基于
传递与分析方法的补热塔可行性研究
陈 鑫，郭海丰，邓钧予，冯 岑，张天枢
（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院 ，辽宁 沈阳 110168）
摘要： 为解决寒冷地区地下水冷堆积问题，本研究以热力学第一、第二定律为基础，从
传递的角度分析当水温低于空气露点温度时，补热塔对地下水进行补热时空气与水的热湿交换过程。在本研究中，设定空气初始状态作为
分析的参考点，并考虑补热过程中湿空气发生了相变，由此，对水
的表达式进行新的解读。为此工况下补热塔的设计以及气、水参数的设置提供理论支持。在夏季或者过渡季对地下水进行补热是解决地源热泵系统造成冷堆积问题的解决方法。由温度较低的地下水与环境中温度较高的空气进行热湿交换，该过程既能使水的温度升高，又可尽量少地消耗能量。
关键词： 补热塔；冷却塔逆用；冷堆积；
传递；分析；冷凝潜热
在寒冷地区，使用热泵装置从地下水取热供给建筑时，如果夏季地下水温度不能恢复，将会造成冷堆积现象［1］。与地源热泵耦合的补热装置选择众多，其中，冷却塔应用广泛，是一种常被用来冷却空调冷却水的装置，其换热原理是高温水与室外空气进行热湿交换。为解决这个问题，Deng等［2］提出在夏季逆向使用冷却塔可以对地下水进行热量补偿。低温的地下水与室外高温、高湿空气进行热湿交换，总换热量的极限状态为空气湿球温度。为了解补热塔热工性能，分析补热塔内能量的交换和传递过程变得尤为重要。
对于用能系统的能耗分析常用能量分析法，该方法主要关注能量的数量，不能直观分析系统内部的能量使用情况，更不关注能量的品质变化，由此，仅依靠第一定律来评价用能系统的完善程度是片面的。与能量分析不同，
分析方法着眼于热力学第二定律，以能量的品质作为出发点，探究在能量传递、交换和使用过程中伴随着能量品质的变化情况［3］。众多学者使用分析方法研究了影响冷却塔热湿交换的因素及塔效率。李毅［4］对冷却塔逆用系统各部件建立
方程，分析了在换热过程中塔的
效率与损失，发现在压缩机处产生的损失最大。谢爱霞［5］对制冷机房与设有冷却塔预先冷却的机房进行了分析，发现当水源温度到达一定值时，冷却塔预先冷却具有更高的效率，这将实现制冷机房的节能。S M Thirapone［6］基于分析理论，提出了两种换热器与填料布置的试验方案，通过对塔各项参数的测量，得到了空气与水的值、塔的
效率、损失。发现换热器在填料下方布置冷却塔性能较好。Thirapong等［7］通过试验和数值模拟了一种射流冷却塔，发现
值和效率易随气水比、液滴直径的变化而变化，不易受水流速度和空气流速的影响。Moran［8］经过控制水流量不变，改变空气流量的试验发现，水远高于空气，蒸发是引起空气
变化的主要原因。
根据空气与水的接触方式不同分为湿式冷却塔和干式冷却塔，其中，干式冷却塔多应用于缺水地区，比较而言，湿式冷却塔在炎热天气使用效果更好。目前，对于补热塔热湿交换的传递过程研究仍然很少，故本研究以空气初始状态作为参考点，通过分析湿式冷却塔逆用作为补热塔的
传递过程，从热力学第二定律的角度揭示了空气与水热湿交换的原理，并从分析的角度解释了补热塔使得地下水升温的可行性，为日后的研究提供了理论支持。
1 参考点的选择
进行
分析首先应选择一个参考状态，作为分析过程量的起点。目前，对于参考点的选择大致分为三类。Wepfer等［9］和San［10］以室外状态作为参考点，对湿空气进行分析。由于室外空气参数波动很大，Ahrendts［11］将室外空气参数按照时间段划分求得平均值作为参考点。Bejan［12］认为水在环境中无处不在，提出以环境参数下的饱和湿空气状态点作为参考点，水不具有化学
。
是否将参考点设置在饱和状态，应考虑系统中的水最终是否要回收利用。若将参考点定在未饱和空气区，则需要计算水的化学。考虑到补热塔的用途，回水所具有的能量需要回收利用，故将参考点选为空气入口状态作为参考点。
2 湿空气与水热湿交换过程
2.1 补热塔装置
湿空气在与水的换热过程中，温度下降直至低于露点温度时，在等温等压下析出凝结水，同时放出潜热。众多学者已经提出对湿空气放出的冷凝潜热加以利用的想法。首次关注了湿空气冷凝时的传热、传质过程［14］。Federico Scarpa［15］将太阳能集热板置于空气露点温度以下的环境中，通过湿空气冷凝发生的相变收集热量。用一个例子进行说明：1摩尔，温度为100℃的水，等温蒸发成1摩尔水蒸气时，需要吸收40.62 KJ的潜热。然而，1摩尔的水从60℃加热到100℃（假设没有水蒸气产生）需要吸收约3.014 KJ的显热。一般地，物质发生相变所释放的潜热值远高于显热。故对于补热过程，为了贴近实际，在计算湿空气
和水时，应考虑水蒸汽凝结析出释放的潜热
。
图1 补热塔结构示意图
2.2 湿空气与水
传递过程
湿空气的
可分为三个部分［13］，分别是：热
、机械和扩散
。在忽略机械的前提下，不考虑湿空气相变，则出口湿空气的
Ex，a可表示为：水Ex，w可表示为：
图2 理想状态下空气与水状态变化
选取补热塔气、水热湿交换段作为研究对象，并且忽略动能及势能的变化。在常压下，湿空气可看成由干空气和水蒸汽组成的理想气体。由图3可知，将初始空气状态点作为零
点，初始状态水的焓
包括两部分，分别是：热量和化学。当水温低于空气露点温度和参考点时：湿空气向水放出热量，同时放出热量
，从显热角度使其升温。由于水温低于空气露点温度，其蒸发量及其微小，因此可被忽略。未饱和湿空气由干空气和过热水蒸汽组成，湿空气接受来自水的冷量，其中的过热水蒸汽在水蒸汽分压力不变的条件下降温，当其温度低于空气露点温度时，将发生凝结现象，并且在凝结成水时放出凝结潜热
，这在潜热角度上使得水继续升温，最终水蒸汽将转化为水。
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图3 补热塔气、水热质交换
传递过程（TW＜TL，a＜T0）
经过调查发现，寒冷地区夏季地下水温低于空气露点温度，所以，本文将温度范围设置TW＜TL，a＜T0。进入塔内的湿空气将显热传递给水，因降温发生凝结现象，同时，放出凝结热。最终，水量增加温度升高、湿空气含湿量减少并且温度降低。在理想状态下，假定与空气接触的水量足够大、接触时间足够长，湿空气内水蒸气将完全变成凝结水，而水与湿空气终温相同（图2）。但是，在现实条件下，一般湿空气不能完全凝结成水，因此，对湿空气和水的热湿交换过程进行分析才能挖掘补热塔换热潜力。
2.3 凝结潜热对热量补偿过程的影响
图1为补热塔结构示意图。储存在蓄水箱中的地下水经过水泵供给补热塔喷淋装置，塔下部设置进风口，空气被设置在塔顶的风机引入补热塔，塔中段设置填料，空气与喷淋水在其上进行热湿交换，然后，水由于自身重力下落排出，空气在塔顶排到周围大气中。
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3 结语
当水温低于环境空气的露点温度时，在补热塔内湿空气与水进行热交换和湿交换，其温度下降直至低于露点温度时，在等温等压下析出凝结水，同时放出潜热。而这部分潜热值应远大于显热换热量，故对于在此温度范围的补热过程，为了贴近实际，在计算湿空气和水时，应考虑水蒸汽凝结释放的潜热。
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中图分类号： F283
文献标志码： B
文章编号： 1673-0402（2019）10-0056-04
收稿日期： 2019-05-23
作者简介： 陈鑫（1994-）女，硕士，主要从事地下水补热技术等方向研究。E-mail：syjz03cx@163.com
标签：补热塔论文; 冷却塔逆用论文; 冷堆积论文; 传递论文; 分析论文; 冷凝潜热论文; 沈阳建筑大学市政与环境工程学院论文;