莊兆意，刁乃仁，張承虎，孫德興

(1.山東建筑大學山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，山東 濟南 250101;3.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

熱泵技術(shù)是解決建筑物供暖空調(diào)節(jié)能減排問題的重要技術(shù)之一[1]，被稱為21世紀的“綠色空調(diào)技術(shù)”，但“熱泵雖好，熱源難找”[2]。城市原生污水是一種蘊含豐富低位熱能的可再生資源，在中國、日本、北歐的一些國家已經(jīng)得到一定程度的應用[3－7]。國內(nèi)近幾年污水源熱泵技術(shù)發(fā)展迅猛，其趨勢逐漸由間接式轉(zhuǎn)向直接式系統(tǒng)[8－9]。該系統(tǒng)中污水蒸發(fā)器和冷凝器的正確合理的設計是系統(tǒng)安全高效運行的關(guān)鍵問題。污水黏度大，換熱面污染嚴重，導致污水側(cè)的阻力較清水時大，換熱系數(shù)較清水時小[10]，并且為了減緩堵塞與污染的危險，不能像清水那樣采用波紋管、內(nèi)肋、內(nèi)插物等增強換熱的措施，換熱器內(nèi)只能采用光滑內(nèi)壁管。簡單套用以往的換熱器設計經(jīng)驗和參數(shù)已無法滿足實際工程需求。文章根據(jù)筆者近年來的實驗研究與工程實踐，給出了直接式污水源熱泵系統(tǒng)中的污水換熱器(冬季蒸發(fā)、夏季冷凝)的設計方法，可為同行設計者提供一種參考。

1 污水蒸發(fā)器(冷凝器)的設計計算方法

污水換熱器的設計主要包括性能和結(jié)構(gòu)兩個基本參數(shù)。其中，性能參數(shù)包括:換熱量Q，對數(shù)平均溫差Δtm，污水流量V，換熱器阻力ΔH;結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:換熱管基管尺寸did0，換熱管單管長度l，換熱管總根數(shù)N，換熱器殼體內(nèi)徑Di。

1.1 熱工設計

滿液式蒸發(fā)器和冷凝器的設計計算與其它類型的換熱器基本相同，主要也包括熱力計算和結(jié)構(gòu)設計等。若要進行結(jié)構(gòu)設計以完成管排布置，首先要根據(jù)已知條件計算其換熱面積和冷媒水流量等參數(shù)。

(1)污水流量

式中:V為污水流量，m3/h;Q為換熱器設計換熱量，W;cp為污水定壓比熱，kJ/kg.℃;ρ為污水的密度，kg/m3;tin，tout為污水進出換熱器的溫度，℃。

(2)對數(shù)平均溫差

式中:Δtm為換熱器對數(shù)平均溫差，℃;te、tc分別為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，℃。

(3)管內(nèi)污水側(cè)換熱系數(shù)

機組換熱器內(nèi)，污水在管內(nèi)受迫紊流對流換熱系數(shù)為[11]:

式中:λs為污水的導熱系數(shù)，W/(m·K);di為換熱管內(nèi)徑，m;Res為污水側(cè)雷諾數(shù)us為管內(nèi)污水流速，m/s;vs為污水的運動粘度，m2/s;Prs為污水側(cè)普朗特數(shù)/(λs·u0.08);cp，s為污水的定壓比熱，kJ/kg.℃;μs為污水的動力粘度，N.S/m2。

(4)制冷劑側(cè)換熱系數(shù)

蒸發(fā)時管束外換熱系數(shù)hr，e和冷凝時管束外換熱系數(shù)hr，c，可由文獻[12 － 14]中計算公式求得，針對高效蒸發(fā)冷凝兼用管，蒸發(fā)時= ζhr，e;冷凝時= ξhr，e，根據(jù)文獻[15 － 16]，系數(shù) ζ、ξ可近似取0.8。

(5)污垢熱阻

管內(nèi)為污水流動時，由實驗結(jié)論[17]可知，當污垢在涂納米層銅管內(nèi)某流速下達到漸近穩(wěn)定時，污垢熱阻值與管內(nèi)流速的關(guān)系式為

式中:Rf，s為管內(nèi)污水側(cè)的污垢熱阻值，(m2.K)/W;

(6)換熱器總傳熱系數(shù)

在管內(nèi)污水側(cè)和管外制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的基礎上，結(jié)合污垢熱阻(忽略管壁熱阻)，便可求得換熱器的總的傳熱系數(shù)K為

式中:Rf為管內(nèi)污垢熱阻，(m2·K)/W;A為基于管子包絡外徑的管外換熱面積，m2;Ai為基于標準內(nèi)徑的管內(nèi)換熱面積，m2;A0為換熱管管外總面積，m2。

(7)能量方程

式中:Q為換熱器的設計換熱量，W;F為換熱器總換熱面積，m2。

(8)阻力方程

式中:ΔH為換熱器內(nèi)沿程阻力，m;f為污水的沿程阻力系數(shù);由實驗結(jié)論可知[17]f=0.276(Re)－0.238;L為換熱器內(nèi)單管串聯(lián)總長度，m;∑ζ為各局部阻力系數(shù)和。

1.2 管排的優(yōu)化布置

一般滿液式蒸發(fā)器設計時，管板上最上層換熱管中心高度約為2/3倍的殼體內(nèi)徑?？紤]到該換熱器同時滿足蒸發(fā)和冷凝的需要，設計時取管板上最上層換熱管中心高度為3/4倍的殼體內(nèi)徑，管板最下層換熱管中心高度為1/5的殼體內(nèi)徑。

(1)所需換熱管總根數(shù):

(2)管板上均勻布滿換熱管時的殼體內(nèi)徑:

式中:s為管心距，取s/d0=1.5;e為殼體內(nèi)壁到管束最外換熱管外表面的距離，mm。

(3)確定換熱器殼體內(nèi)徑:管板上換熱管根數(shù)應大于 N'根，取 Di= γD'i，γ =1.1 ～ 1.2，設計時初步給定。

(4)計算換熱器管板管束最大直徑:

(5)計算換熱器管板中心線上管子數(shù)

(6)計算換熱器管板上中心線以上半圓內(nèi)管排數(shù)

(7)計算換熱器管板上中心線以下半圓內(nèi)管排數(shù)

(8)計算換熱器管板上總的換熱管數(shù):

將N與N'進行比較，必須滿足N≥N'(考慮到換熱器的體積，不宜過大)，否則調(diào)整γ值以調(diào)整殼體內(nèi)徑Di的大小。換熱器內(nèi)管排的布置流程(如圖1所示)。

圖1 換熱管排布置流程圖

2 污水蒸發(fā)器(冷凝器)的設計程序及應用

換熱器的性能參數(shù)Q、ΔH是設計計算時應事先給定的參數(shù);對數(shù)平均溫差Δtm則由污水進出口溫度與蒸發(fā)溫度te、冷凝溫度tc分別決定;污水流量V由換熱量和污水溫差決定，在溫差不確定時，污水流量應事先給定;因此，需要事先給定的這四個換熱器的性能參數(shù)是Q、ΔH、Δtm與V。剩下的三個參數(shù)N、L、d是換熱器設計中主要的待求參數(shù)，它們決定了換熱器面積的大小，一般情況下是給定管徑d來求出剩余的兩個參數(shù)。

機組換熱器的設計計算流程(如圖2所示)。

圖2 機組換熱器設計計算流程圖

3 算例及分析

3.1 熱工計算結(jié)果

文章結(jié)合某直接式污水源熱泵系統(tǒng)項目，該系統(tǒng)設計污水滿液式蒸發(fā)器換熱量為300kW，換熱管采用高效蒸發(fā)冷凝管，材質(zhì)為海軍銅管，管內(nèi)為光滑內(nèi)壁并作納米涂層處理，污水換熱管的尺寸(如表1所示)。利用上述Matlab程序進行設計計算，污水滿液式蒸發(fā)器的輸出結(jié)果如表2所示。

表1 污水換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 不同污水流速對應下的蒸發(fā)器性能參數(shù)

由表2可以看出，污水換熱器熱阻主要集中在污水側(cè)和管內(nèi)污垢熱阻，增加管內(nèi)流速能提高污水側(cè)換熱系數(shù)并能減小污垢熱阻，但同時也會帶來換熱器內(nèi)流動阻力的增大，給機組運行增加能耗。綜合考慮其流動阻力和換熱面積，文章取污水管內(nèi)設計流速為1.8m/s，則相應的換熱器設計參數(shù)如表2所示。蒸發(fā)器管排布置為4流程、水平布置或上下布置，每流程29根管，單管有效長度為3.55m，總根數(shù)為116根，殼體直徑為0.37m，換熱器阻力為5.84m。

3.2 管排優(yōu)化布置

結(jié)合上述計算結(jié)果，在污水滿液式蒸發(fā)器現(xiàn)有性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸，換熱管、管間距等參數(shù)不變時，根據(jù)管排優(yōu)化設計程序，對管排進行優(yōu)化設計，并與傳統(tǒng)滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行比較分析，其詳細數(shù)據(jù)如表3所示。

從由表3可以看出，利用文章所述的管排優(yōu)化設計方法，可將污水換熱器殼體內(nèi)徑由0.45m減少到0.43m，換熱管總根數(shù)由116根增加到124根，從而在減少蒸發(fā)器體積的同時增大了有效的換熱面積，管板中心線以上半圓管排數(shù)由原來的3排增加到4排，下半圓管排數(shù)由原來的9排減少到5排，使得換熱管集中到殼體中心，有利于殼體上方制冷劑蒸氣的流動及下方制冷劑液體的排出。

表3 污水滿液式蒸發(fā)器管排優(yōu)化設計結(jié)果

4 結(jié)論

文章探討了污水換熱器的熱工設計與結(jié)構(gòu)設計方法，編制了機組兩換熱器的設計程序，通過實際算例分析得到以下結(jié)論:通過增加污水的流程數(shù)可適當提高流速進而改善換熱，污水換熱器中污水以4流程為宜;要提高污水換熱器的整體性能，主要在于如何強化污水側(cè)換熱系數(shù)和減小管內(nèi)污垢熱阻;利用文章管排優(yōu)化方法，使得換熱器兼顧蒸發(fā)冷凝的同時換熱管布置更合理、緊湊，該優(yōu)化方法為直接式污水源熱泵換熱器的設計提供了一定的理論依據(jù)。

[1]梁浩，龍惟定.城市能源系統(tǒng)綜合規(guī)劃模型的研究與應用[J].山東建筑大學學報，2010，25(5):524 －528.

[2]孫德興，吳榮華，張承虎，等.開發(fā)水源技術(shù)解決熱泵發(fā)展的瓶頸問題[J].中國勘察設計，2006，21(5):30－32.

[3]Funamizu N.，Iida M.，Sakakura Y.，Reuse of heat energy in waste water:Implementation examples in Japan[J].Water Science and Technology，2001，43(10):277－286.

[4]錢劍鋒.直接式污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保性研究[J].建筑熱能通風空調(diào)，2011，30(1):18－22.

[5]吳學慧，孫德興，維好.納米涂層在污水源熱泵中的抗垢性研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2011，40(3):357－361.

[6]莊兆意，張承虎，潘亞文，等.直接式污水源熱泵規(guī)?；眉捌潢P(guān)鍵技術(shù)分析[J].可再生能源，2011，29(3):141 －145.

[7]Baek N.C.，Shin U.C.，Yoon J.H.，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.

[8]吳榮華，岳利茜，李琪.直接式與間接式污水源熱泵系統(tǒng)的比較[J].暖通空調(diào)，2011，41(9):111 －114.

[9]王立雷，梁俊強，刁乃仁.基于能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫的能耗評測方法研究[J].山東建筑大學學報，2010，25(2):109 －113.

[10]莊兆意，張承虎，孫德興，等.直接式污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].暖通空調(diào)，2011，41(10):96 －101.

[11]Wu Xue-hui，Zhang cheng-hu，Zhao ming-ming，Experimental study on viscosity characteristic of sewage in urban untreated sewage source heat pump system[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2010，17(1):82 －84.

[12]Webb R.L，Pals C.，Nucleate boiling data for five refrigerants on plain， integral-fin and enhanced tube geometries [J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1992，35(8):1893－1904.

[13]黃興華，王啟杰，王如竹.基于分布參數(shù)模型的滿液式蒸發(fā)器性能模擬[J].上海交通大學學報，2004，38(7):1164－1169.

[14]Zhuang Zhaoyi，Zhang Chenghu，and Wang Haiyan.Parallel Operation Characteristics Analysis of Sewage Source Heat Pump Units in Winter[J].Transactions of Tianjin University，2010，16(6):461－466.

[15]馬志先，張吉禮，孫德興.HFC245fa水平光管與強化管管束外冷凝換熱[J].化工學報，2010，61(5):1097－1106.

[16]曹建英，羅忠，吳劍.一種蒸發(fā)冷凝兼?zhèn)湫蛡鳠峁躘P].中國發(fā)明專利:200710036471.8，2007.01.15.

[17]徐瑩，伍悅濱，孫德興.城市污水的流動特性理論研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2010，42(8):1292 －1296.