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单管式液固循环流化床污水换热器性能研究点击：2133 日期：[ 2014-04-26 21:36:10 ] |
| 单管式液固循环流化床污水换热器性能研究 毕海洋1, 2,端木琳3,顾祥红2 (1·大连理工大学机械工程与材料能源学部,辽宁大连116024; 2·大连大学建筑工程学院,辽宁大连116622;3·大连理工大学建设工程学部,辽宁大连116024) 摘 要:目的解决小尺度污物引起的污垢问题,实验研究液固循环流化床污水换热器的流动特性与防、除垢特性,探讨循环流化床换热器技术在污水源热泵系统中应用的可行性.方法搭建单管式液固循环流化床换热器实验系统,进行液固循环流化床换热器流动特性测试、两种流速下传热系数测试与三种工况的固体粒子防、除垢性能实验.结果液固循环流化床换热器加入粒子后,管段压降增大;无粒子工况下传热系数随运行时间逐渐下降;在循环流速为1·5~2·0 m/s内,加入3%直径为2·5 mm的钢球与加入3%直径为2~3 mm的沙粒均有效抑制了污垢增长.结论液固循环流化床换热器的压降大于常规换热器的压降;仅采用提高流速的方法无法完全防止污垢生成;液固循环流化床换热器有着明显的强化换热功效,可以有效抑制污垢的增长并实现在线清洗. 关键词:污垢;液固循环流化床;在线清洗;强化换热 中图分类号:TU83 文献标志码:A 文章编号:1671-2021(2011)02-0331-04 近年来低位能源越来越受到人们的重视[1-2],为经济可行地利用污水冷热源,只能对污水作过滤预处理,污水源热泵系统污水侧仍含有大量小尺度污物,导致换热管内热阻较大的软垢形成与设备换热性能低下等问题[3-4],成为限制污水源热泵系统推广应用的瓶颈.循环流化床换热技术有着强化换热与抑制污垢的双重功效,并可以实现在线清洗,属于主动除污方式,目前研究主要集中在气液固三相流方面[5-7].污水源热泵系统中污水侧出现的污垢不同于其他行业所出现的硬质污垢,以软垢为主,循环流化床换热技术在不同运行参数下特性是不同的.为有效解决小尺度污物引起的污垢问题,笔者通过搭建单管式液固循环流化床换热器实验系统,进行液固循环流化床污水换热器的流动特性与防、除垢特性的实验研究,进而探讨循环流化床换热器技术在污水源热泵系统中应用的可行性. 1·液固循环流化床换热器实验系统研制 1·1 实验装置与流程 液固循环流化床换热器实验台如图1所示. 测试管段采用长1·8m、内径为0·027m的铜管;固液分离器高为0·5m,内径为0·5m. 流体从蓄水箱被水泵吸出而流经流量计与下降管底部进入到测试管段,进而再进入固液分离器进行固液分离,然后依靠溢流管而回到蓄水箱完成循环;固体粒子依靠重力沉降与下降管底部喷嘴共同作用下分离出来而进行循环利用. 1·2 实验工质及固体粒子的选择 实验用水为清水和城市污水,清水直接取自来水管网,城市污水取自污水处理厂未处理的污水,该污水在进入污水处理厂前已将大型污杂物去除,实验用污水中无明显的大型污杂物.实验前取水进行化验,主要检测项目包含SS(悬浮物)、pH、Fe2+、Cl-、SO2-4等,具体测试结果见表1.固体粒子的选择要综合考虑粒子的种类、形状、密度等多种参数,以及粒子在特定工况下是否能够被流化,流化的程度如何,本实验用固体粒子特性见表2. 1·3 测量参数及其计算 测试管段的压降通过U型水银压力计来测试,测试管段的传热系数为: 式中:Twi为测试管段不同测点的内表面温度,K.测试管段不同测点的安装共10个测点;测试管段的进出口温度采用铠装热电偶来测量,共2个测点(见图2). 2 实验结果及分析 2·1 流动性能分析 加入固体粒子后,清水与污水不同工况下的压降实验结果见图3与图4. 由图3、图4可看出固体粒子的加入使得清水与污水的压降均出现不同程度的增加,并且加入钢球后的压降明显大于沙粒与无粒子的压降对比图3与图4中相同流量与固体粒子体积分数下清水与污水的压降,可发现污水的压降大于清水的压降.实验表明[8-11],与清水相比污水的流动性能表现出显著差异,大量小尺度污物的存在使得污水表现出很强的非牛顿流体特性,主要体现在黏度非常值,从而导致加入固体粒子后的污水的压降大于清水的压降. 2·2 防、除垢性能分析 2·2·1 增大流速对防、除垢效果的影响 污水流量为3·1m3/h,流速约为1·5m /s;与4·0m3/h,流速约为2·0m /s无粒子工况下传热系数随运行时间变化见图5.可看出,随着运行时间增长,传热系数逐渐下降,即污垢呈线性增长;虽然流速由1·5m /s增大到2·0m /s,传热系数有所加大,但随着运行时间的增长,传热系数仍然逐渐下降.污水源热泵系统取水换热中的污垢主要为黏膜层与黏膜生长增厚层,黏膜层之所以难以去除,主要原因在于附着力较大,剪应力无法克服附着力将污垢彻底清除[12-15].在2·0m /s的高速下仍然有着污垢的生成与集聚,这说明仅仅采用提高流速的方法(流速的增加引起剪应力的增大)无法完全防止污垢的生成. 2·2·2 固体粒子的防、除垢性能测试 为保持良好的流化效果,主要进行了3种工况下固体粒子的防、除垢性能实验,见表3,测试管段在不同工况下传热系数随运行时间的变化见图6.①工况Ⅰ:运行一段时间后,传热系数有所下降,但运行60h左右后,基本维持在3 000(W·m-2·K-1);②工况Ⅱ:传热系数开始有所下降,传热系数在运行40h左右后基本保持不变,维持在2 700(W·m-2·K-1)左右;③工况Ⅲ:传热系数开始仍有所下降,在运行40h左右后基本保持不变,维持在3 200(W·m-2·K-1)左右. 经计算实验所进行的3种固体粒子防、除垢工况下的最终污垢系数均小于常规换热设备设计所取用的污垢系数0·086(m2·K /kW ).对比无粒子工况(其传热系数随运行时间增长而逐渐下降),上述3种固体粒子防、除垢工况下初始时其传热系数有所下降,但运行一段时间后,基本维持在某一数值,即表明污水中加入3%直径为2·5mm的钢球与加入3%直径为2~3mm的沙粒均可有效抑制污垢的增长并实现在线清洗. 3·结 论 (1)液固循环流化床换热器加入固体粒子后,无论是清水还是污水压降均出现不同程度的增加,并且加入钢球后的压降明显大于加入沙粒和无粒子的压降. (2)无粒子工况下的实验表明传热系数随运行时间逐渐下降,即污垢系数呈逐渐增长的趋势;同时高流速的实验表明即使采用高流速的方法也无法抑制污垢的生成.在循环流速为1·5~2·0m /s内,加入3%的直径为2·5mm的钢球与加入3%的直径范围为2~3mm的沙粒均可以有效抑制污垢的增长并实现在线清洗. (3)单管式液固流化床换热器流动特性与防、除垢特性实验表明:采用液固循环流化床换热技术可有效解决污水源热泵系统中污水侧出现的污垢严重与换热性能低下等问题,液固循环流化床换热技术在低位冷热源利用中有着广阔的应用前景. 参考文献:略 |
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