沈 朝,姜益強(qiáng),姚 楊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150090)

自動(dòng)除污型污水-水換熱器的數(shù)值模擬

沈 朝,姜益強(qiáng),姚 楊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150090)

針對(duì)污水源熱泵污水側(cè)除污問題,提出并設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)除污功能的殼管式換熱器?；诜植紖?shù)法對(duì)其建立了穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。采用矩陣控制的方法求解模型,并對(duì)其除污前后不同的污水、循環(huán)水流量,不同的換熱面積下兩側(cè)流體的溫度分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,當(dāng)換熱器面積設(shè)計(jì)偏大時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部熱量反交換現(xiàn)象,并指出了多發(fā)區(qū)。將除污功能應(yīng)用于殼管式換熱器,相應(yīng)地減小換熱器的體積,可使殼管式污水-水換熱器在最佳工況下運(yùn)行。

污水源熱泵;換熱器;自動(dòng)除污;穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

利用地表水(城市污水、江河湖水、海水等)作為熱泵冷熱源為建筑供暖空調(diào)具有重要的節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]。除此之外,洗浴中心和游泳池[3]、油田[4]、藥廠、啤酒廠、醫(yī)院等的污水均可以因地制宜地回收熱能以滿足自身的工藝用能或廠區(qū)供熱制冷的需要[5]。但由于污水水質(zhì)惡劣,要實(shí)現(xiàn)污水冷熱量的有效傳遞與轉(zhuǎn)換,必須克服污物對(duì)換熱設(shè)備的阻塞與污染問題[6]。針對(duì)這一問題,國(guó)內(nèi)外開發(fā)了一些系統(tǒng)應(yīng)用工藝。挪威、瑞典采用淋水式污水換熱器[7-8],蒸發(fā)器每3～5 d用高壓水沖洗一次,每年有1～2次化學(xué)清洗。日本開發(fā)的殼管式污水源熱泵系統(tǒng),傳熱管內(nèi)帶有自動(dòng)移行的毛刷,并附有毛刷收容器以及可改變管內(nèi)水流方向的四通閥[9-10]。管道的日沖洗次數(shù)為4～6次[11],需要定期更換管道內(nèi)毛刷。中國(guó)的大量研究側(cè)重于污水冷熱源的價(jià)值與前景方面,而對(duì)流動(dòng)阻塞與換熱問題研究較少,應(yīng)用側(cè)重于浸泡式系統(tǒng),即將盤管直接浸泡在污水坑池中。由于是自然對(duì)流,且換熱溫差小,所需換熱面積極大,相應(yīng)的管材用量和污水坑的體積都極大,其前景并不樂觀[12]。針對(duì)這一問題,本文介紹了一種具有自動(dòng)管外除污功能的殼管式污水換熱器。自動(dòng)除污型污水-水殼管式污水換熱器是污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,是筆者在污水換熱器方面提出的一種除污裝置[13]。該裝置起到連續(xù)換熱和除污的作用,其核心部件為管外除污設(shè)備。文章介紹了自動(dòng)除污型污水-水換熱器的結(jié)構(gòu)原理,建立了污水-水換熱器合理的數(shù)學(xué)模型,采用矩陣控制的方法求解模型,并對(duì)該換熱器的運(yùn)行特性進(jìn)行了模擬研究。

1 自動(dòng)除污型污水換熱器的工作原理和結(jié)構(gòu)尺寸

自動(dòng)除污型污水-水換熱器應(yīng)用于間接式污水源熱泵系統(tǒng),系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 間接殼管式污水源熱泵系統(tǒng)示意圖

與以往不同,管外自動(dòng)除污型污水換熱器有其特有的結(jié)構(gòu)(見圖2)。1)污水在管外流動(dòng),循環(huán)水在管內(nèi)流動(dòng),兩側(cè)流體在流動(dòng)過程中換熱。2)殼體中心軸上設(shè)有一根可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸,上面刻有螺紋。折流板由2塊不銹鋼板和中間橡膠夾層組成。折流板設(shè)置成獨(dú)立體,中間轉(zhuǎn)軸和換熱管穿過折流板。中間轉(zhuǎn)軸與折流板以螺紋連接,換熱管與折流板的膠皮夾層接觸。該設(shè)備除污時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中間轉(zhuǎn)軸,在螺紋作用下折流板沿軸向移動(dòng)。折流板橡膠夾層刮擦換熱管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除污。

圖2 污水-水殼管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

污水-水殼管式換熱器主要包括殼體、循環(huán)水轉(zhuǎn)向端蓋、換熱管、折流板、管板以及中間轉(zhuǎn)軸等。換熱管穿過折流板并通過管箍固定在管板上,可以拆卸。折流板由2個(gè)塑料夾板和中間的膠皮夾層組成,上下交錯(cuò)依次在殼體內(nèi)軸向排開。污水從殼體上側(cè)左端進(jìn)入右端流出,在殼體內(nèi)受折流板的作用而上下迂回前進(jìn)。循環(huán)水由管程的左下端進(jìn)入換熱管,經(jīng)過6個(gè)管程后從左上端流出管程。循環(huán)水的轉(zhuǎn)向是通過兩端的端蓋實(shí)現(xiàn)的,在轉(zhuǎn)向腔體內(nèi)循環(huán)水充分混合。兩側(cè)流體在殼體內(nèi)實(shí)現(xiàn)污水與循環(huán)水的換熱。換熱管材質(zhì)可根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件等選用鈦、鋁塑、紫銅、黃銅、鍍鋅銅管、碳鋼電鍍銅合金、不銹鋼等。為防止銹蝕,與污水接觸的其他裝置,如殼體、管板等都采用鍍鋅材質(zhì)。

圖3 污水-水換熱器部件圖

針對(duì)夏季運(yùn)行工況設(shè)計(jì)了2種不同換熱面積的污水-水殼管式換熱器。污水進(jìn)/出口溫度為20/28℃,循環(huán)水設(shè)計(jì)進(jìn)/出口溫度為33/23℃。換熱管采用紫銅光管,殼體采用不銹鋼材料。具體參數(shù)見表1。

表1 換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸

2 模型的建立和理論分析

對(duì)換熱器的模擬首先要建立殼管式換熱器的數(shù)學(xué)模型。換熱器管程數(shù)為n,在每一管程有m根換熱管。由于在換熱器兩端循環(huán)水轉(zhuǎn)向端蓋的作用,同一管程中每根換熱管的入口端循環(huán)水溫度相同,在出口端循環(huán)水混合,溫度也將一樣。這樣同一管程中的換熱管換熱特性基本一致。污水側(cè),軸向上通過折流板將污水分成若干程。

將模型微元?jiǎng)澐?左右方向以折流板為分界線劃分為j列,上下方向污水橫掠一個(gè)管程劃分為一個(gè)微元,如圖4中微元塊1。由于換熱器除污功能的要求,第j列的軸向?qū)挾葹?×B,是其它列寬度的2倍。第j列仍按微元塊1劃分,換熱面積為微元塊1的2倍(為方便描述以后也稱為微元塊1)。在第1列和第j列分別劃分為5個(gè)微元塊1。第2列至第j-1列分別劃分出4個(gè)微元塊1。污水流過上缺口折流板和下缺口折流板時(shí),以微元塊2的方式劃分,如圖4中微元塊2。所以劃分出5×2+4× (j-2)+(j-1)個(gè)微元塊。這是分布參數(shù)法建模。由于污水、循環(huán)水多管程多殼程交叉換熱,使得模擬計(jì)算中不能按一側(cè)流體的流向依次計(jì)算出微元塊參數(shù)。這里需同時(shí)設(shè)出各微元塊參數(shù),通過匹配同時(shí)求解。

圖4 污水-循環(huán)水換熱器的模型圖

按循環(huán)水的流動(dòng)方向,在每個(gè)微元塊的進(jìn)口、出口處分別設(shè)出循環(huán)水平均參數(shù)。每個(gè)微元塊循環(huán)水的出口參數(shù)也是下一個(gè)微元塊入口參數(shù)。在污水流動(dòng)方向上,在每個(gè)微元入口、出口處分別設(shè)出污水的平均參數(shù),每個(gè)微元塊污水的出口參數(shù)也是下一個(gè)微元塊污水的進(jìn)口參數(shù)。入口條件包括流體的溫度、流量等。在每個(gè)微元塊的計(jì)算中,分為循環(huán)水側(cè)和污水側(cè)2部分。

換熱過程由循環(huán)水側(cè)流動(dòng)換熱和污水側(cè)流動(dòng)換熱2個(gè)環(huán)節(jié)組成。由此可計(jì)算各微元的未知量。

循環(huán)水側(cè)：

對(duì)整個(gè)換熱過程編制程序,就得到了殼管式換熱器的分布參數(shù)模型,程序算法流程圖見圖5。

圖5 管外除污型污水換熱器的算法流程圖

3模擬結(jié)果及分析

因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行時(shí),換熱器污水、循環(huán)水進(jìn)出口溫度都要求有一個(gè)特定值,故流量比也是一個(gè)固定值。本次模擬中按Ms/Mt=1.25的比例取值。模擬中,污水入口溫度為 20℃,循環(huán)水入口溫度為33℃。污垢熱阻在換熱器未除污時(shí)選定TEMA標(biāo)準(zhǔn)推薦的未凈化污水在溫度小于52℃的污垢熱阻值5.28×10-4m2?K/W,由于殘余污垢,除污后污垢熱阻取2.84×10-4m2?K/W[14]。對(duì)表1中所設(shè)計(jì)的2種換熱面積的污水換熱器進(jìn)行模擬研究。

圖6、7分別為除污后污水流量為14.91 kg/s、循環(huán)水流量為11.98 kg/s時(shí)換熱器一中污水和循環(huán)水的溫度沿流動(dòng)方向的分布情況。從圖6中可以看出,污水沿流動(dòng)方向溫度整體呈上升趨勢(shì),但在微元序號(hào)為72、79的局部區(qū)段溫度出現(xiàn)下降趨勢(shì);與之對(duì)應(yīng),在圖7中循環(huán)水的溫度總體呈下降的趨勢(shì),但在微元序號(hào)為50、75的局部區(qū)段有溫度上升的趨勢(shì)。經(jīng)分析,圖6污水溫度下降的區(qū)段與圖7中循環(huán)水溫度上升區(qū)段恰好處在同一個(gè)微元內(nèi),這一現(xiàn)象符合能量守恒定律。整個(gè)換熱過程目的本是循環(huán)水向污水傳遞熱量,但在局部卻出現(xiàn)了污水向循環(huán)水傳遞熱量現(xiàn)象,故我們將這種現(xiàn)象稱為“熱量反交換”。

圖6 有熱量反交換時(shí)污水溫度變化

圖7 有熱量反交換時(shí)循環(huán)水溫度變化

通過多組污水以及循環(huán)水溫度分布曲線可知“熱量反交換”現(xiàn)象多發(fā)生在換熱器的右上角,如圖8所示。此處為污水出口與循環(huán)水最后2個(gè)管程交叉處。這是由于污水在循環(huán)水第一管程末端(換熱器右下角)與剛流入換熱器的高溫循環(huán)水換熱,溫度升高后,直接流到第5、6管程(換熱器右上角)與將要流出換熱器的低溫循環(huán)水換熱。此處污水溫度高于循環(huán)水溫度,故出現(xiàn)“熱量反交換”。此過程污水充當(dāng)載熱體將第1管程中循環(huán)水的熱量傳遞給第5、6管程中低溫循環(huán)水,產(chǎn)生熱短路。圖9、10為兩側(cè)流體流量增加后,換熱器一中污水以及循環(huán)水溫度沿流動(dòng)方向的分布圖。從圖中可以看出兩側(cè)流體溫度在流動(dòng)方向呈單調(diào)的趨勢(shì),并沒有出現(xiàn)“熱量反交換”現(xiàn)象。

圖8 熱量反交換多發(fā)區(qū)示意圖

圖11給出了“熱量反交換”微元個(gè)數(shù)的變化情況。進(jìn)而分析了影響“熱量反交換”的因素。其中換熱器二的換熱面積比換熱器一的小(見表1)。圖中可以看出,隨污水流量的增加,熱量反交換區(qū)域減小直至消失。在相同污水流量下,換熱器的換熱面積越大熱量反交換區(qū)域越大,并且除污后熱量反交換區(qū)域會(huì)增大。由此說明除污作用相當(dāng)于增大了換熱器的換熱面積。結(jié)果表明,“熱量反交換”區(qū)域的大小與兩側(cè)流體的流量、換熱器換熱面積的大小以及是否除污有關(guān)。

圖9 無(wú)熱量反交換時(shí)污水溫度變化

圖10 無(wú)熱量反交換時(shí)循環(huán)水溫度變化

圖11 熱量反交換微元個(gè)數(shù)與污水流量關(guān)系

圖12為換熱器一除污前后換熱量隨污水流量變化關(guān)系。結(jié)果顯示,除污后要比除污前的換熱量大。且換熱量隨兩側(cè)流體流量的增加呈直線上升。圖9、12綜合說明,將除污功能應(yīng)用于殼管式換熱器,減小換熱器的體積,使其恰好不發(fā)生“熱量反交換”現(xiàn)象,是殼管式污水-水換熱器的最佳運(yùn)行工況。

圖13所示為兩側(cè)流體的進(jìn)出口溫差隨流量變化關(guān)系。隨著流量的增加,污水以及循環(huán)水的進(jìn)出口溫差稍有降低的趨勢(shì),但降低程度并不明顯,循環(huán)水溫差從8.19℃降到了7.24℃;污水溫差從6.55℃降到了5.79℃。這個(gè)溫度變化在實(shí)際工程中是微乎其微的可以忽略。所以對(duì)一個(gè)已定的換熱器,當(dāng)兩側(cè)流體的進(jìn)口溫度給定時(shí),流量變化對(duì)流體出口溫度的影響很小。

圖12 換熱器一除污前后換熱量隨流量的變化

圖13 換熱器二兩側(cè)流體進(jìn)出口溫差與流量的關(guān)系

4 結(jié) 論

提出了除污型污水-水殼管式換熱器,闡述了其結(jié)構(gòu)原理。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行了模擬研究,得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)流量小換熱器面積較大時(shí),在換熱器的局部會(huì)出現(xiàn)熱短路即“熱量反交換”現(xiàn)象。兩側(cè)流體流量越大,熱量反交換面積越小。

2)除污后殼管式換熱器可大大提高換熱量。將除污功能應(yīng)用于殼管式換熱器,并相應(yīng)減小換熱器的體積,使其恰好不發(fā)生“熱量反交換”現(xiàn)象,是殼管式污水-水換熱器的最佳運(yùn)行工況。

3)對(duì)一個(gè)已定的換熱器,當(dāng)兩側(cè)流體的進(jìn)口溫度給定時(shí),流量變化對(duì)流體出口溫度的影響很小。

[1]江億.我國(guó)建筑能耗狀況及有效的節(jié)能前途[J].暖通空調(diào),2005,35(5)：30-40.

JIANG Y I.Current building energy consump tion in China and effective energy efficiency measures[J]. H V&AC,2005,35(5)：30-40.

[2]昝成,史琳,程鄴,等.再生水二級(jí)出水水溫特點(diǎn)與熱利用[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2007,34(2)：31-34.

ZAN CHENG,SHILIN,CHENG YE,et al.Temperature characteristics of secondary effluent and its thermal application[J].Journal of North China Electric Power University,2007,34(2)：31-34.

[3]BAEK N C,SHIN U C,YOON JH.A study on the design and analysis of a heat pump heating system using wastewater as a heat source[J].Solar Energy,2005, 78(3)：427-440.

[4]TANG G H,ZHUANG Z N.Analysis of the energysaving plan of the heaters in an oil refinery[J]. Chem ical Machinery,2000,6：352-354.

[5]HOLMGREN K.Ro le of a district-heating netw ork as a user of waste heat supp ly from various sources the ease of Goteborg[J].App lied Energy,2006,83(12)：1352-1354.

[6]吳榮華,林福軍,孫德興.城市原生污水冷熱源應(yīng)用的關(guān)鍵因素研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2004,20(6)：95-97.

WU RONG-HUA,LIN FU-JUN,SUN DE-X ING. Study on key sectors of app lying untreatment sew age w ater of city using as cool and heat sources[J].Journal of Harbin University of Commerce：Natural Sciences Edition,2004,20(6)：95-97.

[7]劉光遠(yuǎn),陳興華.俄羅斯熱泵新技術(shù)介紹[J].能源研究與利用,2001(3)：17-19.

LIU GUANG-YUAN,CHEN XING-HUA.Russia's new techno logy for heat pum p[J].Research and U tilization of Energy.2011(3)：17-19.

[8]吳榮華,孫德興.哈爾濱望江賓館利用城市污水中的能源[J].中國(guó)給水排水,2003(12)：92-93.

WU RONG-HUA,SUN DE-XING.Energy use of urban sewage in Wang Jiang Hotel H arbin[J].China Water&Wastew ater,2003(12)：92-93.

[9]NORIO A.Evaluation of energy use in district heating and cooling p lant using sew age and oneusing air as heat source[J].Joural of the Japan Institute of Energy, 2000(5)：446-454.

[10]YOSH II T.Technology for utilizing unused low tem perature difference energy[J].Journalof the Japan Institute of Energy,2001(8)：696-706.

[11]尹軍,陳雷,王鶴立.城市污水的資源再生及熱能回收利用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[12]吳榮華,孫德興,張成虎,等.城市污水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(8)：1326-1329.

WU RONG-HUA,SUN DE-XING,ZHANG CHENGHU.App lication and p rogress of urban wastew ater as a cool and heat source[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2006,38(8)：1326-1329.

[13]姜益強(qiáng),姚楊,馬最良,等.具有快速除污功能的完全可拆裝的管殼式換熱器：中國(guó),ZL200810064925.7[P]. 2010-06-23.

[14]吳榮華,孫德興,張成虎,等.熱泵冷熱源城市原生污水的流動(dòng)阻塞與換熱特性[J].暖通空調(diào),2005,35(2)：86-88.

WU RONG-HUA,SUN DE-XING,ZHANG CHENGHU,et al.Flowing block and heat transfer characteristics of urban sewageas cold and heat source of heat pumps[J]. HV&AC,2005,35(2)：86-88.

(編輯 胡英奎)

Analysis of Sewage-water Heat Exchanger w ith the Function of Auto-de-fouling

SHENChao,JIANGYi-qiang,YAOYang
(School of Municipal and Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

A sewage-w ater shell-tube heat exchanger with the function of de-fouling was proposed and designed for sewage-source heat pump.Its new sim ulation program which relies on a distribution parameter com putationalmethod was set up.Then themodel was solved w ith the method of Matrix Control.Based on the model,the distribution of bilateral fluid tem peraturew ere studied,under the conditions of different flow rates and heat exchange area before and after the de-fouling.Results showed that therew ill be heat anti-transfer phenomenon if the heat exchanger area is bigger than need and the region of this phenomenon was point out.Setting the function of auto-de-fouling in shell-tube heat exchanger and reducing the equipment＇s volume accordingly can make the sewage-water heat exchanger run in the best conditions.

sew age source heat pump;heat exchangers;auto-de-fouling;steady-statemodel

TU833.3

A

1674-4764(2011)03-0107-05

2010-12-26

基金項(xiàng)目：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2006BAJ01A 06)

沈 朝(1984-),男,博士生,主要從事污水源熱泵的高效利用研究,(E-mail)Shenchao030647@163.com。姜益強(qiáng)(通訊作者),男,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)jyq7245@163.com。