管殼式污水換熱器結(jié)垢厚度對(duì)流動(dòng)換熱的影響

1、管殼式污水換熱器結(jié)垢厚度對(duì)流動(dòng)換熱的影響來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 作者： 加入時(shí)間：2010/5/10 11:11:47 1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(duì)設(shè)備管路的阻塞與污染問(wèn)題不容忽視1,2。其中污染問(wèn)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)污水換熱器中軟垢的增長(zhǎng)特性進(jìn)行了測(cè)試,但沒(méi)有分析軟垢的增長(zhǎng)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(zhǎng)會(huì)引起換熱性能和流動(dòng)壓降的變化,從而引起換熱器火用損失的變化,反之,可以由換熱器

2、火用損失的變化來(lái)反映軟垢增長(zhǎng)對(duì)換熱器換熱性能和流動(dòng)壓降的影響57。本文將采用熱力學(xué)中的火用分析方法對(duì)城市原生污水軟垢增長(zhǎng)對(duì)換熱性能和流動(dòng)壓降的影響作進(jìn)一步分析。2有效能-火用損失評(píng)價(jià)城市原生污水熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),首先通過(guò)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(guò)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(duì)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(dòng)壓降火用損失;(4)換熱

3、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(duì)流換熱火用損失;(7)管外流體流動(dòng)壓降火用損失。而對(duì)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(zhǎng)速度較快,隨著軟垢的增長(zhǎng),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(xiàng)。本文將就這三項(xiàng)火用損失變化作分析。2.1管內(nèi)污水對(duì)流換熱的火用損失設(shè)污水進(jìn)出口平均溫度為T(mén)ws,中介水進(jìn)出口平均溫度為T(mén)zj。根據(jù)牛頓冷卻定律,管內(nèi)污水對(duì)流換熱的溫差為:對(duì)污水換熱器中污水對(duì)流換熱的測(cè)試表明,污水對(duì)流換熱系數(shù)較清水明顯減小,其原因可能為:(1)污水的流變特性問(wèn)

4、題,即污水的運(yùn)動(dòng)粘度要比清水大;(2)污水流動(dòng)是一種固、液兩相流,傳熱機(jī)理與清水存在一定的差異。流速在0.41m/s且污水運(yùn)動(dòng)粘度按清水的3倍考慮時(shí),換熱系數(shù)實(shí)測(cè)值為586800W/(m2K),若按光滑管的紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式(2)計(jì)算,則換熱系數(shù)為7721600W/(m2K),計(jì)算結(jié)果偏大。若按修正的式(3)計(jì)算,則換熱系數(shù)為5141038W/(m2K),這與實(shí)測(cè)值比較接近。實(shí)際上,污水的流動(dòng)換熱是很復(fù)雜的物理過(guò)程,可采用式(3)、(4)分別對(duì)供熱和制冷工況時(shí)的污水對(duì)流換熱作近似計(jì)算。3工程實(shí)例分析以哈爾濱某城市污水源熱泵工程為例,對(duì)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

5、用的是2臺(tái)并聯(lián)的單殼程6管程的管殼式換熱器,換熱管束為25/20mm的碳鋼無(wú)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(cè)試參數(shù)。表中的軟垢平衡厚度是指在一定流速條件下,軟垢隨時(shí)間不斷生長(zhǎng),最終不增長(zhǎng)時(shí)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(huì)達(dá)到厚度平衡狀態(tài),軟垢的增長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)受力脫落,(2)軟垢中含大量微生物,近貼換熱管的微生物長(zhǎng)時(shí)間無(wú)營(yíng)養(yǎng)后死亡,該層微生物死亡后無(wú)掛壁能力,整層生物粘泥自然脫落4。由圖可知,管內(nèi)對(duì)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(dòng)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(dòng)壓降火用損失系數(shù)始終趨于上升;三項(xiàng)之和火用損失系數(shù)則是經(jīng)歷了一個(gè)先下降而后上升的過(guò)程。表1中流速較低的(6)、(7)組數(shù)據(jù),管內(nèi)對(duì)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(duì)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(dòng)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(xiàng)火用損系數(shù)之和的變化來(lái)看,選擇一個(gè)適中的流速三項(xiàng)火用損