海浪波动条件下外掠圆管对流换热系数研究

天津大学环境科学与工程学院 武振菁 由世俊 张欢 郑万冬

       【摘  要】随着能源危机、环境污染等问题的日益凸显，可再生能源的应用成为解决一次能源消耗的重要举措之一。如今海水源热泵系统用于供暖成为一种清洁供暖节能形式，其系统形式分为开式系统与闭式系统两种形式。闭式海水源热泵系统有效解决海洋生物污染、海水杂质及冬季海水温度过低等造成热泵机组无法运行的问题。本文研究闭式海水源热泵系统中海浪外掠圆管的外部强制对流换热系数，并提出波浪特征参数对管外部强制对流换热的影响，为项目设计及工程应用提供参考。
       【关键字】对流换热; 波浪参数; 管外对流换热系数

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

       能源是国家发展和国民经济的重要战略资源，关系着国家的可持续发展。随着经济和社会的快速发展，世界能源的消耗量日益增速。中国是世界上仅次于美国的第二大能源消费国，能源需求的增长速率也是最快的国家之一，有效地开发利用新能源、清洁能源是解决能源问题的重要举措之一。能源紧缺和环境生态日益恶化的形式下，新能源特别是清洁、可再生能源替代传统的碳化石能源的使用以及提高能源效率成为当今我国致力解决能源环境危机和实现可持续发展的主要途径。我国工业发达且人口密集的主要耗能区主要集中于东南沿海地区，随着工业技术的不断发展，国内能源的需求量将不断增加。我国海域辽阔，具备十分丰富的海洋资源，而海洋热能作为一种清洁能源，日益受到研究学者的广泛关注。开发海洋热能不仅可以调整我国不合理的能源结构，而且可以有效地缓解当地的能源供应压力。因地制宜地开发利用海洋能应用于建筑供冷供热，将会缓解沿海地区的化石能源消耗问题。海水源热泵系统是利用海洋热能为建筑供冷供热的一种应用形式。

       国内外学者对海水源热泵系统进行了大量的研究，研究结果表明海水源热泵系统具有较好的供热供冷效果。北欧国家特别是挪威和瑞典早在1942年开始将海水源热泵系统应用于工程之中^[1]。2010，舒海文等人通过与传统的锅炉房供热比较利用稳态与准动态的方法提出海水源热泵系统的临界COP的表达式^[2-3]，2015年该团队对海水源热泵系统实际工程项目进行现场测试和能耗计算并利用热力学完善度质变计算该系统的能效提高潜能^[4]。天津大学郑万冬等人通过实验方法分析海水源热泵系统效率，并与空气源热泵系统的热性能进行比较，研究结果表明海水源热泵在性能方面具有一定优势^[5]。在工程应用中，海水源热泵系统分为开式系统和闭式系统，其中开式系统又分为直接取水和渗滤取水两种常见形式，而闭式系统则比开式系统增加海水换热器进行取（放）热。对于开式系统，郑雪晶等人建立海水源热泵海岸井渗滤取水系统数学模型，并通过实验分析设计参数对系统性能的影响^[6]。贾欣等人基于现场测试数据对比海水源热泵系统直接取水与渗滤取水两种形式的系统性能，并发现海水取水口温度是影响系统性能最重要的因素^[7]，同时，利用正交优化方法分析了多因素对系统能耗的影响以及系统经济性^[8]。对于闭式系统，俞洁等人建立海水源换热器的数学模型并描述了换热器在冬季结冰与非结冰工况下传热过程^[9]。2008年，李震^[10]对海水源热泵区域供热供冷系统的运行能耗进行了分析，研究结果表明建筑物负荷特性和系统的供冷半径是影响能耗的主要因素。2009年，沈锡骞^[11]对天津港客运大厦工程空调冷热源进行分析，结果表明深井水地源热泵与间接式海水源热泵运行最优。2011年，刘雪玲^[12]对海水源热泵中间换热器以及其是否具备防腐涂层进行了研究，建立了其传热数学模型，并对比直接式和间接式海水源热泵系统性能。2012年，俞洁^[13]对海水源热泵用抛管式换热器进行了传热分析，建立换热器冬夏两季传热数学模型，并分析了换热器管径、管长、载冷剂溶液流速和进出口温度对换热性能的影响。同年，李凤丽对海水源热泵在秦皇岛的应用进行了研究。2013年，陈文放^[14]对低温工况海水源热泵系统运行性能进行研究，并针对套管式和喷淋板式两种换热器建立数学模型。吴君华^[15]等人利用fluent商业软件对盘管换热器进行数值模拟，研究结果表明换热器盘管流速宜取0.5~0.7m/s。2014年，朱培根对不同海域海水热泵系统适用性进行研究，研究表明海水源热泵系统性能系数较空气源热泵高。2015年，郑万冬^[16] 建立了双螺旋管海水换热器传热数学模型，并研究了不同影响因素对传热特性的影响。同年，吴云诗^[17]提出一种新型的海水源热泵前端换热系统，对毛细管前端换热器进行数值模拟并研究其换热性能。以上研究学者主要集中于海水源热泵系统的形式、运行可靠性及节能性以及不同热泵系统性能等方面的研究。对于闭式海水源热泵系统中海水源换热器形式已有多种，但在管外对流传热过程分析中，管外对流换热系数多采用大空间自然对流换热系数。大空间自然对流是由于由流体不均匀自身温度场引起的，浅层海域中管外对流换热受风浪、潮汐影响较大，显然使用大空间自然对流换热系数缺乏合理性。

       本文将结合海洋动力学中波浪理论研究浅层研究复杂流场下管外对流换热系数，利用理论分析研究方法，研究管外对流换热系数以及海浪多参数对其影响。

1 理论分析

       1.1 管外传热分析

       海水源热泵系统中海水源换热器管内流体与海水换热过程，主要包括管内对流换热、管壁导热与管外对流换热过程。

       管内对流换热如式（1）所示：

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

       管壁导热如式（2）所示：

       （2）

       管外对流换热如式（3）所示：

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

       其中有研究人员认为海水源换热器管外对流换热是由于流体自身温度场的不均匀所引起的流动的大空间自然对流，管外对流换热量计算过程中管外对流换热系数多采用大空间自然对流传热关系式，如式（4）所示，Gr数作为自然对流中判定流态的准则。

       Nu_m=C_m(G_r·P_r)n     （4）

       而实际情况中对于浅层海域海水流动受风浪、潮汐等因素影响较剧烈，由此可见浅层海域换热器管外流动不只是由密度梯度造成的浮力引起的，还受到外力的驱动。外掠圆管管外对流换热系数，如式（5）所示，Re数作为自然对流中判定流态的准则。

       Nu_f=C_fRe^mPr^1/3     （5）

       1.2 波浪理论

       海水运动的控制方程，针对重力波，假定流体为不可压缩、密度为常数及无黏性的，流动为无旋的，自由表面为大气压，海底为水平的固体边界。

       连续性方程：

       ▽·u=0    （6）

       动量方程：

       （7）

       本文分析为波幅相较波长较小的海浪流动情况，则水波问题的控制方程和边界条件都可简化为线性的，可求解拉普拉斯势函数，其表达式如下式（8）所示。

       （8）

2 结果与讨论

       以海水与换热器管壁温差5℃计算，通过计算Gr数，判定流态处于层流区，C取0.48，n取0.25，可得到大空间自然对流换热系数为360.6（W/m²·k）。大空间自然对关系式计算管外对流换热系数与管外流速等参数无关，显然在浅层海洋区域不合理。利用海洋动力学的波浪理论结合横掠圆管经验公式计算，可得到海浪波动流场下管外对流换热系数。

图1 管外对流换热系数受水下位置影响    图2 管外对流换热系数受波长影响

       由图1可知，管外对流换热系数随着在海平面水下位置加深而减小，由于随着海域垂向深度增加，海水波动性减弱，流速减缓，管外对流换热系数从2245W/m²·K减小到216W/m²·K。可见在水下5米及以下的位置，若海水与换热器管壁温差较大时，自然对流将会起到一定作用，但水下5米以下的区域受流速影响较大，管外对流换热系数随水下位置的上升增加较快。由图2可知，在水下位置一定的条件下，管外对流换热系数随着在波浪波长增加而增加，由504W/m²·K变化到1067W/m²·K。从图3可得，波浪周期也是一个影响因素，管外对流换热系数随着波浪周期增大而减小，由1328W/m²·K减小到536W/m²·K。根据波浪理论与横掠圆管关系式计算结果，可知在复杂的海洋环境中管外对流换热系数不只是由温差引起密度梯度所引起的自然对流，海浪特征参数同样影响着管外对流换热系数的变化。

图3 管外对流换热系数受周期影响    

3 结论

       海水源热泵是利用海洋热能这一清洁能源的供暖技术，闭式系统因增加海水换热器解决开式系统海水进入机组的腐蚀问题以及冬季海水温度过低的结冰问题。在复杂的海洋环境中，计算换热器管外对流换热量，管外对流换热系数按照大空间自然对流计算仍需进一步研究。本文基于波浪理论对管外对流换热系数进行计算，计算结果表明管外对流换热系数受海浪特征参数（水下位置、波长、周期）的影响，数值在102到103之间变化，浅层海域管外对流换热系数与大空间自然对流关系式计算结果相差较大，下一步应对海洋流动环境中横掠圆管进行实验研究，深入研究海浪波流场下管外对流换热系数的变化范围。

参考文献

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       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。