城市污水换热器的方案对比与设计

第30卷,总第173期《节能技术》VoL 30 , Sum. No. 1732012年5月,第3期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay. 2012,No. 3城市污水换热器的方案对比与设计段万军' ,马世君2 ,丁力群,张承虎’(1.沈阳浑南热力有限责任公司,辽宁沈阳10004;2. 哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090)摘要:污水换热器是城市污水源热泵系统中的关键设备。针对污水自身的特点,从工程角度总结了污水换热器必须满足的基本要求和特点;介绍并对比分析了几种常见的污水换热器形式,指出宽流道式换热器将带来阻力增大能耗增加、投资增长,而壳管式换热器是最科学的污水换热器形式。给出了污水换热器设计的基本方程组,总结给出了工程设计中常见的4种技术条件组合下污水换热器的设计方法。本文提出的换热器结构、性能参数与流道尺寸的普适关系,以及污水换热器的设计方法对污水源热泵工程设计和运行具有指导意义。关键词:污水;接热器;壳管;宽流道;设计中图分类号:TQ051.5文献标识码:A文章编号: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污水换热器是污水源热泵系统的瓶颈。形同烧电;换热器的承压能力不足,容易造成内部部污水换热器的传热系数小或换热面积不足就会件连接处大幅变形、应力集中、疲劳破坏最终漏水导致热泵主机工况恶化,效率低下,出力不足,甚至混水;换热器防堵塞能力不好,或阻力过大就会增加系统的泵耗;换热器淤堵后,如果其结构设计没考虑收稿日期2012 -03 -06修订稿日期2012-04-23方便的清理维护措施.将会造成运行维护的负基金项目:国家自然科学基金项目(1108115),教育部博士点担中国煤化工基金项目(20092302120023)TY HC N M H G佔整个热泵机房作者简介:段万军(1972-),男,学士,高缎工程师,研究方向建造价的I5%左右,不是主要的投资部分,却起着至筑新能源与供热系统。关重要的作用2。因此本文建议投资者不必在污水换热器方面吝啬节约，增加20%的换热面积,也仅仅增加3%的总投资,但它节省了将来的运行费用。.目前工程应用的换热器主要有壳管式换热器、寬流道平板式换热器、宽流道圆管式换热器[),本文将从污水换热器的基本要求和换热器的普适规律进行对比分析,并给出常见工程条件组合下污水换热器的设计方法。图1壳管式污水换热 器1污水换热器的基本要求 与特点由于污水这种工质自身的特殊性:堵塞风险高、粘度大、易结垢、腐蚀性等等,决定了污水换热器须满足如下基本要求:(1).必须采用稍大的污水流通截面。(2)必须采用平直光滑的流道。(3)必须保证换热形式更加接近纯逆流状态,要求各流程之间不能“窜水"、“短路"。(4)要求换热器结构上有方便开启、安装和清理的各项措施,安全和效率是第一- 位的。图2板式换热器(5)必须具有一定的承压能力。(6)污水换热器应该有一定的抗腐蚀或防腐蚀能力,焊缝不能过长。不满足上述六点要求的换热器不是一个好的污水换热器。2污水换热器结构的普 适关系及方案对比图3宽流道平 板式与圆管式污水换热器最早用于污水源热泵系统的换热器形式是壳管式换热器,它符合上述关于污水换热器的六条基本所谓宽流道换热器有两种形式,其一是宽流道平板要求。采用2.5~3 mm厚的普通无缝碳钢管,实践式换热器,如图3左图所示;另一种是宽流道圆管式证明,在无氧条件下,可以抗腐蚀使用15年左右。换热器,如图3右图所示。壳管式换热器的换热管直径主要与前端防阻机的过宽流道平板式换热器是一种全焊接式板式换热滤尺寸密切相关[4] ,需要科学确定,- -般可取20 mm器,焊缝非常长。平板式换热器目前呈现的技术缺左右。为了实现小温差纯逆流,还必须对换热器的陷主要是传热效果差、承压能力差,破裂漏水风险极流程和隔板进行特殊设计。图1是工程实际应用的高、淤堵严重。壳管式换热器。目前为止,壳管式污水换热器是最宽流道圆管式换热器实际上是一种采用大尺寸为成功的污水换热器。(80 ~ 100 mm)换热管的壳管式换热器。宽流道圆有人认为板式换热器的传热系数非常高,想简管式换热器是为了解决平板式承压能力差而被提出单地套用到污水换热中来，但事实证明对板式换热的。宽流道圆管式换热器不满足换热器紧凑、高效器的简单改良是根本不可行的。图2是加大板间距和经济的要求。的传统板式换热器应用于污水换热的结果。传统板上述可行的三种污水换热器:壳管式、宽流道板式换热器是失败的污水换热器。式、宽流道管式左结 构1的主更 差别可以用流道尺目前市面上还有一种所谓“宽流道换热器”技寸(中国煤化工难题要求污水换术,其基本思路就是加大污水流道的尺寸直至污物热器YHCNMHGF以流道尺寸是决能够顺利通过,这是违背紧凑换热器设计原则的。定污水换热器结构和性能的关键参数。- -般而言，:. 229污水换热器的热阻绝大部分集中在污水侧,污水软污水换热器的体积可表述为垢热阻与对流热阻一样,主要与流速相关。单侧流_β体的对流换热系数存在如下关系v. =B4.L = 4c:.r.h.=c(("d)" Pr式中β--换热器体 积与污水侧水容积之比,一般可为2.2。污水换热器的总传热系数可表达为可见,换热器体积V.与污水温降At.和流程总K =C2.u".d"-长度L无关,而随流道尺寸d的增加而急剧增加。式中对流换热系数;(4)三种换热器阻力对比流体导热系数;采用布拉修斯公式,再结合前式,可以得到.当量直径;AH= Cq.流速运动粘度;式中Cr一 常数, 与沿程阻力系数公式中的常Pr--流体的普朗特数;数指数、Cr及污水物性参数等有关。C;一常数,圆管取0.023;可见,换热器阻力随污水流速和温降的增加而-常数指数,一 般小于1,圆管取0.8;急剧增加,但基本不随流道尺寸的增加而变化。常数指数,- -般小于1,圆管取0.3~综上所述,在相同水温和流速条件下,增加换热0.4。器内流道的截面尺寸( d,) ,将会导致换热器流程总K一换热器 总传热系数;长度与换热器体积急剧增加、换热器面积缓慢增加，Cz-常数,与C, 、m、n及污水物性参数而并没有减小换热器阻力。等有关。如果增加流道尺寸的同时,为了保持换热器面对于同一工程采用不同的换热器方案,以下参积不变,就必须增加流速,根据前式，可得数要求是相同的:换热量Q或者污水流量V ,污水温降Ot. ,平均传热温差Atg。不同的主要是结构尺出=(閩”会一圈”寸,例如水力直径d, ,单流程流通面积Ar,单流程流AH,2-.m通截面周长U,流程总长度L,换热面积A.,换热器体积V.等,以及性能参数,例如流速u,阻力AH。可以看出,在相同换热面积条件下,增加流道尺(1)三种换热器流程总长度对比寸,将导致换热器阻力的显著增加。对换热器有以下关系成立壳管式污水换热器的换热管直径一般为Q =pcVSt. = Cud- . U. Otn20 mm,宽流道圆管式换热器的换热管直径-般为V =Al.u,d=TA80 mm,宽流道平板式换热器的板间距一般为30mm,不难得出其水力直径为60mm。可以导得.代人污水的物性参数可计算得到:Cz =262.5,L=Cu-d,Cq=CC =4 000 ,Cg =4. 0(基本国际单位制) ,取m=0.8。可见,换热器的流程总长度L与换热量Q或污针对1 MW换热量的三种换热器的关键结构参数和水流量V没有关系,随流速的增加而缓慢增加;随流性能对比如表I所示。通过上述数据对比可以看出,宽流道换热器的道尺寸d和污水温降的增加而急剧增加。流程总长度和换热器体积要比壳管式换热器大3到(2)三种换热器面积对比从污水中换取Q的热量,所需的换热面积为5倍。流速相同的条件下,换热器阻力相差不大。寬流道换热器在相同流速条件下,比壳管式换热器A.=UL=所增加的换热器面积比例,要大大小于相同换热面C2●OLm可见,换热器面积A.与污水温降Ot.和流程总积条件下所增加的流动阻力和泵耗,因此在考虑经百积而非流速的措长度L无关,随流道尺寸d,的增加而缓慢增加。中国煤化工施来(3)三种换热器体积对比YHCNMHG●230●表1针对1 MW换热的三种换热器数据对比条件At. =4C ,Am =4C ,相同流速:u=1 m/s01换热器形式倍数m倍霓kPa壳管式435.51.036.64.847.66.0宽流道平板式542.51. 25136. 73.7317. 93.45.11宽诡道圆管式1.31193. 15.2825.344.520.93OI. =4C ,01. =4C ,相同换热面积:435.5 m2v,m/s..kPa_1.32144. 614.482.571.73宽流道圆管式1.41207.25.6619.295.32 .2.0通过上述对比分析,不论是从满足污水换热器其中:I =0.0055.. ,主要与管径d有关;的基本要求,还是从换热器的结构合理性、投资节省运行泵耗来看.壳管式污水换热器与宽流道式换σ是换热管内壁当量粗糙度,考虑软垢的影响一般热器相比都具有优越性。可取为1 mm。(3)NTU方程3污水换热 器的基本方程污水的对流换热系数可采用迪图斯-贝尔特公本文所述污水换热器的设计方法,主要针对式计算,经整理得换热器的NTU“中介水与污水流量相等”的间接式污水源热泵系NTU. =日.L.u-02(3)统中的壳管式换热器。对于大多数污水源热泵系统式中θ= 2(1 +e).西" (IP)s ,除物性参数0. 092e的换热设计:已知条件:污水进口温度1 ;换热量Q;换热管外仅与管径d有关。考虑式(2) ,NTU。也可以写成如下形式内直径d;污水温降At.。中间参数:沿程阻力系数f;传热系数K;沿程阻NTU. =易.第=日(品)以(4)力0H;流速u;平均传热温差Ostgm。待求目标:(1)污水流量V,也即污水出口温度(4)温差方程.t.o;(2)换热面积A,即换热管流程长度L和单程根NτU.=(5)数N。Otm =1-t。=t -t。(6)为简化计算,本文定义以下系数:Ol; =t-_ = SI. + St.m(7)(1)粘度比系数h .即污水当量粘度是同温条(5)换热量方程件下清水粘度的倍数3-61) ,若清水粘度是r,则污水Q = pcVOt.(8)粘度是kv。(6)换热面积(2)管壳换热系数比系数ε,若污水侧对流换A=πdNL.(9)热系数是h.,则清水侧对流换热系数为sh。(3)污垢热阻放大系数φ ,即换热器总热阻是4污水换热器的设计方法清污两侧对流总热阻的倍数”。进行污水换热器的计算,除了换热量和污水进换热器计算设计的基本方程如下:口温度的工程条件限制外，还受一些技术条件的限(1)连续性方程制.以下两种技术条件组合是最为常见的。u=(1)4.1技术条件组合一亏水流速u。合适(2)阻力方程沿程阻力系数采用希弗林松公式的沿中国煤化工式(7)得计算,经整理得沿程阻力为YHCNMHG0H, = II.L. u2(2)At. ”i+ NrU-(tm - 1)(10)●231●式(10)通过一个显函数确定了污水利用温差5小结与污水进口温度的-一- 对应关系。 主要计算步骤如图4所示。选择污水换热器除了换热安全性外,还必须考巴⑥虑性价比。钢材耗量与加工的难易程度是决定造价的两大因素。污水换热器招标必须将换热面积和单. "「[4。NrU._ (22).尚s置-0“四位面积的价格作为首要考核指标。换热面积是真正的换热器特征参数,不随工况而变,容易量测和验圈4技术条件组合- -下 的换热器计算方法收。招标方购买的不是换热器的换热量，实际上是买换热面积。不建议将“阻力”和“传热系数”作为4.2技术条件组合二首要考核参数,因为阻力和传热系数不是换热器的设定蒸发温度1。;蒸发器的平均传热温差0smm;特性参数,它们主要是由外部工况条件决定的,即由污水流速u;合适的沿程阻力AH。根据式(5)、式设计者或运行者决定,而非由供应商决定,而且阻力(6)得到和换热系数不便于验收核实。“阻力"和“传热系1-exp( -山数"只可作为辅助的限制性参数。ATOt. =●(-t.)参考文献NTU_ +1-xp(-二[1]昊荣华,刘志斌，黄磊.污水及地表水地源热泵系统规范化设计研究[J].暧通空调,2006 ,36(12):63 -69.(11)[2]吴学慧,孙德兴.城市原生污水换热器的能效分析式(11)通过一个隐函数确定了污水利用温差[J].可再生能源,2007 ,25(2):73 -75.与污水进口温度的- -- -对应关系。主要计算步骤如[3]吴荣华,孙德兴,张成虎城市污水源热泵的应用与图5所示。研究现状[J].哈尔滨工业大学学报, 2006, 38 (8):1326 -(21329.“-①[4]张承虎.杨海滨,刘京.城市污水源热泵系统防堵塞技术[J].地源热泵,2010,5(11):66 -69.4nTu, 3s-0”四[5]徐莹,张承虎，孙德兴.城市污水源热泵工质流变特性研究[J].节能技术,2009, 27(3):201 -206.[6]昊学慧孙德兴，杨维好.污水在纳米涂层管内的流圈5技术条件组合二下 的换热器计算方法动与换热特性[J].节能技术,2010,28(3):195 - 198.[7]李鑫,孙德兴，张承虎污水换热器内污垢生长特性实验研究[J].暖通空调,2008 ,38(2):5-8.. (上接第227页)[3] Dennis D. Sourlas. Optimization based decoupling con-196 - 200.toller design for discele systems[J]. 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