污水換熱器的設計計算

孫德興　肖紅俠　張承虎　莊兆意

哈爾濱工業大學

    摘要：污水的流動與換熱性能與清水相比有很大的不同,設計污水換熱器時不能簡單地套用針對清水換熱器的設計參數和設計方法。根據實驗研究結果與工程實踐經驗,基于污水的流動阻力與換熱特性,給出了污水換熱器的設計要點和設計所必需的重要參數。
    關鍵詞：污水源熱泵　污水換熱器　設計　計算
    0　背景   污水源熱泵系統近兩年得到了長足發展。由于污水水質差,目前通常的做法是不讓污水直接進入熱泵機組,而是通過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組[1]。由于污水的流動與換熱性能與清水相比有很大的不同,不能套用以往的設計經驗和參數,設計人員面臨著許多新問題。但據筆者了解,很多設計人員對污水換熱的特殊性缺乏了解,直接套用針對清水的設計參數與方法,這對工程質量而言是很危險的。
    1　污水換熱器的特點
    1)換熱器內污水黏度大[2],換熱面污染嚴重[3],導致污水側的阻力大于清水側,而換熱系數小于清水側。
    2)由于存在堵塞與污染的危險,無法像針對清水那樣采取波紋管、內肋片、內插物等增強換熱的設施。
    3)受條件限制污水換熱器只能以小溫差換熱。例如在北方嚴寒地區,冬季污水進口溫度只有10℃左右,而受熱泵機組蒸發溫度的限制,中介水溫度不能太低,因而污水最大溫降只能是3~4℃,兩級換熱每級的溫差小于3℃。
    4)由于溫差小,換熱系數小,污水的降溫需要較長的流程,通常為30 m左右。這就需要對殼管式換熱器的內部結構作全新的設計,包括管程的安排、殼空間的結構設計等等,以保證全程逆流換熱和換熱器內部各處均有理想的換熱溫差。
    2　污水-水換熱器的設計計算方法
    2.1　計算參數分類
    一般而言,換熱器設計應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獲得預期的換熱效果。雖然上述要求相互矛盾,但人們對一般的換熱器早已有了成熟的設計經驗。而污水換熱器要達到上述要求就絕非易事,必須精確計算、精打細算,才能避免耗材過多、體積過大或泵耗過高,才能在各項指標中找到一個最佳至少較佳的平衡點。
    與耗材、體積、泵耗這三大指標相關的參數不僅有結構參數,諸如管徑、管長、管間距、管程數等等,也有運行參數,諸如流速、流量、壓降、各節點進出口溫度、換熱量等等。為了給設計計算一個清晰的思路,對這些參數作如下分類。
    1)已定或可定參數
    ①換熱量Q。依據需求而定。
    ②污水流量V與溫降(或溫升)Δt。這兩個參數是在設計污水源熱泵系統時確定的。依據公式Q =ρcVΔt(式中c為比熱容)可知,確定其中一個量,另一個量可求。
    ③傳熱平均溫差Δtm依據污水初始溫度、中介水溫度、蒸發溫度等在系統設計中確定,一般為3~4℃。
    ④管徑d。依據經驗與定型管材的規格確定,一般選取外徑dw為20 mm,內徑di為16 mm。
    ⑤管間距。考慮殼空間的流通面積,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)計算取值參數
    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口溫度選取。
    ②污水黏度。由實驗測得。課題組選用旋轉圓筒黏度計測試了不同溫度下的污水黏度,測試結果表明換熱器設計中,可按污水黏度為清水黏度的2.5倍左右計算。
    ③殼側流速。一般換熱器設計中,殼側的推薦流速為管側的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u2=u1/3(式中u2為殼側流速,u1為管內流速)。
    ④污垢熱阻。工程經驗表明,考慮污垢熱阻時,換熱器總傳熱熱阻為兩側對流換熱熱阻的1.2倍。
    ⑤實驗驗證糙粒高度Ks取0.001 m時按照希弗林松公式計算所得阻力系數與實測值相近,最大誤差在10%以內,表1給出了計算值與實測值的比較。

    
    3)待定參數
    除了上述參數,換熱器設計還要涉及許多重要參數,諸如傳熱系數、換熱面積等等。仔細分析這些參數,發現它們并不是各自獨立的,而是互相關聯的,再經分析知道它們當中基本的參數只有3個,即管根數N、每根管的管長L(含折返)、管內流速u1。其余參數均可由這3個基本參數計算出來。
    ①中間計算參數
    傳熱系數K取決于管側表面傳熱系數h1、殼側表面傳熱系數h2,而h1, h2分別取決于管內流速u1和殼側流速u2。
    ②效果參數
    管側阻力Δp關系到功耗,由沿程阻力系數f,L與u1確定;換熱面積A關系到投資,由L,u1與N確定;換熱器管程數n和換熱器組數需綜合考慮N,L及設備允許占地空間后確定。
    2.2　設計所用方程及公式
    設計涉及的所有參數與基本參數之間的關系可由以下公式計算。

    
    3)換熱計算
    ①污水側表面傳熱系數h1一般來說,管內流速u1在0.8~1.3 m/s之間,對應的最小雷諾數Remin=3 920>2 300,最大雷諾數Remax=6 370<104,由此可知管內流動屬于過渡流,選用的計算公式為：
    （4）

    式中　λ,Nu, Re, Pr分別為導熱系數、努塞爾數雷諾數和普朗特數。
    ②中介水側表面傳熱系數h2
    有擋板的殼側流道復雜,難以采用簡單的公式進行準確的計算。特別是對污水換熱器,殼側往往需要增設縱、橫較多的擋板。關于殼側表面傳熱系數較為準確的計算,筆者將另文詳述。此處暫粗略認為殼側的換熱為外掠圓管對流換熱,并按經驗選取系數φ=0.7,取殼側最小流通截面處流速u2為管內流速的1/3,此時Remin>1 000,Remax<2×105,選用的計算式為：

    
    2.3　分析及處理
    前已述及,基本的待定參數有u1,N,L3個,當把它們和已定參數結合在一起考慮時,發現它們之間還有確定的關系。由式(1)與式(8)可知,在它們中人為地選定一個,其他兩個就確定了。選擇比較容易人為選定的管內流速u1,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·設計實例
    已知污水干渠流量V=4 000 m3/h,要求換熱量Q=20 MW,污水進口溫度tw1=12℃,將各已知參數分別代入式(1)~(8)中,編程求解得到的結果見表2。

            
    分析表2中數據可知,管內流速為1.0 m/s時泵的功耗與初投資比較適中,推薦選之。用增加管根數的辦法增加10%的換熱面積作為安全余量。實際管數為6 082根,實際換熱面積為7 853 m2。單臺換熱器采用雙管程,換熱器組數為7組,每組2臺串聯,共計14臺。換熱器內單程管長(兩端板距離)為6.4 m,筒內徑為1.18 m。
    4·污水-水換熱器的殼側結構設計
    由表2中數據可見,單管的管長均為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構時,卻遇到了如何保證換熱器內局部的換熱溫差問題。例如,在污水的溫度為10℃、蒸發溫度為2℃時,換熱器的設計工況見表3。

            
    表3給出的溫度是合理的。但在多管程的換熱器內部結構中,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?在沒有措施的情況下,在換熱器內的某個局部可能只有7℃對7℃的零溫差!
    要保證在換熱器內處處有理想的傳熱溫差,就只有從結構設計的角度實現兩種流體的全程逆流。方法有兩個:一個是在殼空間加裝縱向隔板,另一個是多臺換熱器串聯。
參考文獻:
[1]吳榮華,張承虎.城市原生污水冷熱源系統形式及其應用[J].哈爾濱工業大學學報, 2006,38(5)
[2]吳榮華,張承虎,孫德興.城市原生污水冷熱源黏度特性實驗研究[J].哈爾濱工業大學學報, 2006, 38(9)
[3]吳榮華,林福軍.城市原生污水冷熱源應用的關鍵因素研究[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2004,20(6)
[4]朱聘冠.換熱器原理及設計[M].北京:清華大學出版社,1987
[5]章熙民,任澤霈,梅飛鳴,等.傳熱學[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2001