海水—乙二醇溶液換熱器的設(shè)計(jì)天津大學(xué)俞潔，由世俊，張歡摘要海水源熱泵具有節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前在沿海地區(qū)越來越受到關(guān)注。天津港30萬噸油碼頭辦公樓采用海水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)。由于海水的腐蝕性和海洋生物附著問題，工程中海水不直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，而是采用中間換熱器，使海水與來自熱泵機(jī)組的乙二醇溶液在換熱器中進(jìn)行換熱。天津港地處渤海灣，擁有豐富的海水資源，并且使用海水源熱泵已經(jīng)具有可靠的技術(shù)保障。本工程中換熱器能很好的解決海水的腐蝕問題，清洗方便，換熱效果好，這種高效經(jīng)濟(jì)的換熱器，將非常有利于海水源熱泵在我國(guó)沿海地區(qū)的推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞海水源熱泵；換熱器計(jì)算；防腐；阻力性能AbstractThesea-watersourceheatpumptechnologyhasbeenpaidgreatattentiontointhecoastalrebecauseofitsenergy-saving,environmentprotectionandoperationstabilityandsoon.Thesea-waterheatpumpairconditioningsystemhasbeenusedfortheofficebuildinginTian-jtionnPooritl'dsoc3k0.0,000Consideringtheseawatercorrosionandhalobiosadhesions,weadoptheatexchangertotransferbuildingcoldtoseawater.Theseawater'dtoegsonintotheheatexchanger,butexchangestheenergywithglycolliqwhichcomesfromtheheatpumpunit.TianjinPortareaisrichinseawater,andtheuseofseawater-soupumphasareliabletechnicalsupport.Theheatexchangercanbeagoodintermediatesolutionofthecoofseawater.Itcanbeconvenientlywashedandhasgoodeffectofheattransfer.Todesiagnkindofheatexchangerwiththecharacteristicofhighefficiencyandgreateconomicvaluewillbeneficiallyextentwatersourceheatpumpinourcountry'slittoral.1前言隨著我國(guó)沿海城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市人民生活水平的提高，建筑能耗總量也逐年上升，其中用于空調(diào)系統(tǒng)的能耗在總建筑能耗中占有較高的比例，在一些高檔公共建筑的全年能耗中，大約50%—60%消耗于空調(diào)制冷及采暖系統(tǒng)，故空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，意義重大。海洋作為容量巨大的可再生能源在目前尚未得到充分的開發(fā)。隨著水源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，地下水、井水等作為低位熱源的熱泵技術(shù)在工程中得到廣泛應(yīng)用。目前在上海、深圳、北京、天津等地均有一些工程采用水源熱泵技術(shù)，并取得良好的效果，達(dá)到了節(jié)能目的，同時(shí)在分戶計(jì)量、節(jié)省機(jī)房、易改造等方面也體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)。因此水源熱泵技術(shù)正趨于成熟，而對(duì)于我國(guó)沿海城市來說具有豐富的海水資源，且海水溫度冬季較室外溫度高，夏季較室外溫度低，因此若能將海水應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，應(yīng)該說是一種天然理想的冷熱源。2海水源熱泵的原理和特點(diǎn)海水源熱泵是以海水作為熱源的可以進(jìn)行制冷/制熱循環(huán)的一種熱泵，在制熱的時(shí)候以水作為熱源，在制冷的時(shí)候以水作為排熱源。海水作為冷熱源時(shí)，室外溫度對(duì)海水溫度的影響緩慢，與當(dāng)?shù)乜諝獾淖罡吆妥畹蜏囟却嬖诓顒e，這對(duì)熱泵的工作非常有利。在夏季，海水的溫度低于室外空氣溫度，可降低熱泵的冷凝溫度。在冬季，海水的溫度高于室外空氣溫度，可提高熱泵的蒸發(fā)溫度。因此，以海水作為冷熱源的海水源熱泵比空氣源熱泵節(jié)能，性能系數(shù)也大幅提高。但是海水應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一是要解決海水管道、海水設(shè)備的腐蝕問題以及海洋生物附著問題，這一問題是研究海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特性，進(jìn)而對(duì)海水作為熱泵冷熱源的可行性進(jìn)行分析的前提條件。海水源熱泵應(yīng)用中存在的另一主要問題是冬季海水溫度過低（低于3C）的問題。當(dāng)海水入口溫度過低時(shí)，機(jī)組效率將會(huì)大大減小，甚至?xí)l(fā)生結(jié)冰而無法運(yùn)行[1]。天津港在海水溫度最低的2月份，大部分區(qū)域的表面溫度在0C左右⑵。3工程簡(jiǎn)介[2]天津海域位于渤海灣西岸，海岸線長(zhǎng)達(dá)153.33公里，天津港一帶擁有豐富的海水資源。根據(jù)渤海海溫資料，月最高值出現(xiàn)在8月，月最低值出現(xiàn)在2月。冬季渤海灣平均海溫值分別為-0.6^，存在結(jié)冰現(xiàn)象，夏季渤海灣平均海溫值為26.020。天津港30萬噸油碼頭前方作業(yè)樓（辦公樓）共三層，建筑面積3000川。其中二、三層中各辦公房間均需進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一層設(shè)備房只設(shè)計(jì)通風(fēng)。該建筑物夏季空調(diào)冷負(fù)荷為210kW，冬季采暖熱負(fù)荷為100kW。該辦公樓建在海上，除了電能以外沒有其它能源供給，這時(shí)海水作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源成為該工程的首選方案。據(jù)研究，當(dāng)冬季熱源水溫低于150或夏季冷源水溫高于350時(shí)，都將使水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用大幅提高，很難達(dá)到節(jié)能的目的。因此，為了解決冬季海水溫度過低的問題，本工程以海水源熱泵系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)熱泵系統(tǒng)中所使用的中間換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。4換熱器的設(shè)計(jì)4.1換熱器的防腐處理對(duì)于海水源熱泵工程中的換熱器，常常選用耐腐蝕材料換熱器（通常為鈦板換熱器），并且已具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)。但是鈦板價(jià)格昂貴，導(dǎo)致?lián)Q熱器造價(jià)太高，所以本文研發(fā)一種新型的換熱器，避免由于使用鈦板產(chǎn)生的高投資，同時(shí)具有很好的換熱效能和較長(zhǎng)的壽命，使其綜合“素質(zhì)”優(yōu)于鈦板換熱器。最終采用對(duì)鋼制管材、涂層保護(hù)的方式，在鋼制換熱器的外部涂上一層防腐涂漆，以達(dá)到防腐的目的，這樣也減小了采用板式換熱器時(shí)流體的流動(dòng)阻力，同時(shí)避免了對(duì)塑料換熱管的固定要求。4.2換熱器結(jié)構(gòu)形式的選定由于海水在冬季最冷時(shí)其溫度甚至接近冰點(diǎn)溫度，本工程選用開式的換熱器形式，這種結(jié)構(gòu)海水不易結(jié)冰，即使結(jié)冰了也容易除冰，而且此種結(jié)構(gòu)在結(jié)冰情況下?lián)Q熱管不易凍裂；這種型式也非常有利于清洗附著在換熱器中的海水海生物。換熱器內(nèi)鋼管的布置類似于管殼式換熱器中管子的正方形排列[3]，水平方向的管子數(shù)可以任意選擇，如3根、4根、6根等；豎直方向的管子層數(shù)也可以根據(jù)計(jì)算最終確定，不同的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管的層數(shù)不同。為了使換熱效果達(dá)到最好，本工程換熱器內(nèi)流體流動(dòng)采用逆流形式。換熱器內(nèi)安裝鋼制換熱管，根據(jù)目前常用的鋼管尺寸參數(shù)，換熱鋼管管徑有19mm、25mm等。由于該工程中機(jī)房所能提供面積的限制，換熱器的長(zhǎng)度不能超過4m，寬度根據(jù)其流程最寬不能超過lm。根據(jù)已有的這些參數(shù)，確定海水及乙二醇溶液流程數(shù)，所需要換熱鋼管總管數(shù)以及每個(gè)流程的管子數(shù)和管子層數(shù)等。4.3換熱器的計(jì)算工程中冬（夏）季時(shí)海水均不直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，而是通過中間換熱器，與來自熱泵機(jī)組的乙二醇溶液進(jìn)行換熱以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組蒸發(fā)器（冷凝器）的供熱（制冷）。已知該工程冬季熱負(fù)荷為lOOkW,夏季冷負(fù)荷為210kW。擬定采用兩個(gè)換熱器，這樣換熱器檢修時(shí)系統(tǒng)不至于完全中斷運(yùn)行。則每個(gè)換熱器應(yīng)該承擔(dān)的負(fù)荷為 冬季50kW、夏季105kW。本工程換熱器設(shè)計(jì)思路為，采用平均溫差法（LMTD）[4]以滿足夏季工況換熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，然后對(duì)冬季工況進(jìn)行校核。在換熱器設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)布置、傳熱分析、流阻分析應(yīng)交錯(cuò)進(jìn)行，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ビ绊懙摹?.3.1基本方程式對(duì)于換熱器熱計(jì)算，無論是設(shè)計(jì)性熱計(jì)算還是校核性熱計(jì)算，所采用的基本方程式有兩個(gè)，即傳熱方程式及熱平衡式，分別為：QKFt（1）mQMcp（tt）Mcp（tt）（2）iiioiioooioo式（1）、（2）中Q為換熱量，W；K為總傳熱系數(shù)，W/（m2?K）；F為換熱面積，m2；^^為平均溫差，K；MpM。為乙二醇溶液和海水的流量，kg/st辻t。為乙二醇進(jìn)、出□溫度，?;乞,殺為海水進(jìn)、出□溫度，C；cpic。為乙二醇溶液和海水的比熱，J/（k?K）。4.3.2傳熱系數(shù)計(jì)算在確定換熱器的傳熱熱阻時(shí)，重要的是先確定兩側(cè)流體對(duì)壁表面的對(duì)流換熱系數(shù)及污垢系數(shù)。換1熱系數(shù)的計(jì)算 d根據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則,N回計(jì)算得到。（1） 管側(cè)換熱系數(shù)i[5]i對(duì)于光滑管內(nèi)紊流，常用的是迪圖斯一貝爾特（Dittu—Boelter推薦的關(guān)聯(lián)式：Nu 0.023Re0-8Pr0-4（t t時(shí)）（3）i i i i oNu 0.023Re0?8Pro.3（tt時(shí)）（4）i i i io該式適用于流體與壁面具有中等以下溫度差。適應(yīng)參數(shù)范圍L/d10；Ref104；Prf0.7~160;定性溫度為全管長(zhǎng)流體平均溫度匚；定性尺寸為管內(nèi)徑J。對(duì)于光滑管內(nèi)層流，西得和塔特提出的常壁溫層流換熱關(guān)聯(lián)式為：Nu1.86Re0.333Pr0.333（d/L）1/8（/）0.14 （5）該式適用范圍是：i ii io0.48Pr16；0.700440（0/）9.75。io（2） 殼側(cè)換熱系數(shù)oo當(dāng)殼側(cè)無折流板時(shí)，一般按縱向流過管束考慮，求得當(dāng)量直徑后再按管內(nèi)流動(dòng)公式計(jì)算［6］。對(duì)于(i/o)n可取近似值，液體被加熱時(shí)，取(i/o)0.141.05，液體被冷卻時(shí)則取ioio(/)0.140.95。io污2垢熱阻的選取在管殼式換熱器中，隨著污垢在傳熱表面上的積聚，流道表面的粗糙度增加，引起摩擦系數(shù)增大，并且流體的流通截面積減少，在相同體積流量的情況下，流體流速增加，壓力降增大。污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用Rf表示：式中：K為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，K。為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。該換熱器計(jì)算，管內(nèi)污垢熱阻Rfi選取Rfi=0.0002m2K/W，管外污垢熱阻Rfo選取R=0.0001m2K/W［7］。fo4.3.2.對(duì)3數(shù)平均溫差的計(jì)算對(duì)于平均溫差法，在文獻(xiàn)［2］中已推導(dǎo)出對(duì)于順流、逆流熱交換器均可適用的平均溫差計(jì)算公式：t' t'7)lnt't如果流體的溫度沿傳熱面變化不太大數(shù)平均溫差，即例如當(dāng)豐時(shí),2如果流體的溫度沿傳熱面變化不太大數(shù)平均溫差，即min1(8) t(tt)m2maxmin4.3.2.傳4熱系數(shù)的計(jì)算 2習(xí)慣上一般把換熱系數(shù)較小的一側(cè)的流體所接觸的壁面表面積稱為該換熱器的傳熱面積［5］。對(duì)于兩側(cè)均已結(jié)垢的管殼式換熱器，以管子外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)可以表示成［6］：9)Rfid9)Rfid―odiRfo對(duì)于該換熱器，換熱管有鋼管和防腐涂漆兩層，傳熱系數(shù)關(guān)系式可表示為：10)Rfidodi10)Rfidodido2wlndoddooln(2dRfo式(9)、(10沖，aa分別為管側(cè)和殼側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2?K);d|,d分別為換熱鋼管內(nèi)外徑，換熱管壁厚為2.5mm,d=20mm,d=25mm；d為涂漆后鋼管外徑，涂漆厚度為2mm，d=29mm；久，久i o oo oo w為鋼管和防腐涂漆的導(dǎo)熱系數(shù)，久=40W/(m?K),左0.5W/(m?K)。w4.3.3流動(dòng)阻力(壓力降)計(jì)算[6]流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。熱交換器中的流動(dòng)阻力可分三部分，即流體與壁面間的摩擦阻力；流體在流動(dòng)過程中，由于方向改變或速度突然改變所產(chǎn)生的局部阻力；流體流入換熱器進(jìn)、出口連接管的阻力。其中局部水頭損失一般僅為沿程水頭損失的5%—10%。換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，常常控制在一定允許范圍內(nèi)。按一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體常控制在104—105Pa范圍內(nèi)。管1程阻力計(jì)算P(PPP)F(11)t irNt式中，△Pt、APi、APr、APN分別為管程總阻力，沿程阻力，回彎阻力及進(jìn)、出□連接管阻力，Pa；Ft為結(jié)垢校正因數(shù)殼2程阻力計(jì)算對(duì)于相同的雷諾數(shù)，殼程摩擦系數(shù)大于管程摩擦系數(shù)，因?yàn)榱鬟^管束的流動(dòng)有加速、方向變化等，但殼程的壓降不一定大，因壓降與流速、水力計(jì)算、折流板數(shù)、流體密度等有關(guān)，因此在同樣的雷諾數(shù)時(shí)，殼程壓降有可能比管程低。一般認(rèn)為，對(duì)于無折流板時(shí)，可用管程阻力公式計(jì)算殼程阻力。P(PPP)F(12)tirNS式中，△Pt、APi、APr、APN為同式(3-10)，Pa；Fs為結(jié)垢校正因數(shù)。通過流阻計(jì)算，可以判斷流體流過所設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，所有的壓降在系統(tǒng)上是否允許，或籍此確定泵送流體流過換熱器所需的壓頭，以及泵送流體要消耗的功率，以便對(duì)輸送流體的機(jī)械作出選擇。換熱器的流阻分析中，要注意各部分流阻的大小對(duì)換熱面芯體流速分布均勻性的影響。換熱器進(jìn)出□、聯(lián)箱、導(dǎo)流腔等流阻很大，將引起換熱面通道中各部分流速分布明顯地不均勻，從而嚴(yán)重地影響換熱器的傳熱性能。4.3.4縱向隔板長(zhǎng)度計(jì)算[6]確定縱向隔板長(zhǎng)度的基本原則是使流體在縱向隔板轉(zhuǎn)彎時(shí)的流速與各流程中順管束流動(dòng)時(shí)速度基本相等，亦即每一流程的流通截面積基本相等。因此縱向隔板的長(zhǎng)度應(yīng)滿足，當(dāng)海水從一個(gè)流程流入另一個(gè)流程時(shí)，海水流過的截面積與單個(gè)流程的截面積保持一致。4.3.53出□連接管直徑計(jì)算⑹確定連接管直徑的基本公式仍用連續(xù)性方程，經(jīng)簡(jiǎn)化之后的計(jì)算公式為：(13) D」竺1.13,u式中，D為連接管直徑，m；M為流體流量，kg/s； 為流體密度，kg/m3；u為流體流速，m/s。其中流速的數(shù)值應(yīng)盡量選擇與設(shè)備中的相同，按上式算出的管徑，還應(yīng)圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)的管徑。如果流量很大時(shí)，可以通過控制進(jìn)、出□處的壓降損失來確定管徑。4.4換熱器計(jì)算結(jié)果利用VB程序，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算與校核，該工程首先確定換熱器的大致結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下可以滿足建筑物負(fù)荷要求。已知參數(shù)：冬季換熱量50kW,夏季換熱量105kW。海水與乙二醇溶液的物性參數(shù)值：(1)海水A=0.5586W/(m?；v=1.06/100000?/sp=1025kg/m3cp°=4217J/(kg)q(2)乙二醇溶液4=0.525W/(mK^；v=1.73/1000000rf/sp=1020kg/m3cpi=3831J/(kg)q夏季設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)海水進(jìn)、出口溫度為24/28C，乙二醇溶液進(jìn)、出□溫度為33/29C，冬季校核計(jì)算時(shí)海水進(jìn)、出□溫度為0/-2S，乙二醇溶液進(jìn)、出□溫度為-4/-1;海水的流量為20t/h乙二醇溶液的流量為16t/h換熱器內(nèi)各換熱管之間水平方向管間距12.5mm，垂直方向管間距44.5mm。經(jīng)計(jì)算得換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：換熱管管外徑25mm，壁厚2.5mm;換熱器中海水與乙二醇溶液的流程數(shù)為8個(gè)流程；每個(gè)流程的換熱管為正方形排列，其中水平方向換熱管數(shù)為3根，垂直方向換熱管層數(shù)為14層;換熱管單程長(zhǎng)為3m，因此該換熱器共需3m長(zhǎng)的換熱管336根，如圖1所示。圖1換熱器結(jié)構(gòu)示意圖(a)正視圖(b)俯視圖(c)側(cè)視圖5結(jié)論(1)本工程通過分析海水水質(zhì)及溫度等特點(diǎn)，確定選用開式的換熱器型式，開式結(jié)構(gòu)便于清洗