段萬(wàn)軍，馬世君，丁力群，張承虎

(1.沈陽(yáng)渾南熱力有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)110004;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150090)

污水換熱器是污水源熱泵系統(tǒng)的瓶頸。

污水換熱器的傳熱系數(shù)小或換熱面積不足就會(huì)導(dǎo)致熱泵主機(jī)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(nèi)部部件連接處大幅變形、應(yīng)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(guò)大就會(huì)增加系統(tǒng)的泵耗;換熱器淤堵后，如果其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)考慮方便的清理維護(hù)措施，將會(huì)造成運(yùn)行維護(hù)的負(fù)擔(dān)［1］。

實(shí)際上，污水換熱器的造價(jià)約占整個(gè)熱泵機(jī)房造價(jià)的15%左右，不是主要的投資部分，卻起著至關(guān)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(jié)約，增加20%的換熱面積，也僅僅增加3%的總投資，但它節(jié)省了將來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用。

目前工程應(yīng)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(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，并給出常見(jiàn)工程條件組合下污水換熱器的設(shè)計(jì)方法。

1 污水換熱器的基本要求與特點(diǎn)

由于污水這種工質(zhì)自身的特殊性:堵塞風(fēng)險(xiǎn)高、粘度大、易結(jié)垢、腐蝕性等等，決定了污水換熱器須滿(mǎn)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(tài)，要求各流程之間不能“竄水”、“短路”。

(4)要求換熱器結(jié)構(gòu)上有方便開(kāi)啟、安裝和清理的各項(xiàng)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(yīng)該有一定的抗腐蝕或防腐蝕能力，焊縫不能過(guò)長(zhǎng)。

不滿(mǎn)足上述六點(diǎn)要求的換熱器不是一個(gè)好的污水換熱器。

2 污水換熱器結(jié)構(gòu)的普適關(guān)系及方案對(duì)比

最早用于污水源熱泵系統(tǒng)的換熱器形式是殼管式換熱器，它符合上述關(guān)于污水換熱器的六條基本要求。采用2.5～3 mm厚的普通無(wú)縫碳鋼管，實(shí)踐證明，在無(wú)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(jī)的過(guò)濾尺寸密切相關(guān)［4］，需要科學(xué)確定，一般可取20 mm左右。為了實(shí)現(xiàn)小溫差純逆流，還必須對(duì)換熱器的流程和隔板進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。圖1是工程實(shí)際應(yīng)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。

圖1 殼管式污水換熱器

有人認(rèn)為板式換熱器的傳熱系數(shù)非常高，想簡(jiǎn)單地套用到污水換熱中來(lái)，但事實(shí)證明對(duì)板式換熱器的簡(jiǎn)單改良是根本不可行的。圖2是加大板間距的傳統(tǒng)板式換熱器應(yīng)用于污水換熱的結(jié)果。傳統(tǒng)板式換熱器是失敗的污水換熱器。

圖2 板式換熱器

目前市面上還有一種所謂“寬流道換熱器”技術(shù)，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(guò)，這是違背緊湊換熱器設(shè)計(jì)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。

圖3 寬流道平板式與圓管式污水換熱器

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(zhǎng)。平板式換熱器目前呈現(xiàn)的技術(shù)缺陷主要是傳熱效果差、承壓能力差，破裂漏水風(fēng)險(xiǎn)極高、淤堵嚴(yán)重。

寬流道圓管式換熱器實(shí)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(mǎn)足換熱器緊湊、高效和經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)上的主要差別可以用流道尺寸(或者水力直徑)來(lái)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(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵參數(shù)。一般而言，污水換熱器的熱阻絕大部分集中在污水側(cè)，污水軟垢熱阻與對(duì)流熱阻一樣，主要與流速相關(guān)。單側(cè)流體的對(duì)流換熱系數(shù)存在如下關(guān)系

污水換熱器的總傳熱系數(shù)可表達(dá)為

式中hw——對(duì)流換熱系數(shù);

λ——流體導(dǎo)熱系數(shù);

d——當(dāng)量直徑;

u——流速;

ν——運(yùn)動(dòng)粘度;

Pr——流體的普朗特?cái)?shù);

C1——常數(shù)，圓管取0.023;

m——常數(shù)指數(shù)，一般小于1，圓管取0.8;

n——常數(shù)指數(shù)，一般小于1，圓管取0.3～0.4。

K——換熱器總傳熱系數(shù);

C2——常數(shù)，與C1、m、n及污水物性參數(shù)等有關(guān)。

對(duì)于同一工程采用不同的換熱器方案，以下參數(shù)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)U，流程總長(zhǎng)度L，換熱面積Ae，換熱器體積Ve等，以及性能參數(shù)，例如流速u(mài)，阻力ΔH。

(1)三種換熱器流程總長(zhǎng)度對(duì)比對(duì)換熱器有以下關(guān)系成立

可以導(dǎo)得

(2)三種換熱器面積對(duì)比

從污水中換取Q的熱量，所需的換熱面積為

可見(jiàn)，換熱器面積Ae與污水溫降Δtw和流程總長(zhǎng)度L無(wú)關(guān)，隨流道尺寸dh的增加而緩慢增加。

(3)三種換熱器體積對(duì)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(cè)水容積之比，一般可為2.2。

可見(jiàn)，換熱器體積Ve與污水溫降Δtw和流程總長(zhǎng)度L無(wú)關(guān)，而隨流道尺寸dh的增加而急劇增加。

(4)三種換熱器阻力對(duì)比

采用布拉修斯公式，再結(jié)合前式，可以得到

式中CH——常數(shù)，與沿程阻力系數(shù)公式中的常數(shù)、指數(shù)、CL及污水物性參數(shù)等有關(guān)。

可見(jiàn)，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(nèi)流道的截面尺寸(dh)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器流程總長(zhǎng)度與換熱器體積急劇增加、換熱器面積緩慢增加，而并沒(méi)有減小換熱器阻力。

如果增加流道尺寸的同時(shí)，為了保持換熱器面積不變，就必須增加流速，根據(jù)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(dǎo)致?lián)Q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(shù)可計(jì)算得到:C2=262.5，CL=4 000，CH=4.0(基本國(guó)際單位制)，取m=0.8。針對(duì)1 MW換熱量的三種換熱器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能對(duì)比如表1所示。

表1 針對(duì)1 MW換熱量的三種換熱器數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)上述數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，寬流道換熱器的流程總長(zhǎng)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(dòng)阻力和泵耗，因此在考慮經(jīng)濟(jì)性前提下，建議采用增加換熱面積而非流速的措施來(lái)達(dá)到換熱要求。

通過(guò)上述對(duì)比分析，不論是從滿(mǎn)足污水換熱器的基本要求，還是從換熱器的結(jié)構(gòu)合理性、投資節(jié)省、運(yùn)行泵耗來(lái)看，殼管式污水換熱器與寬流道式換熱器相比都具有優(yōu)越性。

3 污水換熱器的基本方程

本文所述污水換熱器的設(shè)計(jì)方法，主要針對(duì)“中介水與污水流量相等”的間接式污水源熱泵系統(tǒng)中的殼管式換熱器。對(duì)于大多數(shù)污水源熱泵系統(tǒng)的換熱設(shè)計(jì):

已知條件:污水進(jìn)口溫度twi;換熱量Q;換熱管內(nèi)直徑d;污水溫降Δtw。

中間參數(shù):沿程阻力系數(shù)f;傳熱系數(shù)K;沿程阻力ΔHf;流速u(mài);平均傳熱溫差Δtmm。

待求目標(biāo):(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(zhǎng)度L和單程根數(shù)N。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文定義以下系數(shù):

(1)粘度比系數(shù)k，即污水當(dāng)量粘度是同溫條件下清水粘度的倍數(shù)［5－6］，若清水粘度是 ν，則污水粘度是kν。

(2)管殼換熱系數(shù)比系數(shù)ε，若污水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)是hw，則清水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為εhw。

(3)污垢熱阻放大系數(shù)φ，即換熱器總熱阻是清污兩側(cè)對(duì)流總熱阻的倍數(shù)［7］。

換熱器計(jì)算設(shè)計(jì)的基本方程如下:

(1)連續(xù)性方程

(2)阻力方程沿程阻力系數(shù)采用希弗林松公式計(jì)算，經(jīng)整理得沿程阻力為

(3)NTU方程

污水的對(duì)流換熱系數(shù)可采用迪圖斯－貝爾特公式計(jì)算，經(jīng)整理得換熱器的NTU

(4)溫差方程

(5)換熱量方程

(6)換熱面積

4 污水換熱器的設(shè)計(jì)方法

進(jìn)行污水換熱器的計(jì)算，除了換熱量和污水進(jìn)口溫度的工程條件限制外，還受一些技術(shù)條件的限制，以下兩種技術(shù)條件組合是最為常見(jiàn)的。

4.1 技術(shù)條件組合一

設(shè)定中介水的進(jìn)口溫度tzi;污水流速u(mài)。合適的沿程阻力 ΔHf。由式(5)、式(6)、式(7)得

式(10)通過(guò)一個(gè)顯函數(shù)確定了污水利用溫差與污水進(jìn)口溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。主要計(jì)算步驟如圖4所示。

圖4 技術(shù)條件組合一下的換熱器計(jì)算方法

4.2 技術(shù)條件組合二

設(shè)定蒸發(fā)溫度te;蒸發(fā)器的平均傳熱溫差Δtme;污水流速u(mài);合適的沿程阻力ΔHf。根據(jù)式(5)、式(6)得到

式(11)通過(guò)一個(gè)隱函數(shù)確定了污水利用溫差與污水進(jìn)口溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。主要計(jì)算步驟如圖5所示。

圖5 技術(shù)條件組合二下的換熱器計(jì)算方法

5 小結(jié)

選擇污水換熱器除了換熱安全性外，還必須考慮性?xún)r(jià)比。鋼材耗量與加工的難易程度是決定造價(jià)的兩大因素。污水換熱器招標(biāo)必須將換熱面積和單位面積的價(jià)格作為首要考核指標(biāo)。換熱面積是真正的換熱器特征參數(shù)，不隨工況而變，容易量測(cè)和驗(yàn)收。招標(biāo)方購(gòu)買(mǎi)的不是換熱器的換熱量，實(shí)際上是買(mǎi)換熱面積。不建議將“阻力”和“傳熱系數(shù)”作為首要考核參數(shù)，因?yàn)樽枇蛡鳠嵯禂?shù)不是換熱器的特性參數(shù)，它們主要是由外部工況條件決定的，即由設(shè)計(jì)者或運(yùn)行者決定，而非由供應(yīng)商決定，而且阻力和換熱系數(shù)不便于驗(yàn)收核實(shí)?！白枇Α焙汀皞鳠嵯禂?shù)”只可作為輔助的限制性參數(shù)。

［1］吳榮華，劉志斌，黃磊.污水及地表水地源熱泵系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計(jì)研究［J］.暖通空調(diào)，2006，36(12):63－69.

［2］吳學(xué)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.

［3］吳榮華，孫德興，張成虎.城市污水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(8):1326－1329.

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