直接式污水源熱泵機(jī)組兩換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

莊兆意，刁乃仁，張承虎，孫德興

(1.山東建筑大學(xué)山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

熱泵技術(shù)是解決建筑物供暖空調(diào)節(jié)能減排問題的重要技術(shù)之一[1]，被稱為21世紀(jì)的“綠色空調(diào)技術(shù)”，但“熱泵雖好，熱源難找”[2]。城市原生污水是一種蘊(yùn)含豐富低位熱能的可再生資源，在中國、日本、北歐的一些國家已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用[3－7]。國內(nèi)近幾年污水源熱泵技術(shù)發(fā)展迅猛，其趨勢(shì)逐漸由間接式轉(zhuǎn)向直接式系統(tǒng)[8－9]。該系統(tǒng)中污水蒸發(fā)器和冷凝器的正確合理的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵問題。污水黏度大，換熱面污染嚴(yán)重，導(dǎo)致污水側(cè)的阻力較清水時(shí)大，換熱系數(shù)較清水時(shí)小[10]，并且為了減緩堵塞與污染的危險(xiǎn)，不能像清水那樣采用波紋管、內(nèi)肋、內(nèi)插物等增強(qiáng)換熱的措施，換熱器內(nèi)只能采用光滑內(nèi)壁管。簡單套用以往的換熱器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)已無法滿足實(shí)際工程需求。文章根據(jù)筆者近年來的實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)踐，給出了直接式污水源熱泵系統(tǒng)中的污水換熱器(冬季蒸發(fā)、夏季冷凝)的設(shè)計(jì)方法，可為同行設(shè)計(jì)者提供一種參考。

1 污水蒸發(fā)器(冷凝器)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

污水換熱器的設(shè)計(jì)主要包括性能和結(jié)構(gòu)兩個(gè)基本參數(shù)。其中，性能參數(shù)包括:換熱量Q，對(duì)數(shù)平均溫差Δtm，污水流量V，換熱器阻力ΔH;結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:換熱管基管尺寸did0，換熱管單管長度l，換熱管總根數(shù)N，換熱器殼體內(nèi)徑Di。

1.1 熱工設(shè)計(jì)

滿液式蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算與其它類型的換熱器基本相同，主要也包括熱力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。若要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以完成管排布置，首先要根據(jù)已知條件計(jì)算其換熱面積和冷媒水流量等參數(shù)。

(1)污水流量

式中:V為污水流量，m3/h;Q為換熱器設(shè)計(jì)換熱量，W;cp為污水定壓比熱，kJ/kg.℃;ρ為污水的密度，kg/m3;tin，tout為污水進(jìn)出換熱器的溫度，℃。

(2)對(duì)數(shù)平均溫差

式中:Δtm為換熱器對(duì)數(shù)平均溫差，℃;te、tc分別為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，℃。

(3)管內(nèi)污水側(cè)換熱系數(shù)

機(jī)組換熱器內(nèi)，污水在管內(nèi)受迫紊流對(duì)流換熱系數(shù)為[11]:

式中:λs為污水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);di為換熱管內(nèi)徑，m;Res為污水側(cè)雷諾數(shù)us為管內(nèi)污水流速，m/s;vs為污水的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s;Prs為污水側(cè)普朗特?cái)?shù)/(λs·u0.08);cp，s為污水的定壓比熱，kJ/kg.℃;μs為污水的動(dòng)力粘度，N.S/m2。

(4)制冷劑側(cè)換熱系數(shù)

蒸發(fā)時(shí)管束外換熱系數(shù)hr，e和冷凝時(shí)管束外換熱系數(shù)hr，c，可由文獻(xiàn)[12 － 14]中計(jì)算公式求得，針對(duì)高效蒸發(fā)冷凝兼用管，蒸發(fā)時(shí)= ζhr，e;冷凝時(shí)= ξhr，e，根據(jù)文獻(xiàn)[15 － 16]，系數(shù) ζ、ξ可近似取0.8。

(5)污垢熱阻

管內(nèi)為污水流動(dòng)時(shí)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)論[17]可知，當(dāng)污垢在涂納米層銅管內(nèi)某流速下達(dá)到漸近穩(wěn)定時(shí)，污垢熱阻值與管內(nèi)流速的關(guān)系式為

式中:Rf，s為管內(nèi)污水側(cè)的污垢熱阻值，(m2.K)/W;

(6)換熱器總傳熱系數(shù)

在管內(nèi)污水側(cè)和管外制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合污垢熱阻(忽略管壁熱阻)，便可求得換熱器的總的傳熱系數(shù)K為

式中:Rf為管內(nèi)污垢熱阻，(m2·K)/W;A為基于管子包絡(luò)外徑的管外換熱面積，m2;Ai為基于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑的管內(nèi)換熱面積，m2;A0為換熱管管外總面積，m2。

(7)能量方程

式中:Q為換熱器的設(shè)計(jì)換熱量，W;F為換熱器總換熱面積，m2。

(8)阻力方程

式中:ΔH為換熱器內(nèi)沿程阻力，m;f為污水的沿程阻力系數(shù);由實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知[17]f=0.276(Re)－0.238;L為換熱器內(nèi)單管串聯(lián)總長度，m;∑ζ為各局部阻力系數(shù)和。

1.2 管排的優(yōu)化布置

一般滿液式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)，管板上最上層換熱管中心高度約為2/3倍的殼體內(nèi)徑。考慮到該換熱器同時(shí)滿足蒸發(fā)和冷凝的需要，設(shè)計(jì)時(shí)取管板上最上層換熱管中心高度為3/4倍的殼體內(nèi)徑，管板最下層換熱管中心高度為1/5的殼體內(nèi)徑。

(1)所需換熱管總根數(shù):

(2)管板上均勻布滿換熱管時(shí)的殼體內(nèi)徑:

式中:s為管心距，取s/d0=1.5;e為殼體內(nèi)壁到管束最外換熱管外表面的距離，mm。

(3)確定換熱器殼體內(nèi)徑:管板上換熱管根數(shù)應(yīng)大于 N'根，取 Di= γD'i，γ =1.1 ～ 1.2，設(shè)計(jì)時(shí)初步給定。

(4)計(jì)算換熱器管板管束最大直徑:

(5)計(jì)算換熱器管板中心線上管子數(shù)

(6)計(jì)算換熱器管板上中心線以上半圓內(nèi)管排數(shù)

(7)計(jì)算換熱器管板上中心線以下半圓內(nèi)管排數(shù)

(8)計(jì)算換熱器管板上總的換熱管數(shù):

將N與N'進(jìn)行比較，必須滿足N≥N'(考慮到換熱器的體積，不宜過大)，否則調(diào)整γ值以調(diào)整殼體內(nèi)徑Di的大小。換熱器內(nèi)管排的布置流程(如圖1所示)。

圖1 換熱管排布置流程圖

2 污水蒸發(fā)器(冷凝器)的設(shè)計(jì)程序及應(yīng)用

換熱器的性能參數(shù)Q、ΔH是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)事先給定的參數(shù);對(duì)數(shù)平均溫差Δtm則由污水進(jìn)出口溫度與蒸發(fā)溫度te、冷凝溫度tc分別決定;污水流量V由換熱量和污水溫差決定，在溫差不確定時(shí)，污水流量應(yīng)事先給定;因此，需要事先給定的這四個(gè)換熱器的性能參數(shù)是Q、ΔH、Δtm與V。剩下的三個(gè)參數(shù)N、L、d是換熱器設(shè)計(jì)中主要的待求參數(shù)，它們決定了換熱器面積的大小，一般情況下是給定管徑d來求出剩余的兩個(gè)參數(shù)。

機(jī)組換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算流程(如圖2所示)。

圖2 機(jī)組換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖

3 算例及分析

3.1 熱工計(jì)算結(jié)果

文章結(jié)合某直接式污水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)污水滿液式蒸發(fā)器換熱量為300kW，換熱管采用高效蒸發(fā)冷凝管，材質(zhì)為海軍銅管，管內(nèi)為光滑內(nèi)壁并作納米涂層處理，污水換熱管的尺寸(如表1所示)。利用上述Matlab程序進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，污水滿液式蒸發(fā)器的輸出結(jié)果如表2所示。

表1 污水換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 不同污水流速對(duì)應(yīng)下的蒸發(fā)器性能參數(shù)

由表2可以看出，污水換熱器熱阻主要集中在污水側(cè)和管內(nèi)污垢熱阻，增加管內(nèi)流速能提高污水側(cè)換熱系數(shù)并能減小污垢熱阻，但同時(shí)也會(huì)帶來換熱器內(nèi)流動(dòng)阻力的增大，給機(jī)組運(yùn)行增加能耗。綜合考慮其流動(dòng)阻力和換熱面積，文章取污水管內(nèi)設(shè)計(jì)流速為1.8m/s，則相應(yīng)的換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。蒸發(fā)器管排布置為4流程、水平布置或上下布置，每流程29根管，單管有效長度為3.55m，總根數(shù)為116根，殼體直徑為0.37m，換熱器阻力為5.84m。

3.2 管排優(yōu)化布置

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，在污水滿液式蒸發(fā)器現(xiàn)有性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸，換熱管、管間距等參數(shù)不變時(shí)，根據(jù)管排優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，對(duì)管排進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行比較分析，其詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

從由表3可以看出，利用文章所述的管排優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可將污水換熱器殼體內(nèi)徑由0.45m減少到0.43m，換熱管總根數(shù)由116根增加到124根，從而在減少蒸發(fā)器體積的同時(shí)增大了有效的換熱面積，管板中心線以上半圓管排數(shù)由原來的3排增加到4排，下半圓管排數(shù)由原來的9排減少到5排，使得換熱管集中到殼體中心，有利于殼體上方制冷劑蒸氣的流動(dòng)及下方制冷劑液體的排出。

表3 污水滿液式蒸發(fā)器管排優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

文章探討了污水換熱器的熱工設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，編制了機(jī)組兩換熱器的設(shè)計(jì)程序，通過實(shí)際算例分析得到以下結(jié)論:通過增加污水的流程數(shù)可適當(dāng)提高流速進(jìn)而改善換熱，污水換熱器中污水以4流程為宜;要提高污水換熱器的整體性能，主要在于如何強(qiáng)化污水側(cè)換熱系數(shù)和減小管內(nèi)污垢熱阻;利用文章管排優(yōu)化方法，使得換熱器兼顧蒸發(fā)冷凝的同時(shí)換熱管布置更合理、緊湊，該優(yōu)化方法為直接式污水源熱泵換熱器的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

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