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�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。?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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