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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
新聞動態

城市污水換熱器的方案對比及其設計

點擊:1697 日期:[ 2014-04-20 00:59:04 ]

(1.沈陽渾南熱力有限責任公司,遼寧沈陽110004;2.哈爾濱工業大學,黑龍江哈爾濱150090)
    摘要:污水換熱器是城市污水源熱泵系統中的關鍵設備。針對污水自身的特點,從工程角度總結了污水換熱器必須滿足的基本要求和特點;介紹并對比分析了幾種常見的污水換熱器形式,指出寬流道式換熱器將帶來阻力增大、能耗增加、投資增長,而殼管式換熱器是最科學的污水換熱器形式。給出了污水換熱器設計的基本方程組,總結給出了工程設計中常見的4種技術條件組合下污水換熱器的設計方法。本文提出的換熱器結構、性能參數與流道尺寸的普適關系,以及污水換熱器的設計方法對污水源熱泵工程設計和運行具有指導意義。
    關鍵詞:污水;換熱器;殼管;寬流道;設計
    中圖分類號:TQ051.5文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2012)03-0228-05
    污水換熱器是污水源熱泵系統的瓶頸。
    污水換熱器的傳熱系數小或換熱面積不足就會導致熱泵主機工況惡化,效率低下,出力不足,甚至形同燒電;換熱器的承壓能力不足,容易造成內部部件連接處大幅變形、應力集中、疲勞破壞,最終漏水混水;換熱器防堵塞能力不好,或阻力過大就會增加系統的泵耗;換熱器淤堵后,如果其結構設計沒考慮方便的清理維護措施,將會造成運行維護的負擔[1]。
    實際上,污水換熱器的造價約占整個熱泵機房造價的15%左右,不是主要的投資部分,卻起著至關重要的作用[2]。因此本文建議投資者不必在污水換熱器方面吝嗇節約,增加20%的換熱面積,也僅僅增加3%的總投資,但它節省了將來的運行費用。
    目前工程應用的換熱器主要有殼管式換熱器、寬流道平板式換熱器、寬流道圓管式換熱器[3],本文將從污水換熱器的基本要求和換熱器的普適規律進行對比分析,并給出常見工程條件組合下污水換熱器的設計方法。
    1·污水換熱器的基本要求與特點
    由于污水這種工質自身的特殊性:堵塞風險高、粘度大、易結垢、腐蝕性等等,決定了污水換熱器須滿足如下基本要求:
    (1)必須采用稍大的污水流通截面。
    (2)必須采用平直光滑的流道。
    (3)必須保證換熱形式更加接近純逆流狀態,要求各流程之間不能“竄水”、“短路”。
    (4)要求換熱器結構上有方便開啟、安裝和清理的各項措施,安全和效率是第一位的。
    (5)必須具有一定的承壓能力。
    (6)污水換熱器應該有一定的抗腐蝕或防腐蝕能力,焊縫不能過長。
    不滿足上述六點要求的換熱器不是一個好的污水換熱器。
    2·污水換熱器結構的普適關系及方案對比
    最早用于污水源熱泵系統的換熱器形式是殼管式換熱器,它符合上述關于污水換熱器的六條基本要求。采用2.5~3 mm厚的普通無縫碳鋼管,實踐證明,在無氧條件下,可以抗腐蝕使用15年左右。殼管式換熱器的換熱管直徑主要與前端防阻機的過濾尺寸密切相關[4],需要科學確定,一般可取20 mm左右。為了實現小溫差純逆流,還必須對換熱器的流程和隔板進行特殊設計。圖1是工程實際應用的殼管式換熱器。目前為止,殼管式污水換熱器是最為成功的污水換熱器。
            
     有人認為板式換熱器的傳熱系數非常高,想簡單地套用到污水換熱中來,但事實證明對板式換熱器的簡單改良是根本不可行的。圖2是加大板間距的傳統板式換熱器應用于污水換熱的結果。傳統板式換熱器是失敗的污水換熱器。
    目前市面上還有一種所謂“寬流道換熱器”技術,其基本思路就是加大污水流道的尺寸直至污物能夠順利通過,這是違背緊湊換熱器設計原則的。
    所謂寬流道換熱器有兩種形式,其一是寬流道平板式換熱器,如圖3左圖所示;另一種是寬流道圓管式換熱器,如圖3右圖所示。
            
     寬流道平板式換熱器是一種全焊接式板式換熱器,焊縫非常長。平板式換熱器目前呈現的技術缺陷主要是傳熱效果差、承壓能力差,破裂漏水風險極高、淤堵嚴重。
    寬流道圓管式換熱器實際上是一種采用大尺寸(80~100 mm)換熱管的殼管式換熱器。寬流道圓管式換熱器是為了解決平板式承壓能力差而被提出的。寬流道圓管式換熱器不滿足換熱器緊湊、高效和經濟的要求。
    上述可行的三種污水換熱器:殼管式、寬流道板式、寬流道管式,在結構上的主要差別可以用流道尺寸(或者水力直徑)來表征。堵塞難題要求污水換熱器的流通截面尺寸必須合適,所以流道尺寸是決定污水換熱器結構和性能的關鍵參數。一般而言,污水換熱器的熱阻絕大部分集中在污水側,污水軟垢熱阻與對流熱阻一樣,主要與流速相關。單側流體的對流換熱系數存在如下關系:
            
    對于同一工程采用不同的換熱器方案,以下參數要求是相同的:換熱量Q或者污水流量V·,污水溫降Δtw,平均傳熱溫差Δtm。不同的主要是結構尺寸,例如水力直徑dh,單流程流通面積Af,單流程流通截面周長U,流程總長度L,換熱面積Ae,換熱器體積Ve等,以及性能參數,例如流速u,阻力ΔH。
    (1)三種換熱器流程總長度對比
           
    可見,換熱器的流程總長度L與換熱量Q或污水流量V·沒有關系,隨流速的增加而緩慢增加;隨流道尺寸dh和污水溫降的增加而急劇增加。
    (2)三種換熱器面積對比
    從污水中換取Q的熱量,所需的換熱面積為:
           
    可見,換熱器面積Ae與污水溫降Δtw和流程總長度L無關,隨流道尺寸dh的增加而緩慢增加。
    (3)三種換熱器體積對比
    污水換熱器的體積可表述為:
           
     式中β———換熱器體積與污水側水容積之比,一般可為2.2。
    可見,換熱器體積Ve與污水溫降Δtw和流程總長度L無關,而隨流道尺寸dh的增加而急劇增加。
    (4)三種換熱器阻力對比
    采用布拉修斯公式,再結合前式,可以得到:
          
    式中CH———常數,與沿程阻力系數公式中的常數、指數、CL及污水物性參數等有關。可見,換熱器阻力隨污水流速和溫降的增加而急劇增加,但基本不隨流道尺寸的增加而變化。
    綜上所述,在相同水溫和流速條件下,增加換熱器內流道的截面尺寸(dh),將會導致換熱器流程總長度與換熱器體積急劇增加、換熱器面積緩慢增加,而并沒有減小換熱器阻力。
    如果增加流道尺寸的同時,為了保持換熱器面積不變,就必須增加流速,根據前式,可得:
           
    可以看出,在相同換熱面積條件下,增加流道尺寸,將導致換熱器阻力的顯著增加。
    殼管式污水換熱器的換熱管直徑一般為20 mm,寬流道圓管式換熱器的換熱管直徑一般為80 mm,寬流道平板式換熱器的板間距一般為30 mm,不難得出其水力直徑為60 mm。
    代入污水的物性參數可計算得到:C2=262.5,CL=4 000,CH=4.0(基本國際單位制),取m=0.8。針對1 MW換熱量的三種換熱器的關鍵結構參數和性能對比如表1所示。

    通過上述數據對比可以看出,寬流道換熱器的流程總長度和換熱器體積要比殼管式換熱器大3到5倍。流速相同的條件下,換熱器阻力相差不大。寬流道換熱器在相同流速條件下,比殼管式換熱器所增加的換熱器面積比例,要大大小于相同換熱面積條件下所增加的流動阻力和泵耗,因此在考慮經濟性前提下,建議采用增加換熱面積而非流速的措施來達到換熱要求。
    通過上述對比分析,不論是從滿足污水換熱器的基本要求,還是從換熱器的結構合理性、投資節省、運行泵耗來看,殼管式污水換熱器與寬流道式換熱器相比都具有優越性。  
    3·污水換熱器的基本方程
    本文所述污水換熱器的設計方法,主要針對“中介水與污水流量相等”的間接式污水源熱泵系統中的殼管式換熱器。對于大多數污水源熱泵系統的換熱設計:
    已知條件:污水進口溫度twi;換熱量Q;換熱管內直徑d;污水溫降Δtw。
    中間參數:沿程阻力系數f;傳熱系數K;沿程阻力ΔHf;流速u;平均傳熱溫差Δtmm。
    待求目標:(1)污水流量V,也即污水出口溫度two;(2)換熱面積A,即換熱管流程長度L和單程根數N。
    為簡化計算,本文定義以下系數:
    (1)粘度比系數k,即污水當量粘度是同溫條件下清水粘度的倍數[5-6],若清水粘度是ν,則污水粘度是kν。
    (2)管殼換熱系數比系數ε,若污水側對流換熱系數是hw,則清水側對流換熱系數為εhw。
    (3)污垢熱阻放大系數φ,即換熱器總熱阻是清污兩側對流總熱阻的倍數[7]。
           
           
    4·污水換熱器的設計方法
    進行污水換熱器的計算,除了換熱量和污水進口溫度的工程條件限制外,還受一些技術條件的限制,以下兩種技術條件組合是最為常見的。
    4.1技術條件組合一
    設定中介水的進口溫度tzi;污水流速u。合適的沿程阻力ΔHf。由式(5)、式(6)、式(7)得:
             
     式(10)通過一個顯函數確定了污水利用溫差與污水進口溫度的一一對應關系。主要計算步驟如圖4所示。
             
    4.2技術條件組合二
    設定蒸發溫度te;蒸發器的平均傳熱溫差Δtme;污水流速u;合適的沿程阻力ΔHf。根據式(5)、式(6)得到
           
    式(11)通過一個隱函數確定了污水利用溫差與污水進口溫度的一一對應關系。主要計算步驟如圖5所示。
           
    5·小結
    選擇污水換熱器除了換熱安全性外,還必須考慮性價比。鋼材耗量與加工的難易程度是決定造價的兩大因素。污水換熱器招標必須將換熱面積和單位面積的價格作為首要考核指標。換熱面積是真正的換熱器特征參數,不隨工況而變,容易量測和驗收。招標方購買的不是換熱器的換熱量,實際上是買換熱面積。不建議將“阻力”和“傳熱系數”作為首要考核參數,因為阻力和傳熱系數不是換熱器的特性參數,它們主要是由外部工況條件決定的,即由設計者或運行者決定,而非由供應商決定,而且阻力和換熱系數不便于驗收核實。“阻力”和“傳熱系數”只可作為輔助的限制性參數。
參考文獻
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[2]吳學慧,孫德興.城市原生污水換熱器的能效分析[J].可再生能源,2007,25(2):73-75.
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[5]徐瑩,張承虎,孫德興.城市污水源熱泵工質流變特性研究[J].節能技術,2009,27(3):201-206.
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[7]李鑫,孫德興,張承虎.污水換熱器內污垢生長特性實驗研究[J].暖通空調,2008,38(2):5-8.  


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