污水换热器的设计计算

来源：发布时间：2014-07-10 11:35:43点击率：

背景   污水源热泵系统近两年得到了长足发展。由于污水水质差,目前通常的做法是不让污水直接进入热泵机组,而是通过污水换热器将热量换给中介水,再由中介水将热量换给热泵机组[1]。由于污水的流动与换热性能与清水相比有很大的不同,不能套用以往的设计经验和参数,设计人员面临着许多新问题。但据笔者了解,很多设计人员对污水换热的特殊性缺乏了解,直接套用针对清水的设计参数与方法,这对工程质量而言是很危险的。
    1　污水换热器的特点
    1)换热器内污水黏度大[2],换热面污染严重[3],导致污水侧的阻力大于清水侧,而换热系数小于清水侧。
    2)由于存在堵塞与污染的危险,无法像针对清水那样采取波纹管、内肋片、内插物等增强换热的设施。
    3)受条件限制污水换热器只能以小温差换热。例如在北方严寒地区,冬季污水进口温度只有10℃左右,而受热泵机组蒸发温度的限制,中介水温度不能太低,因而污水大温降只能是3~4℃,两级换热每级的温差小于3℃。
    4)由于温差小,换热系数小,污水的降温需要较长的流程,通常为30 m左右。这就需要对壳管式换热器的内部结构作全新的设计,包括管程的安排、壳空间的结构设计等等,以保证全程逆流换热和换热器内部各处均有理想的换热温差。
    2　污水-水换热器的设计计算方法
    2.1　计算参数分类
    一般而言,换热器设计应追求使用较少的耗材、具有较小的体积、消耗较少的水泵用电来获得预期的换热效果。虽然上述要求相互矛盾,但人们对一般的换热器早已有了成熟的设计经验。而污水换热器要达到上述要求就绝非易事,必须精确计算、精打细算,才能避免耗材过多、体积过大或泵耗过高,才能在各项指标中找到一个至少较佳的平衡点。
    与耗材、体积、泵耗这三大指标相关的参数不仅有结构参数,诸如管径、管长、管间距、管程数等等,也有运行参数,诸如流速、流量、压降、各节点进出口温度、换热量等等。为了给设计计算一个清晰的思路,对这些参数作如下分类。
    1)已定或可定参数
    ①换热量Q。依据需求而定。
    ②污水流量V与温降(或温升)Δt。这两个参数是在设计污水源热泵系统时确定的。依据公式Q =ρcVΔt(式中c为比热容)可知,确定其中一个量,另一个量可求。
    ③传热平均温差Δtm依据污水初始温度、中介水温度、蒸发温度等在系统设计中确定,一般为3~4℃。
    ④管径d。依据经验与定型管材的规格确定,一般选取外径dw为20 mm,内径di为16 mm。
    ⑤管间距。考虑壳空间的流通面积,一般壳管式换热器管子的排列间距由s/dw=1.5(式中s为管心距)确定,换热管按正三角形排列。在这种布管方式下,管空间与壳空间之比为0.4∶0.6。
    2)计算取值参数
    ①特征温度。由于污水和中介水温度变化不大,其特征温度均可按进口温度选取。
    ②污水黏度。由实验测得。课题组选用旋转圆筒黏度计测试了不同温度下的污水黏度,测试结果表明换热器设计中,可按污水黏度为清水黏度的2.5倍左右计算。
    ③壳侧流速。一般换热器设计中,壳侧的推荐流速为管侧的1/2[4]。然而由于污水换热器中装有纵向折流板,在同样的流速下,压降必然高于一般换热器,因而此处推荐流速u2=u1/3(式中u2为壳侧流速,u1为管内流速)。
    ④污垢热阻。工程经验表明,考虑污垢热阻时,换热器总传热热阻为两侧对流换热热阻的1.2倍。
    ⑤实验验证糙粒高度Ks取0.001 m时按照希弗林松公式计算所得阻力系数与实测值相近, 大误差在10%以内,表1给出了计算值与实测值的比较。

    3)待定参数
    除了上述参数,换热器设计还要涉及许多重要参数,诸如传热系数、换热面积等等。仔细分析这些参数,发现它们并不是各自独立的,而是互相关联的,再经分析知道它们当中基本的参数只有3个,即管根数N、每根管的管长L(含折返)、管内流速u1。其余参数均可由这3个基本参数计算出来。
    ①中间计算参数
    传热系数K取决于管侧表面传热系数h1、壳侧表面传热系数h2,而h1, h2分别取决于管内流速u1和壳侧流速u2。
    ②效果参数
    管侧阻力Δp关系到功耗,由沿程阻力系数f,L与u1确定;换热面积A关系到投资,由L,u1与N确定;换热器管程数n和换热器组数需综合考虑N,L及设备允许占地空间后确定。
    2.2　设计所用方程及公式
    设计涉及的所有参数与基本参数之间的关系可由以下公式计算。

    3)换热计算
    ①污水侧表面传热系数h1一般来说,管内流速u1在0.8~1.3 m/s之间,对应的小雷诺数Remin=3 920>2 300, 大雷诺数Remax=6 370<104,由此可知管内流动属于过渡流,选用的计算公式为：
    （4）

    式中　λ,Nu, Re, Pr分别为导热系数、努塞尔数雷诺数和普朗特数。
    ②中介水侧表面传热系数h2
    有挡板的壳侧流道复杂,难以采用简单的公式进行准确的计算。特别是对污水换热器,壳侧往往需要增设纵、横较多的挡板。关于壳侧表面传热系数较为准确的计算,笔者将另文详述。此处暂粗略认为壳侧的换热为外掠圆管对流换热,并按经验选取系数φ=0.7,取壳侧小流通截面处流速u2为管内流速的1/3,此时Remin>1 000,Remax<2×105,选用的计算式为：

    2.3　分析及处理
    前已述及,基本的待定参数有u1,N,L3个,当把它们和已定参数结合在一起考虑时,发现它们之间还有确定的关系。由式(1)与式(8)可知,在它们中人为地选定一个,其他两个就确定了。选择比较容易人为选定的管内流速u1,于是可以得到不同u1下的N,L值,分别将其代入式(7),(4),(5),(6),(3)便可得到A,h1,h2,K及Δp1。
    3·设计实例
    已知污水干渠流量V=4 000 m3/h,要求换热量Q=20 MW,污水进口温1=12℃,将各已知参数分别代入式(1)~(8)中,编程求解得到的结果见表2。

    分析表2中数据可知,管内流速为1.0 m/s时泵的功耗与初投资比较适中,推荐选之。用增加管根数的办法增加10%的换热面积作为安全余量。实际管数为6 082根,实际换热面积为7 853 m2。单台换热器采用双管程,换热器组数为7组,每组2台串联,共计14台。换热器内单程管长(两端板距离)为6.4 m,筒内径为1.18 m。
    4·污水-水换热器的壳侧结构设计
    由表2中数据可见,单管的管长均为26 m左右,这就决定了污水换热器必定是多管程的。但在安排多管程的结构时,却遇到了如何保证换热器内局部的换热温差问题。例如,在污水的温度为10℃、蒸发温度为2℃时,换热器的设计工况见表3。

    表3给出的温度是合理的。但在多管程的换热器内部结构中,如何保证温度为10~7℃的污水与温度为7~4℃的中介水处处有3℃的传热温差呢?在没有措施的情况下,在换热器内的某个局部可能只有7℃对7℃的零温差!
    要保证在换热器内处处有理想的传热温差,就只有从结构设计的角度实现两种流体的全程逆流。方法有两个:一个是在壳空间加装纵向隔板,另一个是多台换热器串联。

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