污水源热泵系统中多级淋激式换热器的设计与分析

1、设备开发污水源热泵系统中多级 淋激式换热器的设计与分析 哈尔滨工业大学 姚 杨 宋 艳 那 威摘要 根据哈尔滨某制药厂的污水情况 , 在污水源热泵系统中采用多级淋激式换热器作 为污水侧换热器 。 采用分区参数法将换热器按制冷剂状态分为过热 、 两相 、 , 分别计 算了各区的换热温差 、 传热系数等 。 ,定了管列数 、 管径和管长 ,关键词 污水源热泵系统 De si g n a n of t s p r a y h e a t e x c h a n g e rs w e o ur c e h e a t p u m p s ys t e m sBy Y ao Y ang , Song Y

2、 an and Na WeiAbs t r a ct According t o t he status of sewage in a p har maceutical f act ory in Harbin , uses t he multistage sp ray heat exchanger in t he sewage 2source heat p ump syste m. Based on t he ref rigera nt state , divides a heat excha nger int o t hree zones wit h zoned lump met hod ,

3、 i. e. super heat , two 2p hase a nd subcooling zones , wor ks out t he te mperature diff erence and heat t ransf er coefficie nts of t he t hree zones. Discusses t he influence of st ructural p ara meters on t he heat exchanger p erf or mance in order t o get more rational setting of t he number of

4、 columns , dia meter a nd le ngt h of tubes , a nd designs t he t hree stage sp ray heat exchanger in detail.Keywor ds sewage 2source heat p ump system , sp ray heat excha nger , st ructural p arameter Harbin Institute of Technology , Harbin , China1 污水源热泵系统目前最常用的污水处理方法是鼓风曝气活性 污泥法 。 该生物处理法最适宜的污水处理温度

5、是 30 左右 1。 为保证寒冷地区寒冷月份污水净化 过程顺利进行 , 根据哈尔滨某制药厂的实际情况 , 提出用热泵系统回收二级处理后污水 (2530 中的热能 , 回用于处理前污水 (15 , 以提高污水 温度到 30 , 保证曝气池中生物反应的正常进行 , 该系统原理简图见图 1。由于污水水质的特殊性 及结垢问题 , 在系统中使用淋激式换热器作为冷凝 器 。 根据污水处理工艺要求大温差 (15 左右 换 热的特点 , 使用三级换热 。2 淋激式换热器的主要特点淋激式换热器又称为喷淋蛇管换热器 , 最早应 用在食品及石油化工等专业中作为冷却器 。其基 本结构见图 2, 淋水装置有淋水管和淋水

6、槽两种形1淋激式换热器 2节流机构 3壳管式换热器4压缩机 5污水泵 6曝气池图 1 污水源热泵系统原理简图式 , 常见的淋水管结构如图 3所示 。 理想的换热状 态是 , 污水通过淋水装置均匀地淋洒在最上面一层 3 6 暖通空调 HV &A C 2007年第 37卷第 3期 姚杨 , 女 ,1963年 10月生 , 博士 , 教授150090哈尔滨市南岗区海河路 202号哈工大二区 2651# (0451 86283123E 2mail :yangyao2yy 收稿日期 :2005205209修回日期 :20052122 07 图 2 多级淋激式换热器结构示意图换热管上 ,行换热 2

7、。淋激式换热器的主要特点有 :1 结构简单 , 形 式开放 , 易于清洗和日常维护 , 安装制造方便 , 制造 费用低 ;2 在处理腐蚀性流体时 , 可以采用多种管 材 , 如铸铁管 、 陶瓷管等 , 结垢方面的问题相对较 小 ;3 制造上容易满足高强度的要求 , 适合处理高 压流体 ;4 当安装场地没有高度上的限制时 , 仅占 比较狭窄的地方即可 ;5 喷淋在水平管上的液膜 较薄 , 常常以层流状态流下 , 传热系数较高 3。淋 激式换热器与常用的壳管式和浸没式污水换热器 相比 , 传热系数高于浸没式 , 而在抗结垢防堵塞等 问题上优于壳管式 。一般的污水源热泵只能将污 水温度提升或降低 3

8、5 , 根据哈尔滨某制药厂 的实际污水情况 , 采用三级淋激式换热器作为热泵 系统中的冷凝器 4。3 淋激式冷凝器的设计3. 1 相关参数的设定污水顺序通过三级换热器 , 温度逐级增加 , 从 15 提升到 30 , 平均每级提升 5 左右 。 系统 参数见表 1, 制冷剂为 R22。 计算各主要状态点参 表 1 热泵系统设定参数参数 数值 参数 数值 一级换热器污水 一级换热器污水 进口温度 / 15 出口温度 / 20 冷凝温度 t c / 35 蒸发温度 t e / 5 过冷度 t l / 5 过热度 t h / 5 流量 m w /(kg/h 42000单级换热量 Q c /kW 25

9、8 数和系统运行参数 , 由制冷剂侧各区段换热量与污 水侧相应的各区段换热量相等的能量方程可计算 出各区进出口污水温度 , 从而得到换热温差 。 3. 2 换热温差的计算将淋激式冷凝器视为逆流型换热器 , 分区计算 对数平均温差 。制冷剂和污水近似逆流时温度变 化情况见图 4。 图中 , t r ,i 为制冷剂进口温度 , ; t r ,o 为制冷剂出口温度 , ; t w ,i 为污水进口温度 , ; t w ,o 为污水出口温度 , ; t w ,3 为污水出过冷区即进 两相区温度 , ; t w ,2温度 , 图 4 淋激式冷凝器温度分布过热区对数平均换热温差 t sh :t sh =l

10、nt c -t w ,2(1 两相区对数平均换热温差 t tp :t tp =lnt c -t w ,3(2 过冷区对数平均换热温差 t sc :t sc =lnt r ,o -t w ,i(3 过热区换热温差 t sh :t sh =F r t sh (4 两相区换热温差 t tp :t tp =F r t tp (5 过冷区换热温差 t sc :t sc =F rt sc (6 式 (1 (6 中 F r 为修正系数 , 实际的相对流动更 接近叉流 , 故在对数平均换热温差上进行修正 5, F r 第一级取 0. 96, 第二级取 0. 95, 第三级取 0. 94; 下标 sh ,tp

11、,sc 分别代表过热区、 两相区和过冷区。 3. 3 表面传热系数的计算1 管外污水侧表面传热系数 o46 设备开发 暖通空调 HV &A C 2007年第 37卷第 3期 o =0. 4d 0. 6o(7=2ml(8式 (7 , (8 中 c w 为水的比热容 ,kJ /(kg ; d o 为换热管外径 ,m ; 为喷淋密度 , 指单位时间内通 过换热器单位管长每边流下的水流量 , kg/(h m ; m 为管列数 ; l 为管长 ,m 。 2 管内制冷剂侧表面传热系数 i过热区制冷剂侧表面传热系数 sh :sh =0. 80. 4d i(9 其特征温度为过热区制冷剂气体进出口温度

12、平均值 。sc :sc =0. 8. (10 平均值 。两相区制冷剂侧表面传热系数 tp :tp =sc0. 80. 760. 04p R 0. 38 (11式 (9 (11 中 Re 为雷诺数 ; Pr 为普朗特数 ; 为导热系数 ,W/(m ; d i 为换热管内径 ,m ; sc 是特征温度为冷凝温度 t c 时式 (10 的计算结果 ,W/(m 2; p R 是对比压力 , 即对应冷凝温度 t c 的饱和压力 p c 和 R22的临界压力 p 1的比值 , p R =p c /p 1; x 是干度 , 干度接近线性分布 , 取两相区进口干度 x 1和出口干度 x 2的算术平均值 , 即

13、 x =(x 1+x 2 /2。3 以外表面为基准的总传热系数 K 3K =o +R o ,f +p A m +R i ,fA i +i A i(12式中 R o ,f 为 管 外 污 垢 热 阻 , 由 TEMA 标 准 取 5. 28×10-4m 2 /W ; R i ,f 为管内污垢热阻 , R22的 R i ,f 可以忽略 ; p 为管壁导热系数 , 紫铜管取 393W/(m ; p 为管壁厚度 ,m ; A o , A i , A m 分别为 管外 、 管内及管内外平均面积 ,m 2。3. 4 换热面积 A 和结构尺寸换热面积 A =Q c /(Kt 。换热管布置 (叉排

14、布置 见图 5, 换热器结构见图 6。选用紫铜管 , 管 径为 d o , 则每组蛇管长 l =m d o , 管排数 n =l,图 5 图 6 淋激式换热器结构三视图n 取相应偶数以保证制冷剂同侧进出5。管弯曲取最小弯曲半径 2d o 6; 纵向管间距 , 即管排间距 s 1=2d o ; 横向管间距 , 即管列间距 s 2=4d o ; 换热器 长 L =2d o +l +2d o ; 换热器宽 W =(m -1 s 2; 换热 器高 H =(2n -1 s 1。 4 结构参数设定对换热器性能影响为考查换热器性能对主要结构参数变化的敏感程度和定性变化趋势 , 分析管列数 m , 管径 d

15、o 和 管长 l 的设定对换热器设计的影响 , 从而找出相对 合理的设计方案 。对第一级换热器进行比较计 算 6, 详细列 出三 组计 算结果 :1 16mm ×1mm , l =3m , 管列数 m 不同 ;2 l =3m , m =20, 管 径 d o 不同 ;3 16mm ×1mm , m =20, 管长 l 不 同 。 把定量污水提升 5 , 故换热器的换热量相 等 。 因冷凝温度相同 , 可按各区换热温差相同计 算 。 即在换热量相等及换热温差相同的前提下 , 比 较不同结构参数对换热器性能的影响 。1 图 7,8是 16mm ×1mm , l =3m

16、 , 在不同 管列数 m 下的换热器相关参数变化情况 。由图可 知 , 管列数 m 减小 , 各区传热系数增大 , 有利于换 热 。 m 从 40减小到 10, 三区传热系数分别增大了 129%,56%和 117%; 且换热面积也从 23. 83m 256 暖通空调 HV &A C 2007年第 37卷第 3期 设备开发 图 7 三区传热系数随管列数的变化图 8 减小到 14. 16m 2减小了 68. 3%; 但 m 过小使管 排数 n 增大 , m 从 40减小到 10, 使 n 从 4增加到 10, 而 n 的增大 , 致使管内制冷剂流动阻力增大 , 底 部换热管内流速降低 ,

17、且管外污水淋激排数过多 , 热量损失加大 , 对底部换热管换热不利 , 还会影响 后两级换热器的换热效果 。 因此 m 取较小值对增 强传热 , 减小换热面积有重要意义 , 但 m 过小则使 管排数过大 , 不利于后两级换热 。综上所述 , 取 m 为 20比较合理 。2 图 9,10是 l =3m , m =20, 在不同管径 d o下换热器相关参数的变化情况 。由图可知 , 管径 d o 减小 , 三区传热明显改善 , 管径 d o 从 50mm 减 小到 16mm , 三区传热系数分别增大了 5. 15倍 , 2. 42倍和 4. 76倍 ; 且换热面积从 70. 23m 2大幅 减小到

18、 17. 79m 2, 减小了 74. 7%; 而管排数变化不 大 , 从 8到 6, 对整体的三级换热有利 。因此选择 图 9 三区传热系数随管径的变化 小管径换热管是强化多级淋激式换热器换热的最图 10 理论计算换热面积及理论管排数随管径的变化有效措施 , 管内流速加大 , 加 径 16mm ×13 ,12是 16mm ×1mm , m =20, 在不 l 下换热器相关参数的变化情况 。由图可图 11 三区传热系数随管长的变化图 12 理论计算换热面积及理论管排数随管长变化知 , 每排管长 l 减小 , 三区传热系数只少量增加 , l从 6m 减小到 1m , 三区传热

19、系数分别增加 4. 7%, 12. 4%和 7. 8%; 换热面积从 17. 73m 2减小到 15. 96m 2, 减小 10%; 但致使管排数 n 从 3到 16大幅增加 , 极不利于多级换热 。 因此减小管长 l 使 换热改善程度不大 , 却严重影响位置偏下的管子和 后两级换热器的换热效果 。蛇管换热器一般钢管 管长 l 6m , 铸铁管管长 l 3m 3, 在此选择管长 为 3m 。 66 设备开发 暖通空调 HV &A C 2007年第 37卷第 3期 图 8,10,12中的曲线是理论计算管排数 , 实 际管排数是正偶数 , 其变化曲线是以正偶数为折点 的折线 , 实际换热器

20、面积也应是由实际管排数计算 得出 。 这里为更直观地说明变化情况 , 采用理论计 算值 。5 换热器设计计算结果经上述分析 , 选择结构参数 16mm ×1mm , m =20, l =3m 的换热器相对合理。 同理进行第二、 三级换热器的设计计算 , 具体结果见表 2和表 3。 表 2 一级换热器设计计算结果有关参数名称 数值 有关参数名称 数值 污水进口温度 t w ,i / 15. 00污水出过冷区即进两相区温度 t w ,3 / 15. 43污水出两相区即进过热区温度t w ,2 /19. 83污水出口温度 t w ,o /淋激密度 /(kg /(h m/(W/(m 2 4制

21、冷剂两相区表面传热系数 tp /(W/(m 2 3467. 8制冷剂过冷区表面传热系数 sc /(W/(m 2 836. 0过热区面积 A sh /m 22. 03两相区面积 A tp /m 214. 10过冷区面积 A sc /m 21. 58管排间距 s 1/m 0. 032总面积 A 1/m 217. 71每列蛇管管排数 n 16换热器高 H 1/m 0. 352 过热区换热温差 t sh / 26. 67两相区换热温差 t tp / 16. 59过冷区换热温差 t sc / 11. /(W/(58区 总 sh /(m 2 传 热 系 数 K tp /(W/(m 2 968. 6 过冷区

22、 总 传 热 系 数 K sc /(W/(m 2 483. 1 过热区长度 l sh /m 2. 02两相区长度 l tp /m 14. 04过冷区长度 l sc /m 1. 58管列间距 s2/m 0. 064每组蛇管总长度 l 1 /m 17. 54换热器长 L /m 3. 064换热器宽 W /m 1. 216表 3 二 、 三级换热器设计计算结果有关参数名称 数值 有关参数名称 数值 二级换热器 三级换热器 总面积 A 2/m 225. 36 总面积 A 3/m 252. 16 每组蛇管总长度 l 2 /m 25. 24 每组蛇管总长度 l 3 /m 51. 9 每列蛇管管排数 n 2

23、10 每列蛇管管排数 n 318 换热器高 H 淋水装置与第一排换热管之间预留 0. 07m , 淋水槽本身厚度不计 , 一 、 二级和二 、 三级换热器之 间各预留 0. 07m 间距 , 所以三级淋激式换热器总 高 H =0. 07m ×3+H 1+H 2+H 3=2. 290m ; 长 L =2d o +l +2d o =3. 064m ; 宽 W =(m -1 s 2= 1. 216m , 所以整个三级淋激式换热器的结构尺寸 为 3. 064m ×1. 216m ×2. 290m 。6 结论6. 1 换热器的淋激式结构是适合污水工作环境 的 , 其传热系数

24、高于浸没式 , 抗结垢防堵塞性能优 于壳管式 。6. 2 部分结构参数的设定对多级淋激式换热器性 能有不同的影响 。 管列数 m 取相对较小值对增强 传热 、 减小换热面积有意义 ; 采用小管径换热管是 ; 减小管 长 l 却严重影响位置偏 , 故最后选 , m =20, l =3 m 的换热器 。 6. 17. 71,25. 36和 52. 16m 2, 管排数分别为 6,10,18, 整个换热器的 结构尺寸为 3. 064m ×1. 216m ×2. 290m 。 参考文献1 张统 . 污水处理工艺及工程方案设计 M .北京 :中国 建筑工业出版社 ,2000:802852 马最良 , 姚杨 , 赵丽莹 . 污水源热泵系统的应用前景 J.中国给水排水 ,2003,19(7 :412433 秦叔经 , 叶文邦 . 换热器 M .北京 :化学工业出版社 , 2002:322354 Dobson R T , Pakkies S A. Development of a heat pipe (two 2phase closed thermosyphon heat recovery heat exchanger for a spray drier J .J