浅议污水源热泵机组的换热器.doc

浅议污水源热泵机组的换热器污水源热泵机组中的换热器在机组中占有重要地位，选择和设计适合污水水质的换热器，是污水源热泵系统的关键技术问题。1.污水对换热器性能的影响由于污水水质特点，用于与污水进行热交换的换热器的堵塞、结垢和腐蚀等问题显得很突出，这也是污水源热泵的特殊性所在。1.1换热器堵塞问题未经处理的城市原生污水或者是污水处理厂的二级出水中，有一些固形悬浮物和一些大尺度污物，如长条状的水藻、毛发、塑料纤维等杂物进入热交换器，会在换热管上发生缠绕堵塞且难以清除。影响热交换的效率和水流的通畅，甚至发生堵塞。虽然在水处理中，悬浮物可以用筛滤、上浮、下沉等简单方法去除。但在污水源热泵系统中悬浮物对系统的危害是首要的，解决其对系统管道和设备的阻塞是非常关键的技术。为有效地阻拦这些杂物进入换热器，通常对这类污水除了用格栅拦截粗大的漂浮物外，还应在换热器前设置自动筛滤器。自动筛滤器9主要由孔式旋转筛滤筒和毛刷等构成。当污水中的浮游物堵塞滤筒，毛刷将随着旋转工作的筛滤筒进行上下刷洗，被洗刷掉的污物和截留的浮游物一同汇集到筛滤器的底部。对于截留在筛滤筒表面的毛发等纤维物质，经筛滤器内的刀片进行切割后，与筛滤器底部的污物一同定期自动排出。此外，为去除附着在筛滤筒内外表面的污垢，筛滤器还具有自动水力反冲洗的功能，可定时。一般反冲洗的间隔时间为sh，每次反冲洗时间为605。1.2换热器结垢问题污垢大部分是热的不良导体，导热率只有碳钢的十分之一，和铜等热的良导体相比，差别就更大。据调查90%以上的换热设备都存在同程度的污垢问题。污垢存在的危害如下:使传热热阻增加，恶化了换热器的传热性能，增大了原材料的消耗;垢层的增厚使介质通过的面积减小，在流量维持恒定的情况下，平均流动速度增加;同时污垢使流道表面的粗糙程度增加引起摩擦系数和局部阻力系数的增加，使换热器的流动阻力压降增大，为了保证传热量不变，就必须增大泵的消耗功率;污垢的积聚是引发换热面的局部腐蚀甚至穿孔的主要原因，严重威胁换热设备的安全进行。所以在换热器的设计、使用中，如何防垢、抑垢、除垢是非常重要的。尽管一直在进行有关污垢的科学研究，但至今还没有用于换热器设计的污垢热阻值。在换热器的设计中，污垢热阻的选取往往靠经验技巧。恰当地选择换热器的型式可以大大减轻污垢的影响。在换热器选型时，要注意两个问题:一是要尽量减轻污垢的影响，二是要易于清洗。由于污水源热泵系统的换热器会严重污染，所以正确选择换热器的型式和结构非常重要，而热力和水力考虑则在其次。1.3换热器腐蚀问题城市污水水质有一定的腐蚀性，因此换热器和传热管的选材非常重要。由于各城市污水厂来水的化学成分差别大，处理的方式不同，其二级出水的化学成分也相差较大，要正确评价水质其对换热器材料的腐蚀问题首先要得到污水厂出水完整的化学数据。下面介绍制造水源热泵换热器的几种主要材料:纯铜及铜合金纯铜及铜合金具有导热好、易加工特点。对污水中的氯离子有一定的耐蚀性。铜合金管材HSn70一IA管具有相当的抗脱锌能力，可在溶解固形物I000mg/L，氯离子150mg/L，按离子lmg/L的污水中使用;B3O管是一种含Ne30%左右的白铜管，具有良好的耐砂蚀性能和耐氯蚀性能。适用于含氯离子l000mg/L，按离子Zmg/L的污水中，但此材料价格较高。同时在选用与污水直接接触的换热器材料时应关注水处理剂三氯化铁中三价铁离子对铜及铜合金材料氧化腐蚀。不锈钢材料不锈钢材料是热交换器常用的材料。此种材料对水中的按离子有较强的耐蚀性，但如果水中有较多的氯离子则会与溶解氧共同作用破坏不锈钢材料的晶间结构，造成点蚀。钦合金钦管对氯化物、硫化物和氨都具有较好的耐蚀性，可在高度污染的淡水和海水中使用。但由于价格昂贵，焊接技术要求高而限制了其使用的范围。除了选用金属材质外，现在也有人尝试采用非金属材料来制造换热器的盘管。目前最常用的非金属材料有PE一X、PP一R、铝塑复合管等。因铝塑管内外壁是交联聚乙烯材料，具有耐腐蚀性，同时内壁光滑，水力性好。其机械性能也优于PE一X、PP一R。但毕竟非金属材料的传热性能是远不如金属材料的，而且非金属材料很难通过加肋、超薄管壁、波纹管壁等增强传热的措施，要获得足够的换热量势必要很大的换热面积，这给制造与安装带来一些新问题。2.常用换热器的类型及特点水源热泵系统的换热器类型主要有:板式换热器、壳管式换热器、沉浸式换热器、淋激式换热器。2.1板式换热器是由一些波纹形状的金属片叠装而成的一种换热器，板片之间形成薄矩形通道，冷热流体相间地流过板间通道，换热系数较高，方便拆卸清洗。但承压能力有限(工作压力要求在2.SMPa以下)，而且不宜于进行含有较大固体颗粒或纤维物质的介质换热，容易阻塞板间通道。2.2管壳式换热器在一个圆筒形壳体内设置许多平行管束，两种流体分别从管内空间和管外空间流过进行热量交换。这种换热器结构坚固，易于制造，适应性强，处理能力大，高温、高压情况下也可应用。其缺点是材料消耗大，不紧凑，壳侧不易清洗。2.3沉浸式换热器将换热器的传热面沉浸在液体的容器或池内进行换热的换热器。具有构造简单，制作、修理方便和容易清洗等优点，适用使用有腐蚀性的流体。所以，沉浸式换热器比较适合做污水源热泵的污水/制冷剂换热器或水/水换热器。但传热系数低，体积大。2000年北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发的污水源热泵系统工程，就选用的沉浸式换热器。2.4淋激式换热器在中型或大型的氨制冷装置中常采用一种淋激式冷凝器，这种冷凝器，氨气自排管底部进入，边上升边被冷凝为氨液，冷却水沿排管外表面顺流而下。这种换热器适用于水质较差的地区使用，通常安装在室外。按排管的形式区分，可分为横管式及螺旋管式两种。结构简单，制造、安装、维修方便。通过分析壳管式、板式、沉浸式、淋激式换热器特点，对于选择何种形式的换热器具有重要意义。淋激式换热器便于清除污垢，且换热系数通常比沉浸式换热器大。所以系统选择淋激式换热器冬季作蒸发器，夏季作冷凝器;选用板式换热器冬季作冷凝器，夏季作蒸发器。根据工程实际经验，一般用夏季工况设计选用的冷凝器(蒸发器)，能够满足冬季工况。3.首先对城市污水热能资源化的可行性进行了充分的论述，同时对城市污水热能资源化的主要方式一一污水源热泵系统的关键技术问题进行了理论分析，并对淋激式换热器及板式换热器进行设计计算。针对某工程项目具体工艺要求及哈尔滨地区的气候条件和污水状况，设计一套工程上可行的污水源热泵系统一一冷暖地板空调系统，满足冬季供暖及夏季供热;同时对该系统实际运行数据进行了分析;利用数学方法对污水源热泵系统从经济、环境方面进行综合评价。得出的主要结论如下:1、城市污水热能资源化是污水资源化和建筑新能源开发的前沿课题。污水源热泵是国内近年来开始研究和应用的可再生能源利用方式，是城市污水热能资源化的有效途径。2、水源热泵系统的关键技术问题，就是选择和设计适合污水水质的换热器。根据污水水质的特点，其换热器应具有防堵塞、防腐蚀等功能。正确选择换热器的型式和结构非常重要，本文根据换热器的特点，设计淋激式换热器作为夏季用冷凝器。这种换热器结构简单、易于制造安装和检修、便于清除污垢，换热性能明显优于沉浸式和壳管式换热器，适合在污水环境中工作。3、分析若干工程实例及实验系统的基础上，为哈尔滨某办公楼设计了一个有代表性的污水源热泵系统。针对哈尔滨地区的气候条件及污水情况，对该热泵系统主要部件进行设计选型。这些基本的计算为污水源热泵各部件合理匹配、提高系统的性能提供了理论基础。4、通过对系统冬季运行工况的性能进行分析，得出系统平均COP值为3.8左右，具有良好的节能性和经济性。另一方面，室外气温变化最大温差最高可达40，而污水最大温度变化仅为4，这是使压缩机及系统稳定工作的一个主要原因，这也进一步验证了污水热能的可利用性及污水源热泵的优越性。5、利用模数学方法对污水源热泵供热系统进行综合评价。不仅对影响经济的因素进行定量分析，还对影响环境的因素和进行定性分析。其最佳模式要求达到经济效益、环境效益综合满意的目标。评价结果是污水源热泵优于燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉、燃油锅炉，是最佳供热模式。虽然利用污水源热泵系统进行污水热能资源化研究应用中也存在着一些不足，比如缺乏污水源热泵系统合理的运行参数，设计经验比较欠缺，没有形成系统、科学的研究、评价和应用体系污水源热泵系统。但是综合上述结论，不难看出污水源热泵节能和环保效益显著，其系统将是我国建筑节能中的高效节能技术，将为全国建设小康社会提供新的清洁再生能源，实现能源结构的优质化转变。随着我国加入21世纪议程，把环境保护和可持续发展列入国家发展纲要，污水源热泵在我国的应用与推广将会有广阔的前景。