海水乙二醇溶液之换热器的设计.doc

海水與乙二醇溶液之換熱器的設計**大學俞潔，由世俊，張歡摘要海水源熱泵具有節能環保、運行穩定等特點，目前在沿海地區越來越受到關注港30 萬噸油碼頭辦公樓採用海水源熱泵採暖空調系統由於海水的腐蝕性和海洋生物附著問題，工程中海水不直接進入熱泵機組，而是採用中間換熱器，使海水與來自熱泵機組的乙二醇溶液在換熱器中進行換熱港地處渤海灣，擁有豐富的海水資源，並且使用海水源熱泵已經具有可靠的技術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，這種高效經濟的換熱器，將非常有利於海水源熱泵在我國沿海地區的推廣應用關鍵字海水源熱泵；換熱器計算；防腐；阻力性能Abstract The sea-water source heat pump technology has been paid great attention to in the coastal regions because of its energy-saving, environment protection and operation stability and so on. The sea-water source heat pump air conditioning system has been used for the office building in Tianjin Port’s 300,000-ton oil dock. Considering the seawater corrosion and halobios adhesions, we adopt heat e*changer to transfer building heat or cold to seawater. The seawater doesn’t go into the heat e*changer, but e*changes the energy with glycol liquor which es from the heat pump unit.Tianjin Port area is rich in seawater, and the use of seawater-source heat pump has a reliable technical support. The heat e*changer can be a good intermediate solution of the corrosion of sea water. It can be conveniently washed and has good effect of heat transfer.To design a kind of heat e*changer with the characteristic of high efficiency and great economic value will beneficially e*tent the sea-water source heat pump in our country’s littoral.1 前言隨著我國沿海城市經濟的不斷發展，城市人民生活水準的提高，建築能耗總量也逐年上升，其中用於空調系統的能耗在總建築能耗中佔有較高的比例，在一些高檔公共建築的全年能耗中，大約 50%～60％消耗於空調製冷及採暖系統，故空調系統節能，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隨著水源熱泵技術的不斷發展，地下水、井水等作為低位熱源的熱泵技術在工程中得到廣泛應用目前在**、**、、**等地均有一些工程採用水源熱泵技術，並取得良好的效果，達到了節能目的，同時在分戶計量、節省機房、易改造等方面也體現出了諸多優勢因此水源熱泵技術正趨於成熟，而對於我國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，因此假设能將海水應用於空調系統中，應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海水源熱泵是以海水作為熱源的可以進行製冷/製熱迴圈的一種熱泵，在製熱的時候以水作為熱源，在製冷的時候以水作為排熱源海水作為冷熱源時，室外溫度對海水溫度的影響緩慢，與當地空氣的最高和最低溫度存在差別，這對熱泵的工作非常有利在夏季，海水的溫度低於室外空氣溫度，可降低熱泵的冷凝溫度;在冬季，海水的溫度高於室外空氣溫度，可提高熱泵的蒸發溫度因此，以海水作為冷熱源的海水源熱泵比空氣源熱泵節能，性能係數也大幅提高但是海水應用於熱泵系統中的關鍵技術之一是要解決海水管道、海水設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系統運行特性，進而對海水作為熱泵冷熱源的可行性進行分析的前提條件。

海水源熱泵應用中存在的另一主要問題是冬季海水溫度過低〔低於3℃〕的問題當海水入口溫度過低時，機組效率將會大大減小，甚至會發生結冰而無法運行[1]港在海水溫度最低的2月份，大局部區域的外表溫度在0℃左右[2]3 工程簡介[2]**海域位於渤海灣西岸，海岸線長達153.33公里，**港一帶擁有豐富的海水資源根據渤海海溫資料，月最高值出現在8 月，月最低值出現在2月冬季渤海灣平均海溫值分別為-0.63℃，存在結冰現象，夏季渤海灣平均海溫值為26.02℃港 30 萬噸油碼頭前方作業樓〔辦公樓〕共三層，建築面積3000 ㎡其中二、三層中各辦公房間均需進行空調系統的設計，一層設備房只設計通風該建築物夏季空調冷負荷為 210kW，冬季採暖熱負荷為100kW該辦公樓建在海上，除了電能以外沒有其它能源供給，這時海水作為空調系統冷熱源成為該工程的首選方案據研究，當冬季熱源水溫低於15℃或夏季冷源水溫高於35℃時，都將使水源熱泵機組的運行費用大幅提高，很難達到節能的目的因此，為瞭解決冬季海水溫度過低的問題，本工程以海水源熱泵系統為基礎，對熱泵系統中所使用的中間換熱器進行設計計算4 換熱器的設計4.1 換熱器的防腐處理對於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〕，並且已具有一定的技術基礎。

但是鈦板價格昂貴，導致換熱器造價太高，所以本文研發一種新型的換熱器，防止由於使用鈦板產生的高投資，同時具有很好的換熱效能和較長的壽命，使其綜合“素質〞優於鈦板換熱器最終採用對鋼製管材、塗層保護的方式，在鋼製換熱器的外部塗上一層防腐塗漆，以達到防腐的目的，這樣也減小了採用板式換熱器時流體的流動阻力，同時防止了對塑膠換熱管的固定要求4.2 換熱器結構形式的選定由於海水在冬季最冷時其溫度甚至接近冰點溫度，本工程選用開式的換熱器形式，這種結構海水不易結冰，即使結冰了也容易除冰，而且此種結構在結冰情況下換熱管不易凍裂；這種型式也非常有利於清洗附著在換熱器中的海水海生物換熱器內鋼管的佈置類似於管殼式換熱器中管子的正方形排列[3]，水準方向的管子數可以任意選擇，如3 根、4 根、6 根等；豎直方向的管子層數也可以根據計算最終確定，不同的結構會導致換熱管的層數不同為了使換熱效果達到最好，本工程換熱器內流體流動採用逆流形式換熱器內安裝鋼製換熱管，根據目前常用的鋼管尺寸參數，換熱鋼管管徑有19mm、25mm 等由於該工程中機房所能提供面積的限製，換熱器的長度不能超過4m，寬度根據其流程最寬不能超過1m根據已有的這些參數，確定海水及乙二醇溶液流程數，所需要換熱鋼管總管數以及每個流程的管子數和管子層數等。

4.3 換熱器的計算工程中冬〔夏〕季時海水均不直接進入熱泵機組，而是通過中間換熱器，與來自熱泵機組的乙二醇溶液進行換熱以實現對機組蒸發器〔冷凝器〕的供熱〔製冷〕該工程冬季熱負荷為100kW，夏季冷負荷為210 kW擬定採用兩個換熱器，這樣換熱器檢修時系統不至於完全中斷運行則每個換熱器應該承擔的負荷為——冬季50 kW、夏季105 kW本工程換熱器設計思路為，採用平均溫差法〔 LMTD 〕[4]以滿足夏季工況換熱量進行設計計算，然後對冬季工況進行校核在換熱器設計過程中，結構佈置、傳熱分析、流阻分析應交錯進行，因為它們是相互影響的4.3.1 根本方程式對於換熱器熱計算，無論是設計性熱計算還是校核性熱計算，所採用的根本方程式有兩個，即傳熱方程式及熱平衡式，分別為：〔1〕〔2〕式〔1〕、〔2〕中 Q為換熱量，W；K為總傳熱係數，W/〔m2·K〕；F為換熱面積，m2；△tm為平均溫差，K；Mi，Mo為乙二醇溶液和海水的流量，kg/s；tii,tio為乙二醇進、出口溫度，℃；toi,too為海水進、出口溫度，℃；cpi,cpo為乙二醇溶液和海水的比熱，J/(kg·K)4.3.2 傳熱係數計算在確定換熱器的傳熱熱阻時，重要的是先確定兩側流體對壁外表的對流換熱係數及污垢係數。

4.3.2.1 換熱係數的計算根據努謝爾特準則，可計算得到〔1〕管側換熱係數[5]①對於光滑管內紊流，常用的是迪圖斯—貝爾特〔Dittus—Boelter〕推薦的關聯式：〔3〕〔4〕該式適用於流體與壁面具有中等以下溫度差適應參數範圍；；；定性溫度為全管長流體平均溫度；定性尺寸為管內徑 ②對於光滑管內層流，西得和塔特提出的常壁溫層流換熱關聯式為： (5)該式適用範圍是：〔2〕殼側換熱係數當殼側無折流板時，一般按縱向流過管束考慮，求得當量直徑後再按管內流動公式計算[6]對於可取近似值，液體被加熱時，取，液體被冷卻時則取4.3.2.2 污垢熱阻的選取在管殼式換熱器中，隨著污垢在傳熱外表上的積聚，流道外表的粗糙度增加，引起摩擦係數增大，並且流體的流通截面積減少，在一样體積流量的情況下，流體流速增加，壓力降增大污垢增加了熱阻，使傳熱係數減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用Rf表示：〔6〕式中：為有污垢後的換熱面的傳熱係數，為潔淨換熱面的傳熱係數該換熱器計算，管內污垢熱阻選取=0.0002,管外污垢熱阻選取=0.0001[7]4.3.2.3 對數平均溫差的計算對於平均溫差法，在文獻[2]中已推導出對於順流、逆流熱交換器均可適用的平均溫差計算公式：〔7〕如果流體的溫度沿傳熱面變化不太大，例如當時，可用算術平均的方法計算平均溫差，稱算數平均溫差，即〔8〕4.3.2.4 傳熱係數的計算習慣上一般把換熱係數較小的一側的流體所接觸的壁面外表積稱為該換熱器的傳熱面積[5]。

對於兩側均已結垢的管殼式換熱器，以管子外外表積為基準的傳熱係數可以表示成[6]：〔9〕對於該換熱器，換熱管有鋼管和防腐塗漆兩層，傳熱係數關係式可表示為：〔10〕式(9)、(10)中，αi,αo分別為管側和殼側對流換熱係數，W/〔m2·K〕；di,do分別為換熱鋼管內外徑，換熱管壁厚為2.5mm,di =20mm,do=25mm；doo為塗漆後鋼管外徑，塗漆厚度為2mm，doo =29mm；λw,λ為鋼管和防腐塗漆的導熱係數，λw =40W/(m·K) , λ =0.5 W/(m·K)4.3.3 流動阻力〔壓力降〕計算[6]流動阻力的大小與流體本身的物理性質、流動狀況及壁面的形狀等因素有關熱交換器中的流動阻力可分三局部，即流體與壁面間的摩擦阻力；流體在流動過程中，由於方向改變或速度突然改變所產生的局部阻力；流體流入換熱器進、出口連接收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阻力，常常控製在一定允許範圍內按一般經驗，對於液體常控製在104～105Pa範圍內4.3.3.1 管程阻力計算〔11〕式中，△Pt、△Pi、△Pr、△PN分別為管程總阻力，沿程阻力，回彎阻力及進、出口連接收阻力，Pa；Ft為結垢校正因。