壳管式污水换热器的设计对堵塞换热的影响

壳管式污水换热器的设计对堵塞换热的影响
秦娜;付文成
【摘要】壳管式换热器在污水源热泵系统中间接提取污水热源,用这种换热器作为城市污水与清水之间的换热器,间接降低污水对机组的腐蚀损害.本文采用壳管式换热器作为污水与水间的换热器,首先对其进行结构设计计算,然后根据设计参数分析污水流速对堵塞换热的影响规律.
【期刊名称】《天津理工大学学报》
【年(卷),期】2018(034)005
【总页数】3页(P6-8)
【关键词】壳管式;污水换热器;堵塞;换热系数
【作者】秦娜;付文成
【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学),天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学),天津300384
【正文语种】中文
【中图分类】TK11.4
污水作为冷热源，可以实现低品位能源向高品位能源转换的目的[1].污水源热泵系统具有热量输出稳定、换热效果好、机组结构稳定等优点，是实现污水热源资源化
的有效途径.污水源热泵较其它传统能源相比，环保效益明显，污染物的排放可减
少70%以上[2]；节省能源，同电加热炉相比，可减少至少60%的电能，同燃煤锅炉相比，至少节省50%的燃料.同时由于污水源热泵系统热源温度稳定，制冷制热系数比传统的空气源热泵可提高约40%，因此其运行费用可以减少到普通中央空
调的50%左右，在未来的发展中拥有广阔的应用前景.
污水源热泵系统优势显著，但在实际应用中还有很多问题需要解决.例如，如何选
择清洁技术，如何确定系统的形式[3]、如何保证其经济性、稳定性等.如果是未经
任何处理的污水即原生污水作为冷热源，其直接进入机组将会严重腐蚀污染机组.
为保证机组的安全性能，一般情况下，会在机组前增加一个换热器（污水换热器），这样的系统称为间接式原生污水源热泵系统[4].目前工程中应用较多的换热器为壳
管式污水换热器，结构形式按其特点可分为[5]：填料函式、U形管式、浮头式、
固定管板式四类.在管壳式换热器设计时，必须考虑多种因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、壁面温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等[6].
壳管式换热器的主要优点是处理能力大，造价较低，结构简单，还可适应高温高压的要求[7].虽然它面临发展新型换热器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适
应性，至今仍然居于优势地位.例如在日本，其产量占全部换热器的70%，产值占了60%[8-9].
本文根据实际工况，采用壳管式换热器作为研究对象，首先对其进行结构进行设计计算[10]，然后根据设计参数分析污水流速对堵塞换热的影响规律.
1 壳管式换热器的设计计算
1.1 计算工况
设定：热负荷Q=1 080 kW，污水进口温度T1=15℃，出口温度T2=10℃，冷媒水进口温度t1=7℃，出口温度t2=12℃.换热管束的内管径为20 mm，其中流速
设为2.5 m/s.选取的材质是无缝钢管镍钢（易于机械加工，经济性好，耐腐蚀性优，结构特性稳定ωNi≈3.5%）热导率λb=14.4 W/m·K，传热管束的壁面厚度
∂b=2.5×10-3m.
1.2 换热器传热平均温差的计算
公式（1）为对数平均温差公式，在工程上，当Δtmax/Δtmin≤2 时，可以采取平均温差法公式（2）计算，公式如下：
1.3 冷媒水和污水的流量计算
式中：Q为热负荷，W；Vh为原生污水侧的流速，m/s；Vc为水侧的流速，m/s；ρ为水的密度，kg/m3；cp为原生污水和水的比热，J/kg·K；t′1 为污水的进口温度，℃；t″1为污水的出口温度，℃；t′2为水的进口温度，℃；t″2为水的出口温度，℃.
1.4 堵塞换热系数计算
式中：A0为换热器中心附近管排中流体流通截面积，m2；h为折流挡板间距，取300 mm；t为管中心距，对Φ25×2.5 mm，t=32 mm；Rec为冷水侧的雷诺数；Reh为污水侧的雷诺数；Prh为冷水侧普朗特数；Prh为污水侧普朗特数；
α0为冷水侧换热系数，W·m-2·K；αi为污水侧换热系数，W·m-2·K；K 为换热器传热系数，W·m-2·K；rc为水侧的污垢热阻，m2·K·W-1；rf为污水的污垢热阻，m2·K·W-1；∂b为传热管束的壁面厚度；λ 为传热管数的导热系数，W·m-1·K；n 为传热管束的根数；di为传热管束的内径，m；d0为传热管束的外径，m；A′为
换热器有效传热面积，m2.
2 计算结果
表1为污水流速为2.0 m/s的换热器规格尺寸，按照此方法，分别完成了管内污
水流速为2.5 m/s和3.0 m/s时的换热器的堵塞换热设计.
表1 设计规格Tab.1 Design parameters壳径D/mm管子排列方法800 4
Φ25×2.5 9 332 正三角形管程数Np管子尺寸/mm管长L/m管子总数n
图1为污水流速对污水侧换热系数的影响，从图上可知，当污水流速增加时换热
系数随之增大，当污水流速为2 m/s，污水侧换热系数约1 700 W·m-2·K，当污
水流速增大到3 m/s，污水侧换热系数约2 200 W·m-2·K.应用中可以适当增加流速，用以增大污水侧换热系数.
图2为污水流速对水侧换热系数的影响.从图上可知，随着管内污水流速增加，水
侧换热系数也增加.当污水流速为2 m/s，水侧换热系数约4 500 W·m-2·K，当污
水流速增大到3m/s，污水侧换热系数约5 600 W·m-2·K.
图3为污水流速对换热器堵塞换热系数的影响.从图上可知，当污水流速为2 m/s，堵塞换热系数约1 000 W·m-2·K，当污水流速增大到 3m/s，换热系数约 1 200 W·m-2·K，增大了约 20%.因此，在流速合理的范围内，为增大污水换热器的堵塞换热系数，可适当增加管程污水的流速.
图1 污水流速对污水侧换热系数的影响Fig.1 Sewage velocity effect on the sewage heat transfer coefficient
图2 污水流速对水侧换热系数的影响Fig.2 Sewage velocity effect on the water heat transfer coefficient
图3 污水流速对换热器堵塞换热系数的影响Fig.3 Sewage velocity effect on the sewage blocking heat transfer coefficient
3 结论
本文通过对壳管式污水换热器不同的结构对堵塞换热的影响研究，可知污水侧的流速对壳管式换热器的换热效率影响较大.得到以下几点结论：
1）当污水流速增加时，换热系数随之增大，当污水流速为2 m/s，污水侧换热系数约1 700 W·m-2·K，当污水流速增大到3m/s，污水侧换热系数约2200W·m-2·K.
2）随着管内污水流速增加，水侧换热系数也在增加.当污水流速为2 m/s，水侧换热系数约4500 W·m-2·K，当污水流速增大到3 m/s，污水侧换热系数约5 600 W·m-2·K.
3）当污水流速为2 m/s，污水换热器堵塞换热系数约1 000 W·m-2·K，当污水流速增大到3 m/s，换热系数约1 200 W·m-2·K，增大了约20%.
从换热器的换热系数上可以看出，适当的提高污水的流速有利于提高换热器的换热效率.当流速增加时，换热器有效换热面积随之减小.因此可以在换热器的占地面积上得到改善，也有利于节约材料.
参考文献：
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