随着能源的紧缺与环境污染的加剧,如何提高能源利用效率与开发、使用清洁能源成为世界关注的问题。以地表水作为低位冷热源的地表水源热泵是一种高效、节能的设备,发展地表水源热泵对节能与环保具有重要意义。换热器的设计是地表水源热泵的一个重要课题,最近兴起的毛细管换热器具有结构紧凑、换热面积大、水力损失小、耐腐蚀、造价低廉等优势,作为闭式地表水源热泵系统的前端换热器具有广阔的应用前景。对毛细管换热器的优化设计研究不仅使换热器的换热得到强化,同时对地表水地源热泵的推广发展、节能运行意义重大。本文主要研究闭式地表水源热泵前端毛细管换热器的换热性能及优化设计,首先进行传热及流动的理论研究,设计、搭建毛细管实验台进行传热性能测试,并基于最小熵产原理,建立毛细管换热器的优化设计模型,最后建立三维毛细管网模型进行不同管间距下的多工况数值模拟,主要内容如下:(1)研究毛细管换热器的流动、传热过程,对其传热过程进行理论分析,得出毛细管换热器的换热量、管内流体沿管长的温度分布、传热系数等,分析流动过程的管内外流动阻力和阻力系数,建立毛细管换热器传热及阻力模型。(2)搭建整套毛细管前端换热器的实验台,设计三种不同换热温差的放热工况,对毛细管换热器进行传热性能测试;将实验数据进行整理,研究分析传热系数、换热量随管内流体流量与换热温差的变化规律,并为后文研究提供相关的实验数据;对比实验测试与采用传热模型计算的毛细管传热系数,分析可得它们随管内流体流量的改变有相同的变化趋势,即都随着管内流体流量的增大而上升,二者误差在8.0%之内,在允许的误差范围之内,验证了传热模型的准确性。(3)基于最小熵产原理建立毛细管换热器的优化设计模型,根据不同的换热负荷和质量流量,得出放热工况与吸热工况下毛细管换热器的最优管径、最优管长,并分析最优管径与最优管长随负荷、流量的变化规律,优化毛细管换热器的设计。在相同工况下,对比采用熵产模型优化后与现有的毛细管换热器效能,验证熵产模型的优越性。(4)建立毛细管换热器管网三维模型,对毛细管换热器管网在不同管间距、不同地表水流速情况下,进行放热、吸热工况的数值模拟。并对某一实验工况进行数值模拟,相同工况下,实验与模拟的换热量吻合度较好,证明了数值模拟毛细管换热器管网的可行性。放热工况时,在不同管间距下,毛细管换热器换热温差随地表水流速的增大而增大,对数平均温差随地表水流速的增大而减小,单位席面积换热量、单位水域体积换热量、传热系数都随地表水流速的增大而增大;换热效果最佳的管间距为10mm,管间距40mm的情况次之,管间距20mm最差。吸热工况与放热工况下各评价标准随地表水流速有相同的变化规律,最佳管间距都为10mm,因此在工艺允许的条件下,尽量选用管间距为10mm的毛细管网。