沉浸式污水换热器的传热模型与验证

点击：2529 日期：[ 2014-04-26 22:00:15 ]

沉浸式污水换热器的传热模型与验证曲云霞，黄峰，宫晔（山东建筑大学，山东济南250101）摘要：沉浸式污水源热泵系统可避免机组或换热器的腐蚀，便于换热器的清洗，已在工程中应用。文章建立了沉浸式污水换热器的传热模型，并通过实验验证了模型的准确性；在污水流量变化的情况下，分别测试了沉浸式换热器在冬、夏季的传热系数。实测结果表明，采用高密度聚乙烯管的沉浸式污水换热器单位长度的传热量约为100 W/m。关键词：污水源热泵系统；沉浸式换热器；传热模型；自然对流中图分类号：TK11.5;TK172文献标志码：B文章编号：1671-5292（2009）03-0113-03 0 前言目前，国内已经应用的污水源热泵工程大多为间接式热泵系统，即通过污水换热器使热泵机组与污水隔绝开来，这样就不用考虑热泵机组的防腐和堵塞问题。从方便污水换热器的清洗和防腐考虑，间接式热泵系统多采用沉浸式污水换热器。本文以沉浸式污水换热器为例，通过模拟程序对其传热及经济性能进行研究和分析。 1.污水换热器传热类型在间接式污水源热泵系统中，污水换热器有以下几种形式：壳管式换热器、淋激式换热器和沉浸式换热器。污水换热器必须解决堵塞、结垢和腐蚀问题。塑料材料的表面张力低而不易黏附，可以大大减少换热器结垢，而且塑料材料化学性质稳定，不易腐蚀，价格低、易于清洗，如果以原生污水作为热源或热汇，则塑料换热器具有显著的优势。从价格、传热性能等多个方面进行比较，高密度聚乙烯管（HDPE）是首选的换热器管材[1]。由于塑料换热器的传热性能不如金属换热器，因此合理设计塑料换热器结构是保证其实用的关键。本文将重点研究沉浸式塑料换热器的传热性能。 2.沉浸式污水换热器工作原理沉浸式换热器以直管或螺旋状弯管组成传热面，并沉浸在污水箱内。夏季，管内冷媒水将空调房间的热量释放到污水箱中；冬季，通过冷媒水从污水箱中吸取热量，通过热泵机组将热量释放到空调房间内。沉浸式换热器具有构造简单，制作、修理方便和容易清洗等优点。如果采用了耐腐蚀材料，它就能适用于有腐蚀性的流体，在污水源热泵系统中得到了广泛的应用。然而沉浸式换热器对工况的改变不够敏感，传热系数低，体积大，因此要求污水池的容积大，这是其根本弱点。 3.沉浸式污水换热器传热模型为了便于对沉浸式换热器清洗，冷媒水在管内流动，污水在管外。从传热的角度，管外侧污水的传热过程分为自然对流传热和强迫对流换热，管内则为强迫对流换热过程。 3.1污水侧换热系数的计算当污水池内的液体量较大时，由于来流流速低，管外液体中的传热过程可近似为自然对流传热。根据传热学理论，管外污水侧自然对流准则[2]：式中：Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；λp为管材导热系数，W/（m·K）；d0为管外径，mm；C和n是由实验确定的常数，其值的大小主要与流态和管子的放置方式有关。圆管水平放置：式（2）中，当圆管水平放置时，定型尺寸为管外径；当圆管垂直放置时，定型尺寸为管子的垂直高度。公式（2）中，格拉晓夫数为：其中：g为重力加速度，m2/s；a为体积膨胀系数，1/K;△t为管壁温度tw和污水的平均温度tf之差，℃；v为运动粘度，m/s。圆管水平放置，垂直方向有多排管时，污水侧实际对流换热系数随着管排数的增加而增加： αd=c0αs（4）式中：αs为单排管时的自然对流换热系数，W/ （m2·K）；αd为多排管时的自然对流换热系数，W/ （m·2K）；c0为实验得出的修正系数，c0主要与管子垂直方向排数有关。一般c0＞1，在工程上作为安全裕量，不对污水侧放热系数进行修正，在计算时，仍采用（2）式计算。 3.2 管内冷媒侧换热系数的计算在管内，冷媒侧对流换热系数αw按下式计算[2]：式中：vw为冷媒水在管内的流速，m/s；di为管内径，m；Bw为冷媒水的物性系数，Bw取决于流体的种类和平均温度。 3.3总传热系数的计算对于沉浸式换热器，其单位管长的传热系数可以采用下式计算：式中：αs为污水侧换热系数，W/（m·2K）；αw为冷媒水侧换热系数，W/（m2·K）；Rs为管外侧污垢热阻 W/（m2·K）；RW为管内侧污垢热阻，W/（m2·K）； λp为管材导热系数，W/（m·K）；δ为管材壁厚，m； di为管内径，m；d0为管外经，d0=di＋2δ，m。 3.4传热基本公式污水换热器的换热量： Q=KL△t L（7）式中：KL为污水换热器单位管长的传热系数，W/ （m·℃）；L为污水换热器盘管的长度，m；△t为污水换热器盘管内外介质的传热温差，℃。 3.5 模型验证为了验证模型的准确性，建立了污水源热泵实验台，热泵机组的额定制冷量为10 kW，空调房间2台风机盘管的末端风量为800 m3/h，污水箱的尺寸为5 000 mm×1 600 mm×1 600mm。文献显示，水平管的自然对流换热效果好于垂直管和斜管，螺旋管换热好于直管[2]］，[3]，因此，污水换热器由4组垂直方向蛇型布置的盘管并联而成，总长度80 m。污水由水箱侧面下部进入，通过溢流管流出。试验测试条件：维持冷负荷基本不变，冷媒水流量恒定为3 t/h，污水箱进水温度为20.5℃。改变污水箱内水流量为2.0～3.0 t/h，分别记录冷冻水侧流量及进出口温度、污水换热器冷却水流量及进出口温度、污水箱流量及进出口温度。由此，即可得到污水换热器单位长度传热系数的实测值。本次测试污水采用自来水来代替。根据式（2），（3），（6）编写了模拟程序，得到了夏季工况条件下，当污水侧进水温度不同时，污水换热器传热系数的理论值。图1为污水换热器的实测值与理论值的比较。图1结果表明，在传热温差一定的情况下，污水换热器传热系数的理论值与实测值吻合得很好，最大相对误差为2.7%，这说明模型的准确度较高。在污水换热器的模型中，把管外侧污水的传热过程视为自然对流换热，而在实际换热过程中污水并非是静止的，污水池水流量的变化对传热会产生一定的影响。污水换热器的传热系数随污水流量的变化如图2，图3所示。从图中可以看出：无论是夏季工况还是冬季工况，随着污水流量的增大，污水换热器的传热系数增加。这是由于污水流量越大，水箱内污水所发生的扰动就越大，污水的传热系数就越大。在相同流量情况下，夏季实测传热系数均大于冬季实测值。这是由于夏季污水换热器是向污水箱内放热，污水自水箱底部进入，热流方向正好与水流动方向一致，下面排管对上面排管的扰动比冬季大。夏季工况下，随着污水流量的变化，传热系数理论值与实测值的误差在7%左右；冬季工况下，随着污水流量的变化，传热系数理论值与实测值的误差在5%左右。这说明采用自然对流的传热模型比较接近实际情况。在工程计算中沉浸式污水换热器完全可以按照该传热模型来计算。在测试的传热温差下，污水换热器单位管长的传热量约为100 W/m。 4.结论沉浸式污水换热器具有构造简单，制作、修理方便和容易清洗等优点。为了便于清洗，冷媒水在管内流动，污水在沉浸式换热器管外流动。实验证明，管外侧的污水传热过程为自然对流传热，管内则为强迫对流换热过程。在实测条件下，采用高密度聚乙烯管的污水换热器的单位长度换热量约为100 W/m。采用水平布置的换热器传热效果优于垂直管的换热器；螺旋管换热效果优于直管。加大管间距可增强换热效果，换热盘管管径以25～32 mm为宜，因此管间距最低限为0.15 m。参考文献： [1]曲云霞，李梅，杨勇，等.污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择[J].可再生能源，2007，25（4）：72-75. [2]章熙民，任泽佩，梅飞鸣.传热学（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1993. [3]杨泽亮，汪颖明，何杰.封闭空间多个热源任意布置时自然对流换热的数值分析[A].全国高等学校工程热物理第四届学术会议论文集[C].厦门：集美大学， 1992.341-344.

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