天津大學環境科學與工程學院 武振菁 由世俊 張歡 鄭萬冬

       【摘  要】隨著能源危機、環境污染等問題的日益凸顯，可再生能源的應用成為解決一次能源消耗的重要舉措之一。如今海水源熱泵系統用于供暖成為一種清潔供暖節能形式，其系統形式分為開式系統與閉式系統兩種形式。閉式海水源熱泵系統有效解決海洋生物污染、海水雜質及冬季海水溫度過低等造成熱泵機組無法運行的問題。本文研究閉式海水源熱泵系統中海浪外掠圓管的外部強制對流換熱系數，并提出波浪特征參數對管外部強制對流換熱的影響，為項目設計及工程應用提供參考。
       【關鍵字】對流換熱; 波浪參數; 管外對流換熱系數

Abstract:As the energy crisis and environmental pollution become more and more prominent, the application of renewable energy is one of the important measures to solve the primary energy consumption. Nowadays, sea water source heat pump is an energy saving form for clean heating, and its system is divided into two types: open-loop and closed-loop. The closed-loop sea water source heat pump system can effectively solve the problems caused by marine biological pollution, seawater impurities and icing in winter. In this paper, we study external forced convection heat transfer coefficient of the waves swept sea water source heat exchanger and the influence of wave characteristic parameters on external forced convection to provide reference for project design and engineering application.
Keywords:heat convection; wave parameters; external convective heat transfer coefficient

0 引言

       能源是國家發展和國民經濟的重要戰略資源，關系著國家的可持續發展。隨著經濟和社會的快速發展，世界能源的消耗量日益增速。中國是世界上僅次于美國的第二大能源消費國，能源需求的增長速率也是最快的國家之一，有效地開發利用新能源、清潔能源是解決能源問題的重要舉措之一。能源緊缺和環境生態日益惡化的形式下，新能源特別是清潔、可再生能源替代傳統的碳化石能源的使用以及提高能源效率成為當今我國致力解決能源環境危機和實現可持續發展的主要途徑。我國工業發達且人口密集的主要耗能區主要集中于東南沿海地區，隨著工業技術的不斷發展，國內能源的需求量將不斷增加。我國海域遼闊，具備十分豐富的海洋資源，而海洋熱能作為一種清潔能源，日益受到研究學者的廣泛關注。開發海洋熱能不僅可以調整我國不合理的能源結構，而且可以有效地緩解當地的能源供應壓力。因地制宜地開發利用海洋能應用于建筑供冷供熱，將會緩解沿海地區的化石能源消耗問題。海水源熱泵系統是利用海洋熱能為建筑供冷供熱的一種應用形式。

       國內外學者對海水源熱泵系統進行了大量的研究，研究結果表明海水源熱泵系統具有較好的供熱供冷效果。北歐國家特別是挪威和瑞典早在1942年開始將海水源熱泵系統應用于工程之中^[1]。2010，舒海文等人通過與傳統的鍋爐房供熱比較利用穩態與準動態的方法提出海水源熱泵系統的臨界COP的表達式^[2-3]，2015年該團隊對海水源熱泵系統實際工程項目進行現場測試和能耗計算并利用熱力學完善度質變計算該系統的能效提高潛能^[4]。天津大學鄭萬冬等人通過實驗方法分析海水源熱泵系統效率，并與空氣源熱泵系統的熱性能進行比較，研究結果表明海水源熱泵在性能方面具有一定優勢^[5]。在工程應用中，海水源熱泵系統分為開式系統和閉式系統，其中開式系統又分為直接取水和滲濾取水兩種常見形式，而閉式系統則比開式系統增加海水換熱器進行?。ǚ牛?。對于開式系統，鄭雪晶等人建立海水源熱泵海岸井滲濾取水系統數學模型，并通過實驗分析設計參數對系統性能的影響^[6]。賈欣等人基于現場測試數據對比海水源熱泵系統直接取水與滲濾取水兩種形式的系統性能，并發現海水取水口溫度是影響系統性能最重要的因素^[7]，同時，利用正交優化方法分析了多因素對系統能耗的影響以及系統經濟性^[8]。對于閉式系統，俞潔等人建立海水源換熱器的數學模型并描述了換熱器在冬季結冰與非結冰工況下傳熱過程^[9]。2008年，李震^[10]對海水源熱泵區域供熱供冷系統的運行能耗進行了分析，研究結果表明建筑物負荷特性和系統的供冷半徑是影響能耗的主要因素。2009年，沈錫騫^[11]對天津港客運大廈工程空調冷熱源進行分析，結果表明深井水地源熱泵與間接式海水源熱泵運行最優。2011年，劉雪玲^[12]對海水源熱泵中間換熱器以及其是否具備防腐涂層進行了研究，建立了其傳熱數學模型，并對比直接式和間接式海水源熱泵系統性能。2012年，俞潔^[13]對海水源熱泵用拋管式換熱器進行了傳熱分析，建立換熱器冬夏兩季傳熱數學模型，并分析了換熱器管徑、管長、載冷劑溶液流速和進出口溫度對換熱性能的影響。同年，李鳳麗對海水源熱泵在秦皇島的應用進行了研究。2013年，陳文放^[14]對低溫工況海水源熱泵系統運行性能進行研究，并針對套管式和噴淋板式兩種換熱器建立數學模型。吳君華^[15]等人利用fluent商業軟件對盤管換熱器進行數值模擬，研究結果表明換熱器盤管流速宜取0.5~0.7m/s。2014年，朱培根對不同海域海水熱泵系統適用性進行研究，研究表明海水源熱泵系統性能系數較空氣源熱泵高。2015年，鄭萬冬^[16] 建立了雙螺旋管海水換熱器傳熱數學模型，并研究了不同影響因素對傳熱特性的影響。同年，吳云詩^[17]提出一種新型的海水源熱泵前端換熱系統，對毛細管前端換熱器進行數值模擬并研究其換熱性能。以上研究學者主要集中于海水源熱泵系統的形式、運行可靠性及節能性以及不同熱泵系統性能等方面的研究。對于閉式海水源熱泵系統中海水源換熱器形式已有多種，但在管外對流傳熱過程分析中，管外對流換熱系數多采用大空間自然對流換熱系數。大空間自然對流是由于由流體不均勻自身溫度場引起的，淺層海域中管外對流換熱受風浪、潮汐影響較大，顯然使用大空間自然對流換熱系數缺乏合理性。

       本文將結合海洋動力學中波浪理論研究淺層研究復雜流場下管外對流換熱系數，利用理論分析研究方法，研究管外對流換熱系數以及海浪多參數對其影響。

1 理論分析

       1.1 管外傳熱分析

       海水源熱泵系統中海水源換熱器管內流體與海水換熱過程，主要包括管內對流換熱、管壁導熱與管外對流換熱過程。

       管內對流換熱如式（1）所示：

       Q=h_in·π·d_in·l·(t_f-t_w,in)     （1）

       管壁導熱如式（2）所示：

       （2）

       管外對流換熱如式（3）所示：

       Q=h_out·π·d_out·l·(t_w,out-t_sea)     （3）

       其中有研究人員認為海水源換熱器管外對流換熱是由于流體自身溫度場的不均勻所引起的流動的大空間自然對流，管外對流換熱量計算過程中管外對流換熱系數多采用大空間自然對流傳熱關系式，如式（4）所示，Gr數作為自然對流中判定流態的準則。

       Nu_m=C_m(G_r·P_r)n     （4）

       而實際情況中對于淺層海域海水流動受風浪、潮汐等因素影響較劇烈，由此可見淺層海域換熱器管外流動不只是由密度梯度造成的浮力引起的，還受到外力的驅動。外掠圓管管外對流換熱系數，如式（5）所示，Re數作為自然對流中判定流態的準則。

       Nu_f=C_fRe^mPr^1/3     （5）

       1.2 波浪理論

       海水運動的控制方程，針對重力波，假定流體為不可壓縮、密度為常數及無黏性的，流動為無旋的，自由表面為大氣壓，海底為水平的固體邊界。

       連續性方程：

       ▽·u=0    （6）

       動量方程：

       （7）

       本文分析為波幅相較波長較小的海浪流動情況，則水波問題的控制方程和邊界條件都可簡化為線性的，可求解拉普拉斯勢函數，其表達式如下式（8）所示。

       （8）

2 結果與討論

       以海水與換熱器管壁溫差5℃計算，通過計算Gr數，判定流態處于層流區，C取0.48，n取0.25，可得到大空間自然對流換熱系數為360.6（W/m²·k）。大空間自然對關系式計算管外對流換熱系數與管外流速等參數無關，顯然在淺層海洋區域不合理。利用海洋動力學的波浪理論結合橫掠圓管經驗公式計算，可得到海浪波動流場下管外對流換熱系數。

圖1 管外對流換熱系數受水下位置影響    圖2 管外對流換熱系數受波長影響

       由圖1可知，管外對流換熱系數隨著在海平面水下位置加深而減小，由于隨著海域垂向深度增加，海水波動性減弱，流速減緩，管外對流換熱系數從2245W/m²·K減小到216W/m²·K?？梢娫谒?米及以下的位置，若海水與換熱器管壁溫差較大時，自然對流將會起到一定作用，但水下5米以下的區域受流速影響較大，管外對流換熱系數隨水下位置的上升增加較快。由圖2可知，在水下位置一定的條件下，管外對流換熱系數隨著在波浪波長增加而增加，由504W/m²·K變化到1067W/m²·K。從圖3可得，波浪周期也是一個影響因素，管外對流換熱系數隨著波浪周期增大而減小，由1328W/m²·K減小到536W/m²·K。根據波浪理論與橫掠圓管關系式計算結果，可知在復雜的海洋環境中管外對流換熱系數不只是由溫差引起密度梯度所引起的自然對流，海浪特征參數同樣影響著管外對流換熱系數的變化。

圖3 管外對流換熱系數受周期影響    

3 結論

       海水源熱泵是利用海洋熱能這一清潔能源的供暖技術，閉式系統因增加海水換熱器解決開式系統海水進入機組的腐蝕問題以及冬季海水溫度過低的結冰問題。在復雜的海洋環境中，計算換熱器管外對流換熱量，管外對流換熱系數按照大空間自然對流計算仍需進一步研究。本文基于波浪理論對管外對流換熱系數進行計算，計算結果表明管外對流換熱系數受海浪特征參數（水下位置、波長、周期）的影響，數值在102到103之間變化，淺層海域管外對流換熱系數與大空間自然對流關系式計算結果相差較大，下一步應對海洋流動環境中橫掠圓管進行實驗研究，深入研究海浪波流場下管外對流換熱系數的變化范圍。

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。