CN103185466A - 海水-清水换热方法与海水-清水换热器 - Google Patents

Abstract

一种海水-清水换热方法，它由下列步骤组成：(1)制冷剂流向海水空间，与海水换热，制冷剂同时发生相变；(2)制冷剂与海水换热后，再流向清水换热器，通过间壁与清水换热，制冷剂再次相变；(3)返回(1)，该方法的特征在于：制冷剂与海水换热是直接接触换热。一种海水-清水换热器，它的外形是竖立的压力容器，上下椭圆封头，中部圆形筒体，其内部有海水回路，清水回路和制冷剂回路，具体结构包括：(1)筒体下部有制冷剂层和海水室；(2)筒体上部悬置清水换热器；(3)筒体中部空间，即清水换热器到制冷剂层之间，是海水喷淋换热室，其特征在于：在海水喷淋换热室，喷淋的海水与制冷剂混合，直接接触换热。

Description

海水-清水换热方法与海水-清水换热器

技术领域

本发明涉及热交换技术，特别是涉及海水-清水换热方法与海水-清水换热器。

背景技术

利用海水作为冷热源，通过海水源热泵对建筑进行采暖空调，可以直接减少其他短缺能源的消耗，同时还可以达到废物利用的目的，是资源再生利用、发展循环经济、建设节约型社会、友好环境的重要措施。

海水源热泵实现了废热的回收利用，变废为宝，是新型的可再生清洁能源利用技术，符合可持续发展、建设资源节约型社会的要求。将水源热泵系统技术与城市海水结合，在扩大城市海水利用范围、拓展城市海水治理效益方面具有深远意义。

海水源热泵是依靠热泵机组内部制冷剂的物态循环变化，冬季从海水中吸收热量，经热泵机组升温后对建筑供热，夏季通过热泵机组，把建筑物中的热量传递给海水，从而实现供冷。海水替代了冷却塔，具有高效节能、绿色环保、安全可靠、一机多用等突出优点。

金属构件在海洋环境中发生腐蚀，海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。

海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等。通常，金属构件在海洋飞溅区(指风浪、潮汐等激起的海浪、飞沫溅散到的区域)的全面腐蚀速率最高。

防止海洋腐蚀的措施除正确设计金属构件、合理选材外，通常有以下几种：①采用厚浆型重防式涂料。②对重点部件采用耐腐蚀材料包套。③设计构件时要考虑到足够的腐蚀裕量。④根据电化学腐蚀原理，采用牺牲阳极。

目前，海水源热泵系统在我国的大部分城市得到了推广与应用，例如：北京、天津、山西、山东、石家庄、新疆、广西等地。

随着整个社会节约能源、环保意识的提高，海水源热泵的应用领域也在不断的扩展。除了在城市供暖制冷、制取生活热水应用外，还在食品、生化、制药工业、种植养殖及农副产品加工储藏领域均得到应用。应该进一步挖掘利用各类可再生的低温热源或废热热源，完善和推广海水源热泵技术，向着建立节约型社会发展。

海水源热泵可分为直接式海水源热泵与间接式海水源热泵两类。直接式系统中，与海水-清水换热的介质为制冷剂，间接式系统中，与海水-清水换热的介质为中介水或防冻液。

前者海水与制冷剂之间经换热器壁面直接换热；后者则存在中介媒质，从而传热热阻增加，导致热泵系统效率随之下降。

实现无堵塞连续换热，是利用海水作为热泵冷热源的技术关键，尤其是对于利用海水-清水换热方法与海水-清水换热器的直接式海水源热泵系统。

解决恶劣水质对换热设备及管路的堵塞与污染，实现防腐与无污染换热，是一个世界性技术难题。城市海水水质对换热器的影响主要有腐蚀、结垢及堵塞，热泵中的海水流通管路，经常被堵塞，以至于热泵完全不能工作。

直接式系统是目前海水源热泵研究的前沿领域和发展方向，直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是：

1，在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高5℃左右，热泵机组效率得以很大提高，系统总的耗电量可降低15％以上。

2，省去了海水-清水换热方法与海水-清水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，降低了上建和设备初投资，也减少水泵能耗。

3，获取同样多的热量，所需的海水量可减小一半左右。间接式系统需要考虑中间换热的温差损失，这就限制了海水的降温幅度。

采用直接式海水源热泵遇到的主要问题是，

1，直接海水源热泵系统，要求热泵机组的蒸发器/冷凝器能够“一器两用”，对蒸发器/冷凝器提出了特殊要求。

2，使用海水-清水换热方法与海水-清水换热器的直接式海水源热泵机组，采用原生海水为热源，比一般海水-清水换热方法与海水-清水换热器更容易污染和堵塞，使海水源热泵效率下降，甚至不能工作。对海水和换热器，需经过特殊处理，技术难度较大。虽然人们有很多设想和试验，但都存在不足。

到目前为止，还没有广泛地普及海水-清水换热方法与海水-清水换热器和直接式海水源热泵系统；海水源热泵技术诞生以来，基本采用间接式系统，这是从可靠性角度考虑而采取的保守措施。

在工农业和人民生活中，排放各种各样的海水。海水-清水换热方法与海水-清水换热器与普通换热器工作条件有很大的区别，普通换热器的设计方法，使用经验，不能简单用于海水-清水换热方法与海水-清水换热器，尤其是海水-制冷剂换热器。

尽管普通换热器的设计方法与制造工艺，都很成熟，但是，海水-清水换热方法与海水-清水换热器科学设计方法，至今，还没有很好解决。

上述有关海水-清水换热方法与海水-清水换热器的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、赵军，戴传山主编，地源热泵技术与建筑节能应用，北京：中国建筑工业出版社，2009。

2、(美)沙拉，塞库利克著，程林译，换热器设计技术，北京：机械工业出版社，2010。

3、陈东，谢继红编，热泵技术手册，北京：化学工业出版社，2012。

发明内容

本发明的目的是给出海水-清水换热方法与海水-清水换热器。

一种海水-清水换热方法，它由下列步骤组成：(1)制冷剂流向海水空间，与海水换热，制冷剂同时发生相变；(2)制冷剂与海水换热发生相变后，再流向清水换热器，通过间壁与清水换热，制冷剂再次相变；(3)返回(1)，该方法的特征在于：制冷剂与海水换热是直接接触换热。

一种海水-清水换热器，它的外形是竖立的压力容器，上下椭圆封头，中部圆形筒体，其内部有海水回路，清水回路和制冷剂回路，具体结构包括：(1)筒体下部有制冷剂层和海水室，下封头上有海水出水管；(2)筒体上部悬置清水换热器，及它的清水进口和清水出口；(3)筒体中部空间，即清水换热器到制冷剂层之间，是海水喷淋换热室，有海水进水管和挡水板；(4)在筒体顶部，上封头以下，是制冷剂喷洒室，有制冷剂输液管的喷口和漏水盘，其特征在于：在海水喷淋换热室，喷淋的海水与制冷剂混合，直接接触换热。

所述海水回路，它包括：筒体、海水进水管、海水喷淋换热室、海水室、下封头、海水出水管、液位传感器和电控阀；海水通过海水进水管，流入换热器，经过海水进水管末端的喷头向下喷洒，在海水喷淋换热室中，海水液滴与制冷剂进行热交换，然后，海水进入下面的海水室，再通过海水出水管流出。

液位传感器检测海水室水面高度，控制海水出水管上电控阀的流通截面，保持恰当的出水量。

所述清水回路，它是螺旋板式清水换热器的两个螺旋流道中的一个螺旋流道，它包括：清水流道、清水进水管和清水出水管；清水从清水进水管进入，在清水流道中，螺旋流动换热若干圈后，从清水出水管流出。

所述制冷剂回路，它包括：筒体、制冷剂层、清水换热器中的制冷剂流道、工质泵、输液管和挡水板；在换热器筒体内，制冷剂层漂浮在海水室的上边，换热器筒体外侧，有一个利用工质泵，由下向上输送制冷剂的输液管，输液管的喷嘴处，有一个漏水盘，漏水盘的下方是清水换热器，在清水换热器中，有螺旋敞开的制冷剂流道，清水换热器底部距离制冷剂层有一定高度，制冷剂输液管进口处的制冷剂层上方，有一个斜放的挡水板。

本发明的优点是：

1，本发明的海水-清水换热方法与海水-清水换热器，不需要对海水进行严格净化。海水直接进入海水-清水换热方法与海水-清水换热器，换热器中的海水流通管路不会被堵塞，能够长时间稳定工作。

2，在海水-清水换热方法与海水-清水换热器中，海水直接与制冷剂进行热量交换，无论制冷剂是得到热量，还是失去热量，相对于有中介水换热的情况，制冷剂在其中都可以实现较大的温差，从海水得到或向海水放出较多的热量，热泵机组效率得以很大提高。

3，省去通常海水源热泵所设置的海水-中介水换热器、中介水循环水泵及相应的管路，机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，减少能耗。

4，尽管传热管置于海水流道中，但由于传热管是竖立设置，同时，传热管与海水不相交，传热管表面很少积垢。流道隔板上少量积垢，对换热器性能没有影响。当流道隔板上积垢过多时，可以通过喷水清洗。

附图说明

图1是本发明海水-清水换热方法步骤说明图；

图2是本发明海水-清水换热器实施例的海水回路结构图；

图3是本发明海水-清水换热器实施例的清水回路结构图；

图4是本发明海水-清水换热器实施例的制冷剂回路结构图；

图5是本发明海水-清水换热器实施例的总体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明海水-清水换热方法步骤说明图。

本发明海水-清水换热方法，利用制冷剂在海水与清水之间传递热量，基本步骤是：

1，制冷剂流向海水贮存空间，与海水直接接触换热，制冷剂同时发生汽液相变；

2，与海水换热发生相变后的制冷剂再流向清水换热器，制冷剂与清水通过间壁换热，制冷剂再次发生汽液相变；

3，返回1。

本发明海水向清水传热的具体步骤是：

1，温度高的海水通过进水管110，流入换热器100；

2，进入换热器的海水，向下喷洒，首先穿过密度小的制冷剂层320，再进入下面密度大的海水室120，再通过出水管140流出；

3，制冷剂层320接受海水的热量，部分制冷剂蒸发，产生的制冷剂蒸汽，向上到达清水换热器200；

4，制冷剂蒸汽在低温的清水换热器200的制冷剂流道中凝结放热，清水换热器200清水流道内的清水被加热。

本发明清水向海水传热的具体步骤是：

1，制冷剂层320的液态制冷剂，在工质泵的作用下，沿着输液管340向上流动，最终，从上向下喷洒到清水换热器200的制冷剂流道的换热面。

2，清水换热器200清水流道内的温度高的清水，通过间壁向外传热，换热面上的制冷剂受热蒸发，产生的制冷剂蒸汽向下流动，到达海水进水管110的喷洒空间；

3，制冷剂蒸汽与喷洒的海水液滴在空间相遇，制冷剂向海水传热，制冷剂蒸汽降温并凝结，回到制冷剂层320，而喷入的海水，由于密度大，向下沉入到海水室120内。

图2给出了本发明海水-清水换热器实施例的海水回路结构图。

本发明海水-清水换热器实施例，整体上是一个立放的压力容器。

首先，温度高的海水通过海水进水管110，流入换热器100。进入换热器的海水，经过进水管末端的喷头向下喷洒，在海水喷淋换热室115中，海水液滴与制冷剂进行热交换。然后，海水进入下面的海水室120，再通过海水出水管140流出。

换热器100中的海水水位必须保持固定的高度。由于换热器100内处于正压环境，在进水流量不变的条件下，只要控制出水阀开度，海水水位就能保持固定的高度。为此，通过液位传感器160，给出海水水面高度信号，调整电控阀150的流通截面，保持恰当的出水量。

换热器100的筒体105、下封头130、海水出水管140、液位传感器160的浮球和连杆，均用玻璃钢制造，电控阀150的流道部分用工程塑料制造。

图3给出了本发明海水-清水换热器实施例的清水回路结构图；

本发明海水-清水换热器实施例的清水回路，它的主体部分是螺旋板式换热器。这个螺旋板式清水换热器200，它的外径比海水换热器的内径稍小，可以放入到海水换热器中。

在螺旋板式换热器的两个螺旋流道中，其中一个是清水流道210，清水从它的清水进水管205进入，在清水流道210中，旋转流动若干圈后，从清水出水管230流出。

螺旋板式换热器的另一个螺旋流道是制冷剂流道220，它是螺旋敞开流道，它的左右是清水流道，它的上下是通透的。上下通透的目的在于：在海水-清水换热器实施例内，向上升腾的制冷剂蒸汽，或向下喷洒的制冷剂液体，可以无阻碍地进入到螺旋敞开的制冷剂流道220的通透空间，以便制冷剂与左右两侧的清水流道进行热交换。

螺旋板式换热器可以用碳钢制作，它实现清水与制冷剂的热交换，它不与海水接触，可以不考虑海水腐蚀问题。

图4给出了本发明海水-清水换热器实施例的制冷剂回路结构图。

在本发明海水-清水换热器实施例中，制冷剂是海水和清水中间的传热媒质，相当于热管中的传热工质，本发明所选用的制冷剂需要具备以下性质：

1，它不溶于海水；

2，在工作温度下，它有合适的压力；

3，无毒，便宜。

符合这些条件的制冷剂有几种，例如：异丁烯、1-丁烯、2-丁烯。

在本发明海水-清水换热器实施例的制冷剂回路结构图中，在换热器筒体105内，制冷剂层320漂浮在海水室120的上边，这是因为所选用的制冷剂的密度小于海水的密度。在制冷剂层320上方，距离一定高度，悬置清水换热器200。换热器筒体105外侧，有一个利用工质泵330动力，由下向上输送制冷剂的输液管340，输液管的出口处，有一个漏水盘360，漏水盘的下方是清水换热器200，清水换热器底部距离制冷剂层320有一定高度。制冷剂输液管340进口处的制冷剂层320上方，有一个斜放的挡水板370。

本发明海水-清水换热器实施例的制冷剂回路有两种工作模式：

一种是制冷剂层320受热蒸发，制冷剂蒸汽上升，在清水换热器200表面凝结，产生制冷剂液滴，再滴落到制冷剂层320；

另一种是制冷剂层320的液态制冷剂，在工质泵330动力作用下，沿输液管340由下向上输送到清水换热器200上方，通过喷嘴350，喷洒到漏水盘360中，再向下均匀洒到清水换热器200的制冷剂流道表面并受热蒸发。产生的制冷剂蒸汽，向下流动，与喷入的海水换热，最后凝结到制冷剂层320里。在制冷剂层320上方，斜放的挡水板370，其作用是防止喷洒的海水随制冷剂进入输液管。

图5是本发明海水-清水换热器实施例的总体结构图。

本发明海水-清水换热器实施例总体结构，它是竖立放置的压力容器。

它的具体结构，从下到上可分为4个部分：

1，筒体的下部是储液室，包括制冷剂层320和海水室120，底部下封头上有出水管140；

2，中部有进水管110和挡水板370，用于向筒体内空间喷洒海水。它有两个功能：当海水-清水换热器用作热源时，喷洒的海水加热制冷剂层320，一部分制冷剂蒸发，蒸汽上升；当海水-清水换热器用作冷源时，与空间的制冷剂蒸汽相遇，冷却制冷剂蒸汽，将其凝结，一同滴落。

3，上部有清水换热器200，清水从它的清水进口205进入，与海水换热后，从清水出口230流出。它也有两个功能：当海水-清水换热器用作热源时，与由下向上的制冷剂蒸汽相遇，冷却制冷剂蒸汽，将其凝结滴落；当海水-清水换热器用作冷源时，加热制冷剂流道换热面由上向下流动的液态制冷剂，制冷剂受热蒸发，制冷剂蒸汽充满筒体内部空间。

4，在筒体顶部，上封头以下，是制冷剂喷洒室。当海水-清水换热器用作冷源时，输液管340的末端喷口，将液态制冷剂均匀喷洒到清水换热器的制冷剂流道的换热表面上。

Claims (5)

1.一种海水-清水换热方法，它由下列步骤组成：(1)制冷剂流向海水空间，与海水换热，制冷剂同时发生相变；(2)制冷剂与海水换热发生相变后，再流向清水换热器，通过间壁与清水换热，制冷剂再次相变；(3)返回(1)，该方法的特征在于：制冷剂与海水换热是直接接触换热。

2.一种海水-清水换热器，它的外形是竖立的压力容器，上下椭圆封头，中部圆形筒体，其内部有海水回路，清水回路和制冷剂回路，具体结构包括：(1)筒体下部有制冷剂层和海水室，下封头上有海水出水管；(2)筒体上部悬置清水换热器，及它的清水进口和清水出口；(3)筒体中部空间，即清水换热器到制冷剂层之间，是海水喷淋换热室，有海水进水管和挡水板；(4)在筒体顶部，上封头以下，是制冷剂喷洒室，有制冷剂输液管的喷口和漏水盘，其特征在于：在海水喷淋换热室，喷淋的海水与制冷剂混合，直接接触换热。

3.按照权利要求2所述的海水-清水换热器，其特征在于：所述海水回路，它包括：筒体、海水进水管、海水喷淋换热室、海水室、下封头、海水出水管、液位传感器和电控阀；海水通过海水进水管，流入换热器，经过海水进水管末端的喷头向下喷洒，在海水喷淋换热室中，海水液滴与制冷剂进行热交换，然后，海水进入下面的海水室，再通过海水出水管流出，液位传感器检测海水室水面高度，控制海水出水管上电控阀的流通截面，保持恰当的出水量。

4.按照权利要求2所述的海水-清水换热器，其特征在于：所述清水回路，它是螺旋板式清水换热器的两个螺旋流道中的一个螺旋流道，它包括：清水流道、清水进水管和清水出水管；清水从清水进水管进入，在清水流道中，螺旋流动换热若干圈后，从清水出水管流出。

5.按照权利要求2所述的海水-清水换热器，其特征在于：所述制冷剂回路，它包括：筒体、制冷剂层、清水换热器中的制冷剂流道、工质泵、输液管和挡水板；在换热器筒体内，制冷剂层漂浮在海水室的上边，换热器筒体外侧，有一个利用工质泵，由下向上输送制冷剂的输液管，输液管的喷嘴处，有一个漏水盘，漏水盘的下方是清水换热器，在清水换热器中，有螺旋敞开的制冷剂流道，清水换热器底部距离制冷剂层有一定高度，制冷剂输液管进口处的制冷剂层上方，有一个斜放的挡水板。

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