抛管式换热器在冬季结冰工况传热机理研究摘要：对抛管式换热器在冬季结冰工况建立了传热模型。通过计算机模拟研究，分析了抛管式换热器的长度，载冷剂的进口温度，及载冷剂流速对抛管式换热器换热量的影响。关键词：抛管式换热器传热模型结冰工况数值模拟：TK123文献标识码：A：1003-9082（2015）02-0327-02引言海水源热泵系统是一种利用海水的低位冷热源进行供冷供热系统，海水源热泵系统按其地下换热器的水环路形式，可分为开式环路系统和闭式环路系统[1-5]。在冬季极端运行工况下，闭式系统里面可以充防冻液，没有结冰的危险，这样可以取更大的进出水温差，降低系统内循环水量[6-10]，但是海水侧换热器的进水温度的下降，可能导致入口段管道外侧结冰，影响换热效果。本文根据热平衡原理建立抛管式换热器在冬季结冰工况下的理论模型，并进行数值模拟。一、抛管式换热器数学模型在传热过程中，载冷剂溶液在抛管式换热器内流过，与管外的地表水进行热交换依次经历以下过程：首先，通过热传导海水中的热量通过换热器管外壁冰层和换热器管壁，之后由于载冷剂溶液流过管壁将热量带走。利用托马斯算法[11]求解热平衡方程，采用VB编程软件即可求出载冷剂溶液出口温度。二、数值模拟研究抛管式换热器的换热性能和很多因素有关。我们针对以下参数进行数值模拟研究：（1）抛管式换热器的管长；（2）管内载冷剂溶液的进口温度；（3）管内载冷剂溶液的流速。为了便于比较分析，抛管式换热器的设计参数如下：（1）换热器选用公称直径为32mm的高密度聚乙烯管，管长200m；（2）载冷剂溶液的进口温度为-5℃；（3）周围地表水温度为-1.5℃；（4）载冷剂选用质量比为25%的乙二醇溶液。管内载冷剂溶液流速分别为0.41m/s，0.47m/s，0.55m/s，0.63m/s和0.67m/s时，抛管式换热器的长度对换热器换热量的影响。在管长从100m变化到180m时，曲线斜率较大，这说明管长为100-180m时，换热量随管长的增加有较大幅度的增长，180-200m时换热量随管长的变化已经趋于平缓，这主要是由于随着管长的增加，载冷剂溶液与周围水域的可利用温差变小，换热逐渐减弱所致。而随着换热器长度的增加，换热器的沿程阻力损失也会增大，所以换热器的长度并不是越长越好。2.载冷剂溶液的进口温度在换热过程中，载冷剂溶液的进口温度也影响着换热器的换热性能。图3给出管内载冷剂溶液流速分别为0.41m/s，0.47m/s，0.55m/s，0.63m/s和0.67m/s，载冷剂的进口温度分别为-6℃、-5.5℃、-5℃、-4.5℃、-4℃、-3.5℃时，抛管式换热器换热量的变化。从图3中可以看出，不同流速下换热量随乙二醇溶液进口温度变化的趋势基本相同，随着乙二醇进口温度的升高，换热量减少，因为在进口温度比较低时，乙二醇溶液和外界水域的温差比较大，可以强化换热。3.乙二醇溶液的流速换热器内乙二醇溶液的流速增大对流换热系数也会增大，所以换热量也会随之增大。从图3可以看出，在不同乙二醇溶液进口温度条件下换热量随流速变化的趋势大体相同。在进口温度一定时换热量随着管内流速的增加，换热器换热量增大，但是变化趋势逐渐放缓。在流速从0.4m/s变化到0.55m/s时，换热量增大的幅度比较大；而流速从0.55m/s增加到0.7m/s时传热量的增加量越来越小。也就是说，随着流速的增加，每增加单位流速得到的换热量增益在减少。另外，随着流速的增加管内流体的流动阻力增加，因而循环水泵的功耗增加。从图3中可以看出载冷剂溶液流速由0.4m/s变为0.6m/s时，换热量增加了32.9%，但是沿程阻力损失却增加了103.3%。三、结论本文通过建立抛管式换热器的传热模型来模拟换热器在不同的设计参数和运行工况下的换热过程。本文通过数值模拟结果分析了管长，换热器进口流速和温度等因素对抛管式换热器换热性能的影响。抛管式换热器的提出很好的解决了开式系统冬季进口温度过低导致机组无法运行及结垢等问题。因此，这个数学模型可以用于分析抛管式换热器的换热过程。本文可以对实际工程中闭式环路地表水换热器的设计提供参考，具有实际参考价值。参考文献[1]清华大学建筑节能中心.中国建筑节能年度发展研究报告（2009）[C].北京：中国建筑工业出版社，2009.[2]G.Cai，Y.Wu，Y.Zh...