再生水源热泵用宽流道板式换热器应用研究

再生水源热泵用宽流道板式换热器应用研究

马东;孙海洋;王雨;王智伟;曹伟;李鹏

【摘要】本文采用数值模拟软件FLUENT对宽流道板式换热器进行建模,拟合出相关传热准则方程和欧拉方程.使用三项指标为评价标准,经过数据处理得出以下结论:再生水侧运行流速为1.4 m/s左右三项指标最优.提高中介水侧入口温度,可以获得更好的净可用能获比.降低中介水侧入口温度,可以获得更好的可用能流率和可用能耗比.

【期刊名称】《建筑热能通风空调》

【年(卷),期】2018(037)002

【总页数】5页(P33-37)

【关键词】宽流道板式换热器;二级出水;数值模拟

【作者】马东;孙海洋;王雨;王智伟;曹伟;李鹏

【作者单位】西安建筑科技大学环境与市政工程学院;西安建筑科技大学环境与市政工程学院;西安建筑科技大学环境与市政工程学院;西安建筑科技大学环境与市政工程学院;四联智能技术股份有限公司;四联智能技术股份有限公司

【正文语种】中文

0 前言

随着能源紧缺日益严重，建筑能耗尤其是空调能耗的加大，可再生能源的开发逐渐被重视。由于污水厂二级出水流量巨大、水温稳定适中，可以作为很好的热泵匹配

热源，已经有一些工程项目开始探索对其开发利用。高琼等[1]对北京卢沟桥污水

处理厂二级出水水源热泵系统进行了技术和经济分析，认为二级出水热泵系统是环保经济的供暖制冷设施，解决好管壳式换热器的污垢、阻塞、腐蚀等问题是保证换热效果的前提。李建兴等[2]对分别采用直接式、间接式污水源热泵系统冬季运行

能效比进行对比，间接式系统的实际工况与样本工况的COP偏差值明显高于直接式系统。从目前应用效果可以看出，直接式系统再生水进入热泵机组容易发生腐蚀、堵塞，影响热泵机组使用寿命，对水质有较高的要求。间接式系统增加了中介水系统，虽然避免了对机组的腐蚀，但是中间换热器存在温差损失。直接式系统再生水直接和蒸发器或者冷凝器换热，如果偶尔出现水质较差的情况或者污垢热阻生长过快，会对机组运行造成危害。间接式系统将污垢问题留给了中间换热器，间接保护了热泵机组，因此，为了热泵机组安全高效长期运行，需要开发一款适用于再生水的低流阻高传热性能的换热器。

本文主要介绍了间接式再生水源热泵系统宽流道板式换热器的开发设计，并使用三项指标对换热器的性能进行评价，考察了中介水侧温度变化对换热的影响。

1 物理模型

根据对污水厂二级出水的了解，在下雨天偶尔会有原生污水的异常混排现象，在设计过程中需要考虑换热器型式，防止堵塞情况的发生。传统的板式换热器流通截面小、易堵塞，而壳管式换热器污垢在壳内侧低流速区容易沉积，因此，开发宽流道板式换热器有一定的优势。宽流道板式换热器，其板间距对再生水换热器的成功应用影响很大，先需要满足二级出水水质使用要求，即不会有堵塞情况的发生。接着，要保证换热效率，换热器换热量在污垢影响的情况下仍然能够满足热泵主机的需求。

1.1 传热模型

为了保证流道通畅、防止堵塞，板片均采用平直换热板，流道截面如图1 所示，

再生水侧为单通道，中介水侧加肋不仅增加抗压能力，而且提高了传热性能。建立

换热器的一个传热单元（如图1），再生水侧选取板间距分别为27mm和15mm，中介水侧板间距为12mm，换热板的厚度为3mm。

图1 换热器的一个传热单元截面

本研究的传热问题没有涉及相变问题，且板间传热温差较小，在使用Fluent 6.3

模拟时作出以下假设：1）流动的各项物理参数不随时间变动，设为恒定流动。2）流体为不可压缩的牛顿流体。3）重力和其他外力的影响忽略不计。

进出口边界条件：进口采用速度入口条件，出口采用压力出口，再生水流道和中介水流道流速相同，流速从 0.5～1.7m/s 之间变化，再生水侧进口温度为287 K，

中介水侧进口温度为 280 K，再生水的粘度设为清水的2倍。

壁面设置条件：再生水和中介水流道相接触的换热板设为换热面，其他壁面均设置为绝热边界。

1.2 污垢模型

Kern和Seaton[3]提出了污垢生长和剥离模型

式中：为污垢沉积，kg /(m2·s)；为剥离率，kg/(m2·s)；K1、K2为常数；c'为

流体中污物的浓度，kg/m3；M为质量流率，k g/s；xt为在t时刻污垢层的厚度，m；τ为剪切力，Pa。从式（1）可以看出生物膜污垢主要受营养成分和流动剪切

力的影响，因此，剪切力可作为影响生物膜污垢厚度的评价标准。根据板式换热器的壁面剪切力的计算公式[4]：

式中：驻 P为摩擦阻力引起的压降，P a；b为换热板间的流道间距，m；L为流

体流过的换热板长度，m。

由流体沿程阻力公式可知：

式中：de为当量直径，m。

在板式换热器计算中，当量直径 de近似等于2 倍的流道间距，把式（3）代入（2）可得：

从式（4）可以看出，流动剪切力主要受流速的影响，也受自身密度和换热板表面粗糙程度的影响。

荧光假单胞菌是冷却水中具有代表性的有机生物，Nesaratnam[5]用荧光假单胞

菌所作的流速对生物膜污垢厚度的影响如图2所示。

图2 生物膜污垢厚度随流速的变化

从图2可以看出，在低流速下难以带来生物生长所需的养分，流动剪切力较小。

随着流速的增加，带来了大量的养分，微生物开始快速繁殖，生物膜污垢厚度迅速增长。随着流速进一步增加，虽然养分能够满足微生物需求，但是壁面流动剪切力较大，生物膜污垢厚度开始变薄。总之，生物膜厚度是随着流速的变化不断变化的。以此生物污垢厚度曲线建立模型，利用MATLAB中高斯拟合得到污垢厚度随流速变化方程：

生物膜污垢的导热系数[6]为 0.52～0.71 W/(m·K)，在这里取中间值0.6 W/(m·K)，由生物膜厚度即可得出生物膜污垢的热阻值。由于这里所有的值都是实验条件下得到的，没有考虑实际运行过程中泥垢的影响，故实验值比实际工程中运行的污垢热阻要小，可以找出生物膜污垢在不同流速下生长规律。

李杨[7]等人对西安某污水厂直接式污水源热泵进行了两个制冷季和两个供热季的

测试，夏季制冷，流经管程，冬季供暖，污水进入蒸发器流经壳程，蒸发器为干式管壳式换热器，污水源热泵机组，型号：LTLHM-185，内部采用换热管管径为

18mm，经过超声波流量计现场测试得到污水侧流量为9.7 kg/s，经过计算可得，