污水換熱器傳熱性能測試分析

北京航空航天大學　武　姿

清華大學　張世鋼　付　林

北京航空航天大學　袁衛星

    摘要：以北京某賓館污水源熱泵系統中的污水換熱器為研究對象,連續測試了污水、中間水以及熱水流量、溫度隨時間的變化。根據測試數據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的衰減公式,測試分析結果可為污水源熱泵供熱系統中的污水換熱器設計和選型提供參考。

    關鍵詞：污水源熱泵　污水換熱器　傳熱　換熱效率

    0　引言

    隨著能源在國民經濟中地位的日益重要,能源的高效利用逐漸成為人們關注的焦點。近些年,隨著熱泵技術的日趨成熟與發展,地下水地源熱泵得到了推廣應用,但由于地下水的回灌與水資源的保護問題,這項技術存在明顯的局限性。在這種情況下,城市污水引起了人們的重視。20世紀70年代以來,日本、挪威、瑞典及其他一些供熱發達國家對污水源熱泵空調系統進行了大量研究,并進行了推廣應用。目前,日本污水源熱泵空調系統的能效水平已接近現有常規水源熱泵系統的能效水平,瑞典斯德哥爾摩有40%的建筑物采用熱泵系統供熱,其中10%采用污水處理廠的中水作為熱源[1]。國內對污水源熱泵的節能性、環保性與應用前景也已經進行了一些研究,并在一些經濟較為發達的城市進行了一定程度的推廣應用。據統計,北京市每天產生88 196萬t城市污水[2]。采用污水源熱泵系統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,相應地減少了CO2,NOx,SOx等污染物的排放量[3],具有非常重要的經濟及社會意義。

    污水換熱器是污水源熱泵供熱系統的關鍵部件。污水中的各種雜質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換熱效率的主要因素。據文獻[4]的研究,污垢熱阻對污水源熱泵系統換熱效率的影響大約占整體熱阻對污水源熱泵系統換熱效率的影響的67%。文獻[5]的研究表明,傳熱系數隨污水流速變化緩慢,在設計流速下傳熱系數為600 W/(m2·℃)。在實際工程應用中,人們往往希望知道結垢引起的污水換熱器換熱效率隨使用時間的衰減情況,以便了解系統性能的動態變化規律,安排合理的清洗周期,但目前還沒有可以信賴的研究結果。針對這種情況,本文對北京某賓館的污水源熱泵供熱系統中的污水換熱器的實際運行性能進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的衰減公式,測試分析結果可為類似污水換熱器的設計、選型、使用、維護提供參考。

    1　系統及測試方法介紹

    圖1為該污水源熱泵供熱系統冬季供熱工況系統流程及測點布置圖。系統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,經潛水泵輸送到設置在賓館地下室的熱泵機房,經防阻機過濾掉污水中的大塊懸浮物后進入污水換熱器,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過空調熱泵機組和熱水熱泵機組,降溫后重新回到污水換熱器再次加熱升溫,完成一個循環。在空調熱泵機組側,空調水經過空調熱泵機組加熱升溫后為賓館供暖;在熱水熱泵機組側,自來水經過熱水熱泵機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。

              
    主要測試參數包括污水進出換熱器的溫度和流量以及中間水進出換熱器的溫度和流量。熱泵機組型號為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,中間水走殼側,污水與中間水逆向流動。污水換熱器共有兩組,采用串聯連接方式,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日共進行了34天的現場連續測試,測試采樣周期設定為20min。測試開始前,對污水換熱器進行了全面的除垢清洗,因此,可視初期數據為新投入使用污水換熱器的數據。在測試期間,污水流量與中間水流量基本穩定,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出口溫度隨時間的變化。

    根據測試數據,進行以下整理計算。

    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基本相等,可作為校核測試數據的依據。在計算傳熱量時,取其平均值:

            
    將測試數據代入式(1)~(4),計算整理可得測試期間污水換熱器傳熱系數K隨時間的變化情況,如圖2c所示。由圖可見,傳熱系數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,穩定后大約為700~800 W/(m2·℃),測試(連續運行800 h)結束后,測得的傳熱系數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,達到穩定狀態。

    觀察污水換熱器傳熱系數K隨時間的變化曲線,發現其變化趨勢基本符合Logistic函數規律,采用數值方法可以擬合得到所測試的污水換熱器的傳熱系數的計算公式:

    
    式中　t為新換熱器投入運行后的累積運行時間或舊換熱器全面清洗后的累積運行時間,h。根據本次測試分析結果筆者認為,在污水換熱器設計和選型時,為了保證熱泵機組的可靠、穩定運行,污水換熱器傳熱系數應取穩定狀態時的700W/(m2·℃),或者通過設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,此時的傳熱系數和清洗周期可根據圖2c或式(5)確定。 

    3　結論

    3.1　由于城市原生污水水質很差,在換熱器內壁容易形成較厚的污垢,使污水換熱器傳熱系數顯著降低。本次測試中,污水換熱器的傳熱系數在前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,穩定在約700~800 W/(m2·℃) ,其衰減規律基本符合Logistic函數。

    3.2　在污水換熱器設計和選型時,為了保證熱泵機組可靠、穩定運行,污水換熱器傳熱系數應取穩定后的數值(對本文研究的換熱器而言,約為700W/(m2·℃)),或者通過設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,此時的傳熱系數和清洗周期可根據圖2c或式(5)確定。

    3.3　本文的測試數據及相關公式可供同類換熱器設計和選型時參考。

參考文獻:

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

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

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

[3]尹軍,王宏哲,韋新東.城市污水熱能利用技術及展望[J].吉林建筑工程學院學報,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,2005,35(2)