哈雷钎焊板式换热器
专业生产:换热器;分水器;过水热;冷却器
新闻动态

海水热泵的冬季运行特性分析

点击:1836 日期:[ 2014-04-26 21:35:35 ]
                          海水热泵的冬季运行特性分析                       周修茹,谢继红,陈 东,尹海蛟,苏立娟                     (天津科技大学机械工程学院,天津300222)     摘 要:海水容量巨大,冬季温度高于空气温度,可作为热泵的良好热源。介绍了海水热泵的工作原理,分析了恶劣条件下海水热泵的连续运行和间歇运行两种模式,计算了两种模式下的运行特性数据,为海水热泵的设计和应用提供了较好的参考。     关键词:海水;热泵;运行特性     中图分类号:TK121; P743. 4     文献标识码:A     文章编号:1004-3950(2007)02-0058-04     0 前 言     海水容量巨大,一年四季中温度相对稳定。以黄海、渤海、东海、南海为例,在典型月份、不同深度处海水的温度分布如表1所示[1]。                 因此,对近海地区、海岛及海上人工装置,可利用海水作为制冷热泵装置的冷热源以实现高效绿色的供冷和供热[2]。尤其在我国北方地区,冬季对低温热水的需求量很大,如20℃左右的温水用于厨房洗菜与洗碗、卫生间中洗脸与洗衣、家具与玻璃擦洗、水产养殖用水、游泳池用水等; 40℃左右的热水作为家庭与公共浴室用水、地板采暖用水等。与常规燃煤、燃油、燃气及直接电加热的方法相比,采用海水热泵制取低温热水在技术(能源效率)、经济(初投资和运行费用)、环境(大气污染)等方面都具有较强的综合竞争力[3]。     由于北方地区冬季海水的温度较低(如表1中黄海、渤海在2月份的数据),甚至部分海区出现结冰现象,这对海水热泵的制热性能及海水换热器的传热过程均带来不利影响,从而对海水热泵的运行管理提出了很高的要求。为此,本文通过对冬季低温海水条件下海水热泵运行特性的分析,为海水热泵的设计和运行调控提供可靠的基础。     1·海水热泵的工作原理和基本特性     海水热泵的工作原理见图1。                  如图1所示,设冬季海水温度为8℃,该温度的海水进入蒸发器,在蒸发器中将热量传给低温热泵工质(设工质蒸发温度为3℃),海水则被冷却为5℃排出蒸发器。蒸发器中的热泵工质吸收海水的热量后由液态变为气态,进入压缩机,被压缩机升压后进入冷凝器,在冷凝器中热泵工质在适当温度(如30℃)下冷凝放热,并通过载热介质将制取的热能(如28℃)输送给热用户(游泳池、海水养殖等)。高压的液态工质进入节流阀,经节流变为低温低压的饱和液与饱和气的混合物(温度为3℃,且通常饱和液的质量分数在60%~80% ),进入蒸发器再吸收海水热量,开始下一个循环,实现以海水为低温热源的连续制热。海水热泵工作的基本特性是冷凝温度一定时(当热用户所需的热能温度一定时,热泵的冷凝温度也随之基本确定),热泵的制热性能系数COP(制热性能系数的定义是冷凝器的制热量与压缩机的耗功量之比,一般在3~10之间)随蒸发温度的波动而变化(蒸发温度基本由海水温度确定)。如图2所示,当蒸发温度较低时(蒸发温度为te),热泵工质按1→2→3→4→5→1循环,其中的制热过程是2→3→4,耗功过程是1→2;当蒸发温度上升到teA时,热泵工质按1A→2A→3→4→5A→1A循环,其中的制热过程是2A→3→4,耗功过程是1A→2A。由于过程2→2A是工质过热蒸气的显热降温过程,放热量很小,故两个循环的制热量相近,而耗功量则后者明显小于前者。根据制热性能系数的定义可知,在冷凝温度一定时,蒸发温度越高,海水热泵的制热性能系数越大。     以海水热泵常用的三种工质R717(NH3)、R22和R134a为例[4-5],热泵的理论循环制热性能系数随蒸发温度的变化如图3所示。                   由图3可见,当冷凝温度一定时,蒸发温度下降引起制热性能系数COP下降,且蒸发温度与冷凝温度之差越小,蒸发温度变化对COP的影响越显著。     2·连续运行的海水热泵的冬季运行特性分析     连续运行是指海水热泵可以持续地工作。采用这种工作模式时装置应满足如下两点要求:一是海水换热器(即蒸发器)的海水侧不结冰,海水温度不能低于其冰点;二是海水温度有波动时,热泵工况要及时调整以使制热量保持与设计值相同。     设海水热泵的设计工况(简称为工况1)为:海水进蒸发器的温度(即海水温度)twi1=10℃,海水出蒸发器的温度two1=6℃,海水的质量流量为mw1,蒸发器中热泵工质的蒸发温度te1=4℃。载热介质进冷凝器的温度tzi1=24℃,出冷凝器的温度tzo1=28℃,载热介质的质量流量为mz1,冷凝器中热泵工质的冷凝温度tc1=30℃。设热泵工质的循环质量流量为mr1。     在北方冬季气温较低的月份,如2月份,当海水的实际温度低于设计温度时,会给海水热泵的运行带来两个不利影响,一是热泵的制热性能系数下降,如热泵消耗的功率不变,则热泵的制热量会低于设计值;二是蒸发器中的传热温差减小(假设工质的蒸发温度不变),当蒸发器的结构尺寸及海水流量、热泵工质流量一定时,蒸发器的传热量(即热泵工质从海水中吸收低温热能的能力)也会低于设计值。因此,当海水温度低于设计值时,必须对海水热泵的工况参数进行调整,以满足热用户的制热量需求。     以冬季海水温度处于冰点附近这一较恶劣的工况为例(简称为工况2)。海水的盐度约为3. 5%,其冰点温度为-1. 91℃[1],设海水热泵的海水取水口处海水温度twi2=2. 5℃,该温度的海水经蒸发器后降温到two2=-1. 5℃后排出。为保持蒸发器的传热温差及传热量与设计工况相同,则工质的蒸发温度应降为te2=-3. 5℃。当冷凝器中载热介质的进出温度及工质的冷凝温度均与设计工况(工况1)相同、热泵工质采用R22时,则热泵工况1与工况2的理论循环参数对比如表2所示。                  由表2可见,两种工况下单位质量工质的制热量相近,故工况2时海水热泵中的工质质量流量可基本与工况1时相同。但由于工况2时压缩机进口处工质的密度明显低于工况1,故要使质量流量相同,则压缩机中工质的体积流量要增加(24-19) /19=26%以上。此外,由于工况2的制热性能系数明显低于工况1,故海水热泵的制热量保持不变时,其功率消耗约需增加(10. 47. 7) /7. 7=35%以上。     当海水热泵取水口的温度比2. 5℃更低时由于蒸发器出口的温度不能比-1. 5℃再低(否则在蒸发器管道中结冰的危险性较大),故海水在蒸发器中单位质量放热量减少,海水的质量流量需增加。与此同时,由于海水侧的平均温度也降低,为保持蒸发器中工质与海水的传热量,工质的蒸发温度也需比工况2时再降低。因此,当海水取水口温度低于2. 5℃时,海水热泵的压缩机输气量(体积流量)和功率消耗均要大于工况2,且海水温度越接近其冰点温度,连续运行的海水热泵运行工况就越恶劣,此时应考虑采用其他类型的海水热泵运行模式,如间歇运行模式。     3·间歇运行的海水热泵的冬季运行特性分析     当海水温度接近冰点时,海水热泵可采用间歇运行模式,此时海水热泵的系统布置如图4所示。                   海水热泵的蒸发器直接布置在近岸海水中海水与蒸发器表面为自然对流换热。在间歇运行的开机阶段,蒸发器中的热泵工质从周围的海水中吸热,并可能使蒸发器管表面的海水温度低于其冰点温度,海水在蒸发器表面结冰并放出凝固潜热。当冰层达到一定厚度时,热泵停机,此时由于蒸发器周围的海水温度高于海水冰点温度,蒸发器表面的冰层从周围海水中吸热融化,当冰层全部化为海水时,热泵再开机制热。如此间歇循环运行,从而不断把热量输送给热用户。     间歇运行的海水热泵在开停机阶段的平均制热量要等于热用户的需热量,因此其在开机阶段的制热量要比连续运行的海水热泵大,且由于蒸发器表面海水为自然对流换热,蒸发器的传热系数较小,故蒸发器的尺寸也大于连续运行的海水热泵蒸发器(但其优点是可省去蒸发器的海水循环泵。蒸发器管路较长引起制冷剂流动阻力偏大时,可采用换热管多路并联的方法解决)。     间歇运行的海水热泵的开停周期长短与蒸发器允许的结冰厚度及海水温度有关。允许冰层越厚、海水温度越低,则开机、停机的时间越长。开机时间越长,则开机阶段后期,热泵的制热性能越差(开机阶段后期由于冰层较厚且冰的热导率较小,蒸发器的传热热阻增加很多,使蒸发器的换热量及工质蒸发温度明显下降,热泵的制热量和制热性能系数均迅速降低),故在实际运行时,应选择合理的开停机周期。     设海水温度twn=1℃,工质蒸发温度ten=-5℃,蒸发器管外直径Do=30 mm,蒸发器管或其冰层表面与海水的自然对流换热系数为αn=200W /(m2·K),则其热阻Rn=1/αn=5×10-3(m2·K) /W。设蒸发器管内工质的换热热阻及管壁热阻均较小可不计,则海水换热热阻与冰层热阻之和即为蒸发器的传热热阻。取冰层的热导率λ=2. 25W /(m·K),则当冰层厚度(近似按平壁估算)     δ=λRn=2. 25×5×10-3m=11. 25 mm (1)时,冰层热阻与海水自然对流换热热阻相同,蒸发器的传热系数约降为未结冰时的50%。     设开机过程开始时,蒸发器表面的冰层厚度δ0=0 mm,此时海水与热泵工质之间的传热系数k1=200W /(m2·K);在开机阶段结束时,蒸发器表面的冰层厚度δ=11. 25 mm,此时的传热系数近似为k2=100W /(m2·K);取开机过程中的平均传热系数取为km=(k1+k2) /2=(200+100) /2=150W /(m2·K)。设整个开机过程中,热泵工质从海水中吸收热量的速率(包括海水传入的热量和海水结冰放出的潜热)保持为k=200W /(m2·K),则开机过程的时间τon(单位为s)应满足下式(设蒸发器管长为L=1 m,海水结冰的潜热为r=320 kJ/kg,冰的密度为ρ=920 kg/m3):(k-km)π(D0+δ)L(twn-ten)τon≈π(D0+δ)Lδρr(2)     将已知各量代入上式有:(200-150)×3. 14×(30+11. 25)×10-3×1×(1+5)τon≈3. 14×(30+11. 25)×10-3×1×11. 25×10-3×920×320×1 000     由上式解得:τon≈11 040 s≈184 min。设冰层厚度达11. 25 mm后进入停机阶段。在停机阶段冰层从海水中吸热融化,设海水与冰层的对流换热系数为αn=200W /(m2·K),冰层温度为tm=-1. 91℃,则停机时间(即冰层融化时间)τoff应满足下式:     αnπ(D0+δ)L(twn-tm)τoff≈π(D0+δ)Lδρr(3)将已知各量代入:     200×3. 14×(30+11. 25)×10-3×1×(1+1. 91)τoff≈3. 14×(30+11. 25)×10-3×1×11. 25×10-3×920×320×1 000     由上式解得:τoff≈5 691 s≈95 min。     4·结论与建议     当海水温度明显高于其冰点时,海水热泵可采用连续运行模式,但当海水温度低于设计值时,压缩机输气量与功率消耗均需明显大于设计工况的额定值;当海水温度接近其冰点时,则宜采用间歇运行模式,此时应综合考虑蒸发器传热、热泵制热性能系数及供热温度波动等因素,确定适宜的开机、停机周期。     在间歇运行时,蒸发器表面冰层的形成及融化是一个较复杂的过程,应对其建立更精细的数学模型,使海水热泵开停周期的确定建立在更准确的基础上。 参考文献: [1]郭 琨.海洋手册[M].北京:海洋出版社, 1984. [2]YIK FW H, BURRNETT J, PRESCOTT I. Predictingair-conditioning  energy consumption of a group ofbuildings using different heat  rejection methods[ J].Energy and Buildings, 2001, 33(2): 151-166. [3]陈 东,谢继红,李满峰.以海水为冷热源的城市集中冷暖工程分析[ J].天津轻工业学院学报,2003, 18(2): 53-56. [4]陈 东,谢继红.热泵技术及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2006. [5]乔 木.海水制冷热泵系统的理论与实验研究[D].天津:天津科技大学, 2006.
上一篇:四壳程低温换热器的设计 下一篇:洗浴中心能源利用方案探讨及实例分析

相关资讯

Copyright ©2008 哈雷换热设备有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技园西坞金水路 电话:0086-574-88661201 传真:0086-574-88916955
换热器 | 板式换热器 | 钎焊板式换热器 | 冷却器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式换热器 | 网站地图 | XML 浙ICP备09009252号 技术支持:众网千寻