周先桃，汪 飛，冉慧慧，宋秉棠，陳 云，冉龍巍

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.天津華賽爾傳熱設(shè)備有限公司，天津 301721)

0 引言

我國(guó)每年因高爐煉鐵產(chǎn)生幾十億噸沖渣水，一直以來(lái)很多鋼鐵廠卻任由其中蘊(yùn)含的熱量白白散發(fā)到環(huán)境中，不僅是巨大的浪費(fèi)而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成熱污染。隨著節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，鋼鐵行業(yè)開(kāi)始重視沖渣水的余熱回收，其中利用沖渣水余熱進(jìn)行采暖因工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、投資低、限制少，成為當(dāng)前鋼廠運(yùn)用最廣的沖渣水余熱回收技術(shù)，但是沖渣水的特殊物性也掣肘了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣。沖渣水中含有大量渣粒、渣棉等雜質(zhì)，極易堵塞設(shè)備管道，堅(jiān)硬的礦渣等雜質(zhì)還會(huì)造成設(shè)備的沖刷磨損，而且沖渣水鈣鎂離子濃度大，容易在流道中結(jié)垢[1]，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器性能下降，影響用戶(hù)的采暖水溫。此外，沖渣水雖然水量大，但溫度波動(dòng)大且總體不高，在低谷時(shí)僅有約60 ℃[2]，因此，對(duì)換熱器的換熱面積及換熱效率有較高的要求。

為了解決這些問(wèn)題，很多鋼廠和單位展開(kāi)了研究。一些鋼廠通過(guò)添加藥劑、使用過(guò)濾設(shè)備，對(duì)沖渣水先進(jìn)行多級(jí)處理、再采用普通的換熱設(shè)備(管板式換熱器、板式換熱器、螺旋板式換熱器等)取熱，在一定程度上解決了沖渣水對(duì)設(shè)備的結(jié)垢、堵塞和磨損問(wèn)題，但是相應(yīng)地提升了工藝的復(fù)雜性，增加了運(yùn)營(yíng)成本，長(zhǎng)期運(yùn)行仍然無(wú)法完全避免設(shè)備堵塞結(jié)垢、清洗維護(hù)困難等問(wèn)題，而且增加復(fù)雜的處理流程會(huì)導(dǎo)致沖渣水溫度進(jìn)一步降低，影響取熱量。一些企業(yè)為此開(kāi)發(fā)出沖渣水專(zhuān)用的換熱設(shè)備以降低對(duì)沖渣水的水質(zhì)要求，比較成功的有螺旋扁管式換熱器，該設(shè)備換熱效率高，內(nèi)部流體湍流度大，不易結(jié)垢[3]，但對(duì)沖渣水潔凈度仍有一定要求，需先進(jìn)行一定的過(guò)濾處理，而且它作為管殼式換熱器相對(duì)板式換熱器存在一些難以彌補(bǔ)的短板：(1)對(duì)于低品質(zhì)熱源的回收效率低(沖渣為非連續(xù)作業(yè)，在渣水溫度低谷時(shí)進(jìn)入換熱器的沖渣水與采暖水溫差僅為十幾攝氏度，管殼式換熱器在此工況下取熱量低，而板式換熱器則可以實(shí)現(xiàn)出口側(cè)冷熱介質(zhì)非常低的溫差)；(2)難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，板式換熱器則可以在較小的體積和重量下實(shí)現(xiàn)很大的換熱面積(沖渣水余熱采暖多為鋼廠改造項(xiàng)目，空間有限，板式換熱器更具優(yōu)勢(shì))；(3)用于冬季供暖需要采取保溫措施，而板式換熱器因向外界環(huán)境散熱少，無(wú)需做保溫處理。

板式換熱器缺點(diǎn)也很明顯，流道狹小，容易堵塞結(jié)垢，無(wú)法直接勝任沖渣水余熱采暖工況，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在板式換熱器中，不同的板型結(jié)構(gòu)和流道設(shè)置對(duì)傳熱性能的影響很大。我國(guó)廣泛運(yùn)用的人字形波紋板片具有支撐點(diǎn)數(shù)量大、承受壓力高、傳熱性能好、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，在相同工況下比球冠形凹坑板片的換熱效果好但造成的壓力損失更大[5]，而且雜質(zhì)容易在板片波紋的波谷處淤積，造成流道堵塞且清洗困難，故并不能勝任沖渣水換熱器用換熱板片。

本文針對(duì)沖渣水特性開(kāi)發(fā)了一種球冠形板式換熱器，通過(guò)對(duì)沖渣水側(cè)流道傳熱流動(dòng)特性的研究分析，對(duì)流道及球冠形凹坑的結(jié)構(gòu)尺寸加以?xún)?yōu)化，以強(qiáng)化其傳熱特性并降低壓損，同時(shí)對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到?jīng)_渣水免過(guò)濾處理即可通入換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備不易結(jié)垢堵塞且易于清洗維護(hù)的目標(biāo)。

1 沖渣水流道的結(jié)構(gòu)及其特性

凹坑結(jié)構(gòu)換熱板片可以增強(qiáng)內(nèi)部流體的湍流度，誘導(dǎo)形成渦流和二次流，從而起到阻止沉積、抑制結(jié)垢和強(qiáng)化傳熱的作用，且在凹坑尺寸設(shè)計(jì)合理的情況下不會(huì)明顯地增加流動(dòng)阻力。

1.1 沖渣水流道構(gòu)建

凹坑強(qiáng)化傳熱技術(shù)源于20世紀(jì)80年代的前蘇聯(lián)[6]，蘇聯(lián)解體后才傳入歐美，并逐漸受到關(guān)注，對(duì)此結(jié)構(gòu)傳熱性能的研究也層出不窮且以球冠形凹坑結(jié)構(gòu)居多。劉高文等[7]對(duì)國(guó)外凹坑結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展作了比較全面的梳理總結(jié)，內(nèi)容涉及凹坑結(jié)構(gòu)的換熱與阻力特性、形成渦流的結(jié)構(gòu)與凹坑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱機(jī)理以及影響凹坑結(jié)構(gòu)換熱阻力特性的相關(guān)因素分析等。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)該結(jié)構(gòu)也有深入的研究，如賀志強(qiáng)[8]研究了含有不同密度丁胞結(jié)構(gòu)的換熱管并得出換熱管內(nèi)丁胞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化機(jī)理；錢(qián)吉裕等[9]運(yùn)用場(chǎng)協(xié)同原理分析了丁胞流道的強(qiáng)化換熱機(jī)理，認(rèn)為丁胞結(jié)構(gòu)有利于提高流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同性；張喜迎[10]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)凹凸板式換熱器的雙流道耦合換熱過(guò)程的流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了研究，并擬合出了在一定范圍內(nèi)適用的準(zhǔn)則關(guān)系式。

其他的相關(guān)研究成果還很多，但所研究的凹坑形狀、排布方式和流道形式各異，部分文獻(xiàn)雖然擬合出了流道的傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式，但并沒(méi)有實(shí)際工程背景，工質(zhì)是任意設(shè)定的，因此只能作為參考，其模擬結(jié)果并不適用于沖渣水換熱工況。本文則基于實(shí)際項(xiàng)目需求，在滿(mǎn)足特定設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模和數(shù)值模擬分析，擬合出適用于該項(xiàng)目需求的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板型尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文所研究凹坑板片構(gòu)建的流道及凹坑結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

(b)

兩板片的凸側(cè)相抵，所構(gòu)建的通道作為潔凈采暖水流道，這樣的構(gòu)造同時(shí)可有效增強(qiáng)換熱器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利于實(shí)現(xiàn)換熱器的大型化；板片凹坑側(cè)相對(duì)，可以構(gòu)建無(wú)觸點(diǎn)流道，用作沖渣水側(cè)流道，保證對(duì)水中雜質(zhì)顆粒的良好通過(guò)性。

1.2 流道特性研究

為了進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱效果并降低壓力損失，在相關(guān)凹坑研究理論的基礎(chǔ)上，采用CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)沖渣水側(cè)流道的傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)變化凹坑的結(jié)構(gòu)尺寸和雷諾數(shù)尋找該結(jié)構(gòu)板型的傳熱和流動(dòng)特性與這些變量的關(guān)系，并對(duì)模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合出相關(guān)傳熱和阻力公式，在綜合考慮制造難度后確定了一個(gè)最優(yōu)化的板型尺寸。

1.2.1 數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，所有涉及流體流動(dòng)、熱交換、分子輸運(yùn)等現(xiàn)象的問(wèn)題都可以借助數(shù)值模擬來(lái)得到分析解決，這已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外能源和流動(dòng)領(lǐng)域研究者普遍采用的手段。

模擬仿真軟件雖然功能強(qiáng)大但仍無(wú)法考慮到傳熱流動(dòng)過(guò)程中所有因素的影響，因此需要對(duì)研究的問(wèn)題做出一定的假設(shè)簡(jiǎn)化。

本文針對(duì)流道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱情況做出如下假設(shè)：

(1)流體為不可壓縮的牛頓流體；

(2)流動(dòng)和傳熱均在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行；

(3)計(jì)算過(guò)程忽略重力場(chǎng)影響，并假定流體的物性不受溫度影響；

(4)流道的壁面無(wú)滑移；

(5)忽略自然對(duì)流、熱輻射效應(yīng)以及流動(dòng)時(shí)的黏性耗散作用對(duì)傳熱的影響。

受限于實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)配置，無(wú)法模擬完整的模型，因此利用流道結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，研究其中一個(gè)獨(dú)立模塊，并據(jù)此來(lái)分析整體的傳熱及阻力特性。對(duì)于計(jì)算模型的選擇，可以結(jié)合其他學(xué)者[5，10-14]對(duì)凹坑結(jié)構(gòu)板型數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)和本文所研究問(wèn)題的具體情況選用RNGk-ε湍流模型。

邊界條件設(shè)置如下：沖渣水、采暖水進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口選用壓力出口；流道側(cè)面及上下表面均設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件；流體與傳熱板片交界面設(shè)置為流固耦合邊界條件。求解格式選用高階求解模式，對(duì)于時(shí)間尺度的控制選用物理時(shí)間尺度，殘差收斂精度值設(shè)為10-6。

為了得到更準(zhǔn)確可靠的模擬結(jié)果，首先對(duì)模型劃分的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定最終的網(wǎng)格數(shù)量為1 100 480；再利用單流道小樣件試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模擬精度；之后再分別將由試驗(yàn)及數(shù)值模擬得到的努塞爾數(shù)Nu(Nu表示對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度的一個(gè)準(zhǔn)數(shù))和壓力損失ΔP隨雷諾數(shù)Re的變化趨勢(shì)作圖，如圖2所示?？梢钥闯觯囼?yàn)與仿真得到的結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)據(jù)相差不大，其中Nu計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大偏差為9.8%，壓降ΔP計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大偏差為12.5%[15]，均在模擬誤差可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明本文的仿真計(jì)算結(jié)果是可靠的，可以較準(zhǔn)確地反映渣水換熱器內(nèi)部傳熱與流動(dòng)阻力的實(shí)際情況。

(a) Nu隨Re變化趨勢(shì)

(b)ΔP隨Re變化趨勢(shì)

1.2.2 準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式擬合

由傳熱學(xué)知識(shí)可知，對(duì)于內(nèi)部的單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱，其函數(shù)關(guān)系Nu=CRenPrm(C，n，m是由試驗(yàn)確定的常數(shù))；對(duì)于管道內(nèi)的單相強(qiáng)制對(duì)流，可以使用Dittus-Boelter公式：Nu=0.23Re0.8Prm(m在加熱流體時(shí)取0.4，冷卻流體時(shí)取0.3)。但對(duì)于本文所研究的由凹槽板構(gòu)成的非平直流道，并沒(méi)有現(xiàn)成的公式可以使用，而且該特征數(shù)關(guān)系式也并沒(méi)有涉及到凹槽板的結(jié)構(gòu)特征尺寸。因此，為了更深入探究沖渣水側(cè)通道的傳熱特性與流體雷諾數(shù)和板型結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，需要將這些因素?cái)M合進(jìn)一個(gè)完整的特征數(shù)關(guān)系式。板面凸起側(cè)為潔凈采暖水流道，其流動(dòng)類(lèi)似于圓柱繞流，這里不再贅述，下面的研究只針對(duì)沖渣水側(cè)凹坑流道進(jìn)行。

具體研究方法為，先通過(guò)控制變量法，研究單一結(jié)構(gòu)尺寸因素對(duì)板片傳熱特性的影響，然后找出該變量與因變量之間可能存在的函數(shù)關(guān)系，最終擬合出包含別擔(dān)心有尺寸變量的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式。影響凹坑傳熱的主要結(jié)構(gòu)尺寸變量包括：流道高度H、凹坑投影直徑D、凹坑高度Hd、凹坑縱向距離P、凹坑橫向間距S。結(jié)合項(xiàng)目換熱量的設(shè)計(jì)要求及凹坑板型的制造使用經(jīng)驗(yàn)，各尺寸變量均設(shè)定在一定范圍內(nèi)變化。

通過(guò)數(shù)值模擬得到不同雷諾數(shù)下不同流道高度H的平均努塞爾數(shù)Nu，將數(shù)據(jù)標(biāo)在同一張坐標(biāo)圖上并將同一雷諾數(shù)下的數(shù)據(jù)連線，如圖3所示，從折線的趨勢(shì)可以看出H與Nu可能呈冪函數(shù)關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)再次作圖，得到lnNu在不同雷諾數(shù)下隨lnH的變化圖，如圖4所示?？梢钥闯觯瑢?duì)數(shù)處理后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，并且lnNu隨lnH增大而遞減，因此可以得到Nu與H之間的函數(shù)關(guān)系式：Nu=k1Ha(a<0)。

圖3 Nu隨H的變化趨勢(shì)

圖4 lnNu隨lnH的變化趨勢(shì)

同樣，推測(cè)其他凹坑尺寸與努塞爾數(shù)Nu也呈冪函數(shù)關(guān)系，分別作出它們的變化趨勢(shì)圖，如圖5～10所示。

圖5 Nu隨D的變化趨勢(shì)

圖6 lnNu隨lnD的變化趨勢(shì)

圖7 Nu隨Hd的變化趨勢(shì)

圖8 lnNu隨lnHd的變化趨勢(shì)

圖9 Nu隨P的變化趨勢(shì)

圖10 Nu隨S的變化趨勢(shì)

各變量無(wú)量綱化后與努塞爾數(shù)之間的變化趨勢(shì)應(yīng)仍呈冪函數(shù)關(guān)系，可擬合出如下形式的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：

(1)

其中，De為由光滑平板組成相應(yīng)流道的當(dāng)量直徑，De=4A/L(A為流體入口面積，L為濕周)，其大小約為光滑平板組成流道基準(zhǔn)高度的2倍，本文將基準(zhǔn)高度定為10 mm?？紤]到單因素模擬結(jié)果顯示縱橫排布間距變化對(duì)努塞爾數(shù)影響不大，因此未將凹坑橫向間距S和縱向間距P擬合進(jìn)關(guān)系式(1)中。

Pr(普朗特?cái)?shù))的指數(shù)m可以參照Dittus-Boelter公式選取，其余未知指數(shù)以及系數(shù)C通過(guò)代入設(shè)定的各幾何參數(shù)值及數(shù)值模擬得到的相應(yīng)的努塞爾數(shù)Nu擬合得出。對(duì)式(1)兩邊求對(duì)數(shù)，得到：

(2)

將不同的幾何尺寸、雷諾數(shù)Re及由數(shù)值模擬方法得到的相應(yīng)的Nu代入矩陣方程，可得到方程個(gè)數(shù)多于未知數(shù)個(gè)數(shù)的超定方程組，無(wú)法得到其精確解，可運(yùn)用最小二乘法獲得其最小二乘解。運(yùn)用matlab的lscov函數(shù)可以很方便地得出超定線性方程組的最小二乘解，還可以計(jì)算這些系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差和均方誤差。

擬合得出適合本渣水換熱器凹坑結(jié)構(gòu)板型所構(gòu)建流道的特征數(shù)方程為：

(3)

其中，Re∈[5 000,40 000],H∈[7,19],D∈[20,32],Hd∈[6,12]。所擬合系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.040 9,0.003 6,0.012 9,0.028 7,0.020 2，標(biāo)準(zhǔn)誤差均很小，說(shuō)明擬合的方程較符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布情況，可以接受。

用同樣的方法可以擬合出范寧摩擦系數(shù)f的準(zhǔn)則方程：

(4)

其中,Re∈[5 000,40 000],H∈[7,19],D∈[20,32],Hd∈[6,12]，P∈[40,46],S∈[41,47]。

綜合擬合的公式和制造加工上的考慮，確定沖渣水處理流量為600 m3/h的板式換熱器板片的凹坑結(jié)構(gòu)尺寸和排布如下：H=10 mm，D=30 mm，Hd=8 mm，P=45 mm，S=44 mm。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所擬合準(zhǔn)則關(guān)系式的可靠性，按最終確定的板型結(jié)構(gòu)尺寸重新建模并進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果求解在流道入口雷諾數(shù)Re=16 000時(shí)的努塞爾數(shù)Nu和范寧摩擦系數(shù)f，其值分別為56.834,0.009 978，再運(yùn)用前文的準(zhǔn)則關(guān)系式求解擬合的努塞爾數(shù)Nu和范寧摩擦系數(shù)f，其值分別為54.617,0.010 448。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)誤差分別為3.9%和4.7%，在工程允許誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了擬合準(zhǔn)則關(guān)系式的可靠性。

1.3 換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

優(yōu)化后的板型可以增強(qiáng)流道內(nèi)流體的湍流，避免沖渣水結(jié)垢，但并不能解決設(shè)備的堵塞、磨損問(wèn)題。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的板式換熱器，如果使用未經(jīng)過(guò)濾處理的沖渣水進(jìn)行換熱，固體顆粒等雜質(zhì)極容易對(duì)換熱板片表面造成磨損并堵塞流道，而且由于換熱器長(zhǎng)度有限，換熱流程短，對(duì)沖渣水的取熱量少，設(shè)備換熱效率低。因此還必須對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，在沖渣水進(jìn)入換熱流道前分離出渣水內(nèi)質(zhì)量較大的雜質(zhì)，延長(zhǎng)沖渣水在設(shè)備內(nèi)的換熱時(shí)間，以保證沖渣水在流道中的暢通運(yùn)行，解決沖渣水對(duì)設(shè)備的堵塞和磨損以及設(shè)備的換熱效率低下問(wèn)題。

改進(jìn)后板式換熱器內(nèi)部流道如圖11所示。與普通板式換熱器的主要區(qū)別在于沖渣水管箱較大且在管箱中間增加了隔板，將管箱內(nèi)空間隔成底部彼此相通的兩個(gè)區(qū)域，換熱板片的長(zhǎng)度和排布也有特殊的設(shè)計(jì)，與隔板相配合可以起到分程的效果。

(a)渣水流程圖

(b)采暖水流程圖

沖渣水可免過(guò)濾直接由A口通入沖渣水管箱內(nèi)，在管箱內(nèi)設(shè)置隔板的阻擋下沖渣水的流速發(fā)生改變，由于雜質(zhì)與水的速度改變量不同，因此可以分離出渣水內(nèi)的雜質(zhì)，而且還可以根據(jù)沖渣水水質(zhì)情況，調(diào)整沖渣水進(jìn)入換熱器的速度，以達(dá)到更好的分離效果，分離出來(lái)的雜質(zhì)顆粒通過(guò)管箱底部的排渣口排出，避免其對(duì)后面流道的沖刷及堵塞。當(dāng)沖渣水管箱內(nèi)雜質(zhì)淤積過(guò)多時(shí)，可從管箱側(cè)面的清洗水口通入清水對(duì)沖渣水箱內(nèi)部進(jìn)行沖洗，沖洗后的污水可以從排渣管排出。當(dāng)遇到無(wú)法靠沖洗管箱就能解決的於堵問(wèn)題時(shí)，僅需拆下沖渣水管箱的端蓋，就可以對(duì)換熱器的整個(gè)沖渣水流道進(jìn)行疏通，清洗維護(hù)十分方便。

換熱板片與隔板相配合的分程設(shè)計(jì)，使冷熱介質(zhì)在換熱器內(nèi)部多次往返，從而延長(zhǎng)了換熱時(shí)間，提高了換熱效果。從圖11可以看出，沖渣水通入換熱器后經(jīng)多次折流從換熱器底部接管口流出，潔凈的采暖水則從換熱器底部經(jīng)過(guò)多次折流逆流而上，與沖渣水形成逆流傳熱，強(qiáng)化了換熱效果。

產(chǎn)品改進(jìn)后，根據(jù)實(shí)際工況的相關(guān)工藝參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行了傳熱和阻力校核，計(jì)算結(jié)果表明，該換熱器換熱量能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的取熱需求，并且內(nèi)部流體壓降也符合設(shè)計(jì)要求。

2 商業(yè)運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益

本產(chǎn)品已在某余熱供暖項(xiàng)目上得到應(yīng)用，所用到的主要工藝裝備有：(1)流量為600 m3/h渣水換熱器，換熱器型號(hào)為FBZ2170×4-0.8-0.6GP6M；(2)2臺(tái)變頻沖渣水泵，循環(huán)水量650 m3/h，揚(yáng)程40 m，供暖季時(shí)一用一備；(3)3個(gè)沖渣水切換閥組，該閥門(mén)為DN400手動(dòng)耐磨半球閥；(4)3臺(tái)采暖水循環(huán)泵，在冬季采暖時(shí)期兩開(kāi)一備，其中一臺(tái)變頻控制，另外兩臺(tái)工頻控制，水量280 m3/h，揚(yáng)程70 m，電機(jī)功率90 kW；(5)1臺(tái)臥式管殼式汽水換熱器，用于調(diào)峰蒸汽補(bǔ)熱；(6)1套凝水回收裝置，包括凝結(jié)水回收泵組2臺(tái)和配套的容積為8 m3的凝結(jié)水水箱，回收泵單臺(tái)供水量17 m3/h，揚(yáng)程30 m，電機(jī)功率4 kW，一開(kāi)一備；(7)1臺(tái)采暖水除污器，加在采暖水回水總管，以防雜物堵塞管網(wǎng)；(8)2臺(tái)采暖水變頻補(bǔ)水定壓泵，單臺(tái)供水量12 m3/h，揚(yáng)程40 m，電機(jī)功率4 kW，一開(kāi)一備；(9)1套帶全自動(dòng)鈉離子交換裝置的軟水器和1個(gè)8 m3水箱。

經(jīng)過(guò)前期土建工作，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖見(jiàn)圖12。

圖12 部分設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

商業(yè)運(yùn)行期間，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要有：沖渣水進(jìn)出換熱器的溫度和壓力；采暖水進(jìn)出換熱器的溫度和壓力；采暖水供水及回水的溫度和壓力；采暖水補(bǔ)水點(diǎn)的壓力。

從商業(yè)運(yùn)行初期監(jiān)測(cè)到的溫度和壓力數(shù)據(jù)來(lái)看，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采暖水的溫度和壓力值都已經(jīng)趨于穩(wěn)定，雖然受沖渣工藝的影響會(huì)產(chǎn)生間歇性的波動(dòng)，但波動(dòng)時(shí)間短、波動(dòng)值也不大。 采暖水回水溫度基本穩(wěn)定在55 ℃，而設(shè)計(jì)回水溫度為50 ℃，這是由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于項(xiàng)目運(yùn)行初期，當(dāng)時(shí)實(shí)際供暖用戶(hù)數(shù)比設(shè)計(jì)的要少，因此實(shí)際取熱量較少，從而造成回水溫度略高于預(yù)期。采暖水的供水溫度則基本穩(wěn)定在 60 ℃，滿(mǎn)足甲方公司在技術(shù)協(xié)議中設(shè)計(jì)的供暖溫度要求，迄今該項(xiàng)目已運(yùn)行多個(gè)采暖季，運(yùn)行狀況良好，未發(fā)生設(shè)備堵塞結(jié)垢或采暖效果明顯降低的情況。

該項(xiàng)目帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益是相當(dāng)可觀的，綜合考慮該項(xiàng)目的采暖收益與用電成本，企業(yè)只需約3個(gè)采暖季即可收回全部的初始項(xiàng)目投資，此后每個(gè)采暖季均可實(shí)現(xiàn)近百萬(wàn)元的盈利。此外，該項(xiàng)目也能帶來(lái)良好的社會(huì)效益。利用從沖渣水中回收的熱量來(lái)代替燃煤供暖，不僅可以減輕燃煤帶來(lái)的溫室效應(yīng)、霧霾等環(huán)境污染問(wèn)題，還可以降低面臨著的化石燃料緊缺的壓力。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)沖渣水余熱采暖技術(shù)中的換熱設(shè)備的一系列問(wèn)題，本文在對(duì)凹坑結(jié)構(gòu)流道傳熱和流動(dòng)特性的深入研究基礎(chǔ)上優(yōu)化了凹坑結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)板式換熱器流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，成功開(kāi)發(fā)出一種新型凹坑結(jié)構(gòu)板式換熱器。經(jīng)過(guò)多個(gè)采暖季的運(yùn)行，證實(shí)了該換熱器可以實(shí)現(xiàn)沖渣水免過(guò)濾處理直接取熱，并且在運(yùn)行期間未發(fā)生因堵塞、結(jié)垢、磨損而造成停運(yùn)等情況，設(shè)備清洗維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本低，而且取熱量大、對(duì)外加熱源補(bǔ)熱的依賴(lài)較小。該設(shè)備的成功運(yùn)行以及帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益表明，該沖渣水余熱采暖用換熱器是凹坑結(jié)構(gòu)板型在工程上的又一次成功應(yīng)用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合預(yù)期，值得推廣應(yīng)用。