CN109798615A - 一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，属于制冷空调技术领域。该热源塔体与冷却塔流液管路相连；热源塔体外侧壁设有进风口；热源塔体内设有换热腔，进风口与换热腔相连通；热源塔体的换热腔中心为贯穿热源塔体上、下部的中心通孔腔；换热腔内填充从空气中吸取热量的PVC填料，PVC填料为相变微胶囊溶液；其换热腔的顶部与却塔流液进液管路相连通；热源塔体的底端与冷却塔流液出液管路相连通；液体从进液管路进入换热腔内的填料部，并从热源塔体底端的出液管路回流至冷却塔内。本发明中相变微胶囊溶液在下落过程中相变材料会发生相变，因此其比热容较大，溶液吸热后温度将保持不变或者变化幅度很小。

Description

一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔

技术领域

本发明涉及一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，属于制冷空调技术领域。

背景技术

随着中国经济的高速增长，能源的消耗量越来越大，大量化石燃料的破坏了生态环境，温室效应越来越严重。当前我国建筑用能量十分巨大，目前建筑能耗占我国全社会终端能耗的比例约为27.5％。且随着城镇化的发展，建筑能耗将快速增加，城市化的发展给我国建筑用能的能源供应造成了较大压力。空调耗能是建筑占建筑能耗的30％左右，提高空调系统的效率对于节能减排具有重大意义。

在我国夏热冬冷地区，由于冬季该区域没有集中供暖，建筑大多采用电或带辅热的空气源热泵以及燃油、燃气锅炉等方式供暖，存在高品位能源消耗较大、一次能源利用率低、存在污染等问题。同时，由于夏热冬冷地区冬季室外空气“低温高湿”的特点，使得目前在此区域内使用较多的空气源热泵系统室外换热器难以维持在干工况运行，空气里的水蒸气凝结在翅片表面，发生结霜后系统各项性能系数大大降低，甚至不能工作。针对此地区气候特点，结合空气源热泵及水冷机组用冷却塔的优点，为解决室外换热器结霜问题，同时利用冬季湿空气显热及水蒸气相变潜热，开发发展出了一套种热源塔热泵的新型热泵系统。热源塔在夏季用作冷却塔向环境排放热量，冬季用作热源塔利用低温防冻溶液吸取空气中的热量。该设备具有冬夏季双高效的特点，一塔两用提高了设备利用率，既节能又环保。

热源塔热泵解决了传统水冷冷水机组加锅炉系统中冷却塔冬季闲置和锅炉污染的缺点，也避免了像空气源热泵的结霜问题，其造价及维护费用远低于水地源热泵系统。但是由于冬夏季运行工况的不同，夏季热源塔的散热主要靠潜热，而冬季热源塔换热量中显热占比很大，潜热占比很小，冬季热源塔的换热效率低于夏季，所以一般都按照冬季工况来设计热源塔，导致设计出的热源塔体积较大。热源塔较大的体积会增加热源塔的造价，而且容易出现场地受限的问题。同时，在不同的室外条件下建筑负荷不同，目前热源塔热泵主要用于长江中下游地区，在冬季气温更低的地区，热源塔的优势并不明显。这是因为建筑负荷和热源塔取热量是相互矛盾的，室外气温低的时建筑热负荷很大，但此时热源塔从室外空气中取热已经变得很困难。在这种工况下要从室外环境中取得更多的热量就必须要降低热源塔中循环溶液的温度，增大温差以吸取更多热量。随着溶液温度的降低，将会导致蒸发温度下降和系统能效的降低。因此热源塔对冬季室外环境温度有一定的限制，环境温度过低时同样体积的热源塔取热量将会衰减，很有可能满足不了建筑所需热量。所以目前热源塔的适用地区主要为长江中下游地区，在较为寒冷的地区热源塔使用受限。

因此，如何提高热源塔在低环境温度下的取热量和降低热源塔的体积，提高热源塔的适用范围和效率，解决热源塔的占地面积大问题成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，包括热源塔体,该热源塔体与冷却塔流液管路相连；热源塔体外侧壁设有进风口；热源塔体内设有换热腔，进风口与换热腔相连通；热源塔体的换热腔中心为贯穿热源塔体、下部的中心通孔腔；换热腔内填充从空气中吸取热量的PVC填料，PVC填料为相变微胶囊溶液；

其换热腔的顶部与却塔流液进液管路相连通；热源塔体的底端与冷却塔流液出液管路相连通；液体从进液管路进入换热腔内的填料部，并从热源塔体底端的出液管路回流至冷却塔内。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的热源塔体内的中心通孔腔的顶端设有风机；中心通孔腔与换热腔之间设有第一除水板；中心通孔腔的顶端设有风筒；中心通孔腔与风筒之间设有水平放置的第二除水板；风筒内设有风机。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的热源塔体的换热腔的顶端设有布液盆；所述的布液盆与进液管路相连通；布液盆对流液的流速进行分布后流向下端换热腔内。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的热源塔体的底端设有集液池；所述集液池与出液管路相通过管路相互连通；集液池与出液管路上设有第一截止阀；集液池与出液管路并联有第二截止阀与溶液密度计。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的布液盆由隔板沿圆周分离成两圈环状布液盆腔一与布液盆腔二；所述的布液盆腔一与布液盆腔二的底部设有若干个开孔；布液盆腔一的开孔率大于布液盆腔二的开孔率；布液盆腔二位于外圆周；布液盆腔一与布液盆腔二内每个开孔的下端设有布液喷头。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的相变微胶囊溶液；溶液为相变微胶囊与基液组成的悬浮溶液，溶液中的相变微胶囊中包裹的低温相变材料；其基液为乙二醇溶液、氯化钙溶液或其他冰点较低的溶液。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其相变微胶囊溶液中相变微胶囊由不同温度的微胶囊组合填充。微胶囊溶液中的微胶囊为复合相变微胶囊溶液，溶液中包含不同相变温度的微胶囊，微胶囊溶液相变温度覆盖范围大。微胶囊溶液的相变温度有多种组合，可以在不同工况下实现相变换热和全工况相变换热。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，相变微胶囊为小粒径低相变驱动温差微胶囊，粒径范围为5-20μm。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的热源塔体呈倒梯形；热源塔体进风口处设有倾斜状的百叶窗。

本发明所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，所述的热源塔体的换热腔倾斜一定角度；倾斜角为5°～15°，热源塔中部的空气流道呈上扩锥形。

有益效果

本发明提供的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其内的微胶囊溶液作为循环介质，由于微胶囊体积小、在溶液中的含量较小，微胶囊可以悬浮在流体中而不会堵塞管道。相变微胶囊溶液在下落过程中相变材料会发生相变，因此其比热容较大，溶液吸热后温度将保持不变或者变化幅度很小。

溶液温升小意味着与空气之间的温差大，传热量相比原来的过程会增大，大部分吸热量转变为相变潜热储存起来，然后再到蒸发器中释放出来。这样可以使溶液在热源塔中温度上升程度变小，与空气温差大，可以增大其吸热能力和降低热源塔的体积。

该装置不仅可以增加热源塔的取热量，因为其比热容比常规溶液大，在传递相同热量和温差保持不变时。溶液流量将会变小，有助于减少冷冻水泵的能耗。

该装置采用不均匀布液方式，横流热源塔各个区域的传热传质特性不同，使用该种布液方式使相变微胶囊溶液更加适应热源塔的传热特性，

该装置中相变微胶囊能够强化对流换热。当换热器中的对流换热系数h提高之后，在面积不变的情况下，传热温差变小，这将提高换热器的换热效率。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图；

图2本发明的布液盆结构一示意图；

图3本发明的布液盆结构二示意图；

图4本发明的布液盆结构三示意图；

图中包括：风筒1；风机2；布液盆腔一31；布液盆腔二32；布液喷头4；百叶窗5；填料6；第一除水器7；集水盘8；集液池9；塔体10；溶液密度计11；第一截止阀12；第二截止阀、13；第二除水器14。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明装置包括基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔包括热源塔塔体10、设置在所述热源塔塔体10中的空气流动回路和溶液流动回路。所述空气流动回路包括设置在热源塔塔体10顶部的风筒1、设置在热源塔塔体10中部两侧的进风口、对称设置在热源塔塔体10内部两侧正对进风口的PVC填料6、填料内侧面的第一除水器7和PVC填料6外侧面的百叶窗5和风机2处的第二除水器14。溶液流动回路包括设置在所述PVC填料6上方的布液盆腔一31和布液盆腔二32及其底部的布液喷头4、填料6、位于热源塔塔体10底部的集液池9和用于收集飘散液体的集水盘8，所述集液池11位于填料10的正下方，集液池9底部设置有热源塔溶液出口和排液口，上部设有溢流管；溶液出口管道上装有密度计11，出口管道分为两路，分别装有截止阀一12和截止二13

本发明装置中百叶窗及填料内侧的第一除水器和第二除水器，可有效防止微胶囊溶液漂液，填料外侧百叶窗与水平夹角取45°—60°，防止杂质进入塔内。

本发明装置中填料安装的倾斜角度设置在5°—15°，热源塔中部的空气流道呈锥形，从而使填料在垂直方向上空气均匀分布。

本发明装置溶液回路中，溶液为相变微胶囊溶液，包含的相变微胶囊为小粒径低相变温差微胶囊。

布液盆腔一31和布液盆腔二32底部开孔密度不同，布液盆腔一31中的流量大于布液盆腔二32。

在热源塔中，溶液从空气中吸收热量用于供热，对于横流冷却塔来说，溶液在塔的顶部经布液器喷洒到填料的顶部，溶液在填料中与空气进行热交换后温度升高，随着溶液沿着填料向下流动，溶液温度不断升高。而进入填料的空气在高度方向上温度基本保持不变，在填料的下半段，空气与溶液的温差小于上半段空气与溶液的温差，由换热量的公式可知下半段的换热量明显减小，加上热源塔的冬季换热量主要以显热为主，这都将导致热源塔的体积较大。

与普通溶液相比，相变微胶囊溶液是一种集储热与强化传热特性于一体的新型工质。它实现了相变储热材料与热输运流体的统一；它在小温度区间内吸收或释放潜热，具有很大的比热容和热量储存密度。相变微胶囊溶液在填料中与空气进行热质交换后由于大部分热量储存于相变材料中，所以相变微胶囊溶液温度在换热过程中温升幅度变小，溶液温度上升幅度小意味着与空气之间的温差大，传热量与原来的过程相比会增大，大部分吸热量转变为相变潜热储存起来，然后再到蒸发器中释放出来。这样可以使溶液在热源塔中温度上升程度变小，增大其吸热能力。

相变微胶囊溶液的比热容比普通溶液大很多，在热源塔内，升过程分为三个阶段，第一阶段是溶液的初步吸热升温阶段，微胶囊溶液从热源塔进口空气中吸收空气中的热量，升温到微胶囊的相变温度；第二阶段是相变材料的融化吸热阶段，利用微胶囊的相变潜热，吸收大量的热量而温度保持不变。第三阶段是溶液的过热阶段，这个过程溶液的温度升高。由于相变微胶囊的比热容较大，在吸取相同热量的时候所需要的流体的流量就变小，流量小就会降低溶液泵的能耗。在热源塔实际运行中应尽量避免第三阶段的出现。对于一个已知的建筑的热源塔热泵系统，其负荷是一定的，如果采用相变微胶囊抗冻溶液，由于比热容的增大，溶液的流量减小，将大大降低泵的能耗。

采用相变微胶囊溶液后，相关文献指出当微胶囊的体积分数小于25％时，微胶囊溶液可视为牛顿型流体，理想状态下相变流体的努塞尔数可提高1.5-4倍。当换热器中的对流换热系数h提高之后，在面积不变的情况下，在换热温差减小时可以保持换热量不变，这将提高换热器的换热效率。相变微胶囊溶液在管道中流动时，与传统溶液相比温度变化小，能够减小热损失。

本发明装置中，根据横流热源塔的传热传质特点，冬季空气刚进入填料时温度高热量大，这一部分填料中流过的相变微胶囊溶液吸热量大，很容易进入第三个阶段，为保证其始终处于相变过程中，增大该区域流量，设置的布液盆腔一31和布液盆腔二32底部开孔率不同，布液盆腔一31的开孔率大于布液盆腔二31的开孔率。装置所用布液喷头的直径不同，以实现其不均匀布液

夏季工况时，溶液流动回路中，管路及热源塔内流动的是水，第一截止阀门12常开,第二截止阀门13常闭，来自冷凝器的水通过塔上方的进水管流入布液盆腔一31和布液盆腔二32中，布液盆底部均匀打孔安装了布液喷头4，由于布液盆腔一31和布液盆腔二32的底部打孔率不同，布液盆腔一31下方的淋液密度大于布液盆腔二32下的淋液密度，水通过布液喷头均匀地喷洒到填料顶部，水在pvc填料6中与空气充分进行热质交换以后，在填料在中有部分水分蒸发，其余水落在在pvc填料6下方的集液池9中，填料外侧飘散出去的水分被百叶窗挡住，随后掉落在积水盘8中，最后汇入集液池9中，被降温的水最终从塔底部的集液池9，经过密度计11后被冷却水泵送到冷凝器中降温制冷剂。空气流动回路中，空气从热源塔进风口进入热源塔塔体10后进入PVC填料6中，与pvc填料6中的水进行传热传质，两者流动方向相互垂直，空气从pvc填料6中出来后进入第一除水器7，波纹型PVC除水器将空气中携带的小液滴去除，塔两侧的从pvc填料6中出来的空气在塔中心汇合，并经过第二除水器14后被变速风机2吸入、加压后从具有一定高度的风筒1中排出，风筒的高度能防止气流的回流与短路。

冬季工况时，溶液流动回路中，管路及热源塔内流动的是相变微胶囊溶液，第二截止阀13常开，第一截止阀12常闭，来自蒸发器的低温微胶囊溶液通过塔上方的溶液管流入布液盆腔一31和布液盆腔二32中，布液盆底部均匀打孔安装了布液喷头4，由于布液盆腔一31和布液盆腔二32底部打孔不同，布液盆腔一31下方的淋液密度大于布液盆腔二32下的淋液密度以确保溶液从上至下温度不变或温升很小，充分利用溶液的相变蓄能作用，溶液在pvc填料6中与空气充分进行热质交换以后，此时相变微胶囊溶液会发生相变，会有部分凝结水进入溶液中，被稀释后的溶液落在pvc填料6下方的集液池9中，填料外侧飘散出去的溶液分被百叶窗挡住，随后掉落在积水盘8中，最后汇入集液池9中，从空气中吸取大量热量的相变微胶囊溶液最终从塔底部的集液池9经过密度计11被溶液泵送到蒸发器中中。空气流动回路中，空气从热源塔进风口进入热源塔塔体10后进入pvc填料6中，与pvc填料6中的水进行传热传质，两者流动方向相互垂直，空气从pvc填料6中出来后进入第一除水器7，波纹型PVC除水器将空气中携带的小液滴去除，塔两侧的从pvc填料6中出来的空气在塔中心汇合，并经过第二除水器14后被变速风机2吸入、加压后从具有一定高度的风筒1中排出，风筒的高度能防止气流的回流与短路。溶液出口管道上安装的密度计实时监控相变微胶囊的密度，以防止溶液的浓度过低。

如图2所示：布液盆底部开孔方式有三种选择方式。第一种为布液盆腔一31和布液盆腔二32的开孔孔径相同，孔间距不同，布液盆腔一31孔间距小于布液盆腔二32，所装布液喷头4直径相同。

如图3所示：第二种为布液盆腔一31和布液盆腔二32的开孔孔径不同相同，孔间距相同，为布液盆腔一31孔径大于布液盆腔二32，所装布液喷头4直径不相同。

如图3所示：第三种为从布液盆腔一31到布液盆腔二32的底部开孔直径为连续逐渐扩大，此时可直接通过孔实现布液或者安装多种直径的喷头。

单组分相变微胶囊溶液的相变温度选取根据室外气候条件：当气温较高时，可取稍高相变温度，这样热源塔的处于相变运行的时间比较长，因为相变加强了换热，这时候相变微胶囊溶液吸取相同的热量时流量变小，泵功也减少。但是当环境温度较低时，相变微胶囊没有相变，要增大换热量只有通过增大流量，这样设计时照顾到低温工况，塔要设计稍大一些。为保证冬季寒冷的天气时热源塔的取热量，此时相变微胶囊应设置为低温相变温度，其他正常工况时微胶囊不发生相变，相变材料处于液态，虽然不发生相变，但是相变微胶囊溶液带来的换热器内的强化换热优势也非常明显。常规溶液热源塔在环境温度较低时，热源塔为了吸取更多的热，溶液出口温度要降低，保持换热器温差不变，因而蒸发温度也会随之下降，这会使系统的COP下降，经济性降低。采用低相变温度的微胶囊溶液时，在环境温度较低时，溶液中的微胶囊发生相变，与空气的平均温差变大，吸热量变大。若采用普通溶液，在该工况下需要吸取相同的热量时，必须降低溶液的进口温度，这必然导致蒸发温度下降，系统效率降低；而采用低温相变微胶囊溶液时，溶液出口温度需要降低幅度变小，蒸发温度也比无相变时提高了。所以采用该相变温度的相变微胶囊溶液，能提高在低温环境下的换热量，保证正常运行且性能不恶化。同时采用相变微胶囊溶液以后塔可以做的稍小一些，对现有塔的改造也有指导意义。

多组分相变微胶囊溶液的相变温度覆盖范围大，可选择不同相变温度的相变微胶囊组合成复合相变微胶囊溶液实现全工况覆盖。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：包括热源塔体(10),该热源塔体(10)与冷却塔流液管路相连；热源塔体(10)外侧壁设有进风口；热源塔体(10)内设有换热腔，进风口与换热腔相连通；热源塔体(10)的换热腔中心为贯穿热源塔体(10)上、下部的中心通孔腔；换热腔内填充从空气中吸取热量的PVC填料(6)，PVC填料(6)为相变微胶囊溶液；

其换热腔的顶部与却塔流液进液管路相连通；热源塔体(10)的底端与冷却塔流液出液管路相连通；液体从进液管路进入换热腔内的填料(6)部，并从热源塔体(10)底端的出液管路回流至冷却塔内。

2.根据权利要求1所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的热源塔体(10)内的中心通孔腔的顶端设有风机(2)；中心通孔腔与换热腔之间设有第一除水板(7)；中心通孔腔的顶端设有风筒(1)；中心通孔腔与风筒(1)之间设有水平放置的第二除水板(14)；风筒(1)内设有风机(2)。

3.根据权利要求1所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的热源塔体(10)的换热腔的顶端设有布液盆；所述的布液盆与进液管路相连通；布液盆对流液的流速进行分布后流向下端换热腔内。

4.根据权利要求1所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的热源塔体(10)的底端设有集液池(9)；所述集液池(9)与出液管路相通过管路相互连通；集液池(9)与出液管路上设有第一截止阀(12)；集液池(9)与出液管路并联有第二截止阀(13)与溶液密度计(11)。

5.根据权利要求3所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的布液盆由隔板沿圆周分离成两圈环状布液盆腔一(31)与布液盆二圈(32)；所述的布液盆腔一(31)与布液盆腔二(32)的底部设有若干个开孔；布液盆腔一(31)的开孔率大于布液盆腔二(32)的开孔率；布液盆腔二(32)位于外圆周；布液盆腔一(31)与布液盆腔二(32)内每个开孔的下端设有布液喷头(4)。

6.根据权利要求1所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的相变微胶囊溶液；溶液为相变微胶囊与基液组成的悬浮溶液，溶液中的相变微胶囊中包裹的低温相变材料；其基液为乙二醇溶液、氯化钙溶液或其他冰点较低的溶液。

7.根据权利要求6所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：其相变微胶囊溶液中相变微胶囊由不同温度的微胶囊组合填充。

8.根据权利要求6所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：相变微胶囊为小粒径低相变驱动温差微胶囊，粒径范围为5-20μm。

9.根据权利要求6所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的热源塔体(10)呈倒梯形；热源塔体(10)进风口处设有倾斜状的百叶窗(5)。

10.根据权利要求1所述的基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，其特征在于：所述的热源塔体(10)的换热腔倾斜一定角度；倾斜角为5°～15°，热源塔中部的空气流道呈上扩锥形。