低溫海水源熱泵的技術(shù)方案分析

喬 木 賈曉敏 郭全舉 謝繼紅 陳 東

（天津意安消防設(shè)備有限公司） （天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

熱泵是一種高效制熱和供熱裝置。熱泵只需消耗少量電能，就可從低溫?zé)嵩粗形沾罅康蜏責(zé)崮懿⑥D(zhuǎn)化為中高溫?zé)崮?，用于供暖、制取熱水、物料干燥和工業(yè)加熱等場(chǎng)合，可大幅度減少能耗和運(yùn)行費(fèi)用[1]。

低溫?zé)嵩吹奶匦詫?duì)熱泵性能的影響很大。對(duì)于近海地區(qū)和企業(yè)，海水存量豐富、取用方便、溫度波動(dòng)小、比熱容大，是很好的低溫?zé)嵩碵2]。

但冬季海水溫度可能較低，部分海區(qū)甚至表面結(jié)冰[3]，需從冰下取水，此時(shí)熱泵需從接近冰點(diǎn)的海水中吸熱，海水有可能在換熱過(guò)程中結(jié)冰而影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文給出三個(gè)可適應(yīng)低溫海水工況的海水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)方案，并對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 拋管式海水源熱泵系統(tǒng)

拋管式海水源熱泵系統(tǒng)的流程如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，比海水溫度低的載冷劑進(jìn)入拋管式換熱器，在其中吸收管外海水中的熱量回到蒸發(fā)器；蒸發(fā)器中比載冷劑溫度更低的熱泵工質(zhì)從載冷劑中吸熱，然后經(jīng)壓縮機(jī)升溫升壓再進(jìn)入冷凝器放熱并凝結(jié)為液態(tài)；被加熱的載熱劑送至用戶(hù)處供熱，液態(tài)熱泵工質(zhì)則經(jīng)節(jié)流閥后產(chǎn)生低溫低壓液體，再?gòu)膾伖苁綋Q熱器中來(lái)的載冷劑中吸熱而變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。

圖1 拋管式海水源熱泵系統(tǒng)流程

拋管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是可采用非金屬材料、成本低、耐海水腐蝕，可在管外結(jié)冰狀態(tài)下繼續(xù)工作。不足之處是傳熱系數(shù)較低，需有適當(dāng)物體將其在海水中固定，且熱泵工質(zhì)不能直接在管內(nèi)與海水換熱，而需載冷劑循環(huán)將海水中蘊(yùn)含的低溫?zé)崮茌斔徒o蒸發(fā)器中的熱泵工質(zhì)。

2 沉浸豎板式海水源熱泵系統(tǒng)

沉浸豎板式海水源熱泵系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 沉浸豎板式海水源熱泵系統(tǒng)流程

圖2中的沉浸豎板式換熱器是一個(gè)扁平的長(zhǎng)方形腔體，載冷劑走腔內(nèi)，海水走腔外。系統(tǒng)工作時(shí)，泵1將海水送入海水槽并流過(guò)沉浸豎板換熱器的外表面，被換熱器內(nèi)的載冷劑吸熱后從海水槽的排出端排入海中。

沉浸豎板式換熱器的主體沉浸在海水槽中，換熱器內(nèi)的載冷劑從換熱器外的海水中吸熱后進(jìn)入蒸發(fā)器，被蒸發(fā)器中的熱泵工質(zhì)吸熱后再返回沉浸豎板換熱器，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。

沉浸豎板式換熱器可用耐海水腐蝕的金屬材料制作，傳熱系數(shù)高，可在豎板外結(jié)冰工況下正常運(yùn)行。必要時(shí)可采用兩組沉浸豎板式換熱器，一組工作時(shí)，另一組對(duì)豎板外所結(jié)冰進(jìn)行融除，兩組交替工作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)高效運(yùn)行。

沉浸豎板式海水源熱泵系統(tǒng)的不足之處是需設(shè)置海水槽，比拋管式海水源熱泵系統(tǒng)要多增加一臺(tái)海水泵。

3 套管式海水源熱泵系統(tǒng)

套管式海水源熱泵系統(tǒng)的流程如圖3所示。

圖3 套管式海水源熱泵系統(tǒng)流程

在圖3所示的流程中，海水被海水泵送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中被熱泵工質(zhì)吸熱后排入海中。熱泵工質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)器從海水中吸熱后，被壓縮機(jī)壓縮升溫，然后進(jìn)入冷凝器將熱能傳遞給載熱劑。

套管式海水源熱泵系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是套管式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)高；海水可與熱泵工質(zhì)直接傳熱，減少了載冷劑輸送環(huán)節(jié)。需注意的問(wèn)題是要防止海水在套管式蒸發(fā)器內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰工況，因此要求海水在蒸發(fā)器內(nèi)有較高流速且流場(chǎng)均勻 （合理設(shè)計(jì)和操作時(shí)，海水可在套管式換熱器中實(shí)現(xiàn)5℃以上的過(guò)冷度而不結(jié)冰[4]）。

4 低溫海水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)方案對(duì)比分析

4.1 初投資

以港口某200 m2辦公建筑用海水源熱泵系統(tǒng)為背景，其從海水中吸熱負(fù)荷約為Qe=20 kW，取三個(gè)方案中海水與熱泵工質(zhì)的總傳熱溫差均為8℃，這樣只需計(jì)算三個(gè)技術(shù)方案中從海水到熱泵工質(zhì)的傳熱部件的初投資差異即可 （壓縮機(jī)等其他部件的初投資基本相同）。

(1)拋管式系統(tǒng)

拋管式換熱器中，取海水與載冷劑的傳熱溫差為 Δt1=4 ℃,傳熱系數(shù)為K1=150 W/（m2·℃）； 換熱器材料為聚丙烯 （PP），壁厚為δ1=3 mm，密度為ρ1=910 kg/m3，價(jià)格為P1=35元/千克[5]。因此，所需的換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費(fèi)用為：

蒸發(fā)器中載冷劑與熱泵工質(zhì)的傳熱溫差取為Δt2=4 ℃， 傳熱系數(shù)K2=2000 W/（m2·℃）； 換熱器材料為銅， 壁厚為δ2=0.5 mm， 密度為ρ2=8900 kg/m3，價(jià)格為P1=70元/千克。因此，換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費(fèi)用為：

拋管式系統(tǒng)海水與熱泵工質(zhì)間換熱器總的材料費(fèi)用為：

（2）沉浸豎板式系統(tǒng)

取海水與沉浸豎板內(nèi)載冷劑的傳熱溫差為Δt3=4℃， 傳熱系數(shù)為 K3=1000 W/（m2·℃）； 換熱器材料為鈦， 壁厚為δ3=0.5 mm， 密度為ρ3=4500 kg/m3，價(jià)格為P3=300元/千克。因此，所需換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費(fèi)用為：

蒸發(fā)器材料及參數(shù)與拋管式系統(tǒng)相同，即其材料費(fèi)用為：

沉浸豎板式系統(tǒng)海水與熱泵工質(zhì)間換熱器總的材料費(fèi)用為：

（3）套管式系統(tǒng)

套管式系統(tǒng)中，海水與熱泵工質(zhì)在套管式蒸發(fā)器中直接換熱，其傳熱溫差為Δt5=8℃，傳熱系數(shù)為K5=2000 W/（m2·℃）；換熱器材料為鈦，壁厚為δ5=0.5 mm。因此，所需換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費(fèi)用為：

綜上所述，三個(gè)技術(shù)方案中，套管式系統(tǒng)方案換熱器材料費(fèi)用最低，沉浸豎板式最高。

4.2 運(yùn)行及維護(hù)

拋管式方案中拋管式換熱器允許管外帶冰運(yùn)行，對(duì)工況波動(dòng)的適應(yīng)性好；但其在海中有可能被魚(yú)類(lèi)等咬壞，表面附著海洋生物時(shí)也不易清洗。

沉浸豎板式方案中沉浸豎板換熱器也允許海水側(cè)帶冰運(yùn)行，對(duì)工況的適應(yīng)性也很強(qiáng)，海水側(cè)也易于清洗維護(hù)；但需設(shè)置海水槽，且海水槽中海水的液位和流速均需優(yōu)化調(diào)控。

套管式方案中套管式蒸發(fā)器一般不允許海水側(cè)帶冰運(yùn)行，通過(guò)合理設(shè)計(jì)海水側(cè)流道和流速，即使進(jìn)口海水接近冰點(diǎn)、出口海水有較大過(guò)冷度時(shí)，仍可正常運(yùn)行；但套管式換熱器清洗相對(duì)復(fù)雜，為防止海水在套管內(nèi)結(jié)垢及海洋生物沉積等，需對(duì)進(jìn)換熱器的海水進(jìn)行預(yù)處理。

5 結(jié)論與建議

三個(gè)可適于低溫海水的海水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)方案中，拋管式和沉浸豎板式方案均允許海水側(cè)帶冰運(yùn)行，工況適應(yīng)性好，但初投資較大，且拋管式換熱器在海底有被損壞的危險(xiǎn)；套管式方案設(shè)備緊湊，初投資低，但運(yùn)行工況要求嚴(yán)格，且須對(duì)進(jìn)換熱器的海水進(jìn)行預(yù)處理。因此，建議對(duì)三個(gè)技術(shù)方案的工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性進(jìn)行更系統(tǒng)、更深入的研究。

[1]陳東，謝繼紅.熱泵技術(shù)手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]喬木.海水制冷熱泵系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究 [D].天津：天津科技大學(xué)，2006.

[3]劉煜，劉欽政，隋俊鵬，等.渤、黃海冬季海水對(duì)大氣環(huán)流及氣候變化的響應(yīng) [J].海洋學(xué)報(bào)，2013，35（3）： 18-27.

[4]陳文放.低溫海水工況下海水源熱泵空調(diào)的特性研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2014.

[5]王立國(guó)，王世昌，朱愛(ài)梅，等.塑料換熱器在海水淡化中的應(yīng)用 [J].化工進(jìn)展，2004，23（12）：1359-1361.