【原】技术推荐：采用相变方式与空气换热的热源塔新技术

       热源塔源自于日本，其优势在于零排放，但一次性投资较高，而且化霜技术一直备受诟病，影响换热器换热效率。今天我们就来分享一个相关技术内容。

一：化霜方式优势比较分析

       科技工作者尝试过许多化霜方式以解决蒸发器或热源塔结霜问题，目前主要有以下几种：

1、换热器外部来化霜。这种化霜方式会带走很多热量，并不可取；

2、反向运行化霜。这种化霜方式须房间取热，在一定程度上会让用户舒适度体验受到影响，而且无法用于中央空调。

3、采用不冻液作为热媒。用防冻液直接与空气进行热量交换会遇到防冻液冰点温度上移，但如果采用闭式防冻液循环那么热换热器表面结霜问题依然会存在。

        我们都知道，空气中的热能是包含着显热与潜热的，若要浓缩防冻液其所耗之能又使得显热＋潜热优势不复存在了，一般空气潜热会占整个空气能热量的25%，有些高湿度地区甚至占到35%以上。

       若直接针对防冻液去加温，使防冻液温度升高到零度以上来融霜这也是极不现实的，因为要使这么多防冻液升到零度以上会需要很长的时间，严重影响到用户的体验，这就是现行热源塔利弊之所在。

二：热壁换热器的原理

       下面我们分享一种新型的热壁换热器技术（发明专利号：201710721436.3）。

        该热壁换热器传热机理如同现行的热管和和均热板类似，都是采用高热流密度的相变方式远距离换热，只是它们存在结构上差异：热管是管式的，而热壁换热器是板式的。

       矩形热壁结构是这样的：两个矩形换热间壁间有着内支撑装置，该支撑装置可提供相变流体上下左右流通，其对角有可供相变流体进出的通道，多个同类热壁用连通管把其进出口都连接起来，上连接管走气相流体，下连接管走液相流体，如图1、2、3所示。

图1热壁适合外部流体垂直流动方式换热。

图2热壁适合外部流体水平流动方式换热。

图3是许多图2的热壁其进出口被上连通管和下连通管连接起来，它们可以起着整体协调方式的换热，各热壁之间可以置放换热翅片，根据需要可以把热壁簇分成吸热热壁簇和放热热壁簇，并且把吸热热壁和放热热壁分隔开来实现两种流体远距离换热。

如图4所示是两种气体流体之间远距离的换热。

图5图6图7是可以用作热源塔的热壁换热器。

1热壁连通管，2热壁，3热壁间换热翅片，4热风，5冷风，6放热与吸热热壁分隔板

三：热壁换热器化霜机理

       热壁换热器配有加热化霜装置的结构示意图5，该热壁换热器就是用来作为热源塔使用的，其热壁分成与空气换热的吸热热壁5和与防冻液换热的放热热壁8，其加热装置6连接在下连通管4上，当换热器内部相变流体获得空气显热与潜热后得到蒸发并通过上连通管3进入防冻液容积7内的放热热壁8里面，此时气态相变流体便释放潜热给防冻液后变成液态再次循环到吸热热壁5内去吸收空气热量，就这样周而复始地实现了相变流体在热壁换热器内封闭式循环，而防冻液就得到升温便经10流出防冻液容积7，那么换热器表面就会结霜，这时加热装置6就开始工作进行化霜，从而实现最直接最经济的化霜。

3上连通管，4下连通管，5与空气换热热壁，6加热装置，7不冻液容积外壳，8与不冻液换热热壁，9不冻液进，10不冻液出

四：热壁换热器化霜优势所在

       由于各热壁间是相互连通的，所以其内部压差几乎相等，温度梯度变化是非常小的，因此热壁相变流体与外面两种流体换热几乎也是等温状态，这样会极大提高换热效率，并且实现两换热流体远距离的高热流密度换热。

其主要优势如下：

1、热泵机组运行过程中防冻液温度要比管式翅片换热器的要高，所以压缩机耗能要节省，同时结霜机率要少些。

2、在－8℃以下的环境温度和小于60%相对湿度情况下也具有很强经济性。

3、可消除防冻液裸露空气外而腐蚀设备，无须浓缩防冻液，也无须补充防冻液，对环境友好。

4、无须冬季与夏季更换传热介质，使用不冻液作为传热介质循环于蒸发器、冷凝器与热源塔间，投资少。

5、加热化霜速度快，不影响用户的体验。

6、用相变等温方式远距离换热效率提高，结构变得更加紧凑，可实现0.1℃温差反应。

7、设备使用寿命长，机组运行稳定性好，管理方便。

五：相变换热方式的热源塔前景

        北方亦可以使用的相变式热源塔，其发明专利号：201711095027.3，如图6所示：

12轴流风扇，13防冻液热交换容积，14防冻液出口，16防冻液进口，16挡液装置，17制冷用喷淋循环泵，18空气换热热壁，19加热装置

       相变换热方式的热源塔在环境温度低于-8℃与相对湿度低于60%时其经济性依然良好，还有它的环保特性有力地挑战了传统锅炉采暖方式，这对节能减排改善空气质量会有极大帮助和促进作用。

       这是由于热壁换热器有像热管一样采用高热流密度相变方式远距离换热，而且不冻液与空气只有0.1℃温差它内部相变流体都可以反应，现行闭式热源塔运行时防冻液温度必须低于环境温度3℃以上，否则是难以从空气中获取热量，而热壁换热器则不然防冻液温度可以非常接近空气温度，这就会使热壁换热器的热源塔热泵系统的蒸发器温度于现行的3℃以上，同样其冷凝温度也会得到提升，而且可以使主机节能10%以上。它不像现行开式热源塔防冻液会在塔周围飘逸污染环境及腐蚀设备，而现行的闭式热源塔由于不是纯逆流换热其温度端差大，这就会造成蒸发温度过低而导致冷凝器温度也低，所以其采暖效果不佳，只适合环境温度不低于3℃情况下得到较好使用，它是无法向北方高纬度地域推广使用的。本热源塔技术借助热壁换热器等温换热和0.1℃温差反应特性实现高热流密度相变远距离换热在北方地区实施犹佳。

        图6中的19加热装置可以是小型锅炉，它不仅可以起到化霜作用，而且在极冷天气里还可以起到热能补偿作用，相当于采用锅炉提供十几度低温水热源，然后再链接热泵机组把这十几度低温水热源的热能转移至高温处提供给用户采暖，但现实中锅炉与热泵机组这种配合运行的方式很容易损伤锅炉的，因为锅炉运行长期处于低温烟气状态会导致火管遭受低温腐蚀（因为烟气处于露点温度以下运行会出现硝酸及硫酸腐蚀金属）。采用电加热为佳，因此采用小型电锅炉作为加热化霜装置，并兼做热能补偿装置可以应用于北方寒冷地区的采暖设备的热源塔。

六：一塔两用的系统优势

        现行闭式热源塔采用的是管式翅片换热器，而本发明专利所采用的是热壁换热器，热壁换热器可以实现空气与不冻液远距离换热，这种高热流密度的相变方式换热，可以实现等温换热，并且0.1℃温差反应，会使热源塔换热效率大幅提高，设备变得更加紧凑，无须添加防冻液储存设备，也无须添加防冻液浓缩装置，投资成本更加低廉。

1热源塔，2喷淋循环泵，3蒸发器，4压缩机，5冷凝器，6冷媒水循环泵，7冷却水循环泵，8用户，9、10四阀连通变换装置，11节流装置

本技术流程是这样实现的：

        热源塔1换热器里面的相变流体与空气进行热量交换，获取空气显热及空气中水分的潜热后，把获来的热量与循环到热源塔的不冻液进行热量交换，实现了空气与不冻液间接远距离相变式换热，不冻液温度升高，并通过冷媒循环泵6及四阀连通变换装置9及10传送至蒸发器内部去释放潜热给蒸发器3另一侧的制冷剂，制冷剂获此热量得到蒸发，并通过压缩机4的压缩把高焓值制冷剂传至冷凝器5内冷凝并释放潜热，冷凝器内部另一侧水媒获取制冷剂潜热后通过循环泵7及四阀连通变换装置9及10把热量带给用户8，就这样实现了低温热能向用户传递过程。

        在夏季实现其制冷功能时热源塔可当做凉水塔来使用，通过四阀连通变换装置9及10进行切换实现制冷功能，此时喷淋循环泵2就开始工作（冬季制热时此喷淋循环泵是不需要工作的，这就是它与现行的闭式热源塔不一样之一）。当循环泵7把冷凝器5内部的不冻液冷凝热通过四阀连通变换装置9及10输送到热源塔1内与此处换热器内部的相变流体换热，使相变流体得到蒸发，蒸发后的相变流体再去与空气进行热量交换，交换热量后自己得到冷凝，变成了液体再次循环到与不冻液进行热量交换的位置，这和冬季制热时一样也是相变方式与空气进行热量交换的，只是与空气换热区域变成了放热区，在冬季此区域不过是吸热区罢了。

       而当无法满足湿球温度冷却要求时，冷却喷淋循环泵2工作，使水降膜在换热器翅片的表面，在风扇运转形成负压情况下水膜表面蒸发并带走热壁换热器内部相变流体大量热量，使气相流体释放潜热后冷凝成液体，此液体再次循环到不冻液区域与不冻液进行热量交换，就是这样周而复始循环着不断相变方式换热，而压缩机4工作把制冷剂压缩到冷凝器5内，并通过循环泵7输送来的不冻液与冷凝器内部的高压高温制冷剂进行热量交换后再次通过四阀连通变换装置9及10进入到凉水塔（热源塔）实现散热，而冷凝后变成液态的制冷剂又通过节流装置11再次回到蒸发器3里与这边另一侧水媒进行换热并吸收水媒潜热得以蒸发，蒸发后制冷剂再次被压缩机压入到冷凝器里，制冷剂就是这样周而复始地循环，而循环泵6输送着低温水媒通过四阀连通变换装置9及10后至用户8。这就是本技术制冷与制热总体循环过程。