管殼式污水換熱器結(jié)垢厚度對流動換熱的影響

1、結(jié)構(gòu)示意圖管殼式污水換熱器結(jié)垢厚度對流動換熱的影響來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：加入時間：2010/5/10 11:11:471 引言能源的緊張，導(dǎo)致能源利用的多極化。城市原生污水是一種較為理想的建筑供熱空調(diào)冷熱源但污水熱能利用中存在的污雜物對設(shè)備管路的阻塞與污染問題不容忽視1,2。其中污染問題主要表現(xiàn)在換熱表面微尺度粘泥與微生物的貼附掛壁。目前國內(nèi)外對城市原生污水軟垢特性的研究仍在起步階段3,文獻(xiàn)4對污水換熱器中軟垢的增長特性進(jìn)行了測試，但沒有分析軟垢的增長與污水換熱器的換熱性能及水力損失之間的關(guān)系。污水換熱器污水管內(nèi)軟垢的增長會引起換熱性能和流動壓降的變化，從而引起換熱器火用損失的變化，反之,可以由

2、換熱器火用損失的變化來反映軟垢增長對換熱器換熱性能和流動壓降的 影響57。本文將采用熱力學(xué)中的火用分析方法對城市原生污水軟垢增長對換熱性能和流動壓 降的影響作進(jìn)一步分析。2 有效能-火用損失評價城市原生污水熱泵系統(tǒng)運行時，首先通過特制的除污裝置去除了污水中大尺度污雜物，接著含雜質(zhì)較少的污水經(jīng)管殼式污水換熱器把熱量或冷量傳遞給中介水，熱泵機(jī)組再通過中介水間接獲得熱量或冷量向建筑物供熱或制冷。管殼式污水換熱器中，殼程走中介水(清水)管程走污水。在普通的管殼式換熱器中，火用損失主要包括以下方面 7:(1)管內(nèi)流體與管內(nèi)壁對流換熱火用損失；(2)管內(nèi)污垢層溫差導(dǎo)熱火用損失；(3)管內(nèi)流體流動壓降火用損

3、失；(4)換熱管內(nèi)外壁的溫差導(dǎo)熱火用損失；(5)換熱管外側(cè)污垢層溫差導(dǎo)熱火用損失；(6)換熱管束外壁與殼程流體間對流換熱火用損失；(7)管外流體流動壓降火用損失。而對用于城市原生污水熱泵系統(tǒng)的管殼式污水換熱器，換熱管內(nèi)軟垢的增長速度較快，隨著軟垢的增長，管內(nèi)的流通斷面減小，從而引起各傳熱環(huán)節(jié)溫差的重新分布。與軟垢有關(guān)的為(1)(3)項。本文將就這三項火用損失變化作分析。Tws,中介水進(jìn)岀口平均溫度為Tzj。根據(jù)牛頓冷卻定律，管內(nèi)污水2.1管內(nèi)污水對流換熱的火用損失設(shè)污水進(jìn)出口平均溫度為對流換熱的溫差為：(1)-一管內(nèi)對流換熱溫差，KQ換熱器換熱量訓(xùn)換熱器總的換熱血枳K,其原因可能液兩相流，傳管

4、內(nèi)對流換熱系數(shù)，W /( in；-對污水換熱器中污水對流換熱的測試表明，污水對流換熱系數(shù)較清水明顯減小為：(1)污水的流變特性問題，即污水的運動粘度要比清水大；(2)污水流動是一種固、熱機(jī)理與清水存在一定的差異。流速在 0.41m/s且污水運動粘度按清水的 3倍考慮時，換熱系 數(shù)實測值為586800W/(m2- K),若按光滑管的紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式(2)計算，則換熱系數(shù)為7721600W/(m2- K),計算結(jié)果偏大。若按修正的式 (3)計算，則換熱系數(shù)為5141038W/(m2- K),這與 實測值比較接近。實際上，污水的流動換熱是很復(fù)雜的物理過程 ，可采用式(3)、(4)分別對供熱和 制冷

5、工況時的污水對流換熱作近似計算。Nu =0.023Na -0. 023Re Pr ',幾 >T2iNu -O.O23RC1' Pr 丁陽 >TLi 式小Nu努塞爾特數(shù)雷諾數(shù)(3)(4)RcP普朗特數(shù)2.1.1供熱工況污水對流換熱園損失冬爭制熱工況污水是熱流體"介水是冷流體.由式(1),3)及準(zhǔn)則數(shù)的定義/可得供熱工 況的軟垢下管內(nèi)壁溫度計算公式：1 3, 85OU1 4(Pnrfj )A cv Ln式中幾軟垢下管內(nèi)臟溫度K 污水導(dǎo)熱系數(shù),W/(m* K)u污水動力粘度，Ns/m2P污水密度,kg/in5u污水流速,m /s%污水比熱，J/（ kg- K）&

6、#163;有軟垢的污水管內(nèi)徑，mL換熱器每管程的管長，mn管子總根數(shù)污水管內(nèi)對流換熱引起的爛產(chǎn)與刃損失為:AE, = 7； AS, （十十）（7）式屮 AS,污水管內(nèi)對流換熱爛產(chǎn)，W /K7；環(huán)境溫度，KAE.一污水管內(nèi)對流換熱刃頷失,W污水換熱器總的閔損失為：TAE =Q（1 才）式屮 AE 污水換熱器總的火I損失，W由火I損失系數(shù)的逹義,有污水在管內(nèi)對流換 熱閔損失系數(shù)為：r g 衛(wèi)（幾幾）§ E 一幾（幾）式屮§管內(nèi)污水對流換熱泅損失系數(shù)2.1.2制冷工況污水對流換熱加損失夏季制冷丁況，污水是冷流體，屮介水是熱流 體同理，可獲得夏季制冷丁況的軟垢下管內(nèi)壁 溫度為：丁

7、丁 -】3.850嚴(yán)Ti'l / c 丿 x 0- 7 5 %<» ? 0.3（pi鳳）x Cp Ln污水管內(nèi)對流換熱的爛產(chǎn)與次I損失為：AS. =qA 十）'加* wlEi = Tq aS（ = QA -,）叭* wl污水換熱器總的典損失為：(10)(11 )(12)(19)T（t(13)E =Q（1 ）污水在管內(nèi)對流換熱閔損失系數(shù)：(14)r 、E 人幾（幾-幾 ）" AE 一幾幾（©人）2.2軟垢層溫差導(dǎo)熱刃損失污垢層兩側(cè)溫差可由圓筒壁導(dǎo)熱公式得出：A 7；o ln_d2 Ji X5 Ln n 4式屮 AT:污垢層兩側(cè)溫差，K人污垢層的

8、導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK),取 人=1.41 W /( m K)d未受污染換熱管內(nèi)徑，m2. 2.1供熱工況軟垢層溫差導(dǎo)熱次I損失由式(15)可得供熱丁況的軟垢層與金屈管壁 的交界面溫度：0 ln d 2H X5 Ln n(16)(19)A1!'幾一一軟垢層與金屬管壁的交界Wi溫度，污垢層內(nèi)外溫差引起的爛產(chǎn)刃損失及閔噴 失系數(shù)分別為：s? =Q(1* w2E? = Tq aS2 = QA (17)(18)(19)5 幾(幾-© ) E _ Li J (工“ T.)(19)式屮 AS 軟垢層溫差導(dǎo)熱爛產(chǎn),W /K £ 軟垢層溫差導(dǎo)熱悶頗失系數(shù) 匸一污水管內(nèi)對流換熱閔損失,

9、W2. 2. 2制冷工況軟垢層溫差導(dǎo)熱火損失制冷丁況的軟垢層與金屈管壁的交界啲溫度：(d,n7(20)軟垢層溫差導(dǎo)熱的爛產(chǎn)與火損失及刃損失系數(shù)分別為:aS； Q ()(21)幾 Tw2E, =7； AS, = QTq (tri-t!)lw2(22)AE2 TQTzf( Tw2 -幾)(23)E 一幾® (7；廠 )2.3管程污水流動壓降火損失本文采用固逕板式管殼換熱器，管程污水流 動壓降(阻力)包括污水沿程阻力和管程進(jìn)出口連 接管阻力兩部分,管程阻力為：P = A?! + AP2(24)式屮 AP.污水沿程阻力，Pd巴一進(jìn)出口連接管阻力，P3P管程阻力，Pa忽略管內(nèi)污水流動不均勻的物

10、性影響時，流 動阻力為：P = (4/L/7, +1 .5)Z 皿(25)2式屮AP管程阻力腫2Z一管程數(shù)/一沿程阻力系數(shù)通過對測試數(shù)據(jù)的分析歸納，管內(nèi)污水紊流 時，其沿程阻力系數(shù)可用下式近似計舁國：/ = 0. 0122 ti, °'3S(26)”q ap 罟=-PTrnTq (4/L/rfj +1.5) Zif 12 ( 28)U7)冬季供熱丁況”管程壓降蟲I噴失及泅損失系 數(shù)分別為：" a£式屮 m管程流體的質(zhì)屋流kg/sAE.管程壓降刃損失W£管程斥降悶損失系數(shù)(29 )夏季制冷工況，管程壓降引起的火I眾失及煤J 損失系數(shù)分別為：A 工程

11、實例分析 以哈爾濱某城市污水源熱泵工程為例，對冬季供熱工況下污水換熱器的軟垢狀況進(jìn)行火用分 析。該熱泵系統(tǒng)采用的是2臺并聯(lián)的單殼程 6管程的管殼式換熱器，換熱管束為25/20mm的碳鋼 也 楓人(4fL/認(rèn) +1 .,)乙/t (30)牛 a£2(- T0)Q'2.4三項必J駅失Z和聯(lián)立式(9) (19)和(28),并整理可得冬季供 熱工況與軟垢有關(guān)的三項囲損失Z和E為:E =遷人 宀+先1)幾-7/幾PQ同理，夏季制冷工況三項悶損失Z和g為：J亠T廠仏無縫管，每管程根數(shù)為 65。中介水走殼程，流量為200m3/h。冬季環(huán)境溫度為 263.5K。表1是冬季 供熱工況測試參數(shù)。

12、表中的軟垢平衡厚度是指在一定流速條件下，軟垢隨時間不斷生長，最終不增長時的穩(wěn)態(tài)厚度。由表1中可知，隨著流速的增加，軟垢平衡厚度逐漸降低。軟垢在不同流速下均會達(dá)到厚度平衡狀態(tài)，軟垢的增長速度與流速有直接關(guān)系，其主要原因有：(1)不同流速的壁面切應(yīng)力不同，軟垢薄膜變形后再增長時受力脫落,(2)軟垢中含大量微生物，近貼換熱管的微生物長時間無營養(yǎng)后死亡,該層微生物死亡后無掛壁能力，整層生物粘泥自然脫落4。圖I平衡軼垢皿度卜詡頗先系數(shù)隨污水流速的變化由圖可知，管內(nèi)對流換熱溫差火用損失系數(shù)隨著流速的增加變化緩慢；管內(nèi)軟垢層溫差及管內(nèi)流動壓降火用損失系數(shù)變化明顯，隨著流速的增加，管內(nèi)軟垢層溫差火用損失系數(shù)迅速降低后趨于平緩，而管內(nèi)流動壓降火用損失系數(shù)始終趨于上升；三項之和火用損失系數(shù)則是經(jīng)歷了一個先下降而后上升的過程。表1中流速較低的(6)、(7)組數(shù)據(jù),管內(nèi)對流換熱溫差火用損失系數(shù)占主導(dǎo)作用；流速中等的(4)、(5)組數(shù)據(jù),管內(nèi)軟垢層溫差火用損失系數(shù)與管內(nèi)對流換熱溫差火用損 失系數(shù)較大；流速較高的(1)(3)組數(shù)據(jù),管內(nèi)流動壓降火用損失系數(shù)則占據(jù)了主導(dǎo)作用。從與軟垢有關(guān)的三項火用損系數(shù)之和的變化來看，選擇一個適中的流速三項火用損失之和較小,因而系統(tǒng)也節(jié)能。本