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污水换热器的设计计算点击：2205 日期：[ 2014-04-26 21:35:38 ] |
| 污水换热器的设计计算 孙德兴 肖红侠 张承虎 庄兆意 哈尔滨工业大学 摘要：污水的流动与换热性能与清水相比有很大的不同,设计污水换热器时不能简单地套用针对清水换热器的设计参数和设计方法。根据实验研究结果与工程实践经验,基于污水的流动阻力与换热特性,给出了污水换热器的设计要点和设计所必需的重要参数。 关键词：污水源热泵 污水换热器 设计 计算 0 背景 污水源热泵系统近两年得到了长足发展。由于污水水质差,目前通常的做法是不让污水直接进入热泵机组,而是通过污水换热器将热量换给中介水,再由中介水将热量换给热泵机组[1]。由于污水的流动与换热性能与清水相比有很大的不同,不能套用以往的设计经验和参数,设计人员面临着许多新问题。但据笔者了解,很多设计人员对污水换热的特殊性缺乏了解,直接套用针对清水的设计参数与方法,这对工程质量而言是很危险的。 1 污水换热器的特点 1)换热器内污水黏度大[2],换热面污染严重[3],导致污水侧的阻力大于清水侧,而换热系数小于清水侧。 2)由于存在堵塞与污染的危险,无法像针对清水那样采取波纹管、内肋片、内插物等增强换热的设施。 3)受条件限制污水换热器只能以小温差换热。例如在北方严寒地区,冬季污水进口温度只有10℃左右,而受热泵机组蒸发温度的限制,中介水温度不能太低,因而污水最大温降只能是3~4℃,两级换热每级的温差小于3℃。 4)由于温差小,换热系数小,污水的降温需要较长的流程,通常为30 m左右。这就需要对壳管式换热器的内部结构作全新的设计,包括管程的安排、壳空间的结构设计等等,以保证全程逆流换热和换热器内部各处均有理想的换热温差。 2 污水-水换热器的设计计算方法 2.1 计算参数分类 一般而言,换热器设计应追求使用较少的耗材、具有较小的体积、消耗较少的水泵用电来获得预期的换热效果。虽然上述要求相互矛盾,但人们对一般的换热器早已有了成熟的设计经验。而污水换热器要达到上述要求就绝非易事,必须精确计算、精打细算,才能避免耗材过多、体积过大或泵耗过高,才能在各项指标中找到一个最佳至少较佳的平衡点。 与耗材、体积、泵耗这三大指标相关的参数不仅有结构参数,诸如管径、管长、管间距、管程数等等,也有运行参数,诸如流速、流量、压降、各节点进出口温度、换热量等等。为了给设计计算一个清晰的思路,对这些参数作如下分类。 1)已定或可定参数 ①换热量Q。依据需求而定。 ②污水流量V与温降(或温升)Δt。这两个参数是在设计污水源热泵系统时确定的。依据公式Q =ρcVΔt(式中c为比热容)可知,确定其中一个量,另一个量可求。 ③传热平均温差Δtm依据污水初始温度、中介水温度、蒸发温度等在系统设计中确定,一般为3~4℃。 ④管径d。依据经验与定型管材的规格确定,一般选取外径dw为20 mm,内径di为16 mm。 ⑤管间距。考虑壳空间的流通面积,一般壳管式换热器管子的排列间距由s/dw=1.5(式中s为管心距)确定,换热管按正三角形排列。在这种布管方式下,管空间与壳空间之比为0.4∶0.6。 2)计算取值参数 ①特征温度。由于污水和中介水温度变化不大,其特征温度均可按进口温度选取。 ②污水黏度。由实验测得。课题组选用旋转圆筒黏度计测试了不同温度下的污水黏度,测试结果表明换热器设计中,可按污水黏度为清水黏度的2.5倍左右计算。 ③壳侧流速。一般换热器设计中,壳侧的推荐流速为管侧的1/2[4]。然而由于污水换热器中装有纵向折流板,在同样的流速下,压降必然高于一般换热器,因而此处推荐流速u2=u1/3(式中u2为壳侧流速,u1为管内流速)。 ④污垢热阻。工程经验表明,考虑污垢热阻时,换热器总传热热阻为两侧对流换热热阻的1.2倍。 ⑤实验验证糙粒高度Ks取0.001 m时按照希弗林松公式计算所得阻力系数与实测值相近,最大误差在10%以内,表1给出了计算值与实测值的比较。 3)待定参数 除了上述参数,换热器设计还要涉及许多重要参数,诸如传热系数、换热面积等等。仔细分析这些参数,发现它们并不是各自独立的,而是互相关联的,再经分析知道它们当中基本的参数只有3个,即管根数N、每根管的管长L(含折返)、管内流速u1。其余参数均可由这3个基本参数计算出来。 ①中间计算参数 传热系数K取决于管侧表面传热系数h1、壳侧表面传热系数h2,而h1, h2分别取决于管内流速u1和壳侧流速u2。 ②效果参数 管侧阻力Δp关系到功耗,由沿程阻力系数f,L与u1确定;换热面积A关系到投资,由L,u1与N确定;换热器管程数n和换热器组数需综合考虑N,L及设备允许占地空间后确定。 2.2 设计所用方程及公式 设计涉及的所有参数与基本参数之间的关系可由以下公式计算。 3)换热计算 ①污水侧表面传热系数h1一般来说,管内流速u1在0.8~1.3 m/s之间,对应的最小雷诺数Remin=3 920>2 300,最大雷诺数Remax=6 370<104,由此可知管内流动属于过渡流,选用的计算公式为： （4） 式中 λ,Nu, Re, Pr分别为导热系数、努塞尔数雷诺数和普朗特数。 ②中介水侧表面传热系数h2 有挡板的壳侧流道复杂,难以采用简单的公式进行准确的计算。特别是对污水换热器,壳侧往往需要增设纵、横较多的挡板。关于壳侧表面传热系数较为准确的计算,笔者将另文详述。此处暂粗略认为壳侧的换热为外掠圆管对流换热,并按经验选取系数φ=0.7,取壳侧最小流通截面处流速u2为管内流速的1/3,此时Remin>1 000,Remax<2×105,选用的计算式为： 2.3 分析及处理 前已述及,基本的待定参数有u1,N,L3个,当把它们和已定参数结合在一起考虑时,发现它们之间还有确定的关系。由式(1)与式(8)可知,在它们中人为地选定一个,其他两个就确定了。选择比较容易人为选定的管内流速u1,于是可以得到不同u1下的N,L值,分别将其代入式(7),(4),(5),(6),(3)便可得到A,h1,h2,K及Δp1。 3·设计实例 已知污水干渠流量V=4 000 m3/h,要求换热量Q=20 MW,污水进口温度tw1=12℃,将各已知参数分别代入式(1)~(8)中,编程求解得到的结果见表2。 分析表2中数据可知,管内流速为1.0 m/s时泵的功耗与初投资比较适中,推荐选之。用增加管根数的办法增加10%的换热面积作为安全余量。实际管数为6 082根,实际换热面积为7 853 m2。单台换热器采用双管程,换热器组数为7组,每组2台串联,共计14台。换热器内单程管长(两端板距离)为6.4 m,筒内径为1.18 m。 4·污水-水换热器的壳侧结构设计 由表2中数据可见,单管的管长均为26 m左右,这就决定了污水换热器必定是多管程的。但在安排多管程的结构时,却遇到了如何保证换热器内局部的换热温差问题。例如,在污水的温度为10℃、蒸发温度为2℃时,换热器的设计工况见表3。 表3给出的温度是合理的。但在多管程的换热器内部结构中,如何保证温度为10~7℃的污水与温度为7~4℃的中介水处处有3℃的传热温差呢?在没有措施的情况下,在换热器内的某个局部可能只有7℃对7℃的零温差! 要保证在换热器内处处有理想的传热温差,就只有从结构设计的角度实现两种流体的全程逆流。方法有两个:一个是在壳空间加装纵向隔板,另一个是多台换热器串联。 参考文献: [1]吴荣华,张承虎.城市原生污水冷热源系统形式及其应用[J].哈尔滨工业大学学报, 2006,38(5) [2]吴荣华,张承虎,孙德兴.城市原生污水冷热源黏度特性实验研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2006, 38(9) [3]吴荣华,林福军.城市原生污水冷热源应用的关键因素研究[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2004,20(6) [4]朱聘冠.换热器原理及设计[M].北京:清华大学出版社,1987 [5]章熙民,任泽霈,梅飞鸣,等.传热学[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2001 |
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