<rt id="qokge"><optgroup id="qokge"></optgroup></rt>
<rt id="qokge"><optgroup id="qokge"></optgroup></rt>
<rt id="qokge"><optgroup id="qokge"></optgroup></rt><rt id="qokge"><optgroup id="qokge"></optgroup></rt> <tr id="qokge"></tr>
<rt id="qokge"></rt>
哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
新聞動態

海水熱泵的冬季運行特性分析

點擊:1813 日期:[ 2014-04-26 21:35:35 ]
                          海水熱泵的冬季運行特性分析                       周修茹,謝繼紅,陳 東,尹海蛟,蘇立娟                     (天津科技大學機械工程學院,天津300222)     摘 要:海水容量巨大,冬季溫度高于空氣溫度,可作為熱泵的良好熱源。介紹了海水熱泵的工作原理,分析了惡劣條件下海水熱泵的連續運行和間歇運行兩種模式,計算了兩種模式下的運行特性數據,為海水熱泵的設計和應用提供了較好的參考。     關鍵詞:海水;熱泵;運行特性     中圖分類號:TK121; P743. 4     文獻標識碼:A     文章編號:1004-3950(2007)02-0058-04     0 前 言     海水容量巨大,一年四季中溫度相對穩定。以黃海、渤海、東海、南海為例,在典型月份、不同深度處海水的溫度分布如表1所示[1]。                 因此,對近海地區、海島及海上人工裝置,可利用海水作為制冷熱泵裝置的冷熱源以實現高效綠色的供冷和供熱[2]。尤其在我國北方地區,冬季對低溫熱水的需求量很大,如20℃左右的溫水用于廚房洗菜與洗碗、衛生間中洗臉與洗衣、家具與玻璃擦洗、水產養殖用水、游泳池用水等; 40℃左右的熱水作為家庭與公共浴室用水、地板采暖用水等。與常規燃煤、燃油、燃氣及直接電加熱的方法相比,采用海水熱泵制取低溫熱水在技術(能源效率)、經濟(初投資和運行費用)、環境(大氣污染)等方面都具有較強的綜合競爭力[3]。     由于北方地區冬季海水的溫度較低(如表1中黃海、渤海在2月份的數據),甚至部分海區出現結冰現象,這對海水熱泵的制熱性能及海水換熱器的傳熱過程均帶來不利影響,從而對海水熱泵的運行管理提出了很高的要求。為此,本文通過對冬季低溫海水條件下海水熱泵運行特性的分析,為海水熱泵的設計和運行調控提供可靠的基礎。     1·海水熱泵的工作原理和基本特性     海水熱泵的工作原理見圖1。                  如圖1所示,設冬季海水溫度為8℃,該溫度的海水進入蒸發器,在蒸發器中將熱量傳給低溫熱泵工質(設工質蒸發溫度為3℃),海水則被冷卻為5℃排出蒸發器。蒸發器中的熱泵工質吸收海水的熱量后由液態變為氣態,進入壓縮機,被壓縮機升壓后進入冷凝器,在冷凝器中熱泵工質在適當溫度(如30℃)下冷凝放熱,并通過載熱介質將制取的熱能(如28℃)輸送給熱用戶(游泳池、海水養殖等)。高壓的液態工質進入節流閥,經節流變為低溫低壓的飽和液與飽和氣的混合物(溫度為3℃,且通常飽和液的質量分數在60%~80% ),進入蒸發器再吸收海水熱量,開始下一個循環,實現以海水為低溫熱源的連續制熱。海水熱泵工作的基本特性是冷凝溫度一定時(當熱用戶所需的熱能溫度一定時,熱泵的冷凝溫度也隨之基本確定),熱泵的制熱性能系數COP(制熱性能系數的定義是冷凝器的制熱量與壓縮機的耗功量之比,一般在3~10之間)隨蒸發溫度的波動而變化(蒸發溫度基本由海水溫度確定)。如圖2所示,當蒸發溫度較低時(蒸發溫度為te),熱泵工質按1→2→3→4→5→1循環,其中的制熱過程是2→3→4,耗功過程是1→2;當蒸發溫度上升到teA時,熱泵工質按1A→2A→3→4→5A→1A循環,其中的制熱過程是2A→3→4,耗功過程是1A→2A。由于過程2→2A是工質過熱蒸氣的顯熱降溫過程,放熱量很小,故兩個循環的制熱量相近,而耗功量則后者明顯小于前者。根據制熱性能系數的定義可知,在冷凝溫度一定時,蒸發溫度越高,海水熱泵的制熱性能系數越大。     以海水熱泵常用的三種工質R717(NH3)、R22和R134a為例[4-5],熱泵的理論循環制熱性能系數隨蒸發溫度的變化如圖3所示。                   由圖3可見,當冷凝溫度一定時,蒸發溫度下降引起制熱性能系數COP下降,且蒸發溫度與冷凝溫度之差越小,蒸發溫度變化對COP的影響越顯著。     2·連續運行的海水熱泵的冬季運行特性分析     連續運行是指海水熱泵可以持續地工作。采用這種工作模式時裝置應滿足如下兩點要求:一是海水換熱器(即蒸發器)的海水側不結冰,海水溫度不能低于其冰點;二是海水溫度有波動時,熱泵工況要及時調整以使制熱量保持與設計值相同。     設海水熱泵的設計工況(簡稱為工況1)為:海水進蒸發器的溫度(即海水溫度)twi1=10℃,海水出蒸發器的溫度two1=6℃,海水的質量流量為mw1,蒸發器中熱泵工質的蒸發溫度te1=4℃。載熱介質進冷凝器的溫度tzi1=24℃,出冷凝器的溫度tzo1=28℃,載熱介質的質量流量為mz1,冷凝器中熱泵工質的冷凝溫度tc1=30℃。設熱泵工質的循環質量流量為mr1。     在北方冬季氣溫較低的月份,如2月份,當海水的實際溫度低于設計溫度時,會給海水熱泵的運行帶來兩個不利影響,一是熱泵的制熱性能系數下降,如熱泵消耗的功率不變,則熱泵的制熱量會低于設計值;二是蒸發器中的傳熱溫差減小(假設工質的蒸發溫度不變),當蒸發器的結構尺寸及海水流量、熱泵工質流量一定時,蒸發器的傳熱量(即熱泵工質從海水中吸收低溫熱能的能力)也會低于設計值。因此,當海水溫度低于設計值時,必須對海水熱泵的工況參數進行調整,以滿足熱用戶的制熱量需求。     以冬季海水溫度處于冰點附近這一較惡劣的工況為例(簡稱為工況2)。海水的鹽度約為3. 5%,其冰點溫度為-1. 91℃[1],設海水熱泵的海水取水口處海水溫度twi2=2. 5℃,該溫度的海水經蒸發器后降溫到two2=-1. 5℃后排出。為保持蒸發器的傳熱溫差及傳熱量與設計工況相同,則工質的蒸發溫度應降為te2=-3. 5℃。當冷凝器中載熱介質的進出溫度及工質的冷凝溫度均與設計工況(工況1)相同、熱泵工質采用R22時,則熱泵工況1與工況2的理論循環參數對比如表2所示。                  由表2可見,兩種工況下單位質量工質的制熱量相近,故工況2時海水熱泵中的工質質量流量可基本與工況1時相同。但由于工況2時壓縮機進口處工質的密度明顯低于工況1,故要使質量流量相同,則壓縮機中工質的體積流量要增加(24-19) /19=26%以上。此外,由于工況2的制熱性能系數明顯低于工況1,故海水熱泵的制熱量保持不變時,其功率消耗約需增加(10. 47. 7) /7. 7=35%以上。     當海水熱泵取水口的溫度比2. 5℃更低時由于蒸發器出口的溫度不能比-1. 5℃再低(否則在蒸發器管道中結冰的危險性較大),故海水在蒸發器中單位質量放熱量減少,海水的質量流量需增加。與此同時,由于海水側的平均溫度也降低,為保持蒸發器中工質與海水的傳熱量,工質的蒸發溫度也需比工況2時再降低。因此,當海水取水口溫度低于2. 5℃時,海水熱泵的壓縮機輸氣量(體積流量)和功率消耗均要大于工況2,且海水溫度越接近其冰點溫度,連續運行的海水熱泵運行工況就越惡劣,此時應考慮采用其他類型的海水熱泵運行模式,如間歇運行模式。     3·間歇運行的海水熱泵的冬季運行特性分析     當海水溫度接近冰點時,海水熱泵可采用間歇運行模式,此時海水熱泵的系統布置如圖4所示。                   海水熱泵的蒸發器直接布置在近岸海水中海水與蒸發器表面為自然對流換熱。在間歇運行的開機階段,蒸發器中的熱泵工質從周圍的海水中吸熱,并可能使蒸發器管表面的海水溫度低于其冰點溫度,海水在蒸發器表面結冰并放出凝固潛熱。當冰層達到一定厚度時,熱泵停機,此時由于蒸發器周圍的海水溫度高于海水冰點溫度,蒸發器表面的冰層從周圍海水中吸熱融化,當冰層全部化為海水時,熱泵再開機制熱。如此間歇循環運行,從而不斷把熱量輸送給熱用戶。     間歇運行的海水熱泵在開停機階段的平均制熱量要等于熱用戶的需熱量,因此其在開機階段的制熱量要比連續運行的海水熱泵大,且由于蒸發器表面海水為自然對流換熱,蒸發器的傳熱系數較小,故蒸發器的尺寸也大于連續運行的海水熱泵蒸發器(但其優點是可省去蒸發器的海水循環泵。蒸發器管路較長引起制冷劑流動阻力偏大時,可采用換熱管多路并聯的方法解決)。     間歇運行的海水熱泵的開停周期長短與蒸發器允許的結冰厚度及海水溫度有關。允許冰層越厚、海水溫度越低,則開機、停機的時間越長。開機時間越長,則開機階段后期,熱泵的制熱性能越差(開機階段后期由于冰層較厚且冰的熱導率較小,蒸發器的傳熱熱阻增加很多,使蒸發器的換熱量及工質蒸發溫度明顯下降,熱泵的制熱量和制熱性能系數均迅速降低),故在實際運行時,應選擇合理的開停機周期。     設海水溫度twn=1℃,工質蒸發溫度ten=-5℃,蒸發器管外直徑Do=30 mm,蒸發器管或其冰層表面與海水的自然對流換熱系數為αn=200W /(m2·K),則其熱阻Rn=1/αn=5×10-3(m2·K) /W。設蒸發器管內工質的換熱熱阻及管壁熱阻均較小可不計,則海水換熱熱阻與冰層熱阻之和即為蒸發器的傳熱熱阻。取冰層的熱導率λ=2. 25W /(m·K),則當冰層厚度(近似按平壁估算)     δ=λRn=2. 25×5×10-3m=11. 25 mm (1)時,冰層熱阻與海水自然對流換熱熱阻相同,蒸發器的傳熱系數約降為未結冰時的50%。     設開機過程開始時,蒸發器表面的冰層厚度δ0=0 mm,此時海水與熱泵工質之間的傳熱系數k1=200W /(m2·K);在開機階段結束時,蒸發器表面的冰層厚度δ=11. 25 mm,此時的傳熱系數近似為k2=100W /(m2·K);取開機過程中的平均傳熱系數取為km=(k1+k2) /2=(200+100) /2=150W /(m2·K)。設整個開機過程中,熱泵工質從海水中吸收熱量的速率(包括海水傳入的熱量和海水結冰放出的潛熱)保持為k=200W /(m2·K),則開機過程的時間τon(單位為s)應滿足下式(設蒸發器管長為L=1 m,海水結冰的潛熱為r=320 kJ/kg,冰的密度為ρ=920 kg/m3):(k-km)π(D0+δ)L(twn-ten)τon≈π(D0+δ)Lδρr(2)     將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。設冰層厚度達11. 25 mm后進入停機階段。在停機階段冰層從海水中吸熱融化,設海水與冰層的對流換熱系數為αn=200W /(m2·K),冰層溫度為tm=-1. 91℃,則停機時間(即冰層融化時間)τoff應滿足下式:     αnπ(D0+δ)L(twn-tm)τoff≈π(D0+δ)Lδρr(3)將已知各量代入:     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·結論與建議     當海水溫度明顯高于其冰點時,海水熱泵可采用連續運行模式,但當海水溫度低于設計值時,壓縮機輸氣量與功率消耗均需明顯大于設計工況的額定值;當海水溫度接近其冰點時,則宜采用間歇運行模式,此時應綜合考慮蒸發器傳熱、熱泵制熱性能系數及供熱溫度波動等因素,確定適宜的開機、停機周期。     在間歇運行時,蒸發器表面冰層的形成及融化是一個較復雜的過程,應對其建立更精細的數學模型,使海水熱泵開停周期的確定建立在更準確的基礎上。 參考文獻: [1]郭 琨.海洋手冊[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]陳 東,謝繼紅,李滿峰.以海水為冷熱源的城市集中冷暖工程分析[ J].天津輕工業學院學報,2003, 18(2): 53-56. [4]陳 東,謝繼紅.熱泵技術及其應用[M].北京:化學工業出版社, 2006. [5]喬 木.海水制冷熱泵系統的理論與實驗研究[D].天津:天津科技大學, 2006.
上一篇:四殼程低溫換熱器的設計 下一篇:洗浴中心能源利用方案探討及實例分析

相關資訊

Copyright ?2008 哈雷換熱設備有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技園西塢金水路 電話:0086-574-88661201 傳真:0086-574-88916955
換熱器 | 板式換熱器 | 釬焊板式換熱器 | 冷卻器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式換熱器 | 網站地圖 | XML 浙ICP備09009252號 技術支持:眾網千尋
亚洲一区二区在线,亚洲日本在线观看,日韩在线视精品在亚洲,欧美日韩在线视频专区免费