【摘要】：結合我國沿海建筑能源緊張的現(xiàn)狀,高效、節(jié)能、環(huán)保的海水源熱泵系統(tǒng)作為沿海建筑的冷熱源具有重要的研究價值和應用前景。因此,本文提出了一種用于海水源熱泵系統(tǒng)的新型雙螺旋管海水換熱器,并對該換熱器的換熱特性進行了實驗與模擬研究。并且基于北方沿海地區(qū),冬季海水溫度接近冰點溫度的特點,本文不僅研究了該換熱器夏季工況與冬季非結冰工況的換熱特性,還著重研究了冬季結冰工況的換熱特性。首先,分別建立了雙螺旋管海水換熱器在冬季結冰工況、非結冰工況及夏季工況下的數(shù)學模型,并在天津國際郵輪母港搭建了雙螺旋管海水換熱器性能測試實驗系統(tǒng)。在上述三種工況下,分別對雙螺旋管海水換熱器沿管長的溫度分布進行了測試,并對冬季結冰工況下沿管長的冰層厚度分布進行了測量。將實驗結果依次帶入到相應的數(shù)學模型中,對該換熱器的管外對流換熱系數(shù)進行求解,獲得該換熱器在測試期間的管外對流換熱系數(shù)變化范圍:冬季非結冰工況下海水流速為0.07~0.38 m/s時,對應的管外對流換熱系數(shù)為427.8~712.8 W/(m2?K);冬季結冰工況下海水流速為0.21~0.53 m/s時,對應的管外對流換熱系數(shù)為582.8~853.9W/(m2?K);夏季工況下海水流速變化范圍在0.09~0.47 m/s時,管外對流換熱系數(shù)的變化范圍為451.7~762.4 W/(m2?K)。其次,利用雙螺旋管海水換熱器夏季工況及冬季結冰與非結冰工況的數(shù)學模型,對其在海水中的傳熱特性進行了模擬預測,即通過數(shù)值模擬的方法,研究了換熱器管長、管徑、管內(nèi)流體流速、入口溫度以及海水溫度等因素對該換熱器換熱特性的影響,并模擬了冬季結冰工況下該換熱器管外冰層的結冰規(guī)律以及結冰對換熱器換熱特性的影響。最后,以天津港南疆港區(qū)內(nèi)某辦公樓應用的海水源熱泵系統(tǒng)為例,給出了雙螺旋管海水換熱器詳細的選配方法并對其管內(nèi)流體流速的經(jīng)濟性進行了分析。利用Energyplus能耗模擬軟件對該辦公樓全年負荷進行模擬計算,以全壽命周期成本及費用年值為評價指標,對該辦公樓選用直接取水模式的海水源熱泵系統(tǒng)、滲濾取水模式的海水源熱泵系統(tǒng)以及雙螺旋管海水換熱器的海水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了對比分析,并對其節(jié)能環(huán)保效益進行了評價。
[Abstract]:Combined with the current situation of energy shortage in coastal buildings in China, the sea water source heat pump system with high efficiency, energy saving and environmental protection has important research value and application prospect as the cooling and heat source of coastal buildings. Therefore, a new type of double helical tube seawater heat exchanger for sea water source heat pump system is proposed in this paper, and the heat transfer characteristics of the heat exchanger are studied experimentally and numerically. Based on the characteristics that the sea water temperature is close to the freezing point temperature in the northern coastal area, this paper not only studies the heat transfer characteristics of the heat exchanger in summer and non-icing conditions in winter, but also focuses on the heat transfer characteristics of the freezing condition in winter. Firstly, the mathematical models of double-helical tube seawater heat exchangers in winter icing, non-icing and summer conditions were established, and the performance test system of double-helix sea water heat exchangers was built in Tianjin International Cruise Port. The temperature distribution along the tube length and the ice thickness distribution along the pipe length were measured under the above three conditions. The experimental results are introduced into the corresponding mathematical model in turn, and the convection heat transfer coefficient outside the tube of the heat exchanger is solved. The variation range of convection heat transfer coefficient of the heat exchanger outside the tube during the test period is obtained: when the seawater velocity is 0.07 ~ 0.38 m / s in winter, the corresponding convection heat transfer coefficient is 427.8 ~ 712.8 W / (m ~ (2) K), and the sea water velocity is 0.21 ~ (0.53) m / s under freezing condition in winter, and the corresponding convection heat transfer coefficient is 712.8 W / (m ~ (2) K) in winter when the water velocity is 0.07 ~ 0.38 m / s. The corresponding convection heat transfer coefficient is 582.8~853.9W/ (m ~ 2 ~ (2) K), and the variation range of convection heat transfer coefficient is 451.7N ~ (762.4) W / (m ~ (2) K) when the variation range of seawater velocity is 0.09 ~ 0.47 m / s in summer. Secondly, by using the mathematical model of double-helical tube seawater heat exchanger in summer and winter icing and non-icing conditions, the heat transfer characteristics in seawater are simulated and forecasted, that is, the tube length and diameter of the heat exchanger are studied by numerical simulation. The effects of flow velocity, inlet temperature and seawater temperature on the heat transfer characteristics of the heat exchanger were studied. The ice formation law of the outer ice layer and the effect of ice formation on the heat transfer characteristics of the heat exchanger in winter were simulated. Finally, taking the sea water source heat pump system used in an office building in Nanjiang Port of Tianjin Port as an example, a detailed selection method of double helical tube seawater heat exchanger is given and the economy of the flow velocity in the pipe is analyzed. The Energyplus energy consumption simulation software is used to simulate the annual load of the office building. Taking the life cycle cost and cost annual value as the evaluation index, the sea water source heat pump system with direct water intake mode is selected for the office building. The economy of the sea-based water source heat pump system based on leachate mode and the sea water source heat pump system with double helical tube seawater heat exchanger is compared and analyzed, and its energy saving and environmental protection benefit is evaluated.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU83

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本文編號：2291626