高于液位高报警值时，打开水环式真空泵，5 s后打开电磁阀6，关闭电磁阀5，当冷凝水侧液位低于液位低报警值后关闭电磁阀6，然后1 s后关闭水环式真空泵，该模式独立运行。通过该模式可以将翅片管处的冷凝水及时从系统中排出，从而达到溶液浓缩的目的。

（4）排溶液模式（Mode 4）：当系统稳定运行至设定时间后，打开电磁阀2，关闭电加热器，打开吸水泵，关闭真空泵，同时关闭电磁阀1/3/4/5/6/7，当溶液液位低于低液位报警值时，排溶液模式结束，系统进行运行模式。通过该模式可以实现溶液及时从系统中排出，从而完成整个溶液再生循环。

采用该溶液再生方式，仅仅需要加入少量的驱动热量即可达到溶液中水分与溶质分离的效果，大大降低了溶液再生所需要的热量。

2 热源塔溶液再生实验装置和实验方案

热源塔溶液再生系统（图2）主要包括水环式真空泵、电加热器、排水泵以及相应的连接管道和电控设备。另外为减少系统与外界的换热，再生装置需要进行保温。该设备长宽高分别为800 mm、600 mm、1000 mm，壁厚4 mm，材料采用不锈钢316 L。中间设置一长700 mm、宽600 mm的隔板用于隔绝溶液和冷凝水。换热管选用不锈钢管外绕铝翅片，不锈钢管内径为16 mm，翅片外径为32 mm，翅片间距2.8 mm，翅片管外部肋化后总面积为136.5 m²。抽真空装置选用2BV2061型号的水环式真空泵，额定功率为2.2 kW，其吸气速率为0.87 m³/s。该系统采用电加热器作为热源对稀溶液直接进行加热，电加热器功率10 kW，储存容积为2.73 L。其他辅助设备有：水泵（型号zxlg-100-1.8），功率1.45 kW，水泵吸程为8.4 m，额定流量6 m³/h。数据采集选用34970数据采集仪。温度探头采用铂电阻Pt1000温度传感器。真空装置内的真空值测量选用红旗牌真空表，另外冷凝水质量选用高精度台秤测量。

图2 热源塔溶液再生实验台
Fig.2 Schematic of solution regeneration test for heat-source tower

本文以再生效率、再生速率和再生百分比为评价指标。再生效率是指单位耗电量系统析出的冷凝水量，单位kg/(kW·h)；再生速率是指单位时间该系统所能析出的冷凝水量，单位kg/d；再生百分比则是指单位循环溶液量所能析出的冷凝水量，单位%。

3 实验结果分析与讨论

在该热源塔溶液再生装置中，水在真空下沸腾，所产生的水蒸气与较低温的翅片管表面接触，形成冷凝水，从而实现溶液浓缩。在设备初始运行过程中，存在整个设备温度场的建立，同时随着系统的运行，水分从溶液中分离，溶液浓度不断发生变化。因此为了解在初始设备运行时系统非稳态变化规律以及在浓度变化时系统的性能，本文对其进行了理论分析和实验研究。

3.1 初始非稳态工况下性能变化规律

该实验在江苏省南京市（夏热冬冷地区）的冬季工况下进行，其平均温度在2～12℃。系统运行时，进口水温为11.5℃；系统真空压力为0.88×105 Pa，水箱中循环水量控制在6.5 kg左右，电加热器温度控制在95℃。系统进水时，阀门开度全开，单次吸水时间为10 s。为了更好地分析设备初始开启时的性能，本实验将每次运行时装置的吸水量控制在40～43 kg的范围内，分析随着开机后运行次数的增加，系统性能的变化规律。

3.1.1 冷凝水量及耗电量随运行次数的变化规律由图3可知，随着运行次数的增加，在总运行水量保持不变的情况下，单次运行所需电量呈下降趋势，而冷凝水量呈上升趋势，最终系统趋于稳定。初次运行时，系统耗电量和产生的冷凝水量分别为2.6 kW·h和4.1 kg。经过4次运行后，系统逐步趋于稳定：耗电量减少至1.9 kW·h并趋近稳定；而冷凝水量则逐步增长至7 kg并趋近稳定。

图3 冷凝水量及耗电量随系统运行次数的变化规律
Fig.3 Change of condensate water and energy consumption with running times of system

耗电量呈下降趋势的原因为：初始运行过程中由于热量用于预热，因而需要更多的热量维持系统的正常运行，沸腾和冷凝换热效果弱化，因而从电加热器出口溶液传递给进口溶液的能量减少，电加热器进口水温偏低，在相同出口溶液温度情况下，电加热器功率较高。随着运行次数的增加，冷凝水量稳定，预热完成后，系统的总耗电量也趋近于稳定。冷凝水量呈上升趋势的原因是：初始开机运行时，由于系统尚未进行预热，因而部分热量用于整体系统的升温，从而降低了系统蒸发效率和冷凝效率，随着系统运行次数的增加，系统预热完成后，冷凝水量亦达到较大值。

3.1.2 再生效率及再生速率随运行次数的变化规律 由图4可知，再生效率随着系统运行次数的增加呈明显的上升趋势，初次运行时仅为1.6 kg/(kW·h)，当系统运行到第7次，再生效率逐渐增加至3.6 kg/(kW·h)，并维持在该状态，再生速率也随着系统运行次数的增加而逐步上升，由最初的210 kg/d增长到460 kg/d左右，出现该现象的原因为：随着运行次数的增加，系统进行了有效的预热，冷凝水量得到快速的提升并趋近于稳定，同时由于沸腾冷凝过程所产生的能量也得到了转移，因而再生效率和再生速率将得到很大的提高。

图4 再生效率及再生速率随系统运行次数的变化趋势
Fig.4 Change of regeneration efficiency and regeneration rate with running times of system

3.1.3 再生百分比随运行次数的变化规律 由图5可知，再生百分比随着系统运行次数的增加而稳步上升，初始再生百分比不到10%，最终趋近于17%。这是因为在总运行水量保持不变的情况下，冷凝水量不断上升，导致再生百分比也呈现稳步上升的趋势。

图5 再生百分比随系统运行次数的变化趋势
Fig.5 Change of regeneration percentage with running times of system

3.1.4 顶部与底部温度随运行次数的变化规律由图6可知，顶部水蒸气温度与底部冷凝水温度均随着系统运行次数的增加呈明显的上升趋势，顶部水蒸气温度由32.2℃升至50.8℃并趋于稳定，底部冷凝水温度由11.1℃稳步上升至15.1℃。随着开启测试的增加，温度场逐步建立，系统亦趋于稳定。

3.2 非稳态变浓度工况下性能变化规律

随着溶液中水分不断蒸发，溶液的浓度不断增加，因而需要对不同溶液浓度下性能进行研究。本文选用乙二醇水溶液为防冻液，通过改变系统乙二醇溶液质量分数从0增加到37%，维持系统真空值为0.85×105Pa，循环组数为10组，无电加热停顿时间，电加热器出口阀开启时间为11 s，进口溶液温度为30℃，获取完成循环溶液量所需要的时间、溶液再生量和消耗的耗电量，计算溶液再生效率、再生速率和再生百分比，并对其变化规律进行理论分析。

图6 探头平均温度随运行次数变化趋势
Fig.6 Top and bottom temperature with running times of system

3.2.1 冷凝水量及耗电量随溶液浓度的变化规律由图7可知，随着进口溶液浓度的增加，在其他运行工况保持不变的情况下，单次运行所需电量呈先下降后上升的变化趋势，冷凝水量则呈现出先上升后下降趋势。当进口溶液浓度为0时，耗电量与冷凝水量分别为1.9 kW·h和6.25 kg，当进口溶液浓度增加到18.5%时，耗电量降至最低值，仅消耗1.6 kW·h的电能，冷凝水量达到最高值，为6.86 kg；当溶液浓度进一步提高至37%时，耗电量回升至1.8 kW·h，冷凝水量降低至6.20 kg。

图7 冷凝水量及耗电量随溶液浓度的变化规律
Fig.7 Change of condensate water rate and energy consumption with different solution concentration

耗电量随进口溶液浓度的增加呈现极值的原因是：一方面随着乙二醇水溶液浓度的增加，溶液的比热容降低，因而在相同溶液流量和温差情况下耗功呈现下降趋势，但另一方面，溶液热导率变低，黏度增加，导致溶液在管内的换热效果变差，因而进出口电加热器的温差加大，耗功呈现上升趋势，因而随着溶液浓度的变化耗功存在极值。

冷凝水量随进口溶液浓度的增加呈现极值的原因是：冷凝水量取决于溶液中水分沸腾和水蒸气冷凝两个过程，一方面随着溶液浓度的增加，沸腾表面浓度梯度增加，从而促进沸腾换热效果，此外水蒸气夹带出来的少量乙二醇溶质积聚在换热管表面形成动态亲水性膜对管外冷凝亦有一定的正向效果。但另一方面浓度增加使得溶液的比热容减小，黏度增大，溶液侧管内传热变差。因此冷凝水量随着溶液浓度的变化存在极值。

3.2.2 再生效率及再生速率随溶液浓度的变化规律 由图8可知，随着溶液浓度的增加，溶液再生效率和溶液再生速率均呈现先增加后降低的变化规律。在溶液浓度为0时，再生效率为3.29 kg/(kW·h)，再生速率为652 kg/d。随着溶液质量分数增加到18.5%，再生效率达到最大，为4.28 kg/(kW·h)，再生速率高达749 kg/d。随着溶液浓度进一步升高至37%，再生效率下降至3.44 kg/(kW·h)，再生速率下降至688 kg/d。

图8 溶液再生效率和再生速率随溶液浓度的变化规律
Fig.8 Change of regeneration efficiency and regeneration rate with different solution concentration

出现该现象的原因是：该装置的再生过程由真空沸腾过程和冷凝过程组成，两者相互影响。首先，在真空环境下，随着进口溶液浓度的增加，沸腾表面浓度梯度增加，沸腾表面的溶液浓度较高而主流体溶液浓度较低，从而驱动沸腾表面的高浓度溶液流向低浓度的主流体溶液，加剧了流体间的扰动，强化了沸腾换热效果。同时该再生装置通过不锈钢管外绕铝翅片实现水蒸气的冷凝，少量乙二醇溶质在水蒸气的夹带作用下黏附在翅片管表面形成动态亲水性膜，增大了换热面上传热系数，改善了翅片管表面的冷凝效果，对再生效率有一定的提升。但随着乙二醇溶液浓度的进一步增加，溶液热导率变低，黏度增加，导致溶液在管内的换热效果变差，整体冷凝效果变差，导致再生效率和再生速率呈现出一定程度的下降趋势。

3.2.3 再生百分比随溶液浓度的变化规律 由图9可知，随着溶液浓度的增加，溶液再生百分比初始时有一个微弱的上升，维持在15%左右，当浓度增加至14%后迅速呈现出稳步下降的趋势，当浓度为37%时，再生百分比降低至13%。出现该现象的原因是：随着溶液浓度的增加，溶液密度增大，相同循环组数下吸入的溶液质量显著增加，且上述分析表明冷凝水量随溶液浓度的增加呈先上升后下降的微弱变化趋势，因此吸入液质量对溶液再生百分比（冷凝水量与吸入液质量之比）变化趋势的影响占主导，导致其在极微弱的上升之后迅速下降。

图9 再生百分比随溶液浓度的变化规律
Fig.9 Change of regeneration percentage with different solution concentration

4 结 论

本文构建了一种新型热源塔溶液再生系统，并详细分析了该系统在非稳态工况下的性能变化规律，研究结果如下。

（1）在初始非稳态工况下，随着运行次数的增加，冷凝水量增加，单次运行耗电量减少；再生效率、再生速率及再生百分比均呈上升趋势，并逐渐趋于稳定。该装置稳定运行时再生效率为3.6 kg/(kW·h)，再生速率为460 kg/d，再生百分比为17%。

（2）在非稳态变浓度工况下，随着溶液浓度的增加，系统耗电量呈现出先降低后升高的变化趋势，冷凝水量、再生效率及再生速率则均呈现先上升后下降的变化规律，在溶液浓度为18.5%时出现极值，此时再生效率和再生速率分别为4.28 kg/(kW·h)和749 kg/d。

（3）在初始非稳态工况和非稳态变浓度工况下，耗电量与冷凝水量相互耦合。该装置将溶液的真空沸腾过程和冷凝过程结合在一起，沸腾后的高温水蒸气与进口处的低温溶液在换热管壁面上进行冷凝换热，从而实现溶液再生和对进口溶液进行预热的目的。因此耗电量的减少意味着翅片管上的传热系数高，冷凝效果好，即冷凝水量增加，反之亦然。