第30卷,總第173期《節(jié)能技術》VoL 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軍' ,馬世君2 ,丁力群,張承虎’(1.沈陽渾南熱力有限責任公司,遼寧沈陽10004;2. 哈爾濱工業(yè)大學,黑龍江哈爾濱150090)摘要:污水換熱器是城市污水源熱泵系統(tǒng)中的關鍵設備。針對污水自身的特點,從工程角度總結了污水換熱器必須滿足的基本要求和特點;介紹并對比分析了幾種常見的污水換熱器形式,指出寬流道式換熱器將帶來阻力增大能耗增加、投資增長,而殼管式換熱器是最科學的污水換熱器形式。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的4種技術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(shù)與流道尺寸的普適關系,以及污水換熱器的設計方法對污水源熱泵工程設計和運行具有指導意義。關鍵詞:污水;接熱器;殼管;寬流道;設計中圖分類號:TQ051.5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 - jun2 ,DIC Li - qun2 ,ZHANG Chen - ghu'2(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 charactenistic which the sewage heat exchanger shouldmeet, introduces and analyses the common structures of the heat exchanger comnparatively. It indicatesthat the shell tube heat exchanger is better than heat exchanger with wide flow channel. Then designmethod 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 sew-age heat exchanger, universal relationship between structure - performance parameters and flow channelsize of heat exchanger, are referencing significance on the project design and operation.Key words: sewage; heat exchanger; shell and tube; wide flow channel; design污水換熱器是污水源熱泵系統(tǒng)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(shù)小或換熱面積不足就會件連接處大幅變形、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,或阻力過大就會增加系統(tǒng)的泵耗;換熱器淤堵后,如果其結構設計沒考慮收稿日期2012 -03 -06修訂稿日期2012-04-23方便的清理維護措施.將會造成運行維護的負基金項目:國家自然科學基金項目(1108115),教育部博士點擔中國煤化工基金項目(20092302120023)TY HC N M H G佔整個熱泵機房作者簡介:段萬軍(1972-),男,學士,高緞工程師,研究方向建造價的I5%左右,不是主要的投資部分,卻起著至筑新能源與供熱系統(tǒng)。關重要的作用2。因此本文建議投資者不必在污水換熱器方面吝嗇節(jié)約，增加20%的換熱面積,也僅僅增加3%的總投資,但它節(jié)省了將來的運行費用。.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(guī)律進行對比分析,并給出常見工程條件組合下污水換熱器的設計方法。圖1殼管式污水換熱 器1污水換熱器的基本要求 與特點由于污水這種工質自身的特殊性:堵塞風險高、粘度大、易結垢、腐蝕性等等,決定了污水換熱器須滿足如下基本要求:(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,焊縫不能過長。不滿足上述六點要求的換熱器不是一個好的污水換熱器。2污水換熱器結構的普 適關系及方案對比圖3寬流道平 板式與圓管式污水換熱器最早用于污水源熱泵系統(tǒng)的換熱器形式是殼管式換熱器,它符合上述關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2.5~3 mm厚的普通無縫碳鋼管,實踐式換熱器,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[4] ,需要科學確定,- -般可取20 mm器,焊縫非常長。平板式換熱器目前呈現(xiàn)的技術缺左右。為了實現(xiàn)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,破裂漏水風險極流程和隔板進行特殊設計。圖1是工程實際應用的高、淤堵嚴重。殼管式換熱器。目前為止,殼管式污水換熱器是最寬流道圓管式換熱器實際上是一種采用大尺寸為成功的污水換熱器。(80 ~ 100 mm)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(shù)非常高,想簡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，但事實證明對板式換熱的。寬流道圓管式換熱器不滿足換熱器緊湊、高效器的簡單改良是根本不可行的。圖2是加大板間距和經濟的要求。的傳統(tǒng)板式換熱器應用于污水換熱的結果。傳統(tǒng)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、寬流道管式左結 構1的主更 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(中國煤化工難題要求污水換術,其基本思路就是加大污水流道的尺寸直至污物熱器YHCNMHGF以流道尺寸是決能夠順利通過,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鍵參數(shù)。- -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。單側流_β體的對流換熱系數(shù)存在如下關系v. =B4.L = 4c:.r.h.=c(("d)" Pr式中β--換熱器體 積與污水側水容積之比,一般可為2.2。污水換熱器的總傳熱系數(shù)可表達為可見,換熱器體積V.與污水溫降At.和流程總K =C2.u".d"-長度L無關,而隨流道尺寸d的增加而急劇增加。式中對流換熱系數(shù);(4)三種換熱器阻力對比流體導熱系數(shù);采用布拉修斯公式,再結合前式,可以得到.當量直徑;AH= Cq.流速運動粘度;式中Cr一 常數(shù), 與沿程阻力系數(shù)公式中的常Pr--流體的普朗特數(shù);數(shù)指數(shù)、Cr及污水物性參數(shù)等有關。C;一常數(shù),圓管取0.023;可見,換熱器阻力隨污水流速和溫降的增加而-常數(shù)指數(shù),一 般小于1,圓管取0.8;急劇增加,但基本不隨流道尺寸的增加而變化。常數(shù)指數(shù),- -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0.4。器內流道的截面尺寸( d,) ,將會導致?lián)Q熱器流程總K一換熱器 總傳熱系數(shù);長度與換熱器體積急劇增加、換熱器面積緩慢增加，Cz-常數(shù),與C, 、m、n及污水物性參數(shù)而并沒有減小換熱器阻力。等有關。如果增加流道尺寸的同時,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(jù)前式，可得數(shù)要求是相同的:換熱量Q或者污水流量V ,污水溫降Ot. ,平均傳熱溫差Atg。不同的主要是結構尺出=(閩”會一圈”寸,例如水力直徑d, ,單流程流通面積Ar,單流程流AH,2-.m通截面周長U,流程總長度L,換熱面積A.,換熱器體積V.等,以及性能參數(shù),例如流速u,阻力AH?？梢钥闯?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度對比寸,將導致?lián)Q熱器阻力的顯著增加。對換熱器有以下關系成立殼管式污水換熱器的換熱管直徑一般為Q =pcVSt. = Cud- . U. Otn20 mm,寬流道圓管式換熱器的換熱管直徑-般為V =Al.u,d=TA80 mm,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(shù)可計算得到:Cz =262.5,L=Cu-d,Cq=CC =4 000 ,Cg =4. 0(基本國際單位制) ,取m=0.8?？梢?換熱器的流程總長度L與換熱量Q或污針對1 MW換熱量的三種換熱器的關鍵結構參數(shù)和水流量V沒有關系,隨流速的增加而緩慢增加;隨流性能對比如表I所示。通過上述數(shù)據(jù)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。流程總長度和換熱器體積要比殼管式換熱器大3到(2)三種換熱器面積對比從污水中換取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。寬流道換熱器在相同流速條件下,比殼管式換熱器A.=UL=所增加的換熱器面積比例,要大大小于相同換熱面C2●OLm可見,換熱器面積A.與污水溫降Ot.和流程總積條件下所增加的流動阻力和泵耗,因此在考慮經百積而非流速的措長度L無關,隨流道尺寸d,的增加而緩慢增加。中國煤化工施來(3)三種換熱器體積對比YHCNMHG●230●表1針對1 MW換熱的三種換熱器數(shù)據(jù)對比條件At. =4C ,Am =4C ,相同流速:u=1 m/s01換熱器形式倍數(shù)m倍霓kPa殼管式435.51.036.64.847.66.0寬流道平板式542.51. 25136. 73.7317. 93.45.11寬詭道圓管式1.31193. 15.2825.344.520.93OI. =4C ,01. =4C ,相同換熱面積:435.5 m2v,m/s..kPa_1.32144. 614.482.571.73寬流道圓管式1.41207.25.6619.295.32 .2.0通過上述對比分析,不論是從滿足污水換熱器其中:I =0.0055.. ,主要與管徑d有關;的基本要求,還是從換熱器的結構合理性、投資節(jié)省運行泵耗來看.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? mm。(3)NTU方程3污水換熱 器的基本方程污水的對流換熱系數(shù)可采用迪圖斯-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,經整理得換熱器的NTU“中介水與污水流量相等”的間接式污水源熱泵系NTU. =日.L.u-02(3)統(tǒng)中的殼管式換熱器。對于大多數(shù)污水源熱泵系統(tǒng)式中θ= 2(1 +e).西" (IP)s ,除物性參數(shù)0. 092e的換熱設計:已知條件:污水進口溫度1 ;換熱量Q;換熱管外僅與管徑d有關。考慮式(2) ,NTU。也可以寫成如下形式內直徑d;污水溫降At.。中間參數(shù):沿程阻力系數(shù)f;傳熱系數(shù)K;沿程阻NTU. =易.第=日(品)以(4)力0H;流速u;平均傳熱溫差Ostgm。待求目標:(1)污水流量V,也即污水出口溫度(4)溫差方程.t.o;(2)換熱面積A,即換熱管流程長度L和單程根NτU.=(5)數(shù)N。Otm =1-t。=t -t。(6)為簡化計算,本文定義以下系數(shù):Ol; =t-_ = SI. + St.m(7)(1)粘度比系數(shù)h .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(shù)3-61) ,若清水粘度是r,則污水Q = pcVOt.(8)粘度是kv。(6)換熱面積(2)管殼換熱系數(shù)比系數(shù)ε,若污水側對流換A=πdNL.(9)熱系數(shù)是h.,則清水側對流換熱系數(shù)為sh。(3)污垢熱阻放大系數(shù)φ ,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(shù)”。進行污水換熱器的計算,除了換熱量和污水進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，還受一些技術條件的限(1)連續(xù)性方程制.以下兩種技術條件組合是最為常見的。u=(1)4.1技術條件組合一虧水流速u。合適(2)阻力方程沿程阻力系數(shù)采用希弗林松公式的沿中國煤化工式(7)得計算,經整理得沿程阻力為YHCNMHG0H, = II.L. u2(2)At. ”i+ NrU-(tm - 1)(10)●231●式(10)通過一個顯函數(shù)確定了污水利用溫差5小結與污水進口溫度的-一- 對應關系。 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,還必須考巴⑥慮性價比。鋼材耗量與加工的難易程度是決定造價的兩大因素。污水換熱器招標必須將換熱面積和單. "「[4。NrU._ (22).尚s置-0“四位面積的價格作為首要考核指標。換熱面積是真正的換熱器特征參數(shù),不隨工況而變,容易量測和驗圈4技術條件組合- -下 的換熱器計算方法收。招標方購買的不是換熱器的換熱量，實際上是買換熱面積。不建議將“阻力”和“傳熱系數(shù)”作為4.2技術條件組合二首要考核參數(shù),因為阻力和傳熱系數(shù)不是換熱器的設定蒸發(fā)溫度1。;蒸發(fā)器的平均傳熱溫差0smm;特性參數(shù),它們主要是由外部工況條件決定的,即由污水流速u;合適的沿程阻力AH。根據(jù)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(shù)不便于驗收核實?！白枇?和“傳熱系1-exp( -山數(shù)"只可作為輔助的限制性參數(shù)。ATOt. =●(-t.)參考文獻NTU_ +1-xp(-二[1]昊榮華,劉志斌，黃磊.污水及地表水地源熱泵系統(tǒng)規(guī)范化設計研究[J].曖通空調,2006 ,36(12):63 -69.(11)[2]吳學慧,孫德興.城市原生污水換熱器的能效分析式(11)通過一個隱函數(shù)確定了污水利用溫差[J].可再生能源,2007 ,25(2):73 -75.與污水進口溫度的- -- -對應關系。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(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學學報, 2006, 38 (8):1326 -(21329.“-①[4]張承虎.楊海濱,劉京.城市污水源熱泵系統(tǒng)防堵塞技術[J].地源熱泵,2010,5(11):66 -69.4nTu, 3s-0”四[5]徐瑩,張承虎，孫德興.城市污水源熱泵工質流變特性研究[J].節(jié)能技術,2009, 27(3):201 -206.[6]昊學慧孫德興，楊維好.污水在納米涂層管內的流圈5技術條件組合二下 的換熱器計算方法動與換熱特性[J].節(jié)能技術,2010,28(3):195 - 198.[7]李鑫,孫德興，張承虎污水換熱器內污垢生長特性實驗研究[J].暖通空調,2008 ,38(2):5-8.. (上接第227頁)[3] Dennis D. Sourlas. 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