污水換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

污水換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

孫德興　肖紅俠　張承虎　莊兆意

哈爾濱工業(yè)大學(xué)

    摘要：污水的流動(dòng)與換熱性能與清水相比有很大的不同,設(shè)計(jì)污水換熱器時(shí)不能簡(jiǎn)單地套用針對(duì)清水換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),基于污水的流動(dòng)阻力與換熱特性,給出了污水換熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)所必需的重要參數(shù)。
    關(guān)鍵詞：污水源熱泵　污水換熱器　設(shè)計(jì)　計(jì)算
    0　背景   污水源熱泵系統(tǒng)近兩年得到了長(zhǎng)足發(fā)展。由于污水水質(zhì)差,目前通常的做法是不讓污水直接進(jìn)入熱泵機(jī)組,而是通過(guò)污水換熱器將熱量換給中介水,再由中介水將熱量換給熱泵機(jī)組[1]。由于污水的流動(dòng)與換熱性能與清水相比有很大的不同,不能套用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參數(shù),設(shè)計(jì)人員面臨著許多新問(wèn)題。但據(jù)筆者了解,很多設(shè)計(jì)人員對(duì)污水換熱的特殊性缺乏了解,直接套用針對(duì)清水的設(shè)計(jì)參數(shù)與方法,這對(duì)工程質(zhì)量而言是很危險(xiǎn)的。
    1　污水換熱器的特點(diǎn)
    1)換熱器內(nèi)污水黏度大[2],換熱面污染嚴(yán)重[3],導(dǎo)致污水側(cè)的阻力大于清水側(cè),而換熱系數(shù)小于清水側(cè)。
    2)由于存在堵塞與污染的危險(xiǎn),無(wú)法像針對(duì)清水那樣采取波紋管、內(nèi)肋片、內(nèi)插物等增強(qiáng)換熱的設(shè)施。
    3)受條件限制污水換熱器只能以小溫差換熱。例如在北方嚴(yán)寒地區(qū),冬季污水進(jìn)口溫度只有10℃左右,而受熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度的限制,中介水溫度不能太低,因而污水最大溫降只能是3~4℃,兩級(jí)換熱每級(jí)的溫差小于3℃。
    4)由于溫差小,換熱系數(shù)小,污水的降溫需要較長(zhǎng)的流程,通常為30 m左右。這就需要對(duì)殼管式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作全新的設(shè)計(jì),包括管程的安排、殼空間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等,以保證全程逆流換熱和換熱器內(nèi)部各處均有理想的換熱溫差。
    2　污水-水換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法
    2.1　計(jì)算參數(shù)分類(lèi)
    一般而言,換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)追求使用較少的耗材、具有較小的體積、消耗較少的水泵用電來(lái)獲得預(yù)期的換熱效果。雖然上述要求相互矛盾,但人們對(duì)一般的換熱器早已有了成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。而污水換熱器要達(dá)到上述要求就絕非易事,必須精確計(jì)算、精打細(xì)算,才能避免耗材過(guò)多、體積過(guò)大或泵耗過(guò)高,才能在各項(xiàng)指標(biāo)中找到一個(gè)最佳至少較佳的平衡點(diǎn)。
    與耗材、體積、泵耗這三大指標(biāo)相關(guān)的參數(shù)不僅有結(jié)構(gòu)參數(shù),諸如管徑、管長(zhǎng)、管間距、管程數(shù)等等,也有運(yùn)行參數(shù),諸如流速、流量、壓降、各節(jié)點(diǎn)進(jìn)出口溫度、換熱量等等。為了給設(shè)計(jì)計(jì)算一個(gè)清晰的思路,對(duì)這些參數(shù)作如下分類(lèi)。
    1)已定或可定參數(shù)
    ①換熱量Q。依據(jù)需求而定。
    ②污水流量V與溫降(或溫升)Δt。這兩個(gè)參數(shù)是在設(shè)計(jì)污水源熱泵系統(tǒng)時(shí)確定的。依據(jù)公式Q =ρcVΔt(式中c為比熱容)可知,確定其中一個(gè)量,另一個(gè)量可求。
    ③傳熱平均溫差Δtm依據(jù)污水初始溫度、中介水溫度、蒸發(fā)溫度等在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中確定,一般為3~4℃。
    ④管徑d。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)與定型管材的規(guī)格確定,一般選取外徑dw為20 mm,內(nèi)徑di為16 mm。
    ⑤管間距?？紤]殼空間的流通面積,一般殼管式換熱器管子的排列間距由s/dw=1.5(式中s為管心距)確定,換熱管按正三角形排列。在這種布管方式下,管空間與殼空間之比為0.4∶0.6。
    2)計(jì)算取值參數(shù)
    ①特征溫度。由于污水和中介水溫度變化不大,其特征溫度均可按進(jìn)口溫度選取。
    ②污水黏度。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。課題組選用旋轉(zhuǎn)圓筒黏度計(jì)測(cè)試了不同溫度下的污水黏度,測(cè)試結(jié)果表明換熱器設(shè)計(jì)中,可按污水黏度為清水黏度的2.5倍左右計(jì)算。
    ③殼側(cè)流速。一般換熱器設(shè)計(jì)中,殼側(cè)的推薦流速為管側(cè)的1/2[4]。然而由于污水換熱器中裝有縱向折流板,在同樣的流速下,壓降必然高于一般換熱器,因而此處推薦流速u(mài)2=u1/3(式中u2為殼側(cè)流速,u1為管內(nèi)流速)。
    ④污垢熱阻。工程經(jīng)驗(yàn)表明,考慮污垢熱阻時(shí),換熱器總傳熱熱阻為兩側(cè)對(duì)流換熱熱阻的1.2倍。
    ⑤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證糙粒高度Ks取0.001 m時(shí)按照希弗林松公式計(jì)算所得阻力系數(shù)與實(shí)測(cè)值相近,最大誤差在10%以?xún)?nèi),表1給出了計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較。

    
    3)待定參數(shù)
    除了上述參數(shù),換熱器設(shè)計(jì)還要涉及許多重要參數(shù),諸如傳熱系數(shù)、換熱面積等等。仔細(xì)分析這些參數(shù),發(fā)現(xiàn)它們并不是各自獨(dú)立的,而是互相關(guān)聯(lián)的,再經(jīng)分析知道它們當(dāng)中基本的參數(shù)只有3個(gè),即管根數(shù)N、每根管的管長(zhǎng)L(含折返)、管內(nèi)流速u(mài)1。其余參數(shù)均可由這3個(gè)基本參數(shù)計(jì)算出來(lái)。
    ①中間計(jì)算參數(shù)
    傳熱系數(shù)K取決于管側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1、殼側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2,而h1, h2分別取決于管內(nèi)流速u(mài)1和殼側(cè)流速u(mài)2。
    ②效果參數(shù)
    管側(cè)阻力Δp關(guān)系到功耗,由沿程阻力系數(shù)f,L與u1確定;換熱面積A關(guān)系到投資,由L,u1與N確定;換熱器管程數(shù)n和換熱器組數(shù)需綜合考慮N,L及設(shè)備允許占地空間后確定。
    2.2　設(shè)計(jì)所用方程及公式
    設(shè)計(jì)涉及的所有參數(shù)與基本參數(shù)之間的關(guān)系可由以下公式計(jì)算。

    
    3)換熱計(jì)算
    ①污水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1一般來(lái)說(shuō),管內(nèi)流速u(mài)1在0.8~1.3 m/s之間,對(duì)應(yīng)的最小雷諾數(shù)Remin=3 920>2 300,最大雷諾數(shù)Remax=6 370<104,由此可知管內(nèi)流動(dòng)屬于過(guò)渡流,選用的計(jì)算公式為：
    （4）

    式中　λ,Nu, Re, Pr分別為導(dǎo)熱系數(shù)、努塞爾數(shù)雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。
    ②中介水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2
    有擋板的殼側(cè)流道復(fù)雜,難以采用簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。特別是對(duì)污水換熱器,殼側(cè)往往需要增設(shè)縱、橫較多的擋板。關(guān)于殼側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較為準(zhǔn)確的計(jì)算,筆者將另文詳述。此處暫粗略認(rèn)為殼側(cè)的換熱為外掠圓管對(duì)流換熱,并按經(jīng)驗(yàn)選取系數(shù)φ=0.7,取殼側(cè)最小流通截面處流速u(mài)2為管內(nèi)流速的1/3,此時(shí)Remin>1 000,Remax<2×105,選用的計(jì)算式為：

    
    2.3　分析及處理
    前已述及,基本的待定參數(shù)有u1,N,L3個(gè),當(dāng)把它們和已定參數(shù)結(jié)合在一起考慮時(shí),發(fā)現(xiàn)它們之間還有確定的關(guān)系。由式(1)與式(8)可知,在它們中人為地選定一個(gè),其他兩個(gè)就確定了。選擇比較容易人為選定的管內(nèi)流速u(mài)1,于是可以得到不同u1下的N,L值,分別將其代入式(7),(4),(5),(6),(3)便可得到A,h1,h2,K及Δp1。
    3·設(shè)計(jì)實(shí)例
    已知污水干渠流量V=4 000 m3/h,要求換熱量Q=20 MW,污水進(jìn)口溫度tw1=12℃,將各已知參數(shù)分別代入式(1)~(8)中,編程求解得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

            
    分析表2中數(shù)據(jù)可知,管內(nèi)流速為1.0 m/s時(shí)泵的功耗與初投資比較適中,推薦選之。用增加管根數(shù)的辦法增加10%的換熱面積作為安全余量。實(shí)際管數(shù)為6 082根,實(shí)際換熱面積為7 853 m2。單臺(tái)換熱器采用雙管程,換熱器組數(shù)為7組,每組2臺(tái)串聯(lián),共計(jì)14臺(tái)。換熱器內(nèi)單程管長(zhǎng)(兩端板距離)為6.4 m,筒內(nèi)徑為1.18 m。
    4·污水-水換熱器的殼側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    由表2中數(shù)據(jù)可見(jiàn),單管的管長(zhǎng)均為26 m左右,這就決定了污水換熱器必定是多管程的。但在安排多管程的結(jié)構(gòu)時(shí),卻遇到了如何保證換熱器內(nèi)局部的換熱溫差問(wèn)題。例如,在污水的溫度為10℃、蒸發(fā)溫度為2℃時(shí),換熱器的設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表3。

            
    表3給出的溫度是合理的。但在多管程的換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,如何保證溫度為10~7℃的污水與溫度為7~4℃的中介水處處有3℃的傳熱溫差呢?在沒(méi)有措施的情況下,在換熱器內(nèi)的某個(gè)局部可能只有7℃對(duì)7℃的零溫差!
    要保證在換熱器內(nèi)處處有理想的傳熱溫差,就只有從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)兩種流體的全程逆流。方法有兩個(gè):一個(gè)是在殼空間加裝縱向隔板,另一個(gè)是多臺(tái)換熱器串聯(lián)。
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