一種新型毛細(xì)管壁污水換熱器及其應(yīng)用

鄧俊敏

北京雙圓工程咨詢監(jiān)理有限公司

0 引言

目前，能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為人們最為關(guān)注的兩大問題，清潔能源日益重要，城市污水作為一種余熱資源，其排熱量約占城市總排熱量的10%～16%，具有很大的開發(fā)利用潛力[1]，通過使用污水源熱泵實(shí)現(xiàn)夏季將熱量排放到污水中，冬季從污水中提取熱量，既實(shí)現(xiàn)了空氣調(diào)節(jié)的需求，同時對節(jié)能環(huán)保也具有重要的意義。通過這樣的技術(shù)應(yīng)用，每使用一噸污水，可少燃燒兩公斤煤，少向大氣排放六公斤二氧化碳。這具有明顯的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益，處于行業(yè)領(lǐng)先的位置。

城市污水是一種混合水體，主要由生活污水和工業(yè)廢水組成。這種混合水體中含有許多未知懸浮物及化學(xué)性有機(jī)溶解性化合物[2]，因此，若將污水直接通入污水源熱泵機(jī)組的換熱器，將會經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：首先，污水流經(jīng)管道和設(shè)備時，會在設(shè)備表面上產(chǎn)生污垢、微生物膜、油膜等，從而增加熱阻，惡化傳熱效果。其次，污水中含有的固體懸浮物和漂浮物容易造成管道的堵塞，導(dǎo)致污水流動阻力增大，流通不暢，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的供熱量隨時間延長而衰減。再有，污水中含有的硫化氫等化學(xué)物質(zhì)會使管道和設(shè)備腐蝕生銹，進(jìn)而影響設(shè)備的使用壽命。

由于污水流動的阻塞和供熱量的衰減，使污水源熱泵的運(yùn)行管理和維修量加大，例如，為改善污水源熱泵的運(yùn)行特性，換熱面需要每日水力沖洗3～6 次。

1 現(xiàn)有技術(shù)介紹

目前污水源換熱器種類很多，形式也是多種多樣，有寬通道換熱技術(shù)，列管換熱器，阻污機(jī)換熱器技術(shù)[3-4]，等。這些技術(shù)都有各自的特點(diǎn)，但由于污水組分的復(fù)雜性，上述技術(shù)未能一次性解決污水中雜質(zhì)所產(chǎn)生的問題。

其中，寬通道及列管換熱器通過加大污水流動的通道進(jìn)而減少阻力，從而解決了系統(tǒng)供熱量隨時間延長而衰減的問題，但其未能從根本上杜絕污水雜質(zhì)進(jìn)入換熱器中，使用過程中依舊會出現(xiàn)結(jié)垢，生物膜貼附等問題；阻污機(jī)換熱技術(shù)是在污水進(jìn)入換熱器前將污水中的固體漂浮物打碎，進(jìn)而使污水的流動性增強(qiáng)，但其解決污水中纏繞物的堵塞能力較差。

由上述可知，影響污水換熱器換熱能力的主要原因是由于污水組分過于復(fù)雜，且其物性不同，無法通過單一手段徹底處理掉污水中所有影響換熱的雜質(zhì)，故要提高污水換熱器的換熱能力，首先要從了解污水組分及其物性著手，經(jīng)分析，城市污水中不利于換熱的雜質(zhì)主要有四類。

一類是最上面的懸浮類雜質(zhì)，此類雜質(zhì)以泡沫、木屑等輕質(zhì)材料為主，此類雜質(zhì)經(jīng)過換熱器時，容易漂浮在換熱器上方，極易造成換熱器堵塞。

二類是水底的沉積類雜質(zhì)，此類雜質(zhì)密度較大，以泥沙為主，此類雜質(zhì)容易沉積在換熱器底部，這些雜質(zhì)導(dǎo)致傳統(tǒng)換熱器需要經(jīng)常清理污垢，沉積過多的此類雜質(zhì)還容易板結(jié)，板結(jié)后清理更加困難。

三類是懸浮于水中的雜質(zhì)，此類雜質(zhì)密度和水接近，懸浮于水中，此類雜質(zhì)容易被帶走，一般不會給換熱器帶來太大威脅。但如果換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，有明顯的流通不暢部位，會導(dǎo)致此類雜質(zhì)聚集，也會產(chǎn)生臟堵。

四類是腐蝕類雜質(zhì)，此類雜質(zhì)容易腐蝕換熱器，長時間使用導(dǎo)致?lián)Q熱器銹蝕影響換熱，嚴(yán)重者導(dǎo)致?lián)Q熱器泄露。

為解決上述污水雜質(zhì)影響換熱器效率的問題，提供了一種新的技術(shù)路線，該技術(shù)采用毛細(xì)管換熱技術(shù)，可解決污水雜質(zhì)造成換熱器效果差的問題，具有清洗方便、占地空間少、使用壽命長、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，下面從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、換熱機(jī)理、實(shí)施方式三個方面對其進(jìn)行詳細(xì)描述。

2 污水換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該新型毛細(xì)管壁污水換熱器是一種將毛細(xì)管固定于污水管道內(nèi)壁的換熱器（圖1、2），沿污水管道敷設(shè)。中介清水在毛細(xì)管內(nèi)流動，污水在管道內(nèi)流動，由于污水通道足夠?qū)挘@避免了常規(guī)的堵塞問題，如長時間沉積泥沙等臟污染物，僅需將進(jìn)水口或出水口接上高壓清水沖洗即可。此裝置換熱效率高，免人工拆洗。

圖1 新型毛細(xì)管壁污水換熱器構(gòu)造圖

圖2 新型毛細(xì)管壁污水換熱器剖面圖

毛細(xì)管采用美國某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品使用抗紫外線并且耐低溫（-40℃）的特殊工業(yè)用聚丙烯（polypropylene）塑料制成，生產(chǎn)出超細(xì)（外徑6.35 mm）、超?。ū诤?.63 mm）、大換熱面積（同體積換熱器的換熱面積是金屬換熱器的3 倍）、不長菌、不長藻、不結(jié)水垢、不銹蝕的可靠、耐用（保用壽命40 年）的污水換熱器。同時，該設(shè)備導(dǎo)熱系數(shù)適中，表面光滑不易沉積雜質(zhì)。

3 新型換熱器設(shè)計計算

換熱能力是換熱器的一個重要指標(biāo)參數(shù)，由于污水水質(zhì)復(fù)雜，與清水物性相差較大，因此污水換熱器的設(shè)計不能簡單的套用清水換熱器的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)，本文參考孫德興博士發(fā)表的污水換熱器的設(shè)計計算[5]中方法及參數(shù)對新型毛細(xì)管壁污水散熱器的換熱能力進(jìn)行了計算。

中介清水和生活污水在毛細(xì)管壁實(shí)現(xiàn)換熱，該換熱過程主要包括污水與毛細(xì)管外壁面對流傳熱、毛細(xì)管管壁導(dǎo)熱、毛細(xì)管內(nèi)壁與中介清水對流換熱三個換熱過程，該換熱器換熱系數(shù)計算公式為

式中：h0為污水側(cè)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；d0為毛細(xì)管外徑，mm；di為毛細(xì)管內(nèi)徑，mm；λ為毛細(xì)管管材導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；hi為中介清水側(cè)內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·2℃)。

1）污水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi

污水與毛細(xì)管壁換熱過程屬于外掠圓管換熱[6]，該換熱過程屬于對流換熱的一種，污水流速取值范圍為0.8 m/s～1.3 m/s，該區(qū)間對應(yīng)的雷諾數(shù)Re=（v1d0）/u0=（[ 0.8～1.3）×6.35×10-3]（/3.2×10-6）=1588～2580。該雷諾數(shù)在1000＜Re＜2×105區(qū)間內(nèi)，則選用的計算公式具體為：

式中：λ0為污水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；N u0為污水努塞爾數(shù)；Re0為污水雷諾數(shù)；Pr0為污水普朗特數(shù)。

2）中介清水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2

中介清水在毛細(xì)管內(nèi)屬于管內(nèi)受迫對流換熱過程[6]，考慮換熱器阻力及減少使用過程中的泵耗，中介清水在管內(nèi)流速定為0.75m/s，其雷諾數(shù)為Re=（v1di）/ui=（0.75×5.72×10-3）（/1.3×10-6）=3300＞2300，該速度下中介清水屬于過渡流，則選用的計算公式為：

式中：λi為中介清水導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；Nui為中介清水努塞爾數(shù)；Rei為中介清水雷諾數(shù)；Pri為中介清水普朗特數(shù)。

經(jīng)過計算，如表1 所示，新型毛細(xì)管壁污水換熱器在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)總換熱系數(shù)達(dá)最高可達(dá)986 W/(m·2℃)，其換熱效率較高。

表1 不同設(shè)計參數(shù)工況下?lián)Q熱器設(shè)計參數(shù)

4 實(shí)施方式

本技術(shù)實(shí)施方式主要有三種：

一種應(yīng)用方式是將該換熱器廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的污水、廢水的余熱利用項(xiàng)目中，既減少了能源的浪費(fèi)，起到了節(jié)能環(huán)保的效果，同時也可以為企業(yè)帶來不錯的經(jīng)濟(jì)效益。

二種應(yīng)用方式主要是將換熱器應(yīng)用于污水源熱泵系統(tǒng)（圖3），該系統(tǒng)使用水泵從污水水渠、水池或溝槽中將污水送至該換熱器并與中介清水實(shí)現(xiàn)換熱，并通過熱泵系統(tǒng)閥門的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)冬季從污水中取熱、夏季向污水中放熱，從而進(jìn)一步降低建筑采暖及供冷的電耗。

圖3 熱泵系統(tǒng)流程圖

三種實(shí)施方式為將該換熱器應(yīng)用于模塊化機(jī)組中，即該系統(tǒng)是將污水換熱器、空調(diào)補(bǔ)水箱、變頻補(bǔ)水泵、中介水循環(huán)泵、空調(diào)循環(huán)泵，污水源熱泵機(jī)組撬裝于一個集裝箱內(nèi)，為建筑供冷供暖，該實(shí)施方案具有布置靈活、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

文章介紹了一種新型毛細(xì)管壁污水換熱器，該新型換熱器從設(shè)計結(jié)構(gòu)上解決了污水源熱泵由于污水水質(zhì)復(fù)雜造成的換熱器堵塞、換熱效果差等問題，可廣泛應(yīng)用于撬裝式熱泵系統(tǒng)中，極大減少設(shè)備的占地空間，從性能上分析，該換熱器換熱系數(shù)可達(dá)986 W/（m2·℃），且清洗方便，可長時間保證熱泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，在污水余熱回收利用方面具有一定的推廣應(yīng)用價值，同時我們也將會繼續(xù)關(guān)注其在實(shí)際使用中的效果，并對其逐步進(jìn)行完善以達(dá)到更優(yōu)的使用效果。