直接式海水源熱泵機組的設計及熱力性能評價

馬海平

摘 要：本文以海水直接進入換熱器的直接式熱泵系統為研究對象，建立機組設計模型，并對該設計機組進行組裝實驗，通過實驗分析，對換熱器與設計工況進行不斷優化匹配，實現了大型熱泵空調機組制冷劑內轉換的可行性，減少管道及換熱器的防腐面積，并達到了預定的設計要求，為直接式海水源機組進一步優化提供了一定的參考。

關鍵詞：海水源熱泵； 換熱器； 傳熱系數； 傳熱系數

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有的能量，海洋能來源于太陽能，是儲存于海水中的太陽能，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，據估計，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。穩定性是海洋能一大優點，大多數可再生能源，如太陽能、風能、波浪能、潮汐能都是不穩定或是周期性的，其開發利用都會碰到復雜昂貴的蓄能問題，而海洋能本身就是儲存在海洋中的太陽能，海洋就是一個巨大的儲能器，由于水體巨大，溫度十分穩定，其晝夜變化可以忽略，季節性溫差變化只有2～3℃，并且有規律，可預測的，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熱力循環，則可以把低品位的熱能轉化為高品位的熱能，意義重大。

1 理論分析

為減少海水對機組的腐蝕性，降低制造成本，讓海水只通過一個換熱器是一種比較理想的換熱方式。要使機組滿足冬夏兩用，須要用四通換向設備。直接式海水源熱泵機組，工作時它的冷熱源可以是海水也可以是污水、工業廢水，可以將海水或者污水稍加過濾可直接通入。

夏季制冷運行時：壓縮機通過四通閥不斷地從滿液蒸發器中抽取制冷劑蒸氣，經過壓縮機壓縮，制冷劑由低溫低壓蒸氣轉變成高溫高壓蒸氣。高溫高壓制冷劑蒸氣通過四通閥進入冷凝器器內冷凝，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電子膨脹閥節流、降壓，轉變為低壓制冷劑氣液混合物。經過止回閥進入滿液蒸發器內蒸發，從空調冷凍水中吸收熱量，從而降低了空調水的溫度，低壓制冷蒸氣進入四通閥被壓縮機抽取，從而形成一個制冷循環。

冬季制熱時：壓縮機排出的高溫蒸汽通過四通閥進入冷凝器進行冷凝，與系統水進行換熱，熱水可以直接通入熱負荷區域，冷凝下來的液體經過電子膨脹閥及止回閥，進入蒸發器，從海水源或者污水源中吸收熱量蒸發成低壓氣體，這些低壓制冷劑氣體通過四通閥進入壓縮機進行壓縮形成一個制熱循環。

2 設計過程

（1）設計工況。

蒸發溫度3.5℃ 冷凝溫度34℃

冷媒水進水溫度12℃，出水溫度7℃

熱源水進水溫度18℃ ，出水溫度29℃

（2）設計負荷：180lt

（3）換熱器選型計算。

進入海水的換熱器采用高性能的Ni-Cu換熱管，殼體用碳鋼板，內涂防腐材料，封頭采用鑄鐵封頭，內涂防腐涂料。另一臺換熱器為普通換熱器，但換熱管表面強化方式相同。

由于本機組設計采用制冷劑內轉換形式，所以蒸發器即使冷凝器又是蒸發器，所以本機組換熱器設計冷凝器與蒸發器換熱面積相等。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計。

管內為單相強制對流換熱。

計算結果：

（4）四通閥： 本項目與制冷配件公司聯合開發超大型四通閥，以適應大型海水源熱泵的需求。

（5）壓縮機：選擇比澤爾壓縮機

（6）膨脹閥：采用愛默生X7電子膨脹閥

3 測試結果

測試數據如表2：

從數據上看，此結果達到設計的92%，在實驗運行開始30min左右，就會出現冷凝器高壓報警的現象，冷凝溫度過高，通過調整膨脹閥的開度，作用不是很大，通過蒸發器視液鏡可以看到蒸發器內最頂端有大量白色泡沫，壓縮機視液鏡內也有出現白色泡沫，應該可以看出，壓縮機有液擊現象，制冷劑可能過量，對于雙滿液換熱器，制冷劑使用量不好確定，然后開始對制冷劑的使用量進行實驗。

實驗過程中，蒸發器內白色泡沫明顯減少，壓縮機視液鏡內沒有白色泡沫，制冷劑過量問題得到改善。通過圖2可以看出，隨著制冷劑不斷減少，到120公斤左右時，蒸發溫度提高到1.5℃，再減少制冷劑就會出現蒸發溫度呈下降趨勢，從圖3看出，制冷量達也在120kg左右達到最高制冷量610kw左右，再減少制冷劑使用量，就會出現制冷劑降低的情況。在對制冷劑進行減少過程中，制冷量和蒸發溫度都有變化，但是影響不是非常明顯。壓縮機還是出現高壓報警情況，另外還出現高溫報警。最后判斷為冷凝器冷凝面積小。通過對換熱器預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，蒸發溫度與制冷量不斷提高，但是隨著面積不斷加大，趨勢線越來越平緩，效果也越來越小，通過試驗測試，冷凝器面積增大原來的7.8%，最后制冷量達到設計效果的98.6%，制冷效率EER為5.67，已經基本達到設計要求。再加大換熱面積，雖然還可以效果更好，但是同時制造成本也會提高，已經沒有意義。

4 小結

（1）本文研究了海水直接進入換熱器，制冷劑內轉換的直接式海水熱泵機組，本機組能夠解決熱泵空調安裝水側復雜的轉換系統，能夠大大節省安裝成本。

（2）通過試驗，蒸發器內液位過高同樣會造成換熱效果差。

（3）在設計內轉換熱泵機組過程中，蒸發器的換熱面積要比冷凝器面積小7.8%，要達到設計效果，首先根據冷凝負荷確定冷凝面積，然后再設計相同面積的蒸發器。

參考文獻：

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