污水源熱泵系統的設計計算

第25卷第2期煤氣與熱力ol. 25 No. 2005年2月GAs heatFeb.2005污水源熱泵系統的設計計算姚楊,馬最良,趙麗瑩(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090)摘要:設計了一套污水源熱泵,將經(jīng)過(guò)處理后的污水作為低位熱源。對污水源熱泵系統中的淋激式換熱器、板式換熱器、壓縮機、熱力膨脹閥進(jìn)行設計和選型計算。關(guān)鍵詞:水源熱泵;污水源熱泵;淋激式換熱器;板式換熱器;壓縮機;熱力膨脹閥中圖分類(lèi)號:TU995文獻標識碼:A文章編號:1000-4416(2005)02-0039-04Design Calculation of Sewage Source Heat Pump SystemYAO Yang, MA Zui-liang, ZHAO Li-yingSchool of Municipal Environmental Engineering, Haerbin Institute of Technology, haerbinAbstract: A sewage source heat pump is designed, and the treated sewage is used as low-levelheat source. The design and model calculation of sprinkling heat exchanger, plate heat exchanger, com-pressor and thermal expansion valve used in the sewage source heat pump system are made.Key words: water source heat pump; sewage source heat pump; sprinkling heat exchanger;plate heat exchanger; compressor; thermal expansion valve哈爾濱的城市污水中可利用的熱量和城市的熱季供熱,夏季供冷。污水源熱泵機組主要由壓縮機、需要量都非常高,可以?xún)?yōu)先采用城市污水熱能利用淋激式換熱器、板式換熱器、熱力膨脹閥等設備組系統。1999年,哈爾濱市區工業(yè)廢水處理量為成。冬季供熱系統設計供回水溫度為45/40℃,機5124×10·t。哈爾濱某制藥廠(chǎng)排放的廢水主要由組設計制熱量260kW。為防止地板結露,夏季供冷生產(chǎn)廢水和生活廢水組成?？诜庈?chē)間排放的廢水水溫度為16-18℃,供回水溫差2~3℃,機組設計主要在洗瓶、配劑刷罐、沖洗地面、冷卻等工序中產(chǎn)制冷量230kW。污水源熱泵系統見(jiàn)圖1生,排放量較多且流量穩定;片劑、中藥車(chē)間排放量適中,流量不穩定。生活污水主要為洗滌用水,在夏季時(shí)排放量較多。污水全部進(jìn)入污水處理系統,經(jīng)用戶(hù)系統二級處理后污水水質(zhì)符合GB8978-96《污水綜合排放標準》規定的醫藥污水的排放標準。夏季污水溫度維持在17~22℃,冬季維持在13~17℃,日污水排放量為2745~4770m3/d。將城市污水處理冬季工質(zhì)循環(huán)流向夏季工質(zhì)循環(huán)流向系統與水源熱泵機組相結合,是一種理想的城市污1壓縮機2四通閥3.淋激式換熱器4高壓貯液器水綜合利用方法。本文對污水源熱泵系統的設計和5.干燥過(guò)濾器6熱力膨脹閥7.止回閥8板式換熱器9污水泵設備選型進(jìn)行研究。10.污水處理裝置1l氣液分離器12循環(huán)水泵13調峰鍋1系統的設計和設備選型圖1污水源熱泵系統污水源熱泵為廠(chǎng)區中4000m2的住宅建筑冬Fig. 1 Sewage source heat pump system第2期煤氣與熱力第25卷系統冬季設計參數見(jiàn)表1。續表3表1污水源熱泵系統冬季設計參數換熱器總傳熱溫差|5.70換熱器換熱面積/m242.0Tab. 1 Design parameters of sewage source heatpump system in winter淋激密度/(kg·h·m)/50換熱管材料紫銅冷凝溫度℃蒸發(fā)溫度/℃6過(guò)冷度/℃過(guò)熱度℃10③板式換熱器的設計計算吸氣溫度/℃16蒸發(fā)器出口溫度/℃11板式換熱器按冬季作為冷凝器進(jìn)行設計選型冷凝器出口溫度/℃45設計參數見(jiàn)表4注:過(guò)熱度中其中有5℃發(fā)生在蒸發(fā)器出口至壓縮機表4板式換熱器的設計參數的吸氣管道中Tab 4 Design parameters of plate heat exchan①壓縮機的選型介質(zhì)R2水按供熱工況下的制熱量和表1的設計參數,求狀態(tài)氣態(tài)液態(tài)得壓縮機的實(shí)際排氣量為192.8m3/h,考慮其用于進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱泵機組,可加大5%排氣量作為設計值,壓縮機的介質(zhì)質(zhì)量流量/kg·s-)_1.3612.45容積效率為0.8,則壓縮機的理論排氣量為253最大允許壓力降/kPam3/h?？蛇x擇螺桿式壓縮機,使用工質(zhì)為R22,理論冷凝溫度/℃排氣量264m3/h,空調工況蒸發(fā)、冷凝溫度為5/40換熱量/kW℃下的制冷量為254.2kW,軸功率55kW,配用電根據表4中的設計參數,選擇某換熱設備廠(chǎng)的機功率65kW,電機轉速2960人字形波紋板換熱器,它的幾何尺寸為2:單板有②淋激式換熱器的設計計算效面積0.52m2,單通道截面積0.0015m2,當量直淋激式換熱器按冬季作為蒸發(fā)器進(jìn)行設計計徑0.007m,流程長(cháng)度1m,板寬度0.75m。算,設計參數見(jiàn)表2,設計計算結果見(jiàn)表3。工質(zhì)R22和水均采用并聯(lián)逆流單通程方式,由表2淋激式換熱器設計參數板式換熱器面積的設計計算得到板片為69片。Tab 2 Design parameters of sprinkling heat exchanger④熱力膨脹閥的設計計算蒸發(fā)溫度/℃a.設計參數過(guò)熱度℃由冬季制熱循環(huán)計算可知,冷凝壓力P。=換熱量/kW1942.3kPa(冷凝溫度為50℃),蒸發(fā)壓力p。=工質(zhì)質(zhì)量流量/(kg·s-)602.28kPa(蒸發(fā)溫度為6℃)。經(jīng)相應計算,制冷污水溫降/℃量為212kW。M、為質(zhì)量流量/(kg·hb.熱力膨脹閥兩端壓力差△p表3淋激式換熱器設計計算結果Ap=P。-P-Δp,-Ap4-△pb,3 esign calculation result of sprinkling heat exchanger式中Ap—熱力膨脹閥兩端壓力差,Pa換熱管列數30換熱管排數換熱管內徑/m0014換熱管外徑/m0.016p—冷凝壓力kPa蒸發(fā)壓力,kPa換熱管水平有效長(cháng)度30每根換熱管總長(cháng)度279△,—供液管中的壓力降,約為183kP23兩相區長(cháng)度/m26.4過(guò)熱區長(cháng)度/m15Ap—分液器和分液管中的壓力降,約為兩相區傳熱溫差/℃5.78過(guò)熱區傳熱溫差/℃3.94100kP兩相區管內表面過(guò)熱區管內表面Δp—冷凝器或貯液器出液口至膨脹閥入傳熱系數2847傳熱系數口之間的液柱壓力,取50kP/(W·m2·K-)/(W·m2.K-1)經(jīng)計算,△p=1007.02kPa污水側表面傳熱系數6835(W22,k”84換熱器傳熱系數c.通過(guò)熱力膨脹閥的工質(zhì)質(zhì)量流量qn/(Wqn第2期姚楊,等:污水源熱泵系統的設計計算第25卷式中qn,工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/sC—流量系數A—膨脹閥的通道面積,m2d.熱力膨脹閥選型支架選擇某廠(chǎng)生產(chǎn)的外平衡式熱力膨脹閥“,適用于工質(zhì)R22,名義制冷能力(基于蒸發(fā)溫度為4.4℃,工質(zhì)進(jìn)口溫度為38℃)為351.6kW,Ap=1103kPa,A1=0.013m2⑤淋激式換熱器的校核計算淋激式換熱器按夏季作為冷凝器進(jìn)行校核計0.035m算,校核計算參數見(jiàn)表5,校核計算結果見(jiàn)表a淋激式換熱器主視圖(虛線(xiàn)為支架)表5淋激式換熱器校核計算參數Tab. 5 Check calculation parameters of sprinklingheat exchang凝溫度/℃工質(zhì)質(zhì)量流量/(kg·s-)1.3水槽換熱量八W264污水溫升/℃25過(guò)冷度/℃5|噴淋污水質(zhì)量流量90600/(kg.h")表6淋激式換熱器校核計算結果Tab. 6 Check calculation result of sprinkling heat exchanger「換熱管列數30換熱管排數換熱管內徑/m0014換熱管外徑/m0.016有長(cháng)30每根換恐管總長(cháng)度32兩相區長(cháng)度/m32.2兩相區傳熱溫差/℃6.64b.淋激式換熱器俯視圖過(guò)冷區長(cháng)度/m36過(guò)冷區傳熱溫差/℃210過(guò)熱區長(cháng)度14過(guò)熱區傳熱溫差/℃15.94圖2淋激式換熱器結構及尺寸兩相區管內表面傳熱系數/9q1過(guò)熱區管內表面傳熱系數Fig 2 Structure and size of sprinkling heat exchanger406/(W·m2·K⑥板式換熱器的校核計算過(guò)冷區管內表面污水側表面板式換熱器按夏季作為蒸發(fā)器時(shí)的工況進(jìn)行校傳熱系數傳熱系數6835/(W. m .K核計算,得到換熱器的板片為57片。取冬季作為冷凝器的設計結果69片。換熱器總傳熱溫差6s8換熱器傳熱系數75/⑦噴淋裝置理想的換熱狀態(tài)是污水從水槽噴淋裝置的小孔(gh·m”/50換熱器換熱面積56淋激到蛇形換熱管上,形成均勻的水膜。如果忽略林激密度污水從小孔中噴出時(shí)的體積變化,出流速度可用下?lián)Q熱管材料紫銅式計算5通過(guò)校核計算發(fā)現,按冬季作為蒸發(fā)器所設計的淋激式換熱器不能滿(mǎn)足夏季作為冷凝器的設計要式中n污水的出流速度,m/s求。因此取兩個(gè)計算結果中較大值為設計結構參g重力加速度,m/s數,淋激式換熱器結構及尺寸見(jiàn)圖2(未嚴格按比例H—一作用壓頭,m繪制)。對于從1個(gè)小孔流出的污水的體積流量qp,可第2期煤氣與熱力第25卷用下式計算淋激式換熱器和板式換熱器既作為冷凝器使用又作9v =p(4)為蒸發(fā)器使用,故必須進(jìn)行兩種情況下的設計、校核式中q污水體積流量,m3/s計算,取計算結果中最大值作為結構設計參數。μ流量系數,取060-0.62A——小孔的截面積,m2參考文獻:噴水孔采用機械鉆孔,由于彈性形變使孔徑縮1]尹軍,韋新東,我國主要城市污水中可利用熱能狀況小,所以實(shí)際的流量系數H遠遠小于0.60~0.62初探[J.中國給水排水,2001,17(4):27-30現取流量系數A=0.2。在實(shí)際工程中,考慮從污水[2]楊崇林板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械泵到噴淋裝置的壓力損失,取噴淋裝置中污水的作工業(yè)出版社,1994用壓頭H=10m,則污水的體積流量qp=28A。3]彥啟森.空氣調節用制冷技術(shù)M].北京:中國建筑噴淋裝置的列數按換熱管的列數取為30列,則工業(yè)出版社,1985平均每列污水的體積流量為8.4×10-4m3/s。從而4]蔣能照、空調用熱泵技術(shù)及應用M].北京:機械工計算得到每列的小孔總截面積為3×10-m2,取噴業(yè)出版社,1997水孔徑為000m,可計算得孔數為43個(gè),取孔數51野佐一換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,為50個(gè)。取單根噴淋管管長(cháng)3.5m,則噴水孔間距為70mm作者簡(jiǎn)介:姚楊(1963-),女,遼寧開(kāi)原人,教根據以上的結果,可知噴淋裝置上共開(kāi)有1500授,博士,主要從事熱泵的基礎理論與應個(gè)孔,分為30列,每列50個(gè),孔間距70mm。用技術(shù)及暖通空調系統仿真與節能的研究工2結語(yǔ)作對污水源熱泵系統中的淋激式換熱器進(jìn)行了設電話(huà):(0451)86283123計計算,對板式換熱器壓縮機、熱力膨脹閥進(jìn)行了E-mailao-yy@sohu.com選型計算,盡量使各部件達到合理匹配。系統中的收稿日期-11-19信息《煤氣與熱力》的期刊評價(jià)指標在同類(lèi)學(xué)科內名列前茅中國科學(xué)技術(shù)信息研究所編制的2004年版《中國科技期刊引證報告》由科學(xué)技術(shù)文獻出版社于2004年10月出版。該報告在與國際評價(jià)體系保持一致的基礎上,結合中國期刊的實(shí)際情況,從總被引頻次、影響因子等15項指標對2003年的中國科技期刊進(jìn)行了定量分析和評價(jià)。在該報告的學(xué)科分類(lèi)中,《煤氣與熱力》屬“土木建筑工程”類(lèi),代碼為V024?！睹簹馀c熱力的各項統計指標分別為:總被引頻次841,影響因子0.754,即年指標0.087,他引總引比0.08,引用刊數32,擴散因子38,被引半衰期398,來(lái)源文獻量230,參考文獻量1368,平均引文率5.95,平均作者數277,地區分布數23,機構分布數32,基金論文比0.09。其中總被引頻次和影響因子兩項指標在1576種統計源期刊中分別名列第49位和127位,在學(xué)科內分別排名第三和第二。(本刊通訊員供稿)