PTFE管在生活污水中的換熱特性研究

廣州化工2010年38卷第4期PTFE管在生活污水中的換熱特性研究李成龍,王成端,蔡世濤(西南科技大學(xué)，四川綿陽(yáng) 621000)摘要:研究 了浸泡在生活污水中的PTFE管和鋁塑管的污垢生長(cháng)特性和換熱性能。根據污垢熱阻變化曲線(xiàn)總結出污垢在塑料換熱器上生長(cháng)特性,污垢的生長(cháng)過(guò)程可分為三個(gè)階段:生長(cháng)階段,過(guò)渡階段和振蕩階段。通過(guò)分析和比較PTFE管和鋁塑管的污垢熱阻和換熱系數,說(shuō)明了PTFE管在抑制污垢生長(cháng)和傳熱性能都優(yōu)于鋁塑管,PTFE材質(zhì)更適合于污水熱能回收系統中。關(guān)鍵詞:PTFE管;鋁塑管;生活污水;污垢生長(cháng);換熱特性Study on the Heat Transfer Characteristics of PTFE Pipe in Sewage WaterLI Cheng - long, WANG Cheng -duan, CAI Shi - tao( Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621000，China)Abstract: The growth properties and heat transfer performance of PTFE pipe and plastical - pipe immersed in domes-tic sewage were studied. According to the fouling heat resistance curve, the growth characteristics of fouling were summa-rized on the surface of plastic heat exchanger, which can be divided into three stages: the growth stage, the transitionalstage and vibration stage. Through the analysis and comparison of the fouling resistances and heat transfer coefficient ofPTFE tube and plastical- pipe, it illustrated that PTFE pipe in inhibiting dirt growth and heat transfer performance wasbetter than plastical - pipe, and PTFE material was more suitable for sewage heat recovery system.Key words: PTFE tube; plastical - pipe; sewage water; the process of fouling growth; heat transfer characteristics污水源熱泵系統的關(guān)鍵技術(shù)就是污水中熱能的提取技術(shù)，1塑料換熱器 的研究現狀提取熱能的主要設備就是污水熱交換器。城市污水水質(zhì)非常惡劣,生活污水中含有大量污雜物及溶解性化合物,是一-種固液兩為解決換熱器的腐蝕和結垢問(wèn)題，許多學(xué)者探討了塑料換相,固相多組份流體,并呈現非牛頓特性。生活污水中污物的含熱器在污水中可行性和可能性6]。塑料換熱器已經(jīng)在土壤源熱量高達1%以上,包括大小尺度懸浮固體、膠體、溶解性化合物以泵系統、工業(yè)化工和海水淡化工藝上廣泛應用,而在污水源熱泵及微生物。生活污水中的雜質(zhì)對常規金屬換熱器有嚴重的阻系統中還處于探討和試驗階段。白莉等人[”研究了鋁塑管在換塞、腐蝕和結垢作用。污水水質(zhì)的特殊性對換熱器的材質(zhì)也有水中的換熱性能。在試驗期熱泵系統運行穩定，換熱系數高,具特殊的要求。金屬換熱器材質(zhì)主要有銅、銅鎳合金和抗腐蝕的有良好的節能性和經(jīng)濟性。宮曄['] 測試蛇形布置的浸泡式蛇形鈦金屬等金屬換熱器[1-3)。日本是污水源熱泵系統應用最多的PE管在污水中夏季變工況的性能參數,換熱效果能滿(mǎn)足復雜工國家之- - ,對污水換熱器的腐蝕特性和防腐材料的研究,取得了況要求。中國石化齊魯有限公司供排水廠(chǎng)廠(chǎng)內供暖節能改造工很大的進(jìn)步。對銅、銅鎳合金和鈦三種材質(zhì)分別作污水浸泡實(shí)程,熱源采用工業(yè)廢水作為熱泵系統的熱源,換熱器采用PEX盤(pán)驗,以保留原有管壁厚度的1/3作為使用壽命,銅鎳和靜可使用管 ,系統運行穩定,節能效益明顯,每年節約運行費用68萬(wàn)3年,銅可以使用1年,鈦金屬無(wú)任何的腐蝕4。在國內,吳榮華元9。等人5對碳鋼進(jìn)行浸泡實(shí)驗,實(shí)驗采用7mm厚的普通碳鋼在污氟塑料換熱器已經(jīng)廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)和海水淡化[0]中。水流動(dòng)條件下浸泡兩年,有氧腐蝕達3. 5mm,密閉無(wú)氧腐蝕僅有歐陽(yáng)錄春等[11 探討了聚四氟乙烯塑料換熱器在溴化鋰吸收式制0.8mm,污水微觀(guān)的化學(xué)特性表現出很強的有氧腐蝕性。銅、銅冷機中的中國煤化工藝,投資和運運行成本上鎳合金等常用金屬材質(zhì)換熱器需13個(gè)運行周期就得更換,運行較金屬換YH乙烯(PTFE)材料屬于化學(xué)成本大大增加。鈦金屬在生活污水中無(wú)腐蝕,價(jià)格昂貴,制造工惰性材料C N.M H G與熔確的堿金屬和強的氨藝復雜。高昂的初投資和運行成本大大超出了國內用戶(hù)的承受化介質(zhì)及高溫的氫氧化鈉反應外,幾乎能在任何介質(zhì)中工作。能力,完全體現不出污水源熱泵系統的節能優(yōu)勢,污水源熱泵系因此,采用以氟塑料為主要材料制成的氟塑料換熱器也具有良統的應用和推廣受到嚴重的阻礙。好的化學(xué)穩定性和優(yōu)異的耐腐蝕性能。材料本身表面張力低而作者簡(jiǎn)介:李成龍(1985 -),男,西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院在讀研究生。E - mail :long 316@ 163. com2010年38卷第4期廣州化工●105.不易黏附、質(zhì)地柔軟、熱膨脹系數較大很低的摩擦系數而有自2.2實(shí)驗 系統設計浦嫩果。氟塑料換熱器體積小結構十分緊湊。其單位體積的換實(shí)驗原理圖見(jiàn)圖1。規面積大于金屬及其它非金屬換熱器的換熱面積,相同換熱面稠的氟塑料換熱器重量遠輕于金屬及其它非金屬換熱器的重量。污水源熱泵系統的腐蝕性和工作溫度較工業(yè)化工行業(yè)大大降低,從而使得PTFE塑料換熱器在生活污水中熱能交換中更為可靠。2研究方法及實(shí)驗系統9L1022.1研究方法根據傳熱方程和能量守恒原理,換熱管的傳熱系數計算公圖1實(shí)驗系統原理圖式如下:1-風(fēng)機盤(pán)管;2-熱電偶溫度計;3- 數字螺旋流量計;4- 循環(huán)水泵;K=_e(1)5-污水泵;6- 蒸發(fā)器;7- 空調壓縮機;8- 冷凝器;9- -PTFE 管換熱槽;A A.Otm .10-鋁塑管換熱槽;11- 生活污水坑式中:Q換熱器總傳熱量,WA.-換熱器潔凈側換熱面積,m2系統采用兩組污水換熱管,一組是PTFE管,另一組是鋁塑Qt.-換熱對數平均溫差,C .復合管,兩組換熱管同程式并聯(lián)布置。換熱管道長(cháng)度都為50Otm的計算公式為:米,壁厚為0. 8mm ,管外徑為16mm。兩組污水換熱管都采用浸Otm =(t'.-",)-("。-*')(2)泡式換熱工藝,分別螺旋狀浸泡在污水換熱槽中。實(shí)驗用污水來(lái)自西南科技學(xué)校內,校內生活污水是未經(jīng)化糞池初級沉淀處理而直接排人校內污水處理廠(chǎng)的污水調節池中。為避免造成輸式中:t'。一-中介水進(jìn)口溫度 ,C送設備和管道堵塞,原生污水經(jīng)粗格柵去除大尺寸污物后進(jìn)入t".一中介水出口溫度,C換熱槽。污水進(jìn)水水溫,實(shí)驗系統真實(shí)模擬了辦公室空調制冷系統運行工況。整個(gè)t"p--污水出水水溫,C實(shí)驗從6月4日開(kāi)始,7月26日結束。每天運行時(shí)間從早上8:30-總傳熱量由熱平衡方程如下:12:00,下午1:305 :30,為保證實(shí)驗數據的可靠穩定，實(shí)驗檢測數Q = CM(t".-t'_)(3)據從早上的9:00,下午14:00 開(kāi)始記錄,每20min監測實(shí)驗數式中:M一-中介水質(zhì)量流量,kg/s據。其余時(shí)間系統停滯,換熱管處于污水浸泡狀態(tài)。C- - -水的定壓比熱容,kJ/kg. K .3結果分析上面(1) (2) (3)式得:CM(".-t'_)3.1污水水溫特征曲線(xiàn)K=-(t.-")-("。-2(4)生活污水之所以能成為理想的低溫冷熱源,在于生活污水水溫特性-冬暖夏涼。經(jīng)長(cháng)期對綿陽(yáng)地區生活污水水溫的觀(guān)通過(guò)對換熱管傳熱系數的實(shí)時(shí)監測，計算出結垢影響下的測,冬季水溫16C ~ 19C ,夏季溫水20C ~24C。.換熱熱阻,與換熱管潔凈時(shí)的傳熱熱阻的差值,就得出污垢熱阻,這就是污垢熱阻法[8] ,計算公式如下:R=六一K。(5)色32臺30式中:Kz一換熱器結垢后的傳熱系數,W/m2 ●KKc一換熱 器潔凈時(shí)的傳熱系數，W/m2.KR-污垢的熱阻,m2 ●K/W從(4)可知,污染后的換熱傳熱系數由潔凈流體的流量,換熱器潔凈側表面積,潔凈側流體進(jìn)出口溫度和污水側流體進(jìn)出時(shí)刻口溫度決定。中國煤化工變化曲線(xiàn)圖污垢熱阻的計算公式中規避了污垢側污水流量的測量,提高了實(shí)驗數據的準確性和可靠性。生活污水復雜的的水質(zhì)成分YHC N M H G生活污水溫/心C和輸送管道中呈非牛頓流體特性,對生活污水在管道中輸送過(guò)圖2為系統運行時(shí)生活污水和室外干球溫度的溫度變化曲程的實(shí)時(shí)流量的測定相當復雜,受水質(zhì),運行工況等因素呈隨機線(xiàn)圖,生活污水水溫穩定， 平均溫差為小于2c,最大溫差為性的F擾,并且對測量設備有特殊要求。這些因素使得污水換3.5C ,最高溫度為24. 2C。室外空氣干球溫度最低溫度為熱流量的測量費用昂貴,測定值可信度低。25. 4C ,最高溫度為34.79C ,變化幅度較大，最大溫差達9. 3C?！?06廣州化工2010年38卷第4期生活污水優(yōu)良的溫度特性保證了空調系統中介冷卻較大換熱溫1. 5倍。相對應的鋁塑管的傳熱系數急刷跌落,而PTFE管的傳割且換熱穩定,負荷調節能力強。熱系數平緩下降。32塑料器換熱性能分析鋁塑管是由交聯(lián)聚乙烯材料、聚丙烯材料和鋁材三種楊氏鋪根據PTFE管污垢熱阻變化曲線(xiàn)(圖3)和鋁塑管污垢熱阻模量相差很大的材料組成的多層管， 而PTFE管全由聚四氟乙烯曲線(xiàn)(圖4)的特征,污垢在塑料換熱器表面的生長(cháng)可分為三個(gè)材質(zhì)組成。塑料材質(zhì)之間的導熱系數相差不大,而鋁材的導熱過(guò)程:生長(cháng)階段,過(guò)渡階段,振蕩階段。不穩定生長(cháng)階段時(shí)間測系數是塑料的102104級。由于鋁塑管中鋁層較薄,大約點(diǎn)從1240,大約為系統運行的前11天,過(guò)渡階段從241300,大約0. 5mm,鋁塑管的傳熱性能稍稍?xún)?yōu)于PTFE管,最大差異約40W/為系統運用的第12天至第15天,然后進(jìn)入污垢生長(cháng)的振蕩階m2 . C。但是在系統運行的第-天，具有特殊管道構造的鋁塑段。管開(kāi)始并沒(méi)有表現出應該比PTFE管更大的傳熱系數,而是在系統運行45h后,鋁塑管的換熱優(yōu)勢才有所體現,見(jiàn)圖7。說(shuō)明換熱管一浸泡在污水中就受到污染,這與污水懸浮物在換熱管表0.007面附著(zhù)現象相- -致,且鋁塑管受污較PTFE管更嚴重。: 0.0060.00530? 0.004是003冒250緊0.002色2000.0011 50 99 148 197246295 344 393442 491 540 589638 687器150時(shí)間測點(diǎn)虹100圖3 PTFE管污垢熱阻變化曲線(xiàn)50..一”5099 148197 246 295344 303 442491 540 589638 6870.008圖6鋁塑管換熱系數變化曲線(xiàn)圖巨0.006: 0.005只0.004240恩0.003220菜0.002200實(shí)0.001豁180路160”150 99 148197246295 344393442 491540589 638687革140節120團4鋁塑管污垢熱阻變化曲線(xiàn)10080污垢的生長(cháng)直接影響著(zhù)換熱管的換熱系數,污垢熱阻由換熱系數所求得,因此換熱系數的變化特征與污垢階段性變化相圖7第1天傳熱系數變化曲線(xiàn)圖致,見(jiàn)圖5和圖6。+鋁塑管換熱系數KI( Wm2-K) +PTE管換熱系數 K2( Wm2-K)隨著(zhù)系統運行時(shí)間的延長(cháng),換熱管逐漸被污物包裹,換熱管首 250道上的潔凈斑點(diǎn)斑點(diǎn)逐漸減少,厚度不斷增加。鋁塑管污垢厚|目度明顯大于PTFE管,鋁塑管的污垢熱阻快速增長(cháng),大約是PTFE之200管的1.5倍。急劇跌落的鋁塑管傳熱系數在測點(diǎn)120(第5天).|嘴150左右與PTFE管的換熱系數曲線(xiàn)相交,之后PTFE管的傳熱性能和100優(yōu)于鋁塑管。3.2.2過(guò)渡階段50 99 148 197 246 295344 393 442491 540 589 638 687中國煤化工已經(jīng)完全被-一層的致密的粘狀物MHC N M H G附著(zhù)在這層粘狀物外,污圖5 PTFE 管換熱系數變化曲線(xiàn)圖垢的生長(cháng)進(jìn)入了污物在粘狀物表面的生長(cháng)過(guò)程。粘狀物與污水中的絮狀物的粘附作用比管道外壁與污染物的附著(zhù)作用明顯更3.2.1污垢生長(cháng)階段加強,但脫落現象較生長(cháng)階段更頻繁。污垢生長(cháng)的過(guò)渡階段是從污垢熱阻變化曲線(xiàn)和傳熱系數變化曲線(xiàn)可知,污垢熱阻附著(zhù)污垢在換熱管表面的不斷沉積的過(guò)程。污垢密度變得致生長(cháng)的總趨勢是:鋁塑管的速率較PTFE管的大,是PTFE管的密,厚度變薄, PTFE管和鋁塑管污垢熱阻明顯降低,傳熱系數有2010年38卷第4期廣州化工●107●所回升。管更適合污水熱能回收系統。外污垢附著(zhù)在換熱管表面就伴隨著(zhù)污垢沉積,污垢的沉積作國穿于正個(gè)生長(cháng)過(guò)程,但在過(guò)渡階段,污垢沉積現象尤為突參考文獻嘴經(jīng)歷的時(shí)間較短,只有23天。[1]崔福義,李曉明 ,周紅.污水資源及其在熱泵系統中的應用[J].低3.2.3振蕩階段溫建筑技術(shù),2005 ,103(1) :96 -97.隨著(zhù)污物厚度不斷增加,污垢的生長(cháng)速率隨著(zhù)污垢厚度的2]尹軍,陳雷， 王鶴立城市污水的資源再生及熱泵回收利用[M].北增加不斷減弱(4]。塑料換熱器在生活污水中的污垢生長(cháng)特性與京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.金屬換熱器的污垢生長(cháng)特性(15,16.有很大差異。PTFE管和鋁塑3] 尹軍,韋新東.日本城市污水熱泵利用系統運行狀況分析[J].吉林建筑工程學(xué)報,1999,(4) :31 -38.管的污垢熱阻曲線(xiàn)圍繞某- -定值 呈無(wú)規則振蕩。根據污垢熱阻4] 吳榮華，張承虎，孫德興.城市污水冷熱源應用技術(shù)發(fā)展狀況研究曲線(xiàn)和實(shí)驗現象分析可知:換熱器外表面的污垢由兩層污物組[J].暖通空調,2005 ,35(6) :31 -37.成,一層為沉積作用形成的污垢致密層,沉積厚度達到穩定;另5] 吳榮華,孫德興，驢興城市污水冷熱源水參數特性與應用方法一層為懸浮物和絮狀物的附著(zhù)形成的污垢松軟層。污垢表面的[J].可再生資源,2005 ,123:39 -43.松軟附著(zhù)層熱阻是致密層熱阻的1.52倍。PTFE 管的致密層平6]陳志峰, 閆澤生.塑料換熱器在污水源熱泵系統中的應用分析[J].均污垢熱阻為1.5x10-3 m2●C/W ,附著(zhù)層最大平均熱阻約為哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006, 22(3):55 -57.2.0x10~ 3m2●C/W ;鋁塑管致密層平均污垢熱阻為2.5x10-3 [7] 白莉,尹軍， 廖資生.基于鋁塑管改進(jìn)的城市污水熱能供熱系統m2●C/W,附著(zhù)層最大平均熱阻約為3.0x10-'m2. C/W。換[J].吉林大學(xué)學(xué)報2006 ,36(2) :269 -273.熱管表面附著(zhù)層污垢占總熱阻55%60%。鋁塑管的污垢平均總[8] 宮嘩,曲云霞,金 振家沉浸式污水源熱泵系統夏季變工況性能試熱阻是PTFE管的1.52倍,污垢在鋁塑管表面的生長(cháng)更為嚴重。驗研究可再生資源,2008 ,26(2) :100 - 106.PTFE管的平均傳熱系數為160 W/m2● C ,鋁塑管的平均傳熱[9]曲云霞， 楊男,李?lèi)?ài)景.污水源熱泵供熱的工程應用及分析[J].可再生能源,2007 ,25(2) :103 - 105.系數為130 W/m2 . C ,PTFE管的換熱性能優(yōu)于鋁塑管。10] 王立國，王世昌,朱愛(ài)梅, 熊日華,丁濤.塑料換熱器在海水淡化中4結論的應用[J].化學(xué)進(jìn)展,2004 ,23(12) :1359 - 1361.(1)塑料換熱器污垢的生長(cháng)過(guò)程經(jīng)過(guò)三個(gè)階段:生長(cháng)階段,[11]歐陽(yáng)錄春, 謝雪梅,俞衛剛,等塑料換熱器在溴化俚吸收式制冷機中的應用[J].暖通空調,2005 ,35(3) :65 -68.過(guò)渡階段和振蕩階段。污垢生長(cháng)的前兩個(gè)階段時(shí)間很短，很快12] Sonmriava C,Hogg H,allister K. Desalination, 2003 ,158:17 -21.達到污垢生長(cháng)的穩定階段。[13]楊善讓,徐志明,孫靈芳.換熱設備污垢與對策[ M].北京:科學(xué)出(2)塑料換熱器表面污垢熱阻由穩定沉積污垢熱阻和不穩版社,2004 :427.定的附著(zhù)懸浮物熱阻兩部分組成。在振蕩階段,不穩定附著(zhù)懸[14] Bryers J D,Characklis W G. Kinetics of Initial Bioflm Formatin within浮物熱阻占總熱阻的55%60%,決定著(zhù)換熱器換熱系數波動(dòng)幅a Turbulent Flow System . New York: Rensselaer Polytechnic Institute,度。1979.(3)鋁塑管污垢生長(cháng)迅速且嚴重，污垢熱阻是PTFE管的2[15]崔福義,李曉明,周紅.污水換熱器污垢熱阻特性研究[J].煤氣與倍。熱力2005, 25(6):9-11.(4)受到污垢的影響,鋁塑管換熱系數下降迅速,從污垢生16] 李鑫,孫德興，張承虎，等.污水換熱器內污垢生長(cháng)特性實(shí)驗研究[J].暖通空調,2008 ,38(2):5 -8.長(cháng)初期就低于PTFE管。(5)PTFE管在抑制污垢生長(cháng)和換熱性能都優(yōu)于鋁塑管,PTFE(上接第70頁(yè))膠工業(yè),1996 ,43(6) :339 -344.3] 張紹文.2,2,4-三甲基-1,2-二氫化喹啉聚合體的-一步- -釜法[1]杜黨舉, 王棲鵬，吉愛(ài)順.防老劑RD新工藝研究[J].山西化工，合成工藝[P]. CN1046535. 1990 - 10 -31.1994(1):2-5. .4] 張志俊，許思俊.二氫喹啉類(lèi)橡膠防老劑的工藝[ P]. CN86100665.[2]李育佳,丁 龍福,張志炳.橡膠防老劑RD性能改進(jìn)的研究[J].橡中國煤化工TYHCNM HG