污水源热泵中塑料换热器应用的研究

点击：2168 日期：[ 2014-04-26 22:00:25 ]

污水源热泵中塑料换热器应用的研究亓云鹏（黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150086）摘要：概括介绍污水源热泵系统，剖析传统换热器在污水源热泵应用中存在的主要问题，介绍塑料换热器的优势和发展现状以及在使用过程中应注意的问题。关键词：污水源热泵；金属换热器；塑料换热器 1污水源热泵系统概述污水源热泵是一种水源热泵。水源热泵的优点是水的热容量大、设备传热性能好、水温较稳定。城市污水是一种优良的引人注目的低温余热源，在整个采暖期间，水温波动不是很大，是理想的热源。常用的污水包括各种处理过的和未处理过的生活废水、工业废水、工业和电力生产过程的冷却水、制冷厂的冷却水。根据国务院2000年36号文件，2010年城市排水管道普及率和城市污水处理率分别达到 90%和60%，城市污水排放总量为464×108m3/ d，城市污水二级处理将增加6157×104m3/d。如何利用城市污水中蕴藏的巨大热量，在国内外均得到广泛重视，热泵技术是利用污水热量的重要手段。污水源热泵系统常用的换热器形式有沉浸式、壳管式和板式换热器。 2.传统换热器在污水源热泵应用中存在的主要问题原生污水在作为热源/热汇的利用中存在问题主要由污水本身复杂的水质造成的，而塑料与金属材料相比在原生污水中应用有显著优势。 2.1 堵塞原生污水中的杂质按其粒径大小和存在形态，可分为三大类：第一类是溶解质和胶体，其稳定均匀分布；第二类是固体微粒，只有在湍流时才能够稳定均匀分布；第三类是大尺度固体杂物。其中大尺寸固体可以在换热前用格栅拦等除去；固体颗粒等可以在换热器前设置自动筛滤器等装置；溶解质和胶体等会附着设备表面形成污垢甚至堵塞。 2.2 结垢结垢是污水源热泵的换热装置在运行中需要解决的重要问题，结垢涉及到复杂的物理及化学过程。采用塑料材料制作污水源热泵的换热装置，对于相关的物理过程产生的污垢来说，因塑料材料表面张力低而不易黏附；对于相关化学过程产生的污垢来说，可以针对污水水质选择合适的塑料材料，与金属材料相比，可以大幅减少化学反应污垢。如聚四氟乙烯（PTFE）、可溶性聚四氟乙烯（PFA）、聚全氟乙丙烯（FEP）等材料，热泵换热装置工作的温度条件下，上述材料几乎与任何物质发生反应。塑料材料热膨胀系数较大，因而有自洁效果，基本不用除垢。即使需要除垢，也可采用价格低廉的酸洗，操作成本也大大低于金属换热器。 2.3腐蚀腐蚀与结垢往往是相互促进的过程，塑料换热器不易结垢的特点也说明耐腐蚀性相对金属换热器有所提高。此外，主要的腐蚀作用如：电化学腐蚀、点蚀等均不会在塑料材料中发生。塑料换热器的耐腐蚀特性是显而易见的。在污水源热泵系统采用适当材料的塑料换热器可大大提高抗结垢，耐腐蚀能力，从而降低运行管理费用，提高系统工作稳定性，通过以上分析，可以发现合理设计的塑料换热器有望解决如上所述相关问题。 3 塑料换热器分类及分析 3.1聚丙烯换热器不易结垢，在冷却水系统和腐蚀控制工程得到广泛应用。在室温下，几乎不溶于任何有机溶剂，但高温下芳香烃或氯化烃对其有溶胀作用，通常使用温度控制在80℃以下，最高工作温度110~120℃。聚丙烯换热器耐腐蚀，40%的硫酸和盐酸、浓磷酸、碱或盐溶液等对其都没有破化作用，但不适用于强氧化剂。聚丙烯换热器应用的主要障碍在于聚丙烯材料导热系数，其导热系数只有金属材料的百分之一。 3.2增强型聚丙烯换热器其应用不如聚丙烯换热器广泛，采用短玻璃纤维作为加强材料，其材料的抗拉材料可以提高到100MPa左右，使用寿命大大优于石墨换热器，但造价却低于石墨换热器。但增强型聚丙烯换热器加工性能差，耐碱性低于普通聚丙烯换热器。 3.3石墨改进型聚丙烯换热器融合了石墨导热系数高的特点（石墨导热系数为）和两种材料优异的耐腐蚀性能。石墨含量越高，导热系数越大，膨胀系数越小，但拉伸强度和焊接性能也随之降低。其工作温度范围为-10~120℃；工作压力一般不高于0.3MPa。其加工性能优于氟塑料换热器，价格低廉；导热系数优于一般的聚丙烯换热器。但融合石墨后，焊接强度大大降低，在使用中因温度应力作用常会发生焊口破裂等问题，不易加工大面积的换热装置。 3.4 氟塑料换热器氟塑料属于化学惰性材料，除了能与熔融的碱金属和强的氟化介质及高温的氢氧化钠反应外，基本对所有常用的化学品和溶剂都呈惰性，几乎能在任何介质中工作。因此，采用以氟塑料为主要材料制成的氟塑料换热器也具有良好的化学稳定性和优异的耐腐蚀性能。氟塑料材料本身表面张力低而不易黏附、质地柔软、热膨胀系数较大、很低的摩擦系数而有自洁效果，经测试采用氟塑料材料制成的单根管子的抗弯曲疲劳性和耐冲击强度性指标高。人们将若干根氟塑料管子与氟塑料管板（或与折流板、隔板、定位止推环）经特殊的工艺加工形成换热元件，成为氟塑料换热器最重要的组成部分。换热元件采用非刚性固定在壳体或器壁上，因此具有较大的挠曲性。工作时管壁两侧流体流动的速度使得呈挠曲性的换热元件激烈抖动，同时工作温度的变化也使得换热元件沿轴向和径向方向伸缩，结果是将管壁表面沉积形成的污物、垢层或消除或减少，增加了流体湍动，进而提高传热系数。氟塑料换热器体积小结构十分紧凑。其单位体积的换热面积大于金属及其它非金属换热器的换热面积，相同换热面积的氟塑料换热器重量远轻于金属及其它非金属换热器的重量。此外氟塑料换热器具有很强的温度适应能力，可以在-150~260℃范围内长期使用。氟塑料换热器的设计与制造在国内前者尚没形成系统的规范，设计者一般是凭借制造厂家的介绍选择氟塑料换热器的传热系数或换热面积。后者达不到美国杜邦公司“蜂窝状”结构的制造水平。虽某些制造厂家订有企业标准，但国内开发的两种氟塑料管板与管子连接工艺与国外的制造工艺相比，虽具有工装简单，操作容易和工艺流程短等优点，但劳动生产率低，工艺操作难以机械化、管板材料消耗多，使得氟塑料换热器价格高昂，影响其推广应用。尽管目前氟塑料换热器设计与制造与国外水平相比存在以上差距，但国产氟塑料换热器在苛刻的化工单元操作条件下，满足设计和生产要求且好用，这已是不争的事实，其潜在的能力更为人们重视。所以对氟塑料换热器的设计与制造都有待于人们更深层次的研究与开发。参考文献 [1]梁伟臻，吴大为.污水处理厂集水量的确定方法[J].中国给水排水，2003，12. [2]下水道多目的活用研究会.下水道最先端一下水道の多目的活用[M].东京：理工图书株式会社，1997，3. [3]钱伯章.非金属换热器及其应用[J].现代化工， 1996，2. [4]朱晓庆.氟塑料换热器设计和应用基础[J].有机氟工业，1994，3. [5]易戈文，刘刚，牛纹.氟塑料—石墨板式换热器板片材质的研究[J].化工机械，1996. [6]刘刚，易戈文，牛纹.氟塑料—石墨板式换热器在高温强腐蚀换热工况中的应用[J].石油化工设备技术，1996，6. [7]孙金栋，鲁国丽，贾力.新型烟气冷凝节能与脱硫装置研究[J].环境污染治理技术与设备， 2002，8 作者简介：亓云鹏（1977~），男，黑龙江省哈尔滨人，黑龙江大学。

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