采集凝固熱熱泵系統(tǒng)連續(xù)取熱的參數(shù)條件分析

錢劍峰，郭 運，李江丹

(哈爾濱商業(yè)大學能源與建筑工程學院，哈爾濱 150028)

利用水源熱泵為建筑物實現(xiàn)供暖空調(diào)，在充分利用可再生能源的基礎(chǔ)上，可使電能利用率提高3～4倍，大大地減少對環(huán)境的污染.針對寒冷地區(qū)冬季地表水溫過低和干渠污水流量不足等環(huán)境水源現(xiàn)狀，本文提出采集水源凝固熱熱泵系統(tǒng)為建筑物供熱的新思路.

采集凝固熱熱泵系統(tǒng)為獲取環(huán)境水中的低溫熱能資源而設(shè)計［1－3］.采用常規(guī)換熱器從低溫水的凝固放熱中吸收熱量作為熱泵的低溫熱源時，由于低溫水換熱凝固過程的結(jié)冰固化，小則堵死流體通道，大則使得換熱器有凍裂危險.因此，如何有效安全地排除水流凝固過程中黏附于內(nèi)壁面的冰層，從而連續(xù)提取水中凝固熱成為采集凝固熱技術(shù)的首要問題.

1 采集凝固熱熱泵系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的水源

采集水源凝固熱熱泵系統(tǒng)的水源主要為地表水和城市污水兩類.

地表水通常水量充足，作為熱泵空調(diào)冷熱源時，僅為熱泵系統(tǒng)提供物理冷熱能，因而可根據(jù)利用難易程度把它分為2類，稱作第一類地表水和第二類地表水［4］.前者主要包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)地表水，含有的固體污雜物少且尺度較小，其冷熱能利用較易實現(xiàn)，取排水系統(tǒng)較簡單;后者包括Ⅳ～劣Ⅴ類水質(zhì)的輕度至重度污染的地表水，通常含有大尺度污雜物，易堵塞管路或?qū)苈吩斐刹豢珊鲆暤母g與污染，熱能利用難度稍大，取排水系統(tǒng)較復(fù)雜，其中堵塞問題可借鑒城市污水源熱泵技術(shù)的防阻機技術(shù).

城市污水溫度較為穩(wěn)定，水量波動大、水質(zhì)差.據(jù)統(tǒng)計，全國每年城市污水排放量達464×108m3/a，城市污水排放量與生產(chǎn)、生活水平、住宅密集度等因素密切有關(guān)，排放量約為0.25 m3/(人·d)，排放系數(shù)約為0.85.城市污水主要為工業(yè)廢水和生活污水，工業(yè)廢水水量較有規(guī)律且較穩(wěn)定，而生活污水水量一日內(nèi)變化幅度較大，因此污水干渠一日內(nèi)的流量波動很大.本文通過對哈爾濱、青島兩處污水的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)逐時流量波動較大，此兩處測試日內(nèi)最大、最小流量比分別達到2∶1和5∶1，另外，在哈爾濱太平污水處理廠調(diào)研獲知該廠日平均最大、最小流量比也接近2∶1，因而系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮污水流量的不穩(wěn)定性，以最小污水量作為設(shè)計依據(jù).考慮不同地區(qū)、性質(zhì)建筑的熱負荷差異及污水排放系數(shù)，很多場合，尤其是小型干渠，僅靠提取有限溫差的污水顯熱已遠不能滿足用戶高峰熱負荷要求.城市污水作冷熱源的水質(zhì)問題將引起系統(tǒng)管路和換熱設(shè)備的堵塞、腐蝕、污染等問題.較大尺度的污雜物是產(chǎn)生堵塞的根源，筆者等在2006年3月若干次對哈爾濱的某兩處污水干渠的現(xiàn)場測定發(fā)現(xiàn)，污水中大尺度污雜物質(zhì)量濃度均達0.3 kg/m3左右，若以100 m3/h污水流量計則污物累積量達30 kg/h，可見，不采用有效防堵塞技術(shù)，短時間內(nèi)換熱設(shè)備必被阻塞，采用旋轉(zhuǎn)反沖洗裝置可得到有效解決.

1.2 凝固換熱器

凝固換熱器是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，本文所提出的凝固換熱器由換熱管束、螺旋絞龍和驅(qū)動裝置組成，示意圖如圖1.驅(qū)動裝置包括電機、減速裝置、齒輪及驅(qū)動軸.運行中需保證電機、齒輪等有效聯(lián)動，管程設(shè)計為單管程，凝固換熱器中換熱管數(shù)不可過多.每排換熱管中均設(shè)有絞龍，絞龍的斜角偏離軸向一定角度.絞龍的旋轉(zhuǎn)由端頭的齒輪驅(qū)動，齒輪之間相互嚙合，由連接于主軸的齒輪帶動，主軸與減速裝置用常規(guī)機械方法密封連接，使得減速裝置與水空間隔絕.水與防凍液空間中設(shè)有橫向?qū)Я靼?，提高水速以提高換熱系數(shù).由換熱管中出來的冰－水冰漿被送回水源.獲得凝固熱的水－乙二醇溶液作為熱媒體由水泵驅(qū)動在凝固換熱器與熱泵機組的蒸發(fā)器之間循環(huán).

圖1 凝固換熱器構(gòu)造示意圖

采用鋼制螺旋絞龍排冰可適用于地表水和城市污水.當應(yīng)用于第一類地表水源時，還可采用價格低廉的螺旋鋼針代替鋼制螺旋絞龍，并采用軟性軸代替原來內(nèi)管中心的小管作驅(qū)動軸.螺旋鋼針如刷子般纏繞固定于軟軸，軟性軸兩端均連接剛性軸，由剛性軸連接電機驅(qū)動，其排冰原理與鋼制螺旋絞龍相似.當螺旋鋼絲用于第二類地表水或者城市污水時，由于通過防阻機的非清潔水中可能含有頭發(fā)絲等細長雜物，長久運行會黏附于螺旋鋼針周邊，最終堵塞流通斷面，因而此種場合不適用.

2 連續(xù)取熱參數(shù)條件

采集凝固熱時，流出凝固換熱器的流體為冰－水冰漿，當含冰率較高時，系統(tǒng)管道中就會堵塞，這樣為滿足系統(tǒng)連續(xù)提取凝固熱的要求，設(shè)計工況下凝固熱換熱器出口含冰率不能太高，已達到安全疏運條件.

文獻［5－6］中指出，在各種平均含冰率下，水平管道中管道斷面的冰晶粒子的濃度分布的規(guī)律是，管道斷面下部的冰晶粒子濃度要小于平均值，而管道斷面上部的冰晶粒子濃度要高于平均值;隨著管道內(nèi)平均流速的增加，斷面濃度趨于均勻.只要冰漿的平均流速高于0.05 m/s且IPF＜30%時，在管道中就不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，這就是安全排冰的參數(shù)條件.

采用第一類地表水源系統(tǒng)，系統(tǒng)需滿足

其中:IPFsys、IPF為系統(tǒng)出口含冰率和凝固換熱器出口含冰率，按質(zhì)量分數(shù)計算，%;Gw，h為熱源水流量，kg/s;dw為排水管道管徑，m;QF為凝固換熱器換熱量，kW;twi，h、two，h為進出凝固換熱器的水源水溫，℃;c、L為水的比熱及凝固潛熱，單位為kJ/(kg·℃)，kJ/kg.

當采用第二類地表水或城市污水源時，系統(tǒng)水源側(cè)流量是用于防阻機的再生水量與流經(jīng)凝固換熱器的換熱水量之和，連續(xù)提取凝固熱的流量參數(shù)條件滿足式(1)、(3)和(4).

其中:βb為防阻機的再生水量比.

冰－水冰漿在沿途排水管內(nèi)將發(fā)生融解或者均勻混合，達到穩(wěn)定狀態(tài).若冰顆粒未全部融解，則在長輸送管段內(nèi)混合溫度為0℃，此時均勻混合后的含冰率滿足

采用城市污水源系統(tǒng)，由于系統(tǒng)所取流量不超過污水干渠最小流量，考慮干渠中污水流量的時變特性，系統(tǒng)換熱后污水與干渠其余污水混合后的含冰率將更小.若算得IPFmix＜0，則說明冰顆粒在沿途排水管內(nèi)已全部融解.

3 流動阻力分析

劉永紅對冰－乙二醇水溶液組成的冰漿進行了流動阻力實驗研究［6］，實驗結(jié)論如下，在小流速條件下，冰－乙二醇水溶液冰漿的流動阻力都比清水的流動阻力大.但是當流速超過0.3～0.5 m/s時，不同的IPF表現(xiàn)出不同的流動阻力特點:當IPF＜2%時，冰漿的流動阻力與清水接近，兩者相差在3%以內(nèi);當IPF=2% ～30%時，冰漿的流動阻力比清水小，兩者相差在10% ～30%;當IPF＞30%時，冰漿在管內(nèi)流動出現(xiàn)堵塞.在IPF=2% ～30%時，歸納出的冰漿流動阻力系數(shù)的半經(jīng)驗公式為:

Knodel等人對冰－水組成的冰漿進行了流動阻力實驗研究［7］，歸納出適用于 IPF=4% ～11%的紊流工況下冰漿流動阻力系數(shù)的半經(jīng)驗公式為:

在地表水取排水管網(wǎng)中，水流多處于紊流工況，其Re數(shù)達1×104以上，Re=1×104～1×105范圍內(nèi)在比較式(6)和(7)在=IPF=4% ～10%時兩種公式求得的兩種冰漿流動阻力系數(shù)，如圖2.

圖2 冰漿流動阻力系數(shù)計算對比

由圖2可見，在Re=1×104～1×105且在4%～10%時，兩種冰漿的流動阻力系數(shù)計算值很接近，兩者相差在3%以內(nèi)，說明在較低IPF時，液相性質(zhì)(水或乙二醇水溶液)對冰漿的流動特性影響很小.在Re=7×104以上且IPF=4% ～10%時，冰漿的流動阻力系數(shù)與清水很接近.

地表水源采集凝固熱熱泵系統(tǒng)，排水管網(wǎng)的冰－水冰漿的IPF通常小于10%，因而冰－水冰漿的流動特性可歸納為:

城市污水源采集凝固熱熱泵系統(tǒng)，通常污水干渠靠近供熱供冷的建筑物，排水管網(wǎng)較短，冰－水冰漿的流動阻力可忽略.

4 結(jié)語

針對寒冷地區(qū)冬季地表水溫過低和干渠污水流量不足等水源現(xiàn)狀，本文提出采集非清潔水源凝固熱為建筑物供熱，這是推廣熱泵技術(shù)、開發(fā)環(huán)境低位能源實踐中產(chǎn)生的新思路.介紹了采集凝固熱熱泵系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備凝固換熱器，分析了系統(tǒng)連續(xù)提取凝固熱的運行參數(shù)條件，總結(jié)了系統(tǒng)的流動阻力計算方法，這將為環(huán)境水源采集凝固熱熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展提供有益的參考.

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