第30卷,總第173期《節(jié)能技術(shù)》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(duì)比與設(shè)計(jì)段萬(wàn)軍' ,馬世君2 ,丁力群,張承虎’(1.沈陽(yáng)渾南熱力有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng)10004;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(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)污水自身的特點(diǎn),從工程角度總結(jié)了污水換熱器必須滿足的基本要求和特點(diǎn);介紹并對(duì)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(zhǎng),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(shè)計(jì)的基本方程組,總結(jié)給出了工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的4種技術(shù)條件組合下污水換熱器的設(shè)計(jì)方法。本文提出的換熱器結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)與流道尺寸的普適關(guān)系,以及污水換熱器的設(shè)計(jì)方法對(duì)污水源熱泵工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:污水;接熱器;殼管;寬流道;設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TQ051.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(nèi)部部污水換熱器的傳熱系數(shù)小或換熱面積不足就會(huì)件連接處大幅變形、應(yīng)力集中、疲勞破壞最終漏水導(dǎo)致熱泵主機(jī)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(tǒng)的泵耗;換熱器淤堵后,如果其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hù)措施.將會(huì)造成運(yùn)行維護(hù)的負(fù)基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1108115),教育部博士點(diǎn)擔(dān)中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目(20092302120023)TY HC N M H G佔(zhàn)整個(gè)熱泵機(jī)房作者簡(jiǎn)介:段萬(wàn)軍(1972-),男,學(xué)士,高緞工程師,研究方向建造價(jià)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(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(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(lái)的運(yùn)行費(fèi)用。.目前工程應(yīng)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(jìn)行對(duì)比分析,并給出常見(jiàn)工程條件組合下污水換熱器的設(shè)計(jì)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(diǎn)由于污水這種工質(zhì)自身的特殊性:堵塞風(fēng)險(xiǎn)高、粘度大、易結(jié)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(jié)構(gòu)上有方便開(kāi)啟、安裝和清理的各項(xiàng)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(yīng)該有一定的抗腐蝕或防腐蝕能力,焊縫不能過(guò)長(zhǎng)。不滿足上述六點(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(jié)構(gòu)的普 適關(guān)系及方案對(duì)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(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2.5~3 mm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(jī)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)[4] ,需要科學(xué)確定,- -般可取20 mm器,焊縫非常長(zhǎng)。平板式換熱器目前呈現(xiàn)的技術(shù)缺左右。為了實(shí)現(xiàn)小溫差純逆流,還必須對(duì)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(xiǎn)極流程和隔板進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。圖1是工程實(shí)際應(yīng)用的高、淤堵嚴(yán)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(shí)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(rèn)為板式換熱器的傳熱系數(shù)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(duì)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(jiǎn)單改良是根本不可行的。圖2是加大板間距和經(jīng)濟(jì)的要求。的傳統(tǒng)板式換熱器應(yīng)用于污水換熱的結(jié)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(jié) 構(gòu)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(guó)煤化工難題要求污水換術(shù),其基本思路就是加大污水流道的尺寸直至污物熱器YHCNMHGF以流道尺寸是決能夠順利通過(guò),這是違背緊湊換熱器設(shè)計(jì)原則的。定污水換熱器結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)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(cè),污水軟污水換熱器的體積可表述為垢熱阻與對(duì)流熱阻一樣,主要與流速相關(guān)。單側(cè)流_β體的對(duì)流換熱系數(shù)存在如下關(guān)系v. =B4.L = 4c:.r.h.=c(("d)" Pr式中β--換熱器體 積與污水側(cè)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(dá)為可見(jiàn),換熱器體積V.與污水溫降A(chǔ)t.和流程總K =C2.u".d"-長(zhǎng)度L無(wú)關(guān),而隨流道尺寸d的增加而急劇增加。式中對(duì)流換熱系數(shù);(4)三種換熱器阻力對(duì)比流體導(dǎo)熱系數(shù);采用布拉修斯公式,再結(jié)合前式,可以得到.當(dāng)量直徑;AH= Cq.流速運(yùn)動(dòng)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?cái)?shù);數(shù)指數(shù)、Cr及污水物性參數(shù)等有關(guān)。C;一常數(shù),圓管取0.023;可見(jiàn),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(nèi)流道的截面尺寸( d,) ,將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器流程總K一換熱器 總傳熱系數(shù);長(zhǎng)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(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(duì)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A(yù)tg。不同的主要是結(jié)構(gòu)尺出=(閩”會(huì)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(zhǎng)U,流程總長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)比寸,將導(dǎo)致?lián)Q熱器阻力的顯著增加。對(duì)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 =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?？梢詫?dǎo)得.代人污水的物性參數(shù)可計(jì)算得到:Cz =262.5,L=Cu-d,Cq=CC =4 000 ,Cg =4. 0(基本國(guó)際單位制) ,取m=0.8?？梢?jiàn),換熱器的流程總長(zhǎng)度L與換熱量Q或污針對(duì)1 MW換熱量的三種換熱器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和水流量V沒(méi)有關(guān)系,隨流速的增加而緩慢增加;隨流性能對(duì)比如表I所示。通過(guò)上述數(shù)據(jù)對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(jiàn),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(dòng)阻力和泵耗,因此在考慮經(jīng)百積而非流速的措長(zhǎng)度L無(wú)關(guān),隨流道尺寸d,的增加而緩慢增加。中國(guó)煤化工施來(lái)(3)三種換熱器體積對(duì)比YHCNMHG●230●表1針對(duì)1 MW換熱的三種換熱器數(shù)據(jù)對(duì)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(guò)上述對(duì)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(guān);的基本要求,還是從換熱器的結(jié)構(gòu)合理性、投資節(jié)省運(yùn)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(nèi)壁當(dāng)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(duì)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(shè)計(jì)方法,主要針對(duì)式計(jì)算,經(jīng)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(duì)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(shè)計(jì):已知條件:污水進(jìn)口溫度1 ;換熱量Q;換熱管外僅與管徑d有關(guān)。考慮式(2) ,NTU。也可以寫成如下形式內(nèi)直徑d;污水溫降A(chǔ)t.。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(biāo):(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(zhǎng)度L和單程根NτU.=(5)數(shù)N。Otm =1-t。=t -t。(6)為簡(jiǎn)化計(jì)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(dāng)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(cè)對(duì)流換A=πdNL.(9)熱系數(shù)是h.,則清水側(cè)對(duì)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(shè)計(jì)方法清污兩側(cè)對(duì)流總熱阻的倍數(shù)”。進(jìn)行污水換熱器的計(jì)算,除了換熱量和污水進(jìn)換熱器計(jì)算設(shè)計(jì)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(xù)性方程制.以下兩種技術(shù)條件組合是最為常見(jiàn)的。u=(1)4.1技術(shù)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(guó)煤化工式(7)得計(jì)算,經(jīng)整理得沿程阻力為YHCNMHG0H, = II.L. u2(2)At. ”i+ NrU-(tm - 1)(10)●231●式(10)通過(guò)一個(gè)顯函數(shù)確定了污水利用溫差5小結(jié)與污水進(jìn)口溫度的-一- 對(duì)應(yīng)關(guān)系。 主要計(jì)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(jià)比。鋼材耗量與加工的難易程度是決定造價(jià)的兩大因素。污水換熱器招標(biāo)必須將換熱面積和單. "「[4。NrU._ (22).尚s置-0“四位面積的價(jià)格作為首要考核指標(biāo)。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(cè)和驗(yàn)圈4技術(shù)條件組合- -下 的換熱器計(jì)算方法收。招標(biāo)方購(gòu)買的不是換熱器的換熱量，實(shí)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(shù)條件組合二首要考核參數(shù),因?yàn)樽枇蛡鳠嵯禂?shù)不是換熱器的設(shè)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(shè)計(jì)者或運(yùn)行者決定,而非由供應(yīng)商決定,而且阻力(6)得到和換熱系數(shù)不便于驗(yàn)收核實(shí)。“阻力"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(xiàn)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(shè)計(jì)研究[J].曖通空調(diào),2006 ,36(12):63 -69.(11)[2]吳學(xué)慧,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(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(jìn)口溫度的- -- -對(duì)應(yīng)關(guān)系。主要計(jì)算步驟如[3]吳榮華,孫德興,張成虎城市污水源熱泵的應(yīng)用與圖5所示。研究現(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 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(shù)[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(zhì)流變特性研究[J].節(jié)能技術(shù),2009, 27(3):201 -206.[6]昊學(xué)慧孫德興，楊維好.污水在納米涂層管內(nèi)的流圈5技術(shù)條件組合二下 的換熱器計(jì)算方法動(dòng)與換熱特性[J].節(jié)能技術(shù),2010,28(3):195 - 198.[7]李鑫,孫德興，張承虎污水換熱器內(nèi)污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2008 ,38(2):5-8.. 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