（环境工程专业论文）能源塔的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 能源塔系统是一种以节能减碳为出发点，兼顾实际工程可行性与室内环境舒适性的空 调冷热源方式，在工程上的应用方兴未艾，国内也有专门的设备生产厂商。但是其理论研 究却滞后于工程实际，因而亟需一套相对完整的专门针对能源塔系统设计和运行调节方式 选取的理论，用于指导工程实践和提出新的更好的技术手段。 从能源塔系统的组成形式，能源塔的硬件构成，循环于能源塔和热泵主机之间传热介 质的物理化学特性等方面着手，进行了大量的研究和探索。并以开式逆流有填料能源塔这 种典型的系统形式为例，找到了其最适合使用的填料，成本和工作性能等综合考虑之下最 合适的工作介质配方。 同时，从一种简化的能源塔热质交换过程出发，建立了开式逆流能源塔内热质交换过 程的数学模型，并从模型中推导出能源塔内的热质交换过程通用计算方程组。 利用专门工具软件，针对热泵工况下的能源塔在不同已、未知参数情况的通用方程组 进行了求解，并对求解结果进行了完善的理论分析，直观定量的了解各参数的变化对热质 交换过程的影响。指出了这些结论在实际工程中对能源塔的设计，能源塔系统的运行调节 方式选择等工作的指导作用。 在对通用方程组进行了充分的分析和探讨之后，对比分析了夏季工况下的能源塔与常 规冷却塔在提供空调冷却水时的性能差异，并提出了系统改良意见。 关键词：能源塔系统填料不冻液热质交换通用方程组 武汉科技大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t e n e r g yt o w e rs y s t e mi sak i n do fn e wa i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys o u r c 圮t h a tt a k e se n e r g ys a v i n g a n d c a r b o nr e d u c t i o na sas t a r t i n gp o i n t ，t a k i n gi n t oa c c o u n tb o t l lt h e a c t u a le n g i n e e r i n g f e a s i b i l i t ya n di n d o o re n v f f o n m e n t a lc o m f o r t ，t h e r ea lea l r e a d yv i s i b l ea p p l i c a t i o n sa n dn a t i o n a l s p e c i a l i z e de q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s b u tt h et h e o r yr e s e a r c hi ss e r i o u s l yl a g g i n gb e h i n di n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ar e l a t i v e l yc o m p l e t es y s t e md e s i g ns p e c i f i c a l l yf o re n e r g yt o w e r , t r a n s f o r m a t i o na n da d j u s t m e n tm e t h o ds e l e c t i n gt h e o r yi sn e e d e d ，t og u i d ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n dp r o p o s en e wa n db e t t e rt e c h n i q u e s f r o mt h ec o m p o s i t i o ni nt h ef o r mo fe n e r g yt o w e rs y s t e m s ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fe n e r g y t o w e r s ，e n e r g yt o w e r sa n dh e a tp u m pc y c l ei nt h eh e a tt r a n s f e rm e d i u mb e t w e e nt h eh o s to f p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n do t h e ra s p e c t s ，al o to fr e s e a r c ha n de x p l o r eh a sd o n e a n d t a k i n gat y p i c a lf o r mo fe n e r g yt o w e rs y s t e mw i t ho p e nf i l l i n gc o u n t e r c u r r e n t 硒a l le x a m p l e , f o u n di t sm o s ta p p r o p r i a t eu s eo ff i l l e r s ，s u c ha sc o s ta n dp e l f o r m a n c ei n t oa c c o u n tw o r ku n d e r t h em o s ta p p r o p r i a t em e d i af o r m u l a t i o n s a l s o ，f r o mas i m p l if i e dh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s s e so fo p e n i n ge n e r g yt o w e r , t h e c o u n t e r c u r r e n th e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s s e so fe n e r g ym a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i l ta n d e q u a t i o n so fg e n e r a l - p u r p o s ec o m p u t i n gd e r i v e df r o mt h em o d e lo ft h et o w e ri nt h ep r o c e s so f h e a ta n dm a s st r a n s f e r u s i n gas p e c i a l i z e dt o o lf o rh e a tp u m pe n e r g yt o w e r si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sk n o w nt ot h e u n k n o w np a r a m e t e r so ft h eu n i v e r s a le q u a t i o nw a ss o l v e d ，a n dt h er e s u l t sw e r ep e r f e c tt os o l v e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，v i s u a lq u a n t i t a t i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r so nh e a ta n d m a s se x c h a n g ep r o c e s s e s t h e s ec o n c l u s i o n si np r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g no ft h et o w e rf o r e n e r g y ，e n e r g yr e g u l a t i o ni nt h et o w e rd u r i n go p e r a t i o nm o d es e l e c t i o n ，e t c o ft h eg u i d e i ng e n e r a le q u a t i o n sf o raf u l la n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ，t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es l i m m e r o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fc o n v e n t i o n a le n e r g yt o w e r sa n da i r - c o n d i t i o n i n gc o o l i n gt o w g r at o p r o v i d ec o o l i n gw a t e ri nt h ed i f f e r e n c ei np e r f o r m a n c e ，a n dp r o p o s e ds y s t e m sm o d i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：e n e r g yt o w e rs y s t e mp a c k i n g a n t i f r e e z es o l u t i o nh e a ta n dm 黜 t r a n s f e r e q u a t i o n so f g e n e r a l - p u r p o s ec o m p u t i n g 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 随着生活水平的日益提高，人们对于室内环境的舒适性要求也越来越高。近几十年来， 冬季采暖和空调等出现在我国秦淮线以南甚至广大的江南地区已经不再新鲜，反而是相当 流行的。冬季空调在华中和华南地区的公共建筑中已经成为标准配置，民用住宅中更是存 在着各种冬季空调方式。然而随着能源价格的急剧攀升和环保压力的增大，煤、电锅炉等 传统空调热源已经逐渐走出历史舞台，取而代之的是大量涌现的新能源系统。 在当前国家政策，能源价格等多方面因素的主导下，水、地源热泵系统与风冷热泵系 统的应用日益广泛。作为热泵技术在空调领域应用的典型方式，这些热泵系统不但能够很 好满足建筑物对冷和热的需求，还能够提高能量的利用率，使本身很难被利用的低品位热 能得到了很好的开发。但是在的实际工程利用中，由于受到各种因素的影响，它们的普及 和推广又都存在着严重的束缚。 水、地源热泵的应用，明显受到可资利用的水源，钻井所需场地，地质和地理等其他 条件的限制。风冷热泵系统受到场地等因素的影响比较大，但是由于在夏季时，其能效比 本来就相对较低，到了冬季，受到高含湿量和低温的影响，换热器结霜更是严重的制约着 热泵发挥应有制热量的能力，长江中下游的夏热冬冷地区尤为严重，而当前所广泛使用的 除霜技术有的妨碍了系统的持续运行，有的则造成能量的浪费。 能源塔热泵的使用则能很好的克服传统热泵系统受到场地因素限制的缺点，又能解决 风冷热泵系统换热器的结霜问题。在冬季，能源塔热泵系统利用冰点低于零摄氏度的介质 作为能量的载体，高效率的提取蕴藏在低温、高含湿量环境空气中的低品位热能，通过向 能源塔热泵机组输入少量电能等高品位能源，实现了将低温环境下低品位热能向可利用的 高温热能的转换，达到制热目的。 即使是在冬季多雨，空气含湿量大，潮湿阴冷的夏热冬冷地区也不会受到换热器结霜 的困扰，因而在这种气候特点的地区，特别能体现出能源塔热泵系统的优越性。由于能源 塔是按照供热能力设计的换热面积，相对比风冷热泵换热性能稳定，整个冬季机组的平均 能效比可以高于传统的风冷热泵。在夏天，能源塔的设计，可以使之起到冷却塔的作用。 对能源塔热泵的研究能够更好的了解其工作原理，确定适用范围，评价性能优劣，找 出性能的影响因素，同时提出进一步优化性其能的可行性及方案。在整个系统方案选择过 程中，提供可靠的技术支持，在运行维护过程中提出更加有效的手段措施。其成功应用， 将为节能减排，利用绿色能源的事业开拓一片新的疆土，是响应国内国际环保政策的有力 行动。 1 2 能源塔热泵系统介绍 考虑到能源塔热泵在实际工程中的使用还不是十分广泛，下面，将从各个方面对这一 系统进行介绍。 武汉科技大学硕士学位论文 第2 页 1 2 1 能源塔系统的分类 能源塔系统主要由能源塔塔体，循环管路，动力设备，热泵主机等部分构成。故能源 塔系统的组织形式多种多样，因为其区别于常规系统的主要标志在能源塔塔体。根据能源 塔塔体的不同特征将能源塔热泵系统进行分类是比较合适的。 ( 1 ) 根据空气与载热介质的接触方式，可以将其分为开式能源塔和闭式能源塔，其 中开式能源塔又可细分为有填料型和无填料型； ( 2 ) 根据能源塔内的通风动力来源，可以将其分为自然通风能源塔和机械通风能源 塔。 ( 3 ) 根据空气与不冻液在塔体内的相对流动方向，可以分为横流塔和逆流塔。 另外，根据塔体保护结构的外形何以划分为柱形和方形能源塔等。总之，根据不同的 分类标准，能源塔的种类有很多。下面，选取两种比较典型的能源塔形式，对其特点进行 分析。 1 2 2 逆流式机械通风填料能源塔 为了能够加强塔体内的换热过程，能源塔通常采用机械通风的逆流式，而选择开式或 者闭式，则需要根据实际情况具体选择，因为二者在性能上各有优劣。下面首先对采用填 料的开式系统进行介绍。 1 2 2 1 运行流程 在开式塔中，为了增加两种换热介质的接触面积，延长换热时间，增强换热效果，往 往选择向塔体内填充换热填料。下图是一种典型的逆流式机械通风填料能源塔系统简图： 1 八人入 一0 ， d 、u 9 1 、m ，i 、1 、1 、1 、十m - r , 十m 十7 p 队 器 援疆 l l 6 r 、 il 0 时： ( 限魄一赤) f 6 = 6 11 2 1 e 2 5 7 - ( 4 1 4 ) 当t 0 时： 0 3 6 - ” - - - - l 3 7 - ，i t 乞6 = 6 1 11 5 x e 2 7 9 j 2 ( 4 1 5 ) 其中；6 水蒸气分压力，1 0 2 p a ； f 水的温度t ， 武汉科技大学硕士学位论文 第2 6 页 通行的饱和湿空气含湿量计算式为： 、 d = 6 2 2 i 且i ( 4 1 6 ) 【曰一p 咖j 其中：d 饱和湿空气含湿量，埏水k g 湿空气； 曰大气压力，其值为1 0 1 3 m b a r ，l m b a r = 1 0 2 p a 能源塔热泵在进行冬季工况研究的时候，其温度区间适用的是当气 o ) 1 0 1 3 ) 一一一一一 x = f s o l v e ( 1 w 51 ， - 6 ，0 0 0 2 ，7 ，1 7 2 ，o p t i m s e t ( d i s p l a y ，i t d ” 其中协 为输入命令的默认前缀，“x = f s o l v e 0 为f s o l v e 工具的引用方式，括弧中的 内容包括三个部分，分别是方程组的函数名( 必须与m 文件同名，此处为“1 w 5 1 ”) ；预设 的未知数初值( 也就是在方程求解之前根据其他依据判断得到的可能的未知数值，这个取 值不需要十分精确，只是给工具的计算提供一个起点) ；最后是显示结果选项。 得到如下输出： i t e r a t i o nf u n e - c o u n t f ( x ) n o r mo fs t e p 0 l 5 1 0 4 2 3 3 8 0 5 5 4 3 91 f i r s t - o r d e r o p t i m a l i t y 1 7 7 e + 0 4 8 4 t r u s t - r e g i o n r a d i u s l l 武汉科技大学硕士学位论文第2 9 页 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 x 2 0 0 1 5 0 1 5 o 0 1 5 0 1 5 o 0 1 5 0 1 5 0 0 0 0 3 5 8 0 0 0 0 3 5 8 5 0 9 e 0 5 5 0 9 e 0 5 2 1 8 e 0 7 2 1 8 e 0 7 5 7 3 e 0 8 5 7 3 e 0 8 2 8 9 e 0 8 2 8 9 e 0 8 2 8 8 e 0 8 2 8 7 e 0 8 2 8 7 e 0 8 2 8 6 e 0 8 0 8 0 4 5 4 l 1 9 0 2 2 9 0 4 7 5 5 7 3 0 1 1 8 8 9 3 0 2 9 7 2 3 3 0 0 7 4 3 0 8 0 0 7 4 3 0 8 o 0 18 5 7 7 0 0 4 6 4 4 3 0 o l l 6 1 1 o 0 1 1 6 l l 0 0 0 2 9 0 3 0 0 0 7 2 5 7 0 0 0 18 1 4 o o o l 8 1 4 0 0 0 18 1 4 0 0 0 18 1 4 - 5 2 5 5 50 0 0 2 28 8 10 5 2 0 8 7 4 3 4 6 3 4 6 3 4 6 5 3 4 5 3 4 2 0 2 2 0 2 1 2 3 1 2 3 0 4 7 7 0 4 7 7 0 0 2 9 7 0 0 2 9 7 o o l l 6 0 0 1 1 6 0 0 1 1 6 0 0 1 1 5 2 5 2 5 0 4 7 6 0 1 1 9 0 2 9 7 0 0 7 4 3 0 0 7 4 3 o 0 1 8 6 o 0 4 6 4 o 0 1 1 6 o 0 1 1 6 o 0 0 2 9 0 0 0 7 2 6 o o o l 8 l o o o l 8 l 0 0 0 1 8 l o o o l 8 l 上述内容中，第一部分为六列数据组成的表格是“o p t i m s e t ( d i s p l a y ，i t e r ) ”命令触发的逐 步显示功能，它直观的将程序每一次迭代试算的过程进行了呈现，以方便需要对计算过程 全程进行精密观察的计算。对于较复杂的计算，迭代次数往往需要几十次上百次，故此处 并未全部列出程序显示的内容，而只列至第1 8 次迭代【3 0 l 。 在我们的计算中，因为更多关注的是计算的结果，也就是第二部分中四个依次排列的 计算结果，所以在往后的计算过程中，可将o p t i m s e t 设置为0 f r 即，过程及结果如下【3 l 】： x = f s o l v e ( 1 w 51 ， - 6 ，0 0 0 2 ，7 ，1 7 2 3 ，o p t i m s e t ( d i s p l a y ，o f f ) ) x 2 5 2 5 5 50 0 0 2 2- 8 8l0 5 2 0 8 7 4 上述内容说明，x = 5 2 5 5 5 0 0 0 2 2 即按照之前的介质物性取值表中的初始状况， 8 8 1 0 52 0 8 7 4 是通用方程组的一组解。 若经过能源塔热泵进行一系列的热质交换之 后，空气出口温度- 5 2 5 5 5 ( 2 ，含湿量o 0 0 2 2 k g k g ，不冻液的出口温度8 8 1 0 5 ( 2 ，且传热单 元数为已知的0 8 ，则整个交换过程的水气比为2 0 8 7 4 5 6 7 2 3 8 9 4 5 0 1 6 7 2 7 2 7 1 1 l 2 2 2 2 3 3 4 4 4 4 5 5 6 6 武汉科技大学硕士学位论文第3 0 页 f s o l v e 工具默认精确到小数点后四位【3 2 1 ，这在能源塔热泵的通用方程求解过程中已经 足够了，因为我们在实际工程中对温度的控制也只能保证n d , 数点后位，进一步的精确 显得没有必要。 5 2 能源塔的设计计算 在找到了通用方程组的求解工具，以及明确了工具的使用方法之后，接下来就要进一 步了解方程所包含的信息，即探求方程组所包含的8 个参数之间的关系。 仔细分析通用方程组中所包含的8 个参数，发现当我们需要对某一实际工程中的能源 塔进行设计计算时，只要是在某一确定的地区，空气的进口参数往往可以通过各种资料进 行查询，同时不冻液的进出口温度可以根据热泵机组额定工况中的蒸发器进出口温度进行 确定。这样8 个未知参数中就已经有了空气的进口参数两个，水的进出口参数两个，根据 理论分析，可以通过这四个已知参数求算所需能源塔的n t u ，t 作时的水气比d ，并且能 够确定经过换热之后排出的空气的状态点。 这种计算的结果能够用于指导工程中的能源塔选型，以及确定系统在工作时的水气 比，故称之为能源塔的设计计算。 以武汉地区的气象参数为参考，归纳能源塔设计计算的参数设置如下表： 表5 2 1 能源塔的设计计算参数设置 参数名称代数符号已知状态参数取值单位 进口空气温度t a l 已知 o 进口空气含湿量d a i已知 0 0 0 2 8 6 4 k g k g 出口空气温度t a 2未知 出口空气含湿量l a 2未知 k g k g 进口不冻液温度t w l 已知 1 0 出口不冻液温度t w 2已知 8 、7 、- 6 水气比b未知 l 传热单元数 n t u未知l 按照上述设想条件，编写成的m 文件内容如下： f u n c t i o nf = 1 w 55 ( x ) t a l = 0 ； d a l = 0 0 0 2 8 6 4 ； t a 2 - - x 0 ) ； o o d a 2 - - x ( 2 ) ； t w l - - 10 ； t w 2 = t ； b - - x ( 3 ) ； k g k g 相对湿度7 6 时的空气含湿量 k g k g 武汉科技大学硕士学位论文第3 1 页 n i u = = ) 【( 4 ) ； 卢8 ：完成一组计算之后更换成7 、6 重复进行。 f = i x ( 1 卜x ( 4 ) ( o - t - x ( 1 ) - lo ) l o g ( ( o t v ( x ( 1 卜10 ) ) ； - 6 2 2 ( 1 0 1 3 ( 6 1 1 1 5 e x p ( ( ( 2 3 0 3 6 - t 3 3 3 7 ) 母t ) ( 2 7 9 8 2 + 0 ) 1 0 1 3 ) + 1 ) 1 0 0 0 0 0 0 2 8 6 4 - ( t o ) 木( i 2 8 3 5 ) * ( x ( 3 ) 2 8 7 ( 1 1 0 甙( 0 一t ) ( x ( 1 ) + 1 0 ) ) x ( 4 ) ) 一1 0 1 ) ； - 6 2 2 ( 1 0 1 3 ( 6 1 1 1 5 掌e x p ( ( ( 2 3 0 3 6 + 1 0 3 3 3 7 ) 书( - 1 0 ) ) ( 2 7 9 8 2 + ( 一l o ) ) ) - 1 0 1 3 ) + 1 ) 1 0 0 0 x ( 2 ) - ( l o - x ( 1 ) ) ( 1 2 8 3 5 ) 木( x ( 3 ) 2 8 7 ( 1 - l o g ( ( o - t ) ( x ( 1 ) + 1 0 ) ) x ( 4 ) ) - 1 0 1 ) ； 1 0 1 枣x ( 1 ) + ( 2 8 3 5 + 1 8 4 x ( 1 ) ) x ( 2 ) 一2 8 3 5 + 0 0 0 2 8 6 4 一x ( 3 ) + 2 8 7 ( 一l o - t ) 】； 分别对假设不冻液出口温度为8 c 、7 和6 的工况进行计算，并试图通过对计算 结果的分析得到些有用的结论。 经过如5 1 中的方法进行的计算，将得到的数据进行汇总，得到如下数据： 表5 2 2 通用方程组的解( 不冻液出口温度t 。2 = - 8 1 2 ) 空气出口水气比n t u含湿量相对湿度 - 1 7 10 4 40 2 l0 0 0 2 67 9 - 2 7 2o 6 9o 3 5o 0 0 2 48 0 2 9 5 o 7 5o 3 9 o 0 0 2 48 l 3 3 9o 8 90 4 60 0 0 2 38 1 3 4 5o 8 90 4 70 0 0 2 38 l - 4 3 11 0 9o 6 30 0 0 2 28 4 5 2 91 3 30 8 4o 0 0 2 l8 7 6 2 8 1 4 9 1 1l0 0 0 2 19 5 6 4 41 5 31 1 6o 0 0 2 l9 6 6 6 0 1 5 6 1 2 2 0 0 0 2 l 9 7 6 8 91 6 31 3 20 0 0 2 09 5 7 5 7 1 7 9 1 6 0o 0 0 1 99 6 7 7 01 8 21 6 70 0 0 1 99 7 7 7 9 1 8 4 1 7 10 0 0 1 99 8 8 1 71 9 31 9 30 0 0 1 91 0 1 8 4 21 9 92 1 l 0 0 0 1 9 1 0 3 8 5 01 9 82 1 60 0 0 1 91 0 4 8 8 5 2 0 92 4 8 0 0 0 1 8 1 0 2 上表中，数据的精度已经根据实际情况进行了取舍，值得注意的是，出口空气的相对 湿度在水气比与n t u 都很高时，有大于1 0 0 的情况出现，这显然是不可能的。根据分析， 造成这个情况的原因是利用经验公式b u c k 【1 9 9 6 计算湿空气含湿量时有一定的误差，虽然 这个误差极小，但是在换算成相对湿度时这个误差被放大。为了体现数据的客观性，依然 将实际算得的数据列入表中，这个误差对观察数据的变化规律的影响并不大。 将上表中的数据描绘在直角坐标系中，并用光滑的曲线将这些点依次连接，得到下 武汉科技大学硕士学位论文 第3 2 页 图5 2 1t 。2 8 c 时计算结果图 从上图中可以发现，当要求的不冻液的出口温度为8 。c ，即不冻液需要在能源塔中得 到2 的温升时： ( 1 ) 能源塔中的水气比与n t u 随着空气的出口温度升高而减小， 化趋势，这从二者的定义式中也可以分析得到。 ( 2 ) 当空气的出口状态点与入口相同，臣| j0 。c ，相对湿度7 6 时， 液进入，塔内不发生热质交换，故塔内的水气比与n t u 均为0 。 二者有着相同的变 能源塔内没有不冻 ( 3 ) 当空气的出口温度逐渐减小时，水气比与n t u 均从0 丌始增大，而且在出口空 气温度乙，大于5 c 时水气比的增幅明显的大于n t u 的增幅，在乞：降低至一5 以下后，水 气比增幅放缓，n t u 增幅加大；因而二者最终在约t a ，= - 8 2 c 处相交，之后水气比继续缓 慢增大，n t u 急剧增大。 ( 4 ) 同时，从表5 2 2 中可以看出，随着t 。，的逐渐降低，空气中的含湿量逐渐减小， 但是相对湿度从初始值开始逐渐向10 0 逼近，即出口空气逐渐接近饱和。最终在乞：低于 不冻液出口温度t 。，即小于8 。c 之后达到饱和。在最初介绍能源塔热泵时就提出，能源塔 热泵在冬季能够使低温高湿的空气析出水分，放出潜热，冈而能够比普通的热泵系统从环 境空气中吸收更多的热量。这在计算结果中得到了印证。 仅仅从一种不冻液出口温度时的数据分析得到的结论如上所述，为了更进一步的了解 通用方程组中包含的信息，下面将t 。，分别等了- 7 和6 c 时的计算结果列出，并综合的对 其进行总结。 表5 2 3 通用方程的解( 不冻液出口温度t 。2 = 一7 ) 空气出口水气比 n t u含湿量相对湿度 1 7 3o 3 6o 2 3o 0 0 2 4 7 3 2 1 2 o 3 80 2 80 0 0 2 57 9 、 。o 0 s 0 2 2 一 一 图 武汉科技大学硕二l 学位论文第3 3 页 2 7 40 4 90 3 80 0 0 2 48 0 2 9 3o 5 20 4 10 0 0 2 37 8 3 4 9o 5 7o 5 20 0 0 2 48 5 3 7 90 6 3o 5 70 0 0 2 3 8 4 3 9 8o 6 5o 6 10 0 0 2 38 5 4 0 90 6 6o 6 30 0 0 2 38 6 4 3 4o 6 8o 6 80 0 0 2 49 2 4 4 4o 7 00 7 00 0 0 2 38 8 4 6 3o 7 3o 7 50 0 0 2 39 0 5 4 4o 8 50 9 40 0 0 2 29 2 5 8 4o 9 l1 0 50 0 0 2 29 5 - 5 9 lo 9 21 0 70 0 0 2 29 6 6 6 31 0 41 3l0 0 0 2 l9 8 6 9 91 0 91 4 50 0 0 2 11 0 1 7 4 51 181 6 60 0 0 2 01 0 0 7 8 5 1 3 01 8 8o o o l 78 8 8 0 71 2 92 0 1o 0 0 1 89 5 图5 2 2t 。2 = 一7 时计算结果图 表5 2 4 通用方程的解( 不冻液出口温度t 。2 = 一6 c ) 空气出l i水气比n t u 含i 5 量 棚义寸湿度 2 0 3o 2 6o 2 90 0 0 2 68 2 2 5 4 o 3 2o 3 8 0 0 0 2 58 2 3 3 0o 4 lo 5 10 0 0 2 48 4 3 6 30 4 5o 5 80 0 0 2 38 3 3 9 70 4 90 6 50 0 0 2 38 5 武汉科技大学硕士学位论文第3 4 页 一4 0 1o 5 0o 6 60 0 0 2 38 5 4 4 7o 5 50 7 70 0 0 2 38 9 4 9 8 o 6 1o 8 90 0 0 2 28 9 5 6 7o 6 91 0 80 0 0 2 19 0 5 8 4 o 7 01 130 0 0 2 19 1 6 4 10 7 31 3 30 0 0 2 21 0 0 一6 9 4o 8 11 5 40 0 0 2 11 0 0 7 3 l0 8 01 7 10 0 0 2 210 8 7 5 4 0 8 61 8 40 0 0 2 l10 6 8 5 21 0 02 5 40 0 0 1 91 0 4 8 9 l1 0 42 9 6o 0 0 1 91 0 8 9 3 01 0 83 5 90 0 0 1 81 0 6 图5 2 3t 。2 = 一6 c 时计算结果图 联系这三组计算结果及其对应的数据图，能够发现一个非常明显的现象：三组数据中， 水气比与n t u 均有一个交点，随着不冻液经过能源塔之后温升的增大，即t 。，的增大，这 个交点逐渐向空气出口温度轴正方向，即温度升高的方向移动。 这一现象是无法通过通用方程组直观分析得到的。这个现象表明，较低的水气比搭配 较高的n t u 时，能够帮助不冻液实现更高的温升。 为了更进一步的比较三组不同数据中的水气比与n t u 的关系，下面将两者分别单独 作图进行比较，如下图： 武汉科技大学硕士学位论文 第3 5 页 3)u 3 0 0 2 5 0 2 0 0 己1 5 0 z 1 0 0 0 5 0 00 n 一7 o o一50 0 3 ，0 0 出口空气温 图5 2 4 三组不同数据中的水气比 图5 2 5 三组不同数据中的n t u 从上述两图可以看出，在能源塔的设计计算中，当出口空气温度乞：相同时，随着不冻 液的出口温度，。：的升高，水气比明显下降，而n t u 则是略有上升t 。 武汉科技大学硕士学位论文第3 6 页 这种趋势上的差别说明，不冻液的出口温度与水气比的大小成反相关关系：相反的， 其与n t u 的大小成正相关关系。同时，这种幅度上的差别说明在能源塔的运行过程中， n t u 的变化比水气比的变化更能影响不冻液的出口状态，这也表明，想要对不冻液的出口 参数进行有效地控制，调节n t u 的大小比调节水气比的大小是更为有效的方式。当然在 实际工程中，要结合成本和技术难度等因素进行综合考虑。 从曲线上看，水气比的变化曲线近乎于线性，而n t u 的变化曲线则明显呈指数曲线， 并且，在空气出口温度降低时，曲线更加陡峭。同样从控制的角度来看，当空气出口温度 较高时，n t u 的变化对其影响更加明显，而随着其逐渐降低，n t u 的变化越来越难以对 其造成影响。 可以想见，当空气出口温度无限接近不冻液的进口温度时，n t u 的变化已经不能改变 其大小。将这一现象联系到实际情况中，说明，通过改善对流换热系数，填料的厚度，填 料的比表面积等手段以提高n t u 的做法，在达到一定程度后继续增加已经没有意义，不 能继续优化换热效果。 下面再结合计算结果对出口空气的含湿量进行分析。同样，将三次计算结果的含湿量 放在同一张图中，如下图所示： 甾5 z b 苦舀t 奠：l 幽 虽然由于计算方法导致的误差使得含湿量的变化曲线很不光滑，但是仍然可以发现一 些规律。 ( 1 ) 不冻液通过能源塔之后获得的温升一定时，空气出口温度越低，则含湿量也越 低，同时相对湿度越高( 含湿量线越逼近饱和空气含湿量线) 。 ( 2 ) 不冻液通过能源塔之后获得的温升越大，出口空气随着温度的降低越早到达饱 武汉科技大学硕士学位论文第3 7 页 和，结合计算结果表中的数据发现，出口空气恰好在温度低至出口不冻液温度时达到饱和。 通过上述的能源塔设计计算，得到了已知空气的进口参数和不冻液的进出口参数的情 况下，所可能出现的空气出口参数、水气比和n t u 。根据求得的n t u 和水气比就可以对 所需的能源塔硬件设备进行选择，对运行时的介质相对多少进行调整，更能依照计算结果 找到运行过程中调整换热效果的有效途径。 5 3n t u 与水气比对出口参数的影响 在完成了5 2 中关于能源塔设计计算的数据处理和分析后，得到了一些重要的结论。 同时，如此参数众多的方程组，在已知和未知参数不同的情况下进行求解，能否得到更多 有用的结论呢? 下面将就一些可能的参数组合方式下的方程组进行求解，并用于5 2 中类 似的手法进行数据分析，试图从中总结出一些有用的结论。 下面首先就空气和不冻液进口参数已知，n t u 已知，但是介质出口参数未知，水气比 未知的情况进行分析，试图直接找到其他条件相同时，介质出口参数与n t u 和水气比的 关系。方程的具体