喷淋式热源塔传热传质与颗粒物捕集研究

摘要

热源塔热泵（或称逆用冷却塔热泵）在亚热带季风性气候区域有较大节能潜力。相比于空气源热泵，热源塔热泵无需化霜且装置可同时吸收空气中的显热与潜热。开式热源塔将低温防冻溶液喷洒至塔内填料表面，环境空气由风机从热源塔底部抽入并与填料表面溶液进行换热。开式热源塔运行一段时间后，填料表面会发生结垢现象。填料结垢不仅影响换热，还增加了装置气流阻力。为了解决填料结垢问题，本研究提出了无填料喷淋式热源塔。喷淋式热源塔与传统填料式热源塔传热传质特性差别较大。喷淋式热源塔的换热性能直接影响热泵系统的工作效率，建立喷淋式热源塔传热传质数学模型并对喷淋式热源塔传热传质特性分析是喷淋式热源塔性能评估、参数设计及换热性能优化的基础。喷淋式热源塔在雾霾天气下可利用喷淋液滴对环境空气中的颗粒物进行捕集，缓解建筑外环境颗粒物污染。建立喷淋式热源塔内液滴捕集颗粒物数学模型对分析及优化喷淋式热源塔除霾性能具有重要意义。　　本文利用质量、动量及能量守恒定律，对喷淋式热源塔微元高度内气体与溶液传热传质过程进行了分析。建立了喷淋式热源塔传热传质数学模型，并利用实验对模型有效性进行了验证。对喷淋式热源塔进行参数分析，揭示了喷淋式热源塔传热传质特性并提出了一种喷淋式热源塔换热性能优化方法。建立了喷淋式热源塔颗粒物捕集数学模型并研究了运行参数对除霾效率的影响。　　具体研究工作如下：　　（1）提出了一种下喷式热源塔。下喷式热源塔内无填料，溶液由装置顶部喷嘴向下喷出，气流由装置底部进入，与下落液滴进行逆流换热。建立了下喷式热源塔传热传质数学模型，并利用实验验证了模型的有效性。研究了不同始溶液温度（-4~1℃）、气体速度（2.5~4m/s）、液滴初始喷淋速度（4~10m/s）、液滴直径（0.65~1.2mm）、溶液质量浓度（16~30%）、塔身宽度（0.5~0.7m）、整体塔身高度（1.53~4.53m）及气体进口温度（5~11℃）对换热量、塔效率和溶液温度分布的影响。研究结果表明，在保证液滴不被吹飞的情况下，通过降低液滴直径或者液滴初始喷淋速度，可以提高下喷式热源塔的换热性能。随着气体速度的增加，换热量增加。然而，当气体速度从2.5m/s增加至4m/s时，塔效率首先由37.15％下降至33.03％，然后增加至36.15％。这是因为当气体速度接近保证液滴不被吹飞的临界气体速度时，液滴滞留时间显著延长。研究结论揭示了下喷式热源塔的传热传质特性，并为装置换热性能优化提供了理论基础。　　（2）提出了一种下喷式热源塔换热性能优化方法。该方法基于多变量分析，优化变量为两个运行参数（气体速度和液滴直径）和一个结构参数（塔高）。研究结果表明，当同时考虑气体速度及液滴粒径这两个变量时，采用更小的液滴粒径并不一定对换热有利，反而导致水泵能耗增加。优化后的下喷式热源塔可采用更大的液滴粒径实现更高的塔效率和换热量，节省了水泵功耗并提高了下喷式热源塔的换热性能。　　（3）提出了两种进风形式（下进风和上进风）的上喷式热源塔，解决了下喷式热源塔内液滴停留时间不足的问题。在上喷式热源塔内，溶液由装置底部喷嘴向上喷出，喷淋液滴需经历上升阶段和下降阶段。根据质量、能量和动量守恒定律，建立了同时考虑上升和下落液滴的传热传质数学模型，并利用实验验证了模型的有效性。分析了不同气体速度、液滴直径和液滴初始喷淋速度对液滴竖直方向位移、速度分布和温度分布的影响。对于上喷式下进风热源塔，增加气体速度和液滴初始喷淋速度将使液滴竖直方向位移增大。下降阶段的液滴温度变化是上升阶段的1.5～2.4倍。液滴直径对液滴温度分布有较大影响。液滴初始喷淋速度和气体速度对初始上升阶段液滴温度分布的影响很小。在液滴下降阶段，液滴初始喷淋速度较小的液滴温度迅速上升。对于上喷式上进风热源塔，当液滴初始喷淋速度为6至18m/s时，液滴竖直方向位移与液滴初始喷淋速度近似呈线性关系。液滴上升阶段温度变化大于液滴下降阶段温度变化。适当增大气体速度可以提高上喷式上进风热源塔换热性能。然而，气体速度过高反而会影响装置换热性能。当液滴直径较小时，气体速度对液滴进出口温差的影响较为显著。研究结论揭示了上喷式热源塔的传热传质特性，为上喷式热源塔的设计和优化提供了参考依据。对比了下喷式热源塔、上喷式上进风热源塔和上喷式下进风热源塔的换热性能。在相等的液滴初始喷淋速率、气体速率、液滴粒径、气液比、气体入口温湿度、溶液入口温度下，上喷式下进风热源塔换热效率最高，而下喷式热源塔效率最低。　　（4）建立了下喷式热源塔内液滴捕集颗粒物数学模型。计算了单个液滴颗粒物捕集效率及装置整体颗粒物捕集效率。研究了不同气体速度、液滴初始喷淋速度、液滴直径对单个液滴颗粒物捕集效率和装置整体颗粒物捕集效率的影响。讨论了装置热效率与颗粒物捕集效率的关系。计算结果表明，下喷式热源塔PM10捕集效率可达99.9%，PM2.5捕集效率可达和83%。装置捕集颗粒物的主要机制为惯性碰撞，而热泳作用和扩散泳作用对颗粒物捕集的贡献则很小。装置换热效率和装置除霾效率均与液滴直径成反比。增加气体速度可提高装置换热性能但影响装置颗粒物捕集效率。研究结论揭示不同颗粒物捕集机理在液滴捕集颗粒物过程中的作用，为下喷式热源塔除霾性能优化提供了参考依据。

目录

声明

符号注释表

第 1章绪论

1.1选题背景及意义

1.2开式热源塔研究

1.3无填料冷却塔研究

1.4其他无填料喷淋装置

1.5液滴捕集颗粒物研究

1.6现有研究不足

1.7本文研究内容

第 2章下喷式下进风热源塔传热传质特性

2.1建立传热传质模型

2.1.1传热传质模型假设

2.1.2控制方程推导

2.2求解传热传质方程

2.3结果分析

2.4下喷式下进风热源塔优化

2.4.1优化方法

2.4.2优化方法试用范围

2.5本章小结

第 3章上喷式下进风热源塔传热传质特性

3.1建立传热传质模型

3.1.1传热传质模型假设

3.1.2控制方程推导

3.2求解传热传质方程

3.3液滴粒径限制和液滴竖直方向位移

3.4液滴上升时间

3.5液滴速度分布及温度分布

3.6本章小结

第 4章上喷式上进风热源塔传热传质特性

4.1喷雾塔类型

4.2下进风热源塔缺点

4.3上喷式上进风热源塔

4.4 控制方程推导

4.4.1动量守恒方程

4.4.2水蒸汽质量守恒方程

4.4.3溶液及气体能量守恒方程

4.5求解传热传质方程

4.6液滴竖直方向位移及液滴上升时间

4.7速度分布及温度分布

4.8喷淋式热源塔对比分析

4.9参数敏感性分析

4.9.1液滴初始喷淋速度和气体速度的影响

4.9.2液滴直径的影响

4.10 上喷式上进风喷淋装置应用

4.11 本章小结

第 5章喷淋式热源塔模型验证

5.1实验系统设计

5.2参数测量和实验方法

5.2.1温度测量

5.2.2风量测量

5.2.3液体流量测量

5.2.4其他参数测量

5.2.5实验流程

5.3误差分析

5.4下喷式下进风热源塔实验结果及模型验证

5.5上喷式下进风热源塔实验结果及模型验证

5.6上喷式上进风热源塔实验结果及模型验证

5.7本章小结

第 6章喷淋式热源塔用于颗粒物捕集研究

6.1颗粒物污染及应对措施

6.2单个液滴颗粒物捕集效率

6.3颗粒物受力分析

6.3.1阻力

6.3.2布朗力

6.3.3热泳力

6.3.4扩散泳力

6.4颗粒物运动方程及流体速度

6.5装置整体颗粒物捕集效率

6.6数值计算步骤

6.7颗粒物捕集效率值

6.8参数研究

6.8.1液滴直径大小对颗粒物捕集效率的影响

6.8.2液滴初始喷淋速度对颗粒物捕集效率的影响

6.8.3气体速度对颗粒物捕集效率的影响

6.8.4热效率与装置整体颗粒物捕集效率间的关系

6.9本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间其它科研成果及参与科研项目