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)機械工程學(xué)院）

沉浸豎板式低溫海水換熱器的設(shè)計與應(yīng)用分析

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)機械工程學(xué)院）

摘要沉浸豎板式換熱器適用于低溫海水在換熱過程中換熱器表面結(jié)冰等工況。介紹了該換熱器的結(jié)構(gòu)和工作過程，給出了計算其海水側(cè)、載冷劑側(cè)傳熱膜系數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸的公式。針對一20 kW熱負(fù)荷的實例進行了具體的設(shè)計計算，并分析了實際應(yīng)用中需考慮的因素。

關(guān)鍵詞豎板海水換熱器熱泵換熱系數(shù)

0　引言

在冬季低溫海水工況下，可采用拋管式、套管式和沉浸豎板式三種海水換熱器來構(gòu)成海水源熱泵系統(tǒng)[1]。其中，拋管式海水換熱器結(jié)構(gòu)簡單，但在海水底部有被海洋生物咬壞等危險；套管式海水換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，海水與熱泵工質(zhì)間傳熱溫差小，但基本不允許海水換熱面結(jié)冰，進換熱器的海水需預(yù)處理，換熱器清洗也較復(fù)雜；沉浸豎板式換熱器允許在海水換熱面結(jié)冰工況下運行，使用壽命長，管理維護簡單，具有較好的綜合優(yōu)勢。

本文介紹了沉浸豎板式換熱器的結(jié)構(gòu)和工作過程，并對該換熱器的設(shè)計與應(yīng)用進行較詳細(xì)的分析。

1　沉浸豎板式低溫海水換熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理

沉浸豎板式低溫海水換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

沉浸豎板式低溫海水換熱器的外形是一個長方形腔體 （其高為H，長為L，寬為W），海水在板外流動，載冷劑在腔體內(nèi)流動。腔體內(nèi)設(shè)置了折流板 （折流板間距為B），可防止載冷劑短路，即防止載冷劑由入口進入后直接從出口流出。海水和載冷劑通過平板換熱。

圖1　沉浸豎板式低溫海水換熱器的結(jié)構(gòu)

沉浸豎板式低溫海水換熱器的總體布置如圖2所示 （俯視）。一組沉浸豎板式低溫海水換熱器布置在海水槽中，槽中海水高度不低于豎板高度的90%，海水以一定流速在沉浸豎板式換熱器之間的通道中流過，被換熱器中的載冷劑吸熱后排出海水槽。

圖2　沉浸豎板式低溫海水換熱器的總體布置

采用沉浸豎板式低溫海水換熱器的海水源熱泵系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　采用沉浸豎板式換熱器的海水源熱泵系統(tǒng)

圖3中海水通過泵送入海水槽，流過槽中的沉浸豎板式換熱器表面，被腔內(nèi)流動的載冷劑吸熱；載冷劑再循環(huán)流動進入壓縮機升溫升壓，在冷凝器中加熱載熱劑至適當(dāng)溫度后輸送到用戶處。

2　沉浸豎板式低溫海水換熱器的設(shè)計

（1）海水側(cè)傳熱膜系數(shù)

腔體外海水與豎板表面的傳熱膜系數(shù)計算式如下所述[2]。

當(dāng)雷諾數(shù)Res＜5.0×105時，流態(tài)為層流，有

當(dāng)雷諾數(shù)5.0×105≤Res≤107時，流態(tài)為紊流，有

式中Res——雷諾數(shù)，無因次；

Nus——努塞爾特數(shù)，無因次；

Prs——普朗特數(shù)，無因次；

Vs——海水流速，m/s；

L——沿海水流動方向的平板長度 （見圖1），m；

νs——海水的運動黏度，m2/s；

λs——海水的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

αs——海水與平板表面間的對流傳熱膜系數(shù)，W/(m2·℃)。

（2）載冷劑側(cè)傳熱膜系數(shù)

載冷劑在腔體內(nèi)沿流道流動時，流道的當(dāng)量直徑為：

當(dāng)雷諾數(shù)Res＞10 000時，流態(tài)為紊流，有

式中De——當(dāng)量直徑，m；

B——折流板之間的距離 （見圖1），m；

W——腔體寬度 （見圖1），m；

Rez——載冷劑的雷諾數(shù)，無因次；

Nuz——載冷劑的努塞爾特數(shù)，無因次；

Prz——載冷劑的普朗特數(shù)，無因次；

Vz——載冷劑的流速，m/s；

νz——載冷劑的運動黏度，m2/s；

λz——海水的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

αz——載冷劑與平板表面間的對流傳熱膜系數(shù)，W/(m2·℃)。

（3）海水與載冷劑之間的傳熱膜系數(shù)

海水與載冷劑之間的傳熱膜系數(shù)計算式為：

式中K——傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

λp——平板的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

δp——平板的板材厚度，m。

（4）平板尺寸

平板尺寸的計算式為：

式中F——傳熱面積，m2；

Z——沉浸豎板式換熱器數(shù)量，無因次；

H——平板高度 （見圖1），m；

Qe——載冷劑從海水中的吸熱負(fù)荷，W；

Δtm——海水與載冷劑之間平均傳熱溫差，℃；

Tsi——海水進口溫度，℃；

Tzi——載冷劑進口溫度，℃；

Tzo——載冷劑出口溫度，℃；

Tso——海水出口溫度，℃。

3　設(shè)計示例

以某港口200 m2建筑為背景，其從海水中的吸熱負(fù)荷約Qe=20 kW。

取海水進海水槽溫度Tsi=1.5℃，出海水槽溫度Tso=-1.5℃，流速為Vs=1.0 m/s；載冷劑進沉浸豎板式換熱器的溫度為Tzi=-8℃，出換熱器的溫度為Tzo=-3℃，流速為Vz=1.5 m/s。

取沉浸豎板式換熱器的腔體寬度W=0.02 m，沿海水流向的長度為L=1.0 m，腔體內(nèi)折流板之間的間距為B=0.02 m。

海水進出口平均溫度下的特性參數(shù)為：Prs= 13.2，νs=1.82×10-6m2/s，λs=0.56 W/(m·℃)[3]。

由式 （3） 得：

由式 （2） 得：

由式 （4）得海水側(cè)傳熱膜系數(shù)為：

載冷劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.9%的CaCl2水溶液，在進出口平均溫度下的物性數(shù)據(jù)為：Prz=19.8，νz= 2.94×10-6m2/s，λz=0.54 W/(m·℃)[4]。

由式 （5）得其流通當(dāng)量直徑為：

由式 （7） 得：

由式 （6） 得：

由式 （8）得載冷劑側(cè)傳熱膜系數(shù)為：

取海水槽中布置4片沉浸豎板式換熱器，換熱器材料采用鈦，其熱導(dǎo)率λp=16.75 W/(m·℃)[5]，材料壁厚為δp=0.000 5 m。

由式（9）得海水與載冷劑之間的傳熱膜系數(shù)為：

由式 （11）得海水與載冷劑之間的平均傳熱溫差為：

由式 （10）得沉浸豎板式換熱器的高度為：

即每片沉浸豎板式低溫海水換熱器的尺寸為L×W×H=1.0 m×0.02 m×0.79 m。

4　應(yīng)用分析

由以上計算可見，沉浸豎板式換熱器的傳熱熱阻主要在海水側(cè)，盡量加大海水在豎板表面的流速可有效強化傳熱過程。為此，海水槽可設(shè)計為斜坡型，如圖4所示。這樣可增加海水流動的推動力。此外，也可考慮采用噴淋方式強化海水側(cè)傳熱。

圖4　斜坡型海水槽布置

當(dāng)海水入口溫度接近冰點時，海水可能在換熱平板表面出現(xiàn)結(jié)冰工況。冰層較薄時，對傳熱過程影響不大；冰層較厚時，需進行融冰。

當(dāng)熱泵機組距海水較近且設(shè)備容量不大時，沉浸豎板式換熱器可做成承壓式，熱泵工質(zhì)直接通入腔體內(nèi)與海水換熱。

5　結(jié)論與建議

沉浸豎板式低溫海水換熱器具有工況適應(yīng)性好、維護簡單、使用壽命長等特點，其長、寬、高和折流板間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)均可根據(jù)實際需求進行設(shè)計調(diào)整。建議進一步建立其優(yōu)化模型，對結(jié)構(gòu)參數(shù)及載冷劑流速、海水流速等進行綜合優(yōu)化，從而取得最佳的應(yīng)用效果。

參考文獻

[1]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.

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

[3]郭琨.海洋手冊 [M].北京：海洋出版社，1984.

[4]陳維剛.空調(diào)工程與設(shè)備 [M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.

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

羅爾斯·羅伊斯承攬中哈天然氣管道壓縮機

羅爾斯·羅伊斯公司于2013年 9月宣布，承攬了1.75億美元的合同，為亞洲天然氣管道公司 （AGP）提供設(shè)備及相關(guān)服務(wù)，助力于通過哈薩克斯坦的C線天然氣管道，這是1833 km長中亞-中國天然氣管道的一部分。

該公司將為哈薩克斯坦國家石油公司KazMunaiGaz和中國石油天然氣集團公司 （CNPC）之間的合資企業(yè)亞洲天然氣管道公司 （AGP），提供12臺 RB211燃?xì)廨啓C驅(qū)動的管道壓縮機組，這些壓縮機組將在沿1115 km C線管道4個壓縮機站進行運行。2016年達(dá)到完整的運營能力時，中亞-中國天然氣管道網(wǎng)絡(luò)將可每年運送550億m3天然氣，從土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦經(jīng)過烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦到達(dá)中國。哈薩克斯坦C線管道將提供250億m3/a的總能力，包括潛在的向哈薩克斯坦國內(nèi)供氣。（章文）

霍尼韋爾提供甲醇和MTBE裝置改進技術(shù)

霍尼韋爾公司于2014年3月23日宣布，向卡塔爾燃料添加劑公司 （Qafac）提供一種新的集成控制和安全系統(tǒng)。這將有助于卡塔爾在梅薩伊德 （Mesaieed）的聯(lián)合裝置降低運營成本，提高其甲醇和甲基叔丁基醚 （MTBE）設(shè)施的效率。該工作將在2014年最后一個季度完成。霍尼韋爾的集成控制和安全解決方案，包括一個新的火災(zāi)和氣體系統(tǒng)，將提高裝置的自動化水平，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，并提高運營效率。Qafac也將從霍尼韋爾公司的生命周期支持的長期服務(wù)中受益。

Qafac是國家支持的卡塔爾工業(yè)公司、OPIC中東公司、李長榮（臺北）公司等的合資企業(yè)，該公司計劃到2020年成為甲醇和丁烷衍生物的前五大國際生產(chǎn)商之一。2014年該公司的裝置將投入8000萬美元建設(shè)二氧化碳回收項目，其捕捉二氧化碳的能力為500 t/d，回收來的二氧化碳再注入到生產(chǎn)循環(huán)中，有助于提高產(chǎn)量。

該項目將確保Qafac能夠滿足對甲醇、MTBE和清潔燃料效率日益增長的需求，同時使該生產(chǎn)基地實現(xiàn)安全和環(huán)保性能的最高水平。該解決方案包括霍尼韋爾的Experion PKS集散控制系統(tǒng)、安全管理和XLS火災(zāi)探測系統(tǒng)。（金楓）

*喬木，女，1980年生，碩士，工程師。天津市，300308。

中圖分類號TQ 051.5

收稿日期：（2014-03-05）

Design and Application of Immersed Vertical Plate Heat Exchanger for Low Temperature Seawater

Qiao Mu Jia Xiaomin Guo Quanju Xie Jihong Chen Dong

Abstract：The immersed vertical plate heat exchanger is suitable for the condition that low temperature seawater freezes on the surface of the heat exchanger during the heat transfer process.Introduces the structure and working principle of the heat exchanger,gives the calculation formulas of the structure size and the heat transfer film coefficients of both seawater and refrigerant sides.In addition,detailed design process and calculations are given for a project with 20 kW heat transfer quantity,and factors needing consideration in practical application also are analyzed.

Key words：Vertical plate;Seawater;Heat exchanger;Heat pump;Heat transfer coefficient