城市污水換熱器的方案對比與設計

柯祖來 黃立平

摘 要：隨著社會以及各種高精尖技術的不斷發(fā)展，曾經(jīng)許多被我們視之為“廢品”的東西，經(jīng)過高新技術的轉(zhuǎn)化也能成為實用的資源，如污水經(jīng)過轉(zhuǎn)化便能成為一種非常經(jīng)濟的冷熱源。而要達到以上目的，便必然要通過城市污水換熱器進行處理。本文就通過對比不同城市的污水換熱器方案，旨在找出最優(yōu)質(zhì)的城市污水換熱器應用方案，以提升冷熱源的轉(zhuǎn)換效率。

關鍵詞：城市；污水；換熱器

城市污水換熱器，其主要功能在于將污水轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟的冷熱源。然而在轉(zhuǎn)化過程中，無論傳熱系數(shù)過小或是傳熱面積過窄等情況都將對熱泵主機的工作情況產(chǎn)生影響，與此同時，當前我國大多是城市污水處理廠所使用的城市污水換熱器，因其本身便無法承受過高的壓力，然而卻時常處于超負荷工作的狀態(tài)，因而導致設備內(nèi)部元件容易發(fā)生形變，進而出現(xiàn)疲勞性破裂的現(xiàn)象，最終使得城市污水換熱器并無法完全處理漏水或混水的狀態(tài)。此外，部分城市污水換熱器還存在堵塞能力偏低的情況，這不僅極大程度了增添了系統(tǒng)的泵耗，且一旦發(fā)生淤堵的情況，便需對其進行全面的清理，這無疑也在一定程度上增加了設備的維護費用，從而加重了設備的運行負擔。從表面上來看，污水換熱器于熱泵機房的整體造價中僅占15%，但其作用確實其他任何環(huán)節(jié)均無法替代的。因而筆者認為，若要節(jié)約整個污水換熱過程的成本，投資者不應將目光集中于污水換熱器，而適應從增加換熱面積入手，經(jīng)相關調(diào)查顯示，僅需增加3%的總投資便能有效增加20%的換熱面積，如此觀來，雖在總投資成本方面有所增加，但所提升的工作效益卻相比投資提高了數(shù)倍有余，何樂而不為。目前，污水換熱器于工程方面的運用主要有寬流道平板式換熱器、寬流道圓管式換熱器以及殼管式換熱器3種型號，本文就通過分析不同換熱器的普適規(guī)律，以望根據(jù)不同的工程條件，給出適合的污水換熱器設計方法。

1 污水換熱器的基本要求與特點

由于污水，其本身便具有堵塞風險高、易結垢、腐蝕、粘度大等特性，因而針對污水換熱器的選擇，需同時滿足以下幾點要求：（1）污水流通截面必須適當增大。（2）流道必須保持光滑、平直。（3）為防止各環(huán)節(jié)之間出現(xiàn)“竄水”、“短路”的情況，換熱形式應是呈逆流的狀態(tài)。（4）換熱器的結構不能過于復雜，要能方便后期的維護，包括啟動、清理等，簡言之，即確保運行的安全與效率。（5）必須具備一定的承壓能力。（6）基于污水本身具有的腐蝕性，因而污水換熱器必須具有相應的抗腐蝕能力，且不能出現(xiàn)過長的焊縫情況。

以上六點基本要求，若不滿足其中一點都難以承受現(xiàn)代社會這種高壓的工作環(huán)境。

2 污水換熱器結構的普適關系及方案對比

殼管式換熱器是目前市面上出現(xiàn)最早也應用最為廣泛的換熱器形式之一，此種形式的換熱器，不僅符合以上六點基本要求，且其所運用的普通無縫碳鋼管，在無氧條件下，亦可長時間不受腐蝕。此外，殼管式換熱器為了實現(xiàn)小溫差純逆流，其換熱管的直徑亦是與前段防阻機的過濾尺寸相匹配，并對換熱器的流程與隔板進行了特殊的設計，從而具有了一定的承壓能力，因而此種形式的污水換熱器也被稱之為當前最符合工作環(huán)境要求的污水換熱器。

曾有設計者認為，板式換熱器，其本身便具備極高的傳熱系數(shù)，而若能將之套用進污水換熱器中，自然能可提升污水換熱器的傳熱能力。然而事實并非如此，若僅是對板式換熱器進行簡單的改良，其所改變的無非是板間的距離，對此，若將其運用到污水換熱器中，便無法起到相應的效果，因此，傳統(tǒng)板式換熱器才會被稱作失敗品。

目前，市面上還存在一種名為“寬流道換熱器”的技術，該技術的基本思路在于擴寬污水流通通道，從而讓污物能可順利通過。但實際上，這樣的設計思路與緊湊型的換熱器設計原則相抵觸，因而也未能得到良好的實施。當前，所謂的“寬流道換熱器”技術，其在換熱器中的運用主要包括兩種形式，一為寬流道圓管式換熱器，二為寬流道平板式換熱器。

所謂的寬流道圓管式換熱器，即將傳統(tǒng)的熱管換做大尺寸，以拓寬污水流通通道的寬度。詞句雖能解決傳統(tǒng)平板式設計承壓能力差的問題，但卻違背了換熱器緊湊、高效、經(jīng)濟的設計原則。

而寬流道平板式換熱器實則為一種全焊接式的換熱器。在上文中我們提到，標準的換熱器不能有過場的焊縫，然而此種形式的換熱器，其焊縫長度卻遠遠超標，因而在實際的運用過程中，不僅傳熱效果以及承壓能力差，且容易出現(xiàn)漏水、破裂等風險。

以上3種形式的污水換熱器，其差別主要在于流道的尺寸?；谖鬯畵Q熱器的結構與性能均取決了流道尺寸的狀況，因而要想解決堵塞這一難題，便必須在流通截面尺寸方面下功夫。此外，由于污水換熱器，其熱阻主要集中在污水一側(cè)，因而除了流通截面的尺寸外，污水軟垢的熱阻與對流熱阻亦與流速相關。

2.1 三種換熱器流程總長度對比

對換熱器有以下關系成立：

可以導得：

可見，換熱器的流程總長度L與換熱量Q或污水流量沒有關系，隨流速的增加而緩慢增加；隨流道尺寸和污水溫降的增加而急劇增加。

2.2 三種換熱器面積對比

從污水中換取Q的熱量，所需的換熱面積為：

可見，換熱器面積與污水溫降和流程總長度L無關，隨流道尺寸的增加而緩慢增加。

2.3 三種換熱器體積對比

污水換熱器的體積可表述為：

式子中β——換熱器體積與污水側(cè)水容積之比，一般可為2.2。可見，換熱器體積與污水溫降和流程總長度無關，而隨流道尺寸的增加而急劇增加。

3 結論

從以上數(shù)據(jù)來看，較之傳統(tǒng)殼管式換熱器，寬流道換熱器無論是在流程總長度或是換熱器提及等各方面有了明顯的增大。因而考慮到在換熱器阻力差距不大的情況下，同等流速，寬流道換熱器其承壓面積都要高于傳統(tǒng)殼管式換熱器，相應的也增加了流動的阻力與泵耗。因而考慮到設備運行的經(jīng)濟性，為達到相應的換熱要求，應適當增加換熱的面積而非流速。

參考文獻

[1]李志新，劉宇涵，李學臻，等.城市地下污水中的余熱利用[J].工程技術：全文版，2016，（11）：215.

（作者單位：1.超臨界流體技術及裝備國家地方聯(lián)合工程研究中心；2.貴州航天烏江機電設備有限責任公司）