污水源熱泵系統的設計計算

第25卷第2期煤氣與熱力Vol. 25 No.22005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)商要: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-ying( School of Municipal & Enironmental Engineering ，Haerbin Institute of Technology , Haerbin150090, China)Abstract: 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 C,機5124x10*t。哈爾濱某制藥廠(chǎng)排放的廢水主要由組設計制熱量260 kW。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 C,供回水溫差2 ~3 C ,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230 kW。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,在夏用戶(hù)系統季時(shí)排放量較多。污水全部進(jìn)人污水處理系統,經(jīng)13、二級處理后污水水質(zhì)符合CGB 8978- 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 C ,冬季維持在13~17C,日污冬季工質(zhì)循環(huán)流向一水排放量為2 745 ~4 770 m'/d。將城市污水處理夏季工質(zhì)循環(huán)流向一系統與水源熱泵機組相結合,是--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.執力膨脹閥7.I止 同閥8.板式換熱器9.污水泵中國煤化工不水泵13.調峰鍋爐設備選型進(jìn)行研究。1系 統的設計和設備選型YHCNMHG統污水源熱泵為廠(chǎng)區中4 000 m2的住宅建筑冬Fig. 1 Sewage source heat pump system●39●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/m2 42. 0Tab. 1 Design parameters of sewage source heat/C淋激密度pump system in winter500換熱管材料.紫銅/(kg.h-'.m~)冷凝溫度/C50蒸發(fā)溫度/C6③板式換熱器的設計計算過(guò)冷度/C過(guò)熱度/C1吸氣溫度/C6蒸發(fā)器出口溫度/C 1I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/C| 45設計參數見(jiàn)表4。注:過(guò)熱度中其中有5C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 exchanger①壓縮機的選型介質(zhì)_R22水狀態(tài)_氣態(tài)液態(tài)按供熱工況下的制熱量和表1的設計參數,求進(jìn)口溫度/C40得壓縮機的實(shí)際排氣量為192.8 m'/h,考慮其用于出口溫度/C4: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"I)1.3612.45容積效率為0.8,則壓縮機的理論排氣量為253. 1最大允許壓力降/kPa42m'/h?？蛇x擇螺桿式壓縮機,使用工質(zhì)為R22 ,理論5(-排氣量264m'/h,空調工況蒸發(fā)、冷凝溫度為5/40換熱量/kW260C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2960s"'。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0.52 m2 ,單通道截面積0.0015 m2 ,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0.007 m,流程長(cháng)度1 m, 板寬度0.75 m。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a.設計參數5由冬季制熱循環(huán)計算可知,冷凝壓力p. =212. 1 942.3 kPa(冷凝溫度為50 C),蒸發(fā)壓力p。=工質(zhì)質(zhì)量流量/(kg.s")602. 28 kPa(蒸發(fā)溫度為6 C)。經(jīng)相應計算,制冷污水溫降/C2量為212 kW。噴淋污水質(zhì)量流量/(kg.h")90 600b.熱力膨脹閥兩端壓力差Op表3淋激式換熱器設計計算結果Op=p。-p。-Sp, -Op。- Spn(1)Tab.3 Design calculation result of sprinkling heat exchanger式中Ap一 熱力膨脹閥兩端壓力差 ,kPa換熱管列數[3(換熱管排數9P.--冷凝壓力, kPa換熱管內徑/m__ 0. 014換熱管外徑/m0.016」蒸發(fā)壓力, kPa換熱管水平有效長(cháng)度3.0每根換熱管總長(cháng)度27.9Ap.-供液 管中的壓力降,約為183 kPa!3]/m兩相區長(cháng)度/m26.4.過(guò)熱區長(cháng)度/m1.5Aps一分液器和分液管中的壓力降,約為兩相區傳熱溫差/C 5.78 過(guò)熱區傳熱溫差/C| 3. 94.100 kPa兩相區管內表面過(guò)熱區管內表面Opn-冷凝器或貯液器出液口至膨脹閥人傳熱系數2 847勹,取50kPa/(W.m2.K-')/(W .m2.K*1)中國煤化工|污水側表面傳熱系數|6 835換熱器傳熱系數884. CN M ! G量流量qm./(W.m-2.K-1)/(W .m-2.K-十)qm. =153 460CA, Op(2)●40.第2期姚楊,等:污水源熱泵系統的設計計算第25卷式中qm,- - - -工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s水槽C-- -流量系數大入入不個(gè)不入0.07mA,-膨脹閥的通道 面積,m20.07支架d.熱力膨脹閥選型選擇某廠(chǎng)生產(chǎn)的外平衡式熱力膨脹閥[41 ,適用于工質(zhì)R22,名義制冷能力(基于蒸發(fā)溫度為4.4C,工質(zhì)進(jìn)口溫度為38 C)為351.6 kW,Ap=1 x103 kPa,A =0.013 m2。⑤淋激式換熱器的校核計算0i3m.0.035 m淋激式換熱器按夏季作為冷凝器進(jìn)行校核計a.淋激式換熱器主視圖算,校核計算參數見(jiàn)表5,校核計算結果見(jiàn)表6。(虛線(xiàn)為支架)表5淋激式換熱器校核計算參數3.5 mTab.5 Check calculation parameters of sprinklingheat exchangerY0.07m !下冷凝溫度/C工質(zhì)質(zhì)量流量1.3/(kg.s~)換熱量/kW，64污水溫升/C2.5過(guò)冷度/C5噴淋污水質(zhì)量流量| 90 600/(kg.h-")O:表6 淋激式換熱器校核計算結果Tab.6 Check calculation result of sprinking heat exchanger換熱管列數30換熱管排數1換熱管內徑/m[ 0.014 換熱管外徑/m| 0. 016換熱管水平有效長(cháng)度3.0 .每根換熱管總長(cháng)度37.2/m兩相區長(cháng)度/m32.2兩相區傳熱溫差/C| 6. 64b.淋激式換熱器俯視圖過(guò)冷區長(cháng)度/m3.6過(guò)冷區傳熱溫差 /C | 2. 10過(guò)熱區長(cháng)度/m1.4過(guò)熱區傳熱溫差/C 15.94圖2淋激式換熱器結構及尺寸兩相區管內表面過(guò)熱區管內表面Fig.2 Structure and size of sprinkling heat exchanger傳熱系數.1941406/(W●.m-2●K門(mén))/(W .m-2●K"')⑥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4876835核計算,得到換熱器的板片為57片。取冬季作為冷/(W .m~2.K"I)/(W .m-2●K-')凝器的設計結果69片。換熱器總傳熱溫差換熱器傳熱系數6.58715⑦噴淋裝置/C/(W.m-2.K~")理想的換熱狀態(tài)是污水從水槽噴淋裝置的小孔淋激密度500換熱器換熱面積56.1淋激到蛇形換熱管上,形成均勻的水膜。如果忽略/(kg.h-' .m小)/m2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0= J2gH(3)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。 一污水的出流凍度m/s求。因此取兩個(gè)計算結果中較大值為設計結構參中國煤化工數,淋激式換熱器結構及尺寸見(jiàn)圖2(未嚴格按比例MHCNMHG繪制)。對于從1個(gè)小孔流出的污水的體積流量qv,可●41●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 =μAD(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qr--污水體積流量, m'/s計算,取計算結果中最大值作為結構設計參數。-流量系數,取0.60 ~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μ遠遠小于0.60~0.62,初探[J].中國給水排水,200 ,17(4):27 -30.現取流量系數μ=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= 10 m,則污水的體積流量qv=2.8A。[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8.4x10-4 m'/s。從而4] 蔣能照.空調用熱泵技術(shù)及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1997.計算得到每列的小孔總截面積為3x10-4 m2 ,取噴[s] 幡野佐一.換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,水孔徑為0.003 m,可計算得孔數為43個(gè),取孔數1987.為50個(gè)。取單根噴淋管管長(cháng)3. 5 m,則噴水孔間距為70 mm。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1 500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70 mm。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 - mail:yangyao - 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:2004-11-19●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-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3.8,被引半衰期3. 98,來(lái)源文獻量230,參考文獻量1 368 ,平均引文率5.95 ,平均作者數2.77 ,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1 576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。中國煤化工刊通訊員供稿)MYHCNMHG●42●