城市污水换热器的方案对比与设计

段万军，马世君，丁力群，张承虎

(1.沈阳浑南热力有限责任公司，辽宁 沈阳110004;2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨150090)

污水换热器是污水源热泵系统的瓶颈。

污水换热器的传热系数小或换热面积不足就会导致热泵主机工况恶化，效率低下，出力不足，甚至形同烧电;换热器的承压能力不足，容易造成内部部件连接处大幅变形、应力集中、疲劳破坏，最终漏水混水;换热器防堵塞能力不好，或阻力过大就会增加系统的泵耗;换热器淤堵后，如果其结构设计没考虑方便的清理维护措施，将会造成运行维护的负担［1］。

实际上，污水换热器的造价约占整个热泵机房造价的15%左右，不是主要的投资部分，却起着至关重要的作用［2］。因此本文建议投资者不必在污水换热器方面吝啬节约，增加20%的换热面积，也仅仅增加3%的总投资，但它节省了将来的运行费用。

目前工程应用的换热器主要有壳管式换热器、宽流道平板式换热器、宽流道圆管式换热器［3］，本文将从污水换热器的基本要求和换热器的普适规律进行对比分析，并给出常见工程条件组合下污水换热器的设计方法。

1 污水换热器的基本要求与特点

由于污水这种工质自身的特殊性:堵塞风险高、粘度大、易结垢、腐蚀性等等，决定了污水换热器须满足如下基本要求:

(1)必须采用稍大的污水流通截面。

(2)必须采用平直光滑的流道。

(3)必须保证换热形式更加接近纯逆流状态，要求各流程之间不能“窜水”、“短路”。

(4)要求换热器结构上有方便开启、安装和清理的各项措施，安全和效率是第一位的。

(5)必须具有一定的承压能力。

(6)污水换热器应该有一定的抗腐蚀或防腐蚀能力，焊缝不能过长。

不满足上述六点要求的换热器不是一个好的污水换热器。

2 污水换热器结构的普适关系及方案对比

最早用于污水源热泵系统的换热器形式是壳管式换热器，它符合上述关于污水换热器的六条基本要求。采用2.5～3 mm厚的普通无缝碳钢管，实践证明，在无氧条件下，可以抗腐蚀使用15年左右。壳管式换热器的换热管直径主要与前端防阻机的过滤尺寸密切相关［4］，需要科学确定，一般可取20 mm左右。为了实现小温差纯逆流，还必须对换热器的流程和隔板进行特殊设计。图1是工程实际应用的壳管式换热器。目前为止，壳管式污水换热器是最为成功的污水换热器。

图1 壳管式污水换热器

有人认为板式换热器的传热系数非常高，想简单地套用到污水换热中来，但事实证明对板式换热器的简单改良是根本不可行的。图2是加大板间距的传统板式换热器应用于污水换热的结果。传统板式换热器是失败的污水换热器。

图2 板式换热器

目前市面上还有一种所谓“宽流道换热器”技术，其基本思路就是加大污水流道的尺寸直至污物能够顺利通过，这是违背紧凑换热器设计原则的。所谓宽流道换热器有两种形式，其一是宽流道平板式换热器，如图3左图所示;另一种是宽流道圆管式换热器，如图3右图所示。

图3 宽流道平板式与圆管式污水换热器

宽流道平板式换热器是一种全焊接式板式换热器，焊缝非常长。平板式换热器目前呈现的技术缺陷主要是传热效果差、承压能力差，破裂漏水风险极高、淤堵严重。

宽流道圆管式换热器实际上是一种采用大尺寸(80～100 mm)换热管的壳管式换热器。宽流道圆管式换热器是为了解决平板式承压能力差而被提出的。宽流道圆管式换热器不满足换热器紧凑、高效和经济的要求。

上述可行的三种污水换热器:壳管式、宽流道板式、宽流道管式，在结构上的主要差别可以用流道尺寸(或者水力直径)来表征。堵塞难题要求污水换热器的流通截面尺寸必须合适，所以流道尺寸是决定污水换热器结构和性能的关键参数。一般而言，污水换热器的热阻绝大部分集中在污水侧，污水软垢热阻与对流热阻一样，主要与流速相关。单侧流体的对流换热系数存在如下关系

污水换热器的总传热系数可表达为

式中hw——对流换热系数;

λ——流体导热系数;

d——当量直径;

u——流速;

ν——运动粘度;

Pr——流体的普朗特数;

C1——常数，圆管取0.023;

m——常数指数，一般小于1，圆管取0.8;

n——常数指数，一般小于1，圆管取0.3～0.4。

K——换热器总传热系数;

C2——常数，与C1、m、n及污水物性参数等有关。

对于同一工程采用不同的换热器方案，以下参数要求是相同的:换热量Q或者污水流量·V，污水温降Δtw，平均传热温差Δtm。不同的主要是结构尺寸，例如水力直径dh，单流程流通面积Af，单流程流通截面周长U，流程总长度L，换热面积Ae，换热器体积Ve等，以及性能参数，例如流速u，阻力ΔH。

(1)三种换热器流程总长度对比对换热器有以下关系成立

可以导得

(2)三种换热器面积对比

从污水中换取Q的热量，所需的换热面积为

可见，换热器面积Ae与污水温降Δtw和流程总长度L无关，随流道尺寸dh的增加而缓慢增加。

(3)三种换热器体积对比

污水换热器的体积可表述为

式中 β——换热器体积与污水侧水容积之比，一般可为2.2。

可见，换热器体积Ve与污水温降Δtw和流程总长度L无关，而随流道尺寸dh的增加而急剧增加。

(4)三种换热器阻力对比

采用布拉修斯公式，再结合前式，可以得到

式中CH——常数，与沿程阻力系数公式中的常数、指数、CL及污水物性参数等有关。

可见，换热器阻力随污水流速和温降的增加而急剧增加，但基本不随流道尺寸的增加而变化。

综上所述，在相同水温和流速条件下，增加换热器内流道的截面尺寸(dh)，将会导致换热器流程总长度与换热器体积急剧增加、换热器面积缓慢增加，而并没有减小换热器阻力。

如果增加流道尺寸的同时，为了保持换热器面积不变，就必须增加流速，根据前式，可得

可以看出，在相同换热面积条件下，增加流道尺寸，将导致换热器阻力的显著增加。

壳管式污水换热器的换热管直径一般为20 mm，宽流道圆管式换热器的换热管直径一般为80 mm，宽流道平板式换热器的板间距一般为30 mm，不难得出其水力直径为60 mm。

代入污水的物性参数可计算得到:C2=262.5，CL=4 000，CH=4.0(基本国际单位制)，取m=0.8。针对1 MW换热量的三种换热器的关键结构参数和性能对比如表1所示。

表1 针对1 MW换热量的三种换热器数据对比

通过上述数据对比可以看出，宽流道换热器的流程总长度和换热器体积要比壳管式换热器大3到5倍。流速相同的条件下，换热器阻力相差不大。宽流道换热器在相同流速条件下，比壳管式换热器所增加的换热器面积比例，要大大小于相同换热面积条件下所增加的流动阻力和泵耗，因此在考虑经济性前提下，建议采用增加换热面积而非流速的措施来达到换热要求。

通过上述对比分析，不论是从满足污水换热器的基本要求，还是从换热器的结构合理性、投资节省、运行泵耗来看，壳管式污水换热器与宽流道式换热器相比都具有优越性。

3 污水换热器的基本方程

本文所述污水换热器的设计方法，主要针对“中介水与污水流量相等”的间接式污水源热泵系统中的壳管式换热器。对于大多数污水源热泵系统的换热设计:

已知条件:污水进口温度twi;换热量Q;换热管内直径d;污水温降Δtw。

中间参数:沿程阻力系数f;传热系数K;沿程阻力ΔHf;流速u;平均传热温差Δtmm。

待求目标:(1)污水流量V，也即污水出口温度two;(2)换热面积A，即换热管流程长度L和单程根数N。

为简化计算，本文定义以下系数:

(1)粘度比系数k，即污水当量粘度是同温条件下清水粘度的倍数［5－6］，若清水粘度是 ν，则污水粘度是kν。

(2)管壳换热系数比系数ε，若污水侧对流换热系数是hw，则清水侧对流换热系数为εhw。

(3)污垢热阻放大系数φ，即换热器总热阻是清污两侧对流总热阻的倍数［7］。

换热器计算设计的基本方程如下:

(1)连续性方程

(2)阻力方程沿程阻力系数采用希弗林松公式计算，经整理得沿程阻力为

(3)NTU方程

污水的对流换热系数可采用迪图斯－贝尔特公式计算，经整理得换热器的NTU

(4)温差方程

(5)换热量方程

(6)换热面积

4 污水换热器的设计方法

进行污水换热器的计算，除了换热量和污水进口温度的工程条件限制外，还受一些技术条件的限制，以下两种技术条件组合是最为常见的。

4.1 技术条件组合一

设定中介水的进口温度tzi;污水流速u。合适的沿程阻力 ΔHf。由式(5)、式(6)、式(7)得

式(10)通过一个显函数确定了污水利用温差与污水进口温度的一一对应关系。主要计算步骤如图4所示。

图4 技术条件组合一下的换热器计算方法

4.2 技术条件组合二

设定蒸发温度te;蒸发器的平均传热温差Δtme;污水流速u;合适的沿程阻力ΔHf。根据式(5)、式(6)得到

式(11)通过一个隐函数确定了污水利用温差与污水进口温度的一一对应关系。主要计算步骤如图5所示。

图5 技术条件组合二下的换热器计算方法

5 小结

选择污水换热器除了换热安全性外，还必须考虑性价比。钢材耗量与加工的难易程度是决定造价的两大因素。污水换热器招标必须将换热面积和单位面积的价格作为首要考核指标。换热面积是真正的换热器特征参数，不随工况而变，容易量测和验收。招标方购买的不是换热器的换热量，实际上是买换热面积。不建议将“阻力”和“传热系数”作为首要考核参数，因为阻力和传热系数不是换热器的特性参数，它们主要是由外部工况条件决定的，即由设计者或运行者决定，而非由供应商决定，而且阻力和换热系数不便于验收核实。“阻力”和“传热系数”只可作为辅助的限制性参数。

［1］吴荣华，刘志斌，黄磊.污水及地表水地源热泵系统规范化设计研究［J］.暖通空调，2006，36(12):63－69.

［2］吴学慧，孙德兴.城市原生污水换热器的能效分析［J］.可再生能源，2007，25(2):73－75.

［3］吴荣华，孙德兴，张成虎.城市污水源热泵的应用与研究现状［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，38(8):1326－1329.

［4］张承虎，杨海滨，刘京.城市污水源热泵系统防堵塞技术［J］.地源热泵，2010，5(11):66－69.

［5］徐莹，张承虎，孙德兴.城市污水源热泵工质流变特性研究［J］.节能技术，2009，27(3):201－206.

［6］吴学慧，孙德兴，杨维好.污水在纳米涂层管内的流动与换热特性［J］.节能技术，2010，28(3):195－198.

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