地表水热泵螺旋管换热器设计1.doc

地表水源热泵螺旋管换热器设计 押淑芳，马最良 摘 要：现有地表水源热泵换热器设计资料粗糙，且不完全符合我国地表水特点，其应用误差较大。通过建立的塑料螺旋管换热器设计计算简化数学模型的大量数值计算，在工程设计值范围内，得出影响其换热能力的显著因素是换热器进出口温差和地表水体流速，而换热介质种类、换热介质流速和地表水体温度等均对换热器换热能力影响不大。为此，给出了供热、供冷工况的基本线算图和换热器进出口温差修正系数公式、地表水体流速修正系数表。在保持基本线算图的简便特性基础上，大大的扩展了线算图的使用范围。这将为我国地表水源热泵设计提供参考资料。 关键词：地表水源热泵；塑料螺旋管；换热器；设计线算图；修正 1 引言 我国河流湖泊纵横、拥有丰富的地表水资源，这为我国发展地表水源热泵提供了基本条件。但是，我国对于地表水源热泵的研究起步较晚，可供设计参考的文献资料十分有限，对于闭式地表水源热泵的重要部件——塑料螺旋管换热器（又称松散捆卷盘管）设计计算的研究更加稀少。虽然文献[1-5]中给出了相关表格和线算图，但过于粗放、缺乏精确性，且大多按国外地表水特点和标准绘制，在实际工程设计中，难以直接采用。为此，本文针对我国现行标准和特定条件，详细研究了供地表水源热泵使用的塑料螺旋管换热器面积设计问题，给出了详细的线算图和修正方法，以期为我国地表水源热泵设计提供设计参考资料。 2 塑料螺旋管换热器传热数学模型 塑料螺旋管换热器的传热为一圆管束内强迫对流的间壁式换热，当河流有流动时，流体横掠管外。圆管传热热阻可采用下式计算[6]： （1） 式中：为传热系数，W/(m2·K)；分别为圆管壁内、外径，m；为圆管表面积，m2；为污垢系数，(m2·K)/W；为圆管长度，m。下标：1为与流体1接触侧；2为与流体2接触侧。 管内流体与圆管壁的对流换热系数为[6]： （2） 式中：Nu为Nusselt数；Re为Reynolds数；Pr为Prandtl数。当流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。定性温度为管道进出口截面算术平均值；特性尺度对圆形通道取管内径d，非圆形通道取当量直径。 当管外地表水有流动时，横掠圆管管束外的对流换热系数为[6]： （3） 式中：为管排修正系数，当管排数目m≥20时，=1，当m＜20时，值与管排数、Re数、排列方式有关；为流体流动方向与管轴线不垂直的修正系数；C和n为系数，随Re数和管束的排列方式不同而不同 式（3）中的定性温度：为壁面温度，其余均用流体平均温度；特性尺寸取管外径d；特征速度取管间最小截面处的最大流速。 一般来说，螺旋管换热器几何形状复杂，不能直接套用现有的流体横掠圆管管束外对流换热系数经验公式，因此，需要根据实际情况进行合理的简化和假设： (1) 管束排列方式的简化。塑料螺旋管换热器有两种形式：松散捆卷盘管形式和伸展开盘管（“slinky”盘管）形式。但松散捆卷盘管形式的换热器应用更为普遍，故本文仅对工程中应用较普遍的松散捆卷盘管形式进行计算。松散捆卷盘管形式的管束排列方式可近似看作顺排。 (2) 管排数目的假设。由文献[6]可知，当管排数目大于8时，对于顺排管束，管排修正系数接近于1.0，对于地表水源热泵换热器系统来说，管排数一般大于8，故在下面的计算中，管排修正系数均取值为1.0。 (3) 流体流动方向与管轴线不垂直的修正系数的简化。对于塑料螺旋管换热器来说，管外流体横掠的换热器外形为圆形，其角度连续变化。为此，可对表1中的数据进行拟合，而后积分平均，可得平均修正系数为0.731。 (4) 对式(3)中的简化。由饱和水的热物理性质可知[7]：当水温处于0～10℃之间时，相同温差下的普朗特数的变化最大。对于地表水换热器来说，最不利工况出现在冬季，塑料螺旋管换热器外壁面温度极限值为0℃，此时的值为13.67；由于塑料螺旋管换热器长时间处于地表水环境中，其外壁面温度与地表水温度相差不大，这里取1.0℃温差，即地表水温度为1.0℃，此时值为13.26，则，将其简化为1.0的误差仅为0.76%。因此计算中将的值简化为1.0。 (5) 式(3)中C和n的取值。C和n的取值由排列方式和雷诺数Re决定。若排列方式看作顺排，则C和n的取值仅与Re有关。Re值由地表水流速、塑料管外径和水的运动粘度决定。当计算条件给定时，即可确定雷诺数Re的取值范围，进而确定C和n的值。 综合假设(1)-(5)，式（3）可简化为： (4) 为此，依据式（1）、（2）、（4）可以求得地表水螺旋管换热器传热热阻或传热系数。 3 设计计算的基准线算图 塑料螺旋管换热器材料为高密度聚乙烯塑料管