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污水换热器传热性能测试分析点击：2108 日期：[ 2014-04-26 21:35:46 ] |
| 污水换热器传热性能测试分析 北京航空航天大学 武 姿 清华大学 张世钢 付 林 北京航空航天大学 袁卫星 摘要：以北京某宾馆污水源热泵系统中的污水换热器为研究对象,连续测试了污水、中间水以及热水流量、温度随时间的变化。根据测试数据计算得到了污水换热器换热效率的衰减情况,并拟合得到了传热系数的衰减公式,测试分析结果可为污水源热泵供热系统中的污水换热器设计和选型提供参考。 关键词：污水源热泵 污水换热器 传热 换热效率 0 引言 随着能源在国民经济中地位的日益重要,能源的高效利用逐渐成为人们关注的焦点。近些年,随着热泵技术的日趋成熟与发展,地下水地源热泵得到了推广应用,但由于地下水的回灌与水资源的保护问题,这项技术存在明显的局限性。在这种情况下,城市污水引起了人们的重视。20世纪70年代以来,日本、挪威、瑞典及其他一些供热发达国家对污水源热泵空调系统进行了大量研究,并进行了推广应用。目前,日本污水源热泵空调系统的能效水平已接近现有常规水源热泵系统的能效水平,瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵系统供热,其中10%采用污水处理厂的中水作为热源[1]。国内对污水源热泵的节能性、环保性与应用前景也已经进行了一些研究,并在一些经济较为发达的城市进行了一定程度的推广应用。据统计,北京市每天产生88 196万t城市污水[2]。采用污水源热泵系统从城市污水中提取部分热能用于为建筑物供热,能提高城市能源的利用效率,同时因为减少了煤炭等能源的使用量,相应地减少了CO2,NOx,SOx等污染物的排放量[3],具有非常重要的经济及社会意义。 污水换热器是污水源热泵供热系统的关键部件。污水中的各种杂质在传热表面沉积会形成污垢热阻,污垢热阻是影响污水源热泵系统换热效率的主要因素。据文献[4]的研究,污垢热阻对污水源热泵系统换热效率的影响大约占整体热阻对污水源热泵系统换热效率的影响的67%。文献[5]的研究表明,传热系数随污水流速变化缓慢,在设计流速下传热系数为600 W/(m2·℃)。在实际工程应用中,人们往往希望知道结垢引起的污水换热器换热效率随使用时间的衰减情况,以便了解系统性能的动态变化规律,安排合理的清洗周期,但目前还没有可以信赖的研究结果。针对这种情况,本文对北京某宾馆的污水源热泵供热系统中的污水换热器的实际运行性能进行了一个多月的测试,分析得到了污水换热器换热效率的衰减情况,并拟合得到了传热系数的衰减公式,测试分析结果可为类似污水换热器的设计、选型、使用、维护提供参考。 1 系统及测试方法介绍 图1为该污水源热泵供热系统冬季供热工况系统流程及测点布置图。系统所使用的污水来源于附近的城市污水管道,为城市原生污水,经潜水泵输送到设置在宾馆地下室的热泵机房,经防阻机过滤掉污水中的大块悬浮物后进入污水换热器,将热量换给中间水后,再通过排水管路送回城市污水管道。中间水在污水换热器中吸热升温后分两路分别经过空调热泵机组和热水热泵机组,降温后重新回到污水换热器再次加热升温,完成一个循环。在空调热泵机组侧,空调水经过空调热泵机组加热升温后为宾馆供暖;在热水热泵机组侧,自来水经过热水热泵机组换热升温后作为宾馆的生活热水。夏季工况与冬季工况的不同在于夏季工况中间水作为热泵机组的冷却水,并通过污水换热器将冷却水热量排放到污水中。本文主要测试分析冬季供热工况。 主要测试参数包括污水进出换热器的温度和流量以及中间水进出换热器的温度和流量。热泵机组型号为SL-600M,额定制热量为720 kW,制热输入功率为148 kW;额定制冷量为650 kW,制冷输入功率为112 kW。污水换热器为壳管式,污水走管内,中间水走壳侧,污水与中间水逆向流动。污水换热器共有两组,采用串联连接方式,每组换热面积230 m2,两组换热器轮流使用,一用一备,在测试期间,只开了其中一组换热器。主要测试仪器温度自记仪测量精度≤0.3℃,SCL便携式数字超声波流量计测量精度等级为±0.5。 2 试验及分析 于2007年1月26日至2月28日共进行了34天的现场连续测试,测试采样周期设定为20min。测试开始前,对污水换热器进行了全面的除垢清洗,因此,可视初期数据为新投入使用污水换热器的数据。在测试期间,污水流量与中间水流量基本稳定,分别为95 t/h和100 t/h。图2a, 2b分别给出了污水和中间水进出口温度随时间的变化。 根据测试数据,进行以下整理计算。 污水放热量: 中间水吸热量: 由于管路和换热器壳体与环境空气的换热量很小,可以忽略,则污水放热量与中间水吸热量应基本相等,可作为校核测试数据的依据。在计算传热量时,取其平均值: 将测试数据代入式(1)~(4),计算整理可得测试期间污水换热器传热系数K随时间的变化情况,如图2c所示。由图可见,传热系数K在前100 h衰减迅速,从约1 400 W/(m2·℃)迅速降到900 W/(m2·℃),随着时间的推移,下降速率逐渐趋于平缓,稳定后大约为700~800 W/(m2·℃),测试(连续运行800 h)结束后,测得的传热系数K为700 W/(m2·℃)左右,可见,在后600多小时里换热器效率基本保持不变,达到稳定状态。 观察污水换热器传热系数K随时间的变化曲线,发现其变化趋势基本符合Logistic函数规律,采用数值方法可以拟合得到所测试的污水换热器的传热系数的计算公式: 式中 t为新换热器投入运行后的累积运行时间或旧换热器全面清洗后的累积运行时间,h。根据本次测试分析结果笔者认为,在污水换热器设计和选型时,为了保证热泵机组的可靠、稳定运行,污水换热器传热系数应取稳定状态时的700W/(m2·℃),或者通过设置自动清洗装置定时清洗传热管,使其保持在较佳的传热状态,此时的传热系数和清洗周期可根据图2c或式(5)确定。 3 结论 3.1 由于城市原生污水水质很差,在换热器内壁容易形成较厚的污垢,使污水换热器传热系数显著降低。本次测试中,污水换热器的传热系数在前100 h衰减迅速,从约1 400 W/(m2·℃)迅速降到900 W/(m2·℃),随着时间的推移,下降速率逐渐趋于平缓,稳定在约700~800 W/(m2·℃) ,其衰减规律基本符合Logistic函数。 3.2 在污水换热器设计和选型时,为了保证热泵机组可靠、稳定运行,污水换热器传热系数应取稳定后的数值(对本文研究的换热器而言,约为700W/(m2·℃)),或者通过设置自动清洗装置定时清洗传热管,使其保持在较佳的传热状态,此时的传热系数和清洗周期可根据图2c或式(5)确定。 3.3 本文的测试数据及相关公式可供同类换热器设计和选型时参考。 参考文献: [1]Zhang H Y, Ebadian M A, Compo A. Viscoelasticfluids heat transfer [J]. Numer Heat Transfer,1990, 17(8):231-234 [2]国家统计局.中国统计年鉴2006[M].北京:中国统计出版社,2006 [3]尹军,王宏哲,韦新东.城市污水热能利用技术及展望[J].吉林建筑工程学院学报,2001(2) [4]吴荣华,张承虎,孙德兴,等.城市原生污水冷热源换热管软垢特性研究[J].流体机械,2006,34(1) [5]吴荣华,孙德兴,张承虎,等.热泵冷热源城市原生污水的流动阻塞与换热特性[J].暖通空调,2005,35(2) |
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