采集凝固熱熱泵系統連續取熱的參數條件分析

錢劍峰，郭 運，李江丹

(哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，哈爾濱 150028)

利用水源熱泵為建筑物實現供暖空調，在充分利用可再生能源的基礎上，可使電能利用率提高3～4倍，大大地減少對環境的污染.針對寒冷地區冬季地表水溫過低和干渠污水流量不足等環境水源現狀，本文提出采集水源凝固熱熱泵系統為建筑物供熱的新思路.

采集凝固熱熱泵系統為獲取環境水中的低溫熱能資源而設計［1－3］.采用常規換熱器從低溫水的凝固放熱中吸收熱量作為熱泵的低溫熱源時，由于低溫水換熱凝固過程的結冰固化，小則堵死流體通道，大則使得換熱器有凍裂危險.因此，如何有效安全地排除水流凝固過程中黏附于內壁面的冰層，從而連續提取水中凝固熱成為采集凝固熱技術的首要問題.

1 采集凝固熱熱泵系統

1.1 系統的水源

采集水源凝固熱熱泵系統的水源主要為地表水和城市污水兩類.

地表水通常水量充足，作為熱泵空調冷熱源時，僅為熱泵系統提供物理冷熱能，因而可根據利用難易程度把它分為2類，稱作第一類地表水和第二類地表水［4］.前者主要包括《地表水環境質量標準》中的Ⅰ～Ⅲ類水質地表水，含有的固體污雜物少且尺度較小，其冷熱能利用較易實現，取排水系統較簡單;后者包括Ⅳ～劣Ⅴ類水質的輕度至重度污染的地表水，通常含有大尺度污雜物，易堵塞管路或對管路造成不可忽視的腐蝕與污染，熱能利用難度稍大，取排水系統較復雜，其中堵塞問題可借鑒城市污水源熱泵技術的防阻機技術.

城市污水溫度較為穩定，水量波動大、水質差.據統計，全國每年城市污水排放量達464×108m3/a，城市污水排放量與生產、生活水平、住宅密集度等因素密切有關，排放量約為0.25 m3/(人·d)，排放系數約為0.85.城市污水主要為工業廢水和生活污水，工業廢水水量較有規律且較穩定，而生活污水水量一日內變化幅度較大，因此污水干渠一日內的流量波動很大.本文通過對哈爾濱、青島兩處污水的調研，發現逐時流量波動較大，此兩處測試日內最大、最小流量比分別達到2∶1和5∶1，另外，在哈爾濱太平污水處理廠調研獲知該廠日平均最大、最小流量比也接近2∶1，因而系統設計應考慮污水流量的不穩定性，以最小污水量作為設計依據.考慮不同地區、性質建筑的熱負荷差異及污水排放系數，很多場合，尤其是小型干渠，僅靠提取有限溫差的污水顯熱已遠不能滿足用戶高峰熱負荷要求.城市污水作冷熱源的水質問題將引起系統管路和換熱設備的堵塞、腐蝕、污染等問題.較大尺度的污雜物是產生堵塞的根源，筆者等在2006年3月若干次對哈爾濱的某兩處污水干渠的現場測定發現，污水中大尺度污雜物質量濃度均達0.3 kg/m3左右，若以100 m3/h污水流量計則污物累積量達30 kg/h，可見，不采用有效防堵塞技術，短時間內換熱設備必被阻塞，采用旋轉反沖洗裝置可得到有效解決.

1.2 凝固換熱器

凝固換熱器是系統的關鍵設備之一，本文所提出的凝固換熱器由換熱管束、螺旋絞龍和驅動裝置組成，示意圖如圖1.驅動裝置包括電機、減速裝置、齒輪及驅動軸.運行中需保證電機、齒輪等有效聯動，管程設計為單管程，凝固換熱器中換熱管數不可過多.每排換熱管中均設有絞龍，絞龍的斜角偏離軸向一定角度.絞龍的旋轉由端頭的齒輪驅動，齒輪之間相互嚙合，由連接于主軸的齒輪帶動，主軸與減速裝置用常規機械方法密封連接，使得減速裝置與水空間隔絕.水與防凍液空間中設有橫向導流板，提高水速以提高換熱系數.由換熱管中出來的冰－水冰漿被送回水源.獲得凝固熱的水－乙二醇溶液作為熱媒體由水泵驅動在凝固換熱器與熱泵機組的蒸發器之間循環.

圖1 凝固換熱器構造示意圖

采用鋼制螺旋絞龍排冰可適用于地表水和城市污水.當應用于第一類地表水源時，還可采用價格低廉的螺旋鋼針代替鋼制螺旋絞龍，并采用軟性軸代替原來內管中心的小管作驅動軸.螺旋鋼針如刷子般纏繞固定于軟軸，軟性軸兩端均連接剛性軸，由剛性軸連接電機驅動，其排冰原理與鋼制螺旋絞龍相似.當螺旋鋼絲用于第二類地表水或者城市污水時，由于通過防阻機的非清潔水中可能含有頭發絲等細長雜物，長久運行會黏附于螺旋鋼針周邊，最終堵塞流通斷面，因而此種場合不適用.

2 連續取熱參數條件

采集凝固熱時，流出凝固換熱器的流體為冰－水冰漿，當含冰率較高時，系統管道中就會堵塞，這樣為滿足系統連續提取凝固熱的要求，設計工況下凝固熱換熱器出口含冰率不能太高，已達到安全疏運條件.

文獻［5－6］中指出，在各種平均含冰率下，水平管道中管道斷面的冰晶粒子的濃度分布的規律是，管道斷面下部的冰晶粒子濃度要小于平均值，而管道斷面上部的冰晶粒子濃度要高于平均值;隨著管道內平均流速的增加，斷面濃度趨于均勻.只要冰漿的平均流速高于0.05 m/s且IPF＜30%時，在管道中就不會出現堵塞現象，這就是安全排冰的參數條件.

采用第一類地表水源系統，系統需滿足

其中:IPFsys、IPF為系統出口含冰率和凝固換熱器出口含冰率，按質量分數計算，%;Gw，h為熱源水流量，kg/s;dw為排水管道管徑，m;QF為凝固換熱器換熱量，kW;twi，h、two，h為進出凝固換熱器的水源水溫，℃;c、L為水的比熱及凝固潛熱，單位為kJ/(kg·℃)，kJ/kg.

當采用第二類地表水或城市污水源時，系統水源側流量是用于防阻機的再生水量與流經凝固換熱器的換熱水量之和，連續提取凝固熱的流量參數條件滿足式(1)、(3)和(4).

其中:βb為防阻機的再生水量比.

冰－水冰漿在沿途排水管內將發生融解或者均勻混合，達到穩定狀態.若冰顆粒未全部融解，則在長輸送管段內混合溫度為0℃，此時均勻混合后的含冰率滿足

采用城市污水源系統，由于系統所取流量不超過污水干渠最小流量，考慮干渠中污水流量的時變特性，系統換熱后污水與干渠其余污水混合后的含冰率將更小.若算得IPFmix＜0，則說明冰顆粒在沿途排水管內已全部融解.

3 流動阻力分析

劉永紅對冰－乙二醇水溶液組成的冰漿進行了流動阻力實驗研究［6］，實驗結論如下，在小流速條件下，冰－乙二醇水溶液冰漿的流動阻力都比清水的流動阻力大.但是當流速超過0.3～0.5 m/s時，不同的IPF表現出不同的流動阻力特點:當IPF＜2%時，冰漿的流動阻力與清水接近，兩者相差在3%以內;當IPF=2% ～30%時，冰漿的流動阻力比清水小，兩者相差在10% ～30%;當IPF＞30%時，冰漿在管內流動出現堵塞.在IPF=2% ～30%時，歸納出的冰漿流動阻力系數的半經驗公式為:

Knodel等人對冰－水組成的冰漿進行了流動阻力實驗研究［7］，歸納出適用于 IPF=4% ～11%的紊流工況下冰漿流動阻力系數的半經驗公式為:

在地表水取排水管網中，水流多處于紊流工況，其Re數達1×104以上，Re=1×104～1×105范圍內在比較式(6)和(7)在=IPF=4% ～10%時兩種公式求得的兩種冰漿流動阻力系數，如圖2.

圖2 冰漿流動阻力系數計算對比

由圖2可見，在Re=1×104～1×105且在4%～10%時，兩種冰漿的流動阻力系數計算值很接近，兩者相差在3%以內，說明在較低IPF時，液相性質(水或乙二醇水溶液)對冰漿的流動特性影響很小.在Re=7×104以上且IPF=4% ～10%時，冰漿的流動阻力系數與清水很接近.

地表水源采集凝固熱熱泵系統，排水管網的冰－水冰漿的IPF通常小于10%，因而冰－水冰漿的流動特性可歸納為:

城市污水源采集凝固熱熱泵系統，通常污水干渠靠近供熱供冷的建筑物，排水管網較短，冰－水冰漿的流動阻力可忽略.

4 結語

針對寒冷地區冬季地表水溫過低和干渠污水流量不足等水源現狀，本文提出采集非清潔水源凝固熱為建筑物供熱，這是推廣熱泵技術、開發環境低位能源實踐中產生的新思路.介紹了采集凝固熱熱泵系統及其關鍵設備凝固換熱器，分析了系統連續提取凝固熱的運行參數條件，總結了系統的流動阻力計算方法，這將為環境水源采集凝固熱熱泵系統的應用與發展提供有益的參考.

［1］QIAN J F，SUN D X.Optimization and analysis of the urban sewage source heat pump system by finite time thermodynamics theory［C］//Proceedings of the5 th International Symposium on Heating，Ventilating and Air Conditioning，Beijing:Tsinghua university，2007:923－926.

［2］孫德興，張承虎，吳榮華，等.利用冷水凝固熱的熱泵系統與裝置［J］.暖通空調，2006，36(7):41－44.

［3］錢劍峰，孫德興，張承虎.新型地表水源熱泵及其相關技術分析［J］.哈爾濱商業大學學報:自然科學版，2007，23(2):231－234.

［4］錢劍峰，孫德興，張承虎.采集凝固熱熱泵技術凝固及換熱性能的理論分析［J］.太陽能學報，2007，28(11):1200－1205.

［5］劉永紅.冰漿流動特性和傳熱特性研究［D］.上海:同濟大學，1997.

［6］劉永紅，陳沛霖.水平管道中冰漿流動的摩阻特性的實驗研究［J］.力學與實踐，1997，19(6):36－38.

［7］KNODEL B，CHOI U.Heat transfer and pressure drop in icewater slurries［J］.Applied Thermal Engineering，2000，20(7):671－685.