直接式海水源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)及熱力性能評(píng)價(jià)

馬海平

摘 要：本文以海水直接進(jìn)入換熱器的直接式熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立機(jī)組設(shè)計(jì)模型，并對(duì)該設(shè)計(jì)機(jī)組進(jìn)行組裝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)換熱器與設(shè)計(jì)工況進(jìn)行不斷優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)了大型熱泵空調(diào)機(jī)組制冷劑內(nèi)轉(zhuǎn)換的可行性，減少管道及換熱器的防腐面積，并達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，為直接式海水源機(jī)組進(jìn)一步優(yōu)化提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：海水源熱泵； 換熱器； 傳熱系數(shù)； 傳熱系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.235

0 引言

海洋熱能是海洋能源的主體，它是海洋上層溫海水與深海冷水之間存在溫差而蘊(yùn)有的能量，海洋能來(lái)源于太陽(yáng)能，是儲(chǔ)存于海水中的太陽(yáng)能，因此是一種可再生能源，地球表面70%為海洋所覆蓋，水體巨大，所包含的熱能十分龐大，據(jù)估計(jì)，海洋能的能量比其他各種海洋能源，如波浪能、潮汐能、海流能的總和還要多。穩(wěn)定性是海洋能一大優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能、潮汐能都是不穩(wěn)定或是周期性的，其開發(fā)利用都會(huì)碰到復(fù)雜昂貴的蓄能問(wèn)題，而海洋能本身就是儲(chǔ)存在海洋中的太陽(yáng)能，海洋就是一個(gè)巨大的儲(chǔ)能器，由于水體巨大，溫度十分穩(wěn)定，其晝夜變化可以忽略，季節(jié)性溫差變化只有2～3℃，并且有規(guī)律，可預(yù)測(cè)的，因此海洋能的熱利用是取之不盡，用之不竭的，海水溫度一般在25～30℃，接近常溫，海洋能作為熱源直接使用幾乎沒(méi)有意義，然而用熱泵的形式通過(guò)熱力循環(huán)，則可以把低品位的熱能轉(zhuǎn)化為高品位的熱能，意義重大。

1 理論分析

為減少海水對(duì)機(jī)組的腐蝕性，降低制造成本，讓海水只通過(guò)一個(gè)換熱器是一種比較理想的換熱方式。要使機(jī)組滿足冬夏兩用，須要用四通換向設(shè)備。直接式海水源熱泵機(jī)組，工作時(shí)它的冷熱源可以是海水也可以是污水、工業(yè)廢水，可以將海水或者污水稍加過(guò)濾可直接通入。

夏季制冷運(yùn)行時(shí)：壓縮機(jī)通過(guò)四通閥不斷地從滿液蒸發(fā)器中抽取制冷劑蒸氣，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮，制冷劑由低溫低壓蒸氣轉(zhuǎn)變成高溫高壓蒸氣。高溫高壓制冷劑蒸氣通過(guò)四通閥進(jìn)入冷凝器器內(nèi)冷凝，放出大量熱被換熱器管程海水或者污水吸收，被冷凝的高壓液體制冷劑經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流、降壓，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐评鋭庖夯旌衔铩＝?jīng)過(guò)止回閥進(jìn)入滿液蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，從空調(diào)冷凍水中吸收熱量，從而降低了空調(diào)水的溫度，低壓制冷蒸氣進(jìn)入四通閥被壓縮機(jī)抽取，從而形成一個(gè)制冷循環(huán)。

冬季制熱時(shí)：壓縮機(jī)排出的高溫蒸汽通過(guò)四通閥進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝，與系統(tǒng)水進(jìn)行換熱，熱水可以直接通入熱負(fù)荷區(qū)域，冷凝下來(lái)的液體經(jīng)過(guò)電子膨脹閥及止回閥，進(jìn)入蒸發(fā)器，從海水源或者污水源中吸收熱量蒸發(fā)成低壓氣體，這些低壓制冷劑氣體通過(guò)四通閥進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮形成一個(gè)制熱循環(huán)。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）設(shè)計(jì)工況。

蒸發(fā)溫度3.5℃ 冷凝溫度34℃

冷媒水進(jìn)水溫度12℃，出水溫度7℃

熱源水進(jìn)水溫度18℃ ，出水溫度29℃

（2）設(shè)計(jì)負(fù)荷：180lt

（3）換熱器選型計(jì)算。

進(jìn)入海水的換熱器采用高性能的Ni-Cu換熱管，殼體用碳鋼板，內(nèi)涂防腐材料，封頭采用鑄鐵封頭，內(nèi)涂防腐涂料。另一臺(tái)換熱器為普通換熱器，但換熱管表面強(qiáng)化方式相同。

由于本機(jī)組設(shè)計(jì)采用制冷劑內(nèi)轉(zhuǎn)換形式，所以蒸發(fā)器即使冷凝器又是蒸發(fā)器，所以本機(jī)組換熱器設(shè)計(jì)冷凝器與蒸發(fā)器換熱面積相等。本換熱器采用高低相間的尖肋梯形槽VA換熱管，換熱器按滿液換熱器設(shè)計(jì)。

管內(nèi)為單相強(qiáng)制對(duì)流換熱。

計(jì)算結(jié)果：

（4）四通閥： 本項(xiàng)目與制冷配件公司聯(lián)合開發(fā)超大型四通閥，以適應(yīng)大型海水源熱泵的需求。

（5）壓縮機(jī)：選擇比澤爾壓縮機(jī)

（6）膨脹閥：采用愛默生X7電子膨脹閥

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試數(shù)據(jù)如表2：

從數(shù)據(jù)上看，此結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)的92%，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行開始30min左右，就會(huì)出現(xiàn)冷凝器高壓報(bào)警的現(xiàn)象，冷凝溫度過(guò)高，通過(guò)調(diào)整膨脹閥的開度，作用不是很大，通過(guò)蒸發(fā)器視液鏡可以看到蒸發(fā)器內(nèi)最頂端有大量白色泡沫，壓縮機(jī)視液鏡內(nèi)也有出現(xiàn)白色泡沫，應(yīng)該可以看出，壓縮機(jī)有液擊現(xiàn)象，制冷劑可能過(guò)量，對(duì)于雙滿液換熱器，制冷劑使用量不好確定，然后開始對(duì)制冷劑的使用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)器內(nèi)白色泡沫明顯減少，壓縮機(jī)視液鏡內(nèi)沒(méi)有白色泡沫，制冷劑過(guò)量問(wèn)題得到改善。通過(guò)圖2可以看出，隨著制冷劑不斷減少，到120公斤左右時(shí)，蒸發(fā)溫度提高到1.5℃，再減少制冷劑就會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)溫度呈下降趨勢(shì)，從圖3看出，制冷量達(dá)也在120kg左右達(dá)到最高制冷量610kw左右，再減少制冷劑使用量，就會(huì)出現(xiàn)制冷劑降低的情況。在對(duì)制冷劑進(jìn)行減少過(guò)程中，制冷量和蒸發(fā)溫度都有變化，但是影響不是非常明顯。壓縮機(jī)還是出現(xiàn)高壓報(bào)警情況，另外還出現(xiàn)高溫報(bào)警。最后判斷為冷凝器冷凝面積小。通過(guò)對(duì)換熱器預(yù)留孔增加換熱管以增大換熱面積的方式，逐步加大冷凝器面積。

從圖4可以看出，隨著換熱面積不斷增加，蒸發(fā)溫度與制冷量不斷提高，但是隨著面積不斷加大，趨勢(shì)線越來(lái)越平緩，效果也越來(lái)越小，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，冷凝器面積增大原來(lái)的7.8%，最后制冷量達(dá)到設(shè)計(jì)效果的98.6%，制冷效率EER為5.67，已經(jīng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。再加大換熱面積，雖然還可以效果更好，但是同時(shí)制造成本也會(huì)提高，已經(jīng)沒(méi)有意義。

4 小結(jié)

（1）本文研究了海水直接進(jìn)入換熱器，制冷劑內(nèi)轉(zhuǎn)換的直接式海水熱泵機(jī)組，本機(jī)組能夠解決熱泵空調(diào)安裝水側(cè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠大大節(jié)省安裝成本。

（2）通過(guò)試驗(yàn)，蒸發(fā)器內(nèi)液位過(guò)高同樣會(huì)造成換熱效果差。

（3）在設(shè)計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)換熱泵機(jī)組過(guò)程中，蒸發(fā)器的換熱面積要比冷凝器面積小7.8%，要達(dá)到設(shè)計(jì)效果，首先根據(jù)冷凝負(fù)荷確定冷凝面積，然后再設(shè)計(jì)相同面積的蒸發(fā)器。

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