用于海水源热泵系统的抛管式换热器优化研究

摘要

海洋是一个巨大的可再生能源库，海水的比热容比空气大，非常适合作为热源使用，采用海水作为热泵系统的热源/热汇能大大缓解沿海城市的空调用电压力，同时可以带来巨大的经济效益和环保效益。因此，随着热泵技术在我国的发展，以海水作为冷热源代替传统的锅炉供热和冷水机组供冷在技术上已经成为可能，可以实现可再生能源的利用。在此研究背景下，本文对用于海水源热泵系统的抛管式换热器的性能及结构优化设计进行了研究。
　　首先，通过对天津海域海水和空气温度现场测试可知，天津港冬季海水温度接近冰点导致海水源热泵系统无法运行，因此，提出了将抛管式换热器用于海水源热泵系统的设计理念；对抛管式换热器换热过程进行传热分析，建立了抛管式换热器在夏季工况和冬季结冰工况的数学模型。利用托马斯算法将抛管式换热器内各控制体内的温度分布计算出来，由此计算得到的每一控制体的温度作为下一个控制体传热计算的初始条件，最终，通过计算可以得出抛管式换热器的出口温度分布情况。
　　其次，为了验证抛管式换热器的数学模型，搭建了抛管式换热器的实验台，并对抛管式换热器在不同工况下的换热性能进行了测试，通过比较模拟结果与测试结果，表明建立的抛管式换热器数学模型是正确的。并利用数学模型，对换热器的换热性能进行数值模拟，分析了换热器管径、管长、载冷剂溶液流速和进口温度对换热性能的影响。在冬季最冷月时，分别对抛管式换热器管外壁结冰和不结冰时换热器换热情况进行了模拟研究，分析在抛管式换热器管外壁结冰后，冰层对换热器换热性能的影响。
　　然后，在冬季最不利工况下，以抛管式换热器的年总费用值为目标函数，以抛管式换热器管径、管长和管数为设计变量，对抛管式换热器进行优化设计。
　　最后，结合天津港30万吨级原油码头前方作业楼（办公楼）改造方案，对采用抛管式换热器海水源热泵系统的改造方案进行了经济、节能分析。结果表明，改造后的方案具有较好的经济效益和环保节能效益，对海水源热泵系统在沿海城市的推广应用可以起到很好的示范作用。