污水換熱器傳熱性能測試分析

北京航空航天大學(xué)　武　姿

清華大學(xué)　張世鋼　付　林

北京航空航天大學(xué)　袁衛(wèi)星

    摘要：以北京某賓館污水源熱泵系統(tǒng)中的污水換熱器為研究對象,連續(xù)測試了污水、中間水以及熱水流量、溫度隨時間的變化。根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算得到了污水換熱器換熱效率的衰減情況,并擬合得到了傳熱系數(shù)的衰減公式,測試分析結(jié)果可為污水源熱泵供熱系統(tǒng)中的污水換熱器設(shè)計和選型提供參考。

    關(guān)鍵詞：污水源熱泵　污水換熱器　傳熱　換熱效率

    0　引言

    隨著能源在國民經(jīng)濟(jì)中地位的日益重要,能源的高效利用逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年,隨著熱泵技術(shù)的日趨成熟與發(fā)展,地下水地源熱泵得到了推廣應(yīng)用,但由于地下水的回灌與水資源的保護(hù)問題,這項技術(shù)存在明顯的局限性。在這種情況下,城市污水引起了人們的重視。20世紀(jì)70年代以來,日本、挪威、瑞典及其他一些供熱發(fā)達(dá)國家對污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究,并進(jìn)行了推廣應(yīng)用。目前,日本污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能效水平已接近現(xiàn)有常規(guī)水源熱泵系統(tǒng)的能效水平,瑞典斯德哥爾摩有40%的建筑物采用熱泵系統(tǒng)供熱,其中10%采用污水處理廠的中水作為熱源[1]。國內(nèi)對污水源熱泵的節(jié)能性、環(huán)保性與應(yīng)用前景也已經(jīng)進(jìn)行了一些研究,并在一些經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的城市進(jìn)行了一定程度的推廣應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計,北京市每天產(chǎn)生88 196萬t城市污水[2]。采用污水源熱泵系統(tǒng)從城市污水中提取部分熱能用于為建筑物供熱,能提高城市能源的利用效率,同時因為減少了煤炭等能源的使用量,相應(yīng)地減少了CO2,NOx,SOx等污染物的排放量[3],具有非常重要的經(jīng)濟(jì)及社會意義。

    污水換熱器是污水源熱泵供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。污水中的各種雜質(zhì)在傳熱表面沉積會形成污垢熱阻,污垢熱阻是影響污水源熱泵系統(tǒng)換熱效率的主要因素。據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究,污垢熱阻對污水源熱泵系統(tǒng)換熱效率的影響大約占整體熱阻對污水源熱泵系統(tǒng)換熱效率的影響的67%。文獻(xiàn)[5]的研究表明,傳熱系數(shù)隨污水流速變化緩慢,在設(shè)計流速下傳熱系數(shù)為600 W/(m2·℃)。在實際工程應(yīng)用中,人們往往希望知道結(jié)垢引起的污水換熱器換熱效率隨使用時間的衰減情況,以便了解系統(tǒng)性能的動態(tài)變化規(guī)律,安排合理的清洗周期,但目前還沒有可以信賴的研究結(jié)果。針對這種情況,本文對北京某賓館的污水源熱泵供熱系統(tǒng)中的污水換熱器的實際運(yùn)行性能進(jìn)行了一個多月的測試,分析得到了污水換熱器換熱效率的衰減情況,并擬合得到了傳熱系數(shù)的衰減公式,測試分析結(jié)果可為類似污水換熱器的設(shè)計、選型、使用、維護(hù)提供參考。

    1　系統(tǒng)及測試方法介紹

    圖1為該污水源熱泵供熱系統(tǒng)冬季供熱工況系統(tǒng)流程及測點(diǎn)布置圖。系統(tǒng)所使用的污水來源于附近的城市污水管道,為城市原生污水,經(jīng)潛水泵輸送到設(shè)置在賓館地下室的熱泵機(jī)房,經(jīng)防阻機(jī)過濾掉污水中的大塊懸浮物后進(jìn)入污水換熱器,將熱量換給中間水后,再通過排水管路送回城市污水管道。中間水在污水換熱器中吸熱升溫后分兩路分別經(jīng)過空調(diào)熱泵機(jī)組和熱水熱泵機(jī)組,降溫后重新回到污水換熱器再次加熱升溫,完成一個循環(huán)。在空調(diào)熱泵機(jī)組側(cè),空調(diào)水經(jīng)過空調(diào)熱泵機(jī)組加熱升溫后為賓館供暖;在熱水熱泵機(jī)組側(cè),自來水經(jīng)過熱水熱泵機(jī)組換熱升溫后作為賓館的生活熱水。夏季工況與冬季工況的不同在于夏季工況中間水作為熱泵機(jī)組的冷卻水,并通過污水換熱器將冷卻水熱量排放到污水中。本文主要測試分析冬季供熱工況。

              
    主要測試參數(shù)包括污水進(jìn)出換熱器的溫度和流量以及中間水進(jìn)出換熱器的溫度和流量。熱泵機(jī)組型號為SL-600M,額定制熱量為720 kW,制熱輸入功率為148 kW;額定制冷量為650 kW,制冷輸入功率為112 kW。污水換熱器為殼管式,污水走管內(nèi),中間水走殼側(cè),污水與中間水逆向流動。污水換熱器共有兩組,采用串聯(lián)連接方式,每組換熱面積230 m2,兩組換熱器輪流使用,一用一備,在測試期間,只開了其中一組換熱器。主要測試儀器溫度自記儀測量精度≤0.3℃,SCL便攜式數(shù)字超聲波流量計測量精度等級為±0.5。

    2　試驗及分析

    于2007年1月26日至2月28日共進(jìn)行了34天的現(xiàn)場連續(xù)測試,測試采樣周期設(shè)定為20min。測試開始前,對污水換熱器進(jìn)行了全面的除垢清洗,因此,可視初期數(shù)據(jù)為新投入使用污水換熱器的數(shù)據(jù)。在測試期間,污水流量與中間水流量基本穩(wěn)定,分別為95 t/h和100 t/h。圖2a, 2b分別給出了污水和中間水進(jìn)出口溫度隨時間的變化。

    根據(jù)測試數(shù)據(jù),進(jìn)行以下整理計算。

    污水放熱量:

    
    中間水吸熱量:

    
    由于管路和換熱器殼體與環(huán)境空氣的換熱量很小,可以忽略,則污水放熱量與中間水吸熱量應(yīng)基本相等,可作為校核測試數(shù)據(jù)的依據(jù)。在計算傳熱量時,取其平均值:

            
    將測試數(shù)據(jù)代入式(1)~(4),計算整理可得測試期間污水換熱器傳熱系數(shù)K隨時間的變化情況,如圖2c所示。由圖可見,傳熱系數(shù)K在前100 h衰減迅速,從約1 400 W/(m2·℃)迅速降到900 W/(m2·℃),隨著時間的推移,下降速率逐漸趨于平緩,穩(wěn)定后大約為700~800 W/(m2·℃),測試(連續(xù)運(yùn)行800 h)結(jié)束后,測得的傳熱系數(shù)K為700 W/(m2·℃)左右,可見,在后600多小時里換熱器效率基本保持不變,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

    觀察污水換熱器傳熱系數(shù)K隨時間的變化曲線,發(fā)現(xiàn)其變化趨勢基本符合Logistic函數(shù)規(guī)律,采用數(shù)值方法可以擬合得到所測試的污水換熱器的傳熱系數(shù)的計算公式:

    
    式中　t為新?lián)Q熱器投入運(yùn)行后的累積運(yùn)行時間或舊換熱器全面清洗后的累積運(yùn)行時間,h。根據(jù)本次測試分析結(jié)果筆者認(rèn)為,在污水換熱器設(shè)計和選型時,為了保證熱泵機(jī)組的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,污水換熱器傳熱系數(shù)應(yīng)取穩(wěn)定狀態(tài)時的700W/(m2·℃),或者通過設(shè)置自動清洗裝置定時清洗傳熱管,使其保持在較佳的傳熱狀態(tài),此時的傳熱系數(shù)和清洗周期可根據(jù)圖2c或式(5)確定。 

    3　結(jié)論

    3.1　由于城市原生污水水質(zhì)很差,在換熱器內(nèi)壁容易形成較厚的污垢,使污水換熱器傳熱系數(shù)顯著降低。本次測試中,污水換熱器的傳熱系數(shù)在前100 h衰減迅速,從約1 400 W/(m2·℃)迅速降到900 W/(m2·℃),隨著時間的推移,下降速率逐漸趨于平緩,穩(wěn)定在約700~800 W/(m2·℃) ,其衰減規(guī)律基本符合Logistic函數(shù)。

    3.2　在污水換熱器設(shè)計和選型時,為了保證熱泵機(jī)組可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,污水換熱器傳熱系數(shù)應(yīng)取穩(wěn)定后的數(shù)值(對本文研究的換熱器而言,約為700W/(m2·℃)),或者通過設(shè)置自動清洗裝置定時清洗傳熱管,使其保持在較佳的傳熱狀態(tài),此時的傳熱系數(shù)和清洗周期可根據(jù)圖2c或式(5)確定。

    3.3　本文的測試數(shù)據(jù)及相關(guān)公式可供同類換熱器設(shè)計和選型時參考。

參考文獻(xiàn):

[1]Zhang H Y, Ebadian M A, Compo A. Viscoelasticfluids heat transfer

[J]. Numer Heat Transfer,1990, 17(8):231-234

[2]國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2006[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2006

[3]尹軍,王宏哲,韋新東.城市污水熱能利用技術(shù)及展望[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報,2001(2)

[4]吳榮華,張承虎,孫德興,等.城市原生污水冷熱源換熱管軟垢特性研究[J].流體機(jī)械,2006,34(1)

[5]吳榮華,孫德興,張承虎,等.熱泵冷熱源城市原生污水的流動阻塞與換熱特性[J].暖通空調(diào),2005,35(2)