城市污水換熱器的方案對比與設計

第30卷,總第173期節能技術(shù)》oL 30 Sum. No. 1732012年5月,第3期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay. 2012, No. 3城市污水換熱器的方案對比與設計段萬(wàn)軍,馬世君2丁力群2,張承虎(1.沈陽(yáng)渾南熱力有限責任公司,遼寧沈陽(yáng)11004;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),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(guān)鍵設備。針對污水自身的特點(diǎn),從工程角度總結了污水換熱器必須滿(mǎn)足的基本要求和特點(diǎn);介紹并對比分析了幾種常見(jiàn)的污水換熱器形式,指出寬流道式換熱器將帶來(lái)阻力增大、能耗增加、投資增長(cháng),而殼管式換熱器是最科學(xué)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(jiàn)的4種技術(shù)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(guān)系,以及污水換熱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(guān)鍵詞:污水;換熱器;殼管;寬流道;設計中圖分類(lèi)號:T051.5文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2012)03-0228-05Structure Contrast and design Method of Urban Sewage Heat ExchangerDUAN Wan-jun', MA Shi-jun, DING Li-qun, ZHANG Chen-ghu(1. Shenyang Hunnan heat limited liability company, Shenyang 110004, China;2. School of municipal and environment engineering, Harbin institute of technology, Harbin 150090, China)Abstract: Sewage heat exchanger is the key device in the urban sewage-source heat pump system. Thearticle summarizes the basic requirement and characteristic which the sewage heat exchanger shouldmeet, introduces and analyses the common structures of the heat exchanger comparatively. It indicatesthat the shell tube heat exchanger is better than heat exchanger with wide flow channel. Then desigrmethod for the sewage heat exchanger under four technique condition combinations which are usually usedin project is concluded after giving the basic equations of the heat exchanger. The design method of sewage heat exchanger, universal relationship between structure-performance parameters and flow channelsize of heat exchanger, are referencing significance on the project design and operationKey words: sewage; heat exchanger; shell and tube; wide nlow channel; design污水換熱器是污水源熱泵系統的瓶頸形同燒電;換熱器的承壓能力不足,容易造成內部部污水換熱器的傳熱系數小或換熱面積不足就會(huì )件連接處大幅變形、應力集中、疲勞破壞,最終漏水導致熱泵主機工況惡化,效率低下,出力不足,甚至混水;換熱器防堵塞能力不好,或阻力過(guò)大就會(huì )增加系統的泵耗;換熱器淤堵后如果其結構設計沒(méi)考慮收稿日期2012-03-06修訂稿日期2012-04-23方便的清理維護措施,將會(huì )造成運行維護的負基金項目:國家自然科學(xué)基金項日(51l015),教育部博士點(diǎn)擔?；痦椖?20092302120023實(shí)際上,污水換熱器的造價(jià)約占整個(gè)熱泵機房作者簡(jiǎn)介段萬(wàn)軍(1972~),男,學(xué)士,高級工程師研究方向建筑新能源與供熱系統造價(jià)的1%左右,不是主要的投資部分,卻起著(zhù)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(lái)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,本文將從污水換熱器的基本要求和換熱器的普適規律進(jìn)行對比分析,并給出常見(jiàn)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(diǎn)圖1殼管式污水換熱器由于污水這種工質(zhì)自身的特殊性:堵塞風(fēng)險高、粘度大、易結垢、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)要求換熱器結構上有方便開(kāi)啟、安裝和清理的各項措施,安全和效率是第一位的。圖2板式換熱器(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(guò)長(cháng)。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污水換熱器結構的普適關(guān)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圖3寬流道平板式與圓管式污水換熱器式換熱器,它符合上述關(guān)于污水換熱器的六條基本所謂寬流道換熱器有兩種形式,其一是寬流道平板要求。采用2.5~3mm厚的普通無(wú)縫碳鋼管實(shí)踐式換熱器如圖3左圖所示;另一種是寬流道圓管式證明,在無(wú)氧條件下可以抗腐蝕使用15年左右。換熱器如圖3右圖所示。殼管式換熱器的換熱管直徑主要與前端防阻機的過(guò)寬流道平板式換熱器是一種全焊接式板式換熱濾尺寸密切相關(guān),需要科學(xué)確定,一般可取20mm器焊縫非常長(cháng)。平板式換熱器目前呈現的技術(shù)缺左右。為了實(shí)現小溫差純逆流還必須對換熱器的陷主要是傳熱效果差、承壓能力差破裂漏水風(fēng)險極流程和隔板進(jìn)行特殊設計。圖1是工程實(shí)際應用的高、淤堵嚴重殼管式換熱器。目前為止,殼管式污水換熱器是最流道圓管式換熱器實(shí)際上是一種采用大尺寸為成功的污水換熱器。(80~100mm)換熱管的殼管式換熱器。寬流道圓有人認為板式換熱器的傳熱系數非常高,想簡(jiǎn)管式換熱器是為了解決平板式承壓能力差而被提出單地套用到污水換熱中來(lái),但事實(shí)證明對板式換熱的。寬流道圓管式換熱器不滿(mǎn)足換熱器緊湊、高效器的簡(jiǎn)單改良是根本不可行的。圖2是加大板間距和經(jīng)濟的要求。的傳統板式換熱器應用于污水換熱的結果。傳統板上述可行的三種污水換熱器:殼管式、寬流道板式換熱器是失敗的污水換熱器。式、寬流道管式,在結構上的主要差別可以用流道尺目前市面上還有一種所謂“寬流道換熱器”技寸(或者水力直徑)來(lái)表征。堵塞難題要求污水換術(shù),其基本思路就是加大污水流道的尺寸直至污物熱器的流通截面尺寸必須合適所以流道尺寸是決能夠順利通過(guò),這是違背緊湊換熱器設計原則的。定污水換熱器結構和性能的關(guān)鍵參數。一般而言,229污水換熱器的熱阻絕大部分集中在污水側,污水軟污水換熱器的體積可表述為垢熱阻與對流熱阻一樣,主要與流速相關(guān)。單側流體的對流換熱系數存在如下關(guān)系式中B—換熱器體積與污水側水容積之比,般可為2.2。污水換熱器的總傳熱系數可表達為可見(jiàn),換熱器體積V與污水溫降A。和流程總K=C長(cháng)度L無(wú)關(guān),而隨流道尺寸d的增加而急劇增加。式中h—對流換熱系數(4)三種換熱器阻力對比λ一流體導熱系數;采用布拉修斯公式,再結合前式,可以得到d—當量直徑Atu—流速;△H=C‘da下"Δln—運動(dòng)粘度式中CB—常數,與沿程阻力系數公式中的常P流體的普朗特數;數、指數、CL及污水物性參數等有關(guān)。C1—常數圓管取0023可見(jiàn),換熱器阻力隨污水流速和溫降的增加而m—常數指數,一般小于1圓管取08;急劇增加但基本不隨流道尺寸的增加而變化n—常數指數,一般小于1,圓管取0.3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(d),將會(huì )導致?lián)Q熱器流程總K—換熱器總傳熱系數;長(cháng)度與換熱器體積急劇增加、換熱器面積緩慢增加C2—常數,與C1、m、n及污水物性參數而并沒(méi)有減小換熱器阻力。等有關(guān)。如果增加流道尺寸的同時(shí),為了保持換熱器面對于同一工程采用不同的換熱器方案,以下參積不變,就必須增加流速根據前式可得數要求是相同的換熱量Q或者污水流量v,污水溫降Δ。,平均傳熱溫差△n。不同的主要是結構尺L寸,例如水力直徑d,單流程流通面積A,單流程流va。dg.42=(d通截面周長(cháng)U流程總長(cháng)度L,換熱面積A,換熱器d體積V等,以及性能參數,例如流速u(mài),阻力AH可以看出,在相同換熱面積條件下,增加流道尺(1)三種換熱器流程總長(cháng)度對比寸將導致?lián)Q熱器阻力的顯著(zhù)增加。對換熱器有以下關(guān)系成立殼管式污水換熱器的換熱管直徑一般為Q=pct、=C2ud"·U·Atn20mm,寬流道圓管式換熱器的換熱管直徑一般為A·u,d80mm,寬流道平板式換熱器的板間距一般為30mm,不難得出其水力直徑為60mm可以導得代人污水的物性參數可計算得到:C2=2625L= CLu-mdb-"4, C=ecC1=4000,Cg=4.0(基本國際單位制),取m=0.8針對1MW換熱量的三種換熱器的關(guān)鍵結構參數和可見(jiàn),換熱器的流程總長(cháng)度L與換熱量Q或污水流量沒(méi)有關(guān)系隨流速的增加而緩慢增加;隨流性能對比如表1所示。通過(guò)上述數據對比可以看出,寬流道換熱器的道尺寸d和污水溫降的增加而急劇增加。(2)三種換熱器面積對比流程總長(cháng)度和換熱器體積要比殼管式換熱器大3到從污水中換取Q的熱量,所需的換熱面積為5倍。流速相同的條件下,換熱器阻力相差不大。A,=UL=-Q,d-m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)可見(jiàn)換熱器面積A,與污水溫降Mt.和流程總濟性前提下,建議采用增加換熱面積而非流速的措長(cháng)度L無(wú)關(guān)隨流道尺寸d的增加而緩慢增加。(3)三種換熱器體積對比施來(lái)達到換熱要求。30表1針對IMW換熱量的三種換熱器數據對比條件tr=4℃,An=4℃,相同流速:l=lm/sAH換熱器形式倍數倍數倍數倍數殼管式435.51.04.84766寬流道平板式542.525136.731793,730.95寬流道圓管式574.7193.15.2825.35.2844.520.93條件A=4℃,d。=4℃,相同換熱面積:435.5m2換熱器形式倍數倍數數倍數殼管式47.66寬流道平板式144.63.9514.4寬流道阿管式19.2通過(guò)上述對比分析,不論是從滿(mǎn)足污水換熱器其中:n=05.3的基本要求,還是從換熱器的結構合理性、投資節d2,王要與管徑d有關(guān);省、運行泵耗來(lái)看,殼管式污水換熱器與寬流道式換σ是換熱管內壁當量粗糙度,考慮軟垢的影響一般熱器相比都具有優(yōu)越性?？扇閙m(3)NTU方程3污水換熱器的基本方程污水的對流換熱系數可采用迪圖斯一貝爾特公本文所述污水換熱器的設計方法,主要針對式計算經(jīng)整理得換熱器的NU中介水與污水流量相等”的間接式污水源熱泵系6·L·a2統中的殼管式換熱器。對于大多數污水源熱泵系統式中=0.092e的換熱設計:(1+c)d2"(kP)a3,除物性參數已知條件:污水進(jìn)口溫度l:換熱量Q;換熱管外僅與管徑d有關(guān)?？紤]式(2),MUn也可以寫(xiě)成內直徑d;污水溫降At,。如下形式中間參數:沿程阻力系數f;傳熱系數K;沿程阻n2=6/∥)0△HAH力AH;流速u(mài);平均傳熱溫差Δr-c(4)溫差方程待求目標:(1)污水流量V也即污水出口溫度tn;(2)換熱面積A,即換熱管流程長(cháng)度L和單程根NTU。=At數NAt= t為簡(jiǎn)化計算,本文定義以下系數At1=t。-ta=,+Δ(7)(1)粘度比系數k,即污水當量粘度是同溫條(5)換熱量方程件下清水粘度的倍數36,若清水粘度是y,則污水Q=pcv粘度是k。(6)換熱面積(2)管殼換熱系數比系數,若污水側對流換A=丌dNM熱系數是h,則清水側對流換熱系數為mh,。(3)污垢熱阻放大系數p,即換熱器總熱阻是4污水換熱器的設計方法清污兩側對流總熱阻的倍數進(jìn)行污水換熱器的計算,除了換熱量和污水進(jìn)換熱器計算設計的基本方程如下口溫度的工程條件限制外,還受一些技術(shù)條件的限(1)連續性方程制,以下兩種技術(shù)條件組合是最為常見(jiàn)的(1)4.1技術(shù)條件組合設定中介水的進(jìn)口溫度t;污水流速u(mài)。合適(2)阻力方程沿程阻力系數采用希弗林松公式的沿程阻力MH1。由式(5)式(6)式(7)得計算,經(jīng)整理得沿程阻力為△H1=Ⅱ·L·a2(2)NTU式(10)通過(guò)一個(gè)顯函數確定了污水利用溫差5小結與污水進(jìn)口溫度的一一對應關(guān)系。主要計算步驟如圖4所示。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)政的兩大因素。污水換熱器招標必須將換熱面積和單位面積的價(jià)格作為首要考核指標。換熱面積是真正L的換熱器特征參數,不隨工況而變,容易量測和驗日4技術(shù)條件組合一下的換熱器計算方法收。招標方購買(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”作為4.2技術(shù)條件組合二首要考核參數因為阻力和傳熱系數不是換熱器的設定蒸發(fā)溫度L;蒸發(fā)器的平均傳熱溫差A特性參數,它們主要是由外部工況條件決定的,即由污水流速u(mài);合適的沿程阻力AHe根據式(5)式設計者或運行者決定而非由供應商決定而且阻力(6)得到和換熱系數不便于驗收核實(shí)?！白枇Α焙汀皞鳠嵯?-expi數”只可作為輔助的限制性參數。參考文獻NTU.+1-expl-[]吳榮華劉志斌,黃磊.污水及地表水地源熱泵系統規范化設計研究[門(mén)].暖通空調,2006,36(12):63-69[2]吳學(xué)意孫德興城市原生污水換熱器的能效分析式(11)通過(guò)一個(gè)隱函數確定了污水利用溫差門(mén)].可再生能源200,25(2)與污水進(jìn)口溫度的一一對應關(guān)系。主要計算步驟如[3]吳榮華孫德興張成虎城市污水源熱泵的應用與圖5所示。研究現狀[』]哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,38(8):1326△H[4]張承虎楊海濱劉京城市污水源熱泵系統防堵塞技術(shù)[].地源熱泵2010,5(11):66ENTU[5]徐瑩張承虎孫德興城市污水源熱泵工質(zhì)流變特NTU性研究[J].節能技術(shù),2009,27(3):201-206[6]吳學(xué)慧孫德興楊維好.污水在納米涂層管內的流圖5技術(shù)條件組合二下的換熱器計算方法動(dòng)與換熱特性[]節能技術(shù),2010,28(3):195-198.[7]李鑫孫德興張承虎污水換熱器內污垢生長(cháng)特性實(shí)驗研究[門(mén)]暖通空調,2008,38(2):5-8上接第227頁(yè))3]Dennis D Sourlas, Optimization based decoupling cor196-200.roller design for discrete systems[ J ]. Chemical Engineering Sci-[7]韓璞,王東風(fēng),王國玉,等多模型預測函數控制ence,2001,56:4695-4710其應用研究[門(mén)]控制與決策,2003,18(3):375-37[4]陳烈朱學(xué)莉齊維費RBF遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在供熱解[8]QI Wei-gui, CHEN Lie, ZHU Xue-li. Study on Least耦控制中的應用[J].暖通空調,2010,40(2):128-132square modeling of heat engineering object based on typical sig-5]Zhang Jian, Sun He-xu, Zhang Jiang-tao Application nal response J]. Journal of Harbin Institute of Technology,Adaptive Fuzzy Sliding-mode Controller for Heat Exchanger 2007, 14(1): 1-4.System in District Heating. 2008 Intemational Conference on IT-[9]曾克娥謝慶國付予力,等供熱網(wǎng)時(shí)滯過(guò)程中的telligent Computation Technology and Automation,2008:850-一種自適應模糊控制器設計[J華中理工大學(xué)學(xué)報,200,3(3):lll-113[6]王東風(fēng)韓璞郭啟剛鍋爐過(guò)熱汽溫系統的DRN[10]朱學(xué)莉劉成剛汪幫富等熱力站最小二乘建模網(wǎng)絡(luò )自整定PID控制[冂].中國電機工程學(xué)報2004,24(8):法仿真研究[J系統仿真學(xué)報,200,21(22):7073-706.23