沉浸竖板式低温海水换热器的设计与应用分析

乔 木　贾晓敏　郭全举　谢继红　陈 东

（天津意安消防设备有限公司）（天津科技大学机械工程学院）

沉浸竖板式低温海水换热器的设计与应用分析

乔 木*贾晓敏郭全举谢继红陈 东

（天津意安消防设备有限公司）（天津科技大学机械工程学院）

摘要沉浸竖板式换热器适用于低温海水在换热过程中换热器表面结冰等工况。介绍了该换热器的结构和工作过程，给出了计算其海水侧、载冷剂侧传热膜系数及其结构尺寸的公式。针对一20 kW热负荷的实例进行了具体的设计计算，并分析了实际应用中需考虑的因素。

关键词竖板海水换热器热泵换热系数

0　引言

在冬季低温海水工况下，可采用抛管式、套管式和沉浸竖板式三种海水换热器来构成海水源热泵系统[1]。其中，抛管式海水换热器结构简单，但在海水底部有被海洋生物咬坏等危险；套管式海水换热器结构紧凑，海水与热泵工质间传热温差小，但基本不允许海水换热面结冰，进换热器的海水需预处理，换热器清洗也较复杂；沉浸竖板式换热器允许在海水换热面结冰工况下运行，使用寿命长，管理维护简单，具有较好的综合优势。

本文介绍了沉浸竖板式换热器的结构和工作过程，并对该换热器的设计与应用进行较详细的分析。

1　沉浸竖板式低温海水换热器的结构与工作原理

沉浸竖板式低温海水换热器结构如图1所示。

沉浸竖板式低温海水换热器的外形是一个长方形腔体 （其高为H，长为L，宽为W），海水在板外流动，载冷剂在腔体内流动。腔体内设置了折流板 （折流板间距为B），可防止载冷剂短路，即防止载冷剂由入口进入后直接从出口流出。海水和载冷剂通过平板换热。

图1　沉浸竖板式低温海水换热器的结构

沉浸竖板式低温海水换热器的总体布置如图2所示 （俯视）。一组沉浸竖板式低温海水换热器布置在海水槽中，槽中海水高度不低于竖板高度的90%，海水以一定流速在沉浸竖板式换热器之间的通道中流过，被换热器中的载冷剂吸热后排出海水槽。

图2　沉浸竖板式低温海水换热器的总体布置

采用沉浸竖板式低温海水换热器的海水源热泵系统如图3所示。

图3　采用沉浸竖板式换热器的海水源热泵系统

图3中海水通过泵送入海水槽，流过槽中的沉浸竖板式换热器表面，被腔内流动的载冷剂吸热；载冷剂再循环流动进入压缩机升温升压，在冷凝器中加热载热剂至适当温度后输送到用户处。

2　沉浸竖板式低温海水换热器的设计

（1）海水侧传热膜系数

腔体外海水与竖板表面的传热膜系数计算式如下所述[2]。

当雷诺数Res＜5.0×105时，流态为层流，有

当雷诺数5.0×105≤Res≤107时，流态为紊流，有

式中Res——雷诺数，无因次；

Nus——努塞尔特数，无因次；

Prs——普朗特数，无因次；

Vs——海水流速，m/s；

L——沿海水流动方向的平板长度 （见图1），m；

νs——海水的运动黏度，m2/s；

λs——海水的热导率，W/(m·℃)；

αs——海水与平板表面间的对流传热膜系数，W/(m2·℃)。

（2）载冷剂侧传热膜系数

载冷剂在腔体内沿流道流动时，流道的当量直径为：

当雷诺数Res＞10 000时，流态为紊流，有

式中De——当量直径，m；

B——折流板之间的距离 （见图1），m；

W——腔体宽度 （见图1），m；

Rez——载冷剂的雷诺数，无因次；

Nuz——载冷剂的努塞尔特数，无因次；

Prz——载冷剂的普朗特数，无因次；

Vz——载冷剂的流速，m/s；

νz——载冷剂的运动黏度，m2/s；

λz——海水的热导率，W/(m·℃)；

αz——载冷剂与平板表面间的对流传热膜系数，W/(m2·℃)。

（3）海水与载冷剂之间的传热膜系数

海水与载冷剂之间的传热膜系数计算式为：

式中K——传热系数，W/(m2·℃)；

λp——平板的热导率，W/(m·℃)；

δp——平板的板材厚度，m。

（4）平板尺寸

平板尺寸的计算式为：

式中F——传热面积，m2；

Z——沉浸竖板式换热器数量，无因次；

H——平板高度 （见图1），m；

Qe——载冷剂从海水中的吸热负荷，W；

Δtm——海水与载冷剂之间平均传热温差，℃；

Tsi——海水进口温度，℃；

Tzi——载冷剂进口温度，℃；

Tzo——载冷剂出口温度，℃；

Tso——海水出口温度，℃。

3　设计示例

以某港口200 m2建筑为背景，其从海水中的吸热负荷约Qe=20 kW。

取海水进海水槽温度Tsi=1.5℃，出海水槽温度Tso=-1.5℃，流速为Vs=1.0 m/s；载冷剂进沉浸竖板式换热器的温度为Tzi=-8℃，出换热器的温度为Tzo=-3℃，流速为Vz=1.5 m/s。

取沉浸竖板式换热器的腔体宽度W=0.02 m，沿海水流向的长度为L=1.0 m，腔体内折流板之间的间距为B=0.02 m。

海水进出口平均温度下的特性参数为：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）得海水侧传热膜系数为：

载冷剂为质量分数为18.9%的CaCl2水溶液，在进出口平均温度下的物性数据为：Prz=19.8，νz= 2.94×10-6m2/s，λz=0.54 W/(m·℃)[4]。

由式 （5）得其流通当量直径为：

由式 （7） 得：

由式 （6） 得：

由式 （8）得载冷剂侧传热膜系数为：

取海水槽中布置4片沉浸竖板式换热器，换热器材料采用钛，其热导率λp=16.75 W/(m·℃)[5]，材料壁厚为δp=0.000 5 m。

由式（9）得海水与载冷剂之间的传热膜系数为：

由式 （11）得海水与载冷剂之间的平均传热温差为：

由式 （10）得沉浸竖板式换热器的高度为：

即每片沉浸竖板式低温海水换热器的尺寸为L×W×H=1.0 m×0.02 m×0.79 m。

4　应用分析

由以上计算可见，沉浸竖板式换热器的传热热阻主要在海水侧，尽量加大海水在竖板表面的流速可有效强化传热过程。为此，海水槽可设计为斜坡型，如图4所示。这样可增加海水流动的推动力。此外，也可考虑采用喷淋方式强化海水侧传热。

图4　斜坡型海水槽布置

当海水入口温度接近冰点时，海水可能在换热平板表面出现结冰工况。冰层较薄时，对传热过程影响不大；冰层较厚时，需进行融冰。

当热泵机组距海水较近且设备容量不大时，沉浸竖板式换热器可做成承压式，热泵工质直接通入腔体内与海水换热。

5　结论与建议

沉浸竖板式低温海水换热器具有工况适应性好、维护简单、使用寿命长等特点，其长、宽、高和折流板间距等结构参数均可根据实际需求进行设计调整。建议进一步建立其优化模型，对结构参数及载冷剂流速、海水流速等进行综合优化，从而取得最佳的应用效果。

参考文献

[1]陈文放.低温海水工况下海水源热泵空调的特性研究[D].天津：天津科技大学，2014.

[2]陈东，谢继红.热泵技术手册 [M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]郭琨.海洋手册 [M].北京：海洋出版社，1984.

[4]陈维刚.空调工程与设备 [M].上海：上海交通大学出版社，2001.

[5] 王立国，王世昌，朱爱梅，等.塑料换热器在海水淡化中的应用 [J].化工进展，2004，23（12）：1359-1361.

罗尔斯·罗伊斯承揽中哈天然气管道压缩机

罗尔斯·罗伊斯公司于2013年 9月宣布，承揽了1.75亿美元的合同，为亚洲天然气管道公司 （AGP）提供设备及相关服务，助力于通过哈萨克斯坦的C线天然气管道，这是1833 km长中亚-中国天然气管道的一部分。

该公司将为哈萨克斯坦国家石油公司KazMunaiGaz和中国石油天然气集团公司 （CNPC）之间的合资企业亚洲天然气管道公司 （AGP），提供12台 RB211燃气轮机驱动的管道压缩机组，这些压缩机组将在沿1115 km C线管道4个压缩机站进行运行。2016年达到完整的运营能力时，中亚-中国天然气管道网络将可每年运送550亿m3天然气，从土库曼斯坦和乌兹别克斯坦经过乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦到达中国。哈萨克斯坦C线管道将提供250亿m3/a的总能力，包括潜在的向哈萨克斯坦国内供气。（章文）

霍尼韦尔提供甲醇和MTBE装置改进技术

霍尼韦尔公司于2014年3月23日宣布，向卡塔尔燃料添加剂公司 （Qafac）提供一种新的集成控制和安全系统。这将有助于卡塔尔在梅萨伊德 （Mesaieed）的联合装置降低运营成本，提高其甲醇和甲基叔丁基醚 （MTBE）设施的效率。该工作将在2014年最后一个季度完成。霍尼韦尔的集成控制和安全解决方案，包括一个新的火灾和气体系统，将提高装置的自动化水平，提高网络的安全性，并提高运营效率。Qafac也将从霍尼韦尔公司的生命周期支持的长期服务中受益。

Qafac是国家支持的卡塔尔工业公司、OPIC中东公司、李长荣（台北）公司等的合资企业，该公司计划到2020年成为甲醇和丁烷衍生物的前五大国际生产商之一。2014年该公司的装置将投入8000万美元建设二氧化碳回收项目，其捕捉二氧化碳的能力为500 t/d，回收来的二氧化碳再注入到生产循环中，有助于提高产量。

该项目将确保Qafac能够满足对甲醇、MTBE和清洁燃料效率日益增长的需求，同时使该生产基地实现安全和环保性能的最高水平。该解决方案包括霍尼韦尔的Experion PKS集散控制系统、安全管理和XLS火灾探测系统。（金枫）

*乔木，女，1980年生，硕士，工程师。天津市，300308。

中图分类号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