逆流冷凝塔热泵系统热质交换过程数值模拟研究

尚福强，盛璐腾，刘 军，王 硕，杨家华，秦华云，安雪晖

（1.中电建路桥集团有限公司，北京 100048；2.江苏河海新能源股份有限公司，江苏常州 213022；3.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

关键字：冷凝塔热泵系统；逆流；防冻液；热质交换；数值模拟

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冷凝塔热泵系统由空气源冷凝塔、循环泵、热泵主机等主要部分构成，如图1所示［1］。冷凝塔热泵系统很好地克服了传统水地源热泵系统受到地理条件因素限制的缺点，在冬季运行时，使用冰点低于0 ℃的防冻液作为能量载体，高效提取空气中蕴藏的低品位热能，达到制热的目的［2-4］。

图1 冷凝塔热泵系统冬季运行原理Fig.1 Schematic diagram for the operation of condensing tower system in winter

以冬季稳定运行工况为例，系统工作时，低温、高湿度的空气在风机产生的负压作用下从填料底部进入塔内。由于防冻液的温度低于空气的露点温度，空气被冷却降温，水蒸气凝结析出，释放出相变潜热，从而使防冻液温度上升，在循环泵的作用下，防冻液进入热泵主机蒸发器进行换热，热泵主机通过输入少量电能，将低品位热能提升为相对高品位可利用的热能，产出空调或生活用热水等。

在工业循环水系统中，例如发电厂、冷冻机房等，冷却塔对装置的节能减排效果具有较大影响［5］，研究其热交换过程对于冷却水系统的节能降耗起着至关重要的作用。Merkel构建了冷却塔热力计算的方法，随后，Sutherland对该方法进行了改进，提高了精度。Braun提出ε-NTU模型，用于冷却塔的热力计算［6-22］。本文通过对冷凝塔内热质交换过程的数学建模，得到了传热传质方程组，进行冷凝塔内热质交换过程的数学建模及数值模拟分析，相关结果对冷凝塔的设计选型及热泵系统的实际运行具有重要意义。……