直接式海水源热泵机组的设计及热力性能评价

马海平

摘 要：本文以海水直接进入换热器的直接式热泵系统为研究对象，建立机组设计模型，并对该设计机组进行组装实验，通过实验分析，对换热器与设计工况进行不断优化匹配，实现了大型热泵空调机组制冷剂内转换的可行性，减少管道及换热器的防腐面积，并达到了预定的设计要求，为直接式海水源机组进一步优化提供了一定的参考。

关键词：海水源热泵； 换热器； 传热系数； 传热系数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.235

0 引言

海洋热能是海洋能源的主体，它是海洋上层温海水与深海冷水之间存在温差而蕴有的能量，海洋能来源于太陽能，是储存于海水中的太阳能，因此是一种可再生能源，地球表面70%为海洋所覆盖，水体巨大，所包含的热能十分庞大，据估计，海洋能的能量比其他各种海洋能源，如波浪能、潮汐能、海流能的总和还要多。稳定性是海洋能一大优点，大多数可再生能源，如太阳能、风能、波浪能、潮汐能都是不稳定或是周期性的，其开发利用都会碰到复杂昂贵的蓄能问题，而海洋能本身就是储存在海洋中的太阳能，海洋就是一个巨大的储能器，由于水体巨大，温度十分稳定，其昼夜变化可以忽略，季节性温差变化只有2～3℃，并且有规律，可预测的，因此海洋能的热利用是取之不尽，用之不竭的，海水温度一般在25～30℃，接近常温，海洋能作为热源直接使用几乎没有意义，然而用热泵的形式通过热力循环，则可以把低品位的热能转化为高品位的热能，意义重大。

1 理论分析

为减少海水对机组的腐蚀性，降低制造成本，让海水只通过一个换热器是一种比较理想的换热方式。要使机组满足冬夏两用，须要用四通换向设备。直接式海水源热泵机组，工作时它的冷热源可以是海水也可以是污水、工业废水，可以将海水或者污水稍加过滤可直接通入。

夏季制冷运行时：压缩机通过四通阀不断地从满液蒸发器中抽取制冷剂蒸气，经过压缩机压缩，制冷剂由低温低压蒸气转变成高温高压蒸气。高温高压制冷剂蒸气通过四通阀进入冷凝器器内冷凝，放出大量热被换热器管程海水或者污水吸收，被冷凝的高压液体制冷剂经电子膨胀阀节流、降压，转变为低压制冷剂气液混合物。经过止回阀进入满液蒸发器内蒸发，从空调冷冻水中吸收热量，从而降低了空调水的温度，低压制冷蒸气进入四通阀被压缩机抽取，从而形成一个制冷循环。

冬季制热时：压缩机排出的高温蒸汽通过四通阀进入冷凝器进行冷凝，与系统水进行换热，热水可以直接通入热负荷区域，冷凝下来的液体经过电子膨胀阀及止回阀，进入蒸发器，从海水源或者污水源中吸收热量蒸发成低压气体，这些低压制冷剂气体通过四通阀进入压缩机进行压缩形成一个制热循环。

2 设计过程

（1）设计工况。

蒸发温度3.5℃ 冷凝温度34℃

冷媒水进水温度12℃，出水温度7℃

热源水进水温度18℃ ，出水温度29℃

（2）设计负荷：180lt

（3）换热器选型计算。

进入海水的换热器采用高性能的Ni-Cu换热管，壳体用碳钢板，内涂防腐材料，封头采用铸铁封头，内涂防腐涂料。另一台换热器为普通换热器，但换热管表面强化方式相同。

由于本机组设计采用制冷剂内转换形式，所以蒸发器即使冷凝器又是蒸发器，所以本机组换热器设计冷凝器与蒸发器换热面积相等。本换热器采用高低相间的尖肋梯形槽VA换热管，换热器按满液换热器设计。

管内为单相强制对流换热。

计算结果：

（4）四通阀： 本项目与制冷配件公司联合开发超大型四通阀，以适应大型海水源热泵的需求。

（5）压缩机：选择比泽尔压缩机

（6）膨胀阀：采用爱默生X7电子膨胀阀

3 测试结果

测试数据如表2：

从数据上看，此结果达到设计的92%，在实验运行开始30min左右，就会出现冷凝器高压报警的现象，冷凝温度过高，通过调整膨胀阀的开度，作用不是很大，通过蒸发器视液镜可以看到蒸发器内最顶端有大量白色泡沫，压缩机视液镜内也有出现白色泡沫，应该可以看出，压缩机有液击现象，制冷剂可能过量，对于双满液换热器，制冷剂使用量不好确定，然后开始对制冷剂的使用量进行实验。

实验过程中，蒸发器内白色泡沫明显减少，压缩机视液镜内没有白色泡沫，制冷剂过量问题得到改善。通过图2可以看出，随着制冷剂不断减少，到120公斤左右时，蒸发温度提高到1.5℃，再减少制冷剂就会出现蒸发温度呈下降趋势，从图3看出，制冷量达也在120kg左右达到最高制冷量610kw左右，再减少制冷剂使用量，就会出现制冷剂降低的情况。在对制冷剂进行减少过程中，制冷量和蒸发温度都有变化，但是影响不是非常明显。压缩机还是出现高压报警情况，另外还出现高温报警。最后判断为冷凝器冷凝面积小。通过对换热器预留孔增加换热管以增大换热面积的方式，逐步加大冷凝器面积。

从图4可以看出，随着换热面积不断增加，蒸发温度与制冷量不断提高，但是随着面积不断加大，趋势线越来越平缓，效果也越来越小，通过试验测试，冷凝器面积增大原来的7.8%，最后制冷量达到设计效果的98.6%，制冷效率EER为5.67，已经基本达到设计要求。再加大换热面积，虽然还可以效果更好，但是同时制造成本也会提高，已经没有意义。

4 小结

（1）本文研究了海水直接进入换热器，制冷剂内转换的直接式海水热泵机组，本机组能够解决热泵空调安装水侧复杂的转换系统，能够大大节省安装成本。

（2）通过试验，蒸发器内液位过高同样会造成换热效果差。

（3）在设计内转换热泵机组过程中，蒸发器的换热面积要比冷凝器面积小7.8%，要达到设计效果，首先根据冷凝负荷确定冷凝面积，然后再设计相同面积的蒸发器。

参考文献：

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