污水源熱泵中塑料換熱器應(yīng)用的研究

1、    污水源熱泵中塑料換熱器應(yīng)用的研究                         更新時(shí)間：2010-02-25 16:16:47               &

2、#160;                                                 亓

3、云鵬                     （黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150086）    摘要：概括介紹污水源熱泵系統(tǒng)，剖析傳統(tǒng)換熱器在污水源熱泵應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題，介紹塑料換熱器的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展現(xiàn)狀以及在使用過(guò)程 中應(yīng)注意的問(wèn)題。    關(guān)鍵詞：污水源熱泵；金屬換熱器；塑料換熱器&#

4、160;   1.污水源熱泵系統(tǒng)概述    污水源熱泵是一種水源熱泵。水源熱泵的 優(yōu)點(diǎn)是水的熱容量大、設(shè)備傳熱性能好、水溫較 穩(wěn)定。城市污水是一種優(yōu)良的引人注目的低溫 余熱源，在整個(gè)采暖期間，水溫波動(dòng)不是很大， 是理想的熱源。常用的污水包括各種處理過(guò)的 和未處理過(guò)的生活廢水、工業(yè)廢水、工業(yè)和電力 生產(chǎn)過(guò)程的冷卻水、制冷廠的冷卻水。    根據(jù)國(guó)務(wù)院2000年36號(hào)文件，2010年城 市排水管道普及率和城市污水處理率分

5、別達(dá)到 90%和60%，城市污水排放總量為464×108m3 d，城市污水二級(jí)處理將增加6157×104m3/d。如 何利用城市污水中蘊(yùn)藏的巨大熱量，在國(guó)內(nèi)外 均得到廣泛重視，熱泵技術(shù)是利用污水熱量的 重要手段。污水源熱泵系統(tǒng)常用的換熱器形式 有沉浸式、殼管式和板式換熱器。    2.傳統(tǒng)換熱器在污水源熱泵應(yīng)用中存在 的主要問(wèn)題    原生污水在作為熱源/熱匯的利用中存在 問(wèn)題主要由污水本身復(fù)雜的水質(zhì)造成的，而塑&#

6、160;料與金屬材料相比在原生污水中應(yīng)用有顯著優(yōu) 勢(shì)。    2.1堵塞    原生污水中的雜質(zhì)按其粒徑大小和存在形態(tài)，可分為三大類：第一類是溶解質(zhì)和膠體， 其穩(wěn)定均勻分布；第二類是固體微粒，只有在湍 流時(shí)才能夠穩(wěn)定均勻分布；第三類是大尺度固 體雜物。其中大尺寸固體可以在換熱前用格柵攔等除去；固體顆粒等可以在換熱器前設(shè)置自 動(dòng)篩濾器等裝置；溶解質(zhì)和膠體等會(huì)附著設(shè)備表面形成污垢甚至堵塞。    2.2 結(jié)垢 

7、   結(jié)垢是污水源熱泵的換熱裝置在運(yùn)行中需要解決的重要問(wèn)題，結(jié)垢涉及到復(fù)雜的物理及化學(xué)過(guò)程。采用塑料材料制作污水源熱泵的 換熱裝置，對(duì)于相關(guān)的物理過(guò)程產(chǎn)生的污垢來(lái)說(shuō)，因塑料材料表面張力低而不易黏附；對(duì)于相關(guān)化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的污垢來(lái)說(shuō)，可以針對(duì)污水水質(zhì)選擇合適的塑料材料，與金屬材料相比，可以 大幅減少化學(xué)反應(yīng)污垢。如聚四氟乙烯 （PTFE）、可溶性聚四氟乙烯（PFA）、聚全氟乙丙 烯（FEP）等材料，熱泵換熱裝置工作的溫度條 件下，上述材料幾乎與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。    塑料材料熱

8、膨脹系數(shù)較大，因而有自潔效果，基本不用除垢。即使需要除垢，也可采用價(jià)格低廉的酸洗，操作成本也大大低于金屬換熱器。    2.3 腐蝕    腐蝕與結(jié)垢往往是相互促進(jìn)的過(guò)程，塑料換熱器不易結(jié)垢的特點(diǎn)也說(shuō)明耐腐蝕性相對(duì)金屬換熱器有所提高。此外，主要的腐蝕作用如：電化學(xué)腐蝕、點(diǎn)蝕等均不會(huì)在塑料材料中發(fā)生。塑料換熱器的耐腐蝕特性是顯而易見(jiàn)的。    在污水源熱泵系統(tǒng)采用適當(dāng)材料的塑料換熱器可大大提高抗結(jié)垢，耐腐蝕能力，從而降低運(yùn)行管理費(fèi)用，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，通過(guò)以上分析，

9、可以發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)的塑料換熱器有望解決如上所述相關(guān)問(wèn)題。    3.塑料換熱器分類及分析    3.1聚丙烯換熱器    不易結(jié)垢，在冷卻水系統(tǒng)和腐蝕控制工程得到廣泛應(yīng)用。在室溫下，幾乎不溶于任何有機(jī)溶劑，但高溫下芳香烴或氯化烴對(duì)其有溶脹作用，通常使用溫度控制在80以下，最高工作 溫度110120。聚丙烯換熱器耐腐蝕，40%的硫酸和鹽酸、濃磷酸、堿或鹽溶液等對(duì)其都沒(méi)有破化作用，但不適用于強(qiáng)氧化劑。聚丙烯換熱器應(yīng)用的主要障礙在于聚丙烯材料導(dǎo)熱系數(shù)，其導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬材料

10、的百分之一。    3.2 增強(qiáng)型聚丙烯換熱器    其應(yīng)用不如聚丙烯換熱器廣泛，采用短玻璃纖維作為加強(qiáng)材料，其材料的抗拉材料可以提高到100MPa左右，使用壽命大大優(yōu)于石墨換熱器，但造價(jià)卻低于石墨換熱器。但增強(qiáng)型聚丙烯換熱器加工性能差，耐堿性低于普通聚丙烯換熱器。    3.3  石墨改進(jìn)型聚丙烯換熱    器融合了石墨導(dǎo)熱系數(shù)高的特點(diǎn)（石墨導(dǎo)熱系數(shù)為）和兩種材料優(yōu)異的耐腐蝕性能。石墨含量越高，導(dǎo)熱系數(shù)越

11、大，膨脹系數(shù)越小，但拉伸強(qiáng)度和焊接性能也隨之降低。其工作溫度范圍為-10120；工作壓力一般不高于0.3MPa。其加工性能優(yōu)于氟塑料換熱器，價(jià)格低廉；導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于一般的聚丙烯換熱器。但融合石墨后，焊接強(qiáng)度大大降低，在使用中因溫度應(yīng)力作用常會(huì)發(fā)生焊口破裂等問(wèn)題，不易加工大面積的換熱裝置。    3.4 氟塑料換熱器    氟塑料屬于化學(xué)惰性材料，除了能與熔融的堿金屬和強(qiáng)的氟化介質(zhì)及高溫的氫氧化鈉反應(yīng)外，基本對(duì)所有常用的化學(xué)品和溶劑都呈惰性，幾乎能在任何介質(zhì)中工作。因此，采用以氟塑料為主要材料制成的氟塑料換熱

12、器也具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐腐蝕性能。    氟塑料材料本身表面張力低而不易黏附、質(zhì)地柔軟、熱膨脹系數(shù)較大、很低的摩擦系數(shù)而有自潔效果，經(jīng)測(cè)試采用氟塑料材料制成的單根管子的抗彎曲疲勞性和耐沖擊強(qiáng)度性指標(biāo)高。人們將若干根氟塑料管子與氟塑料管板（或與折流板、隔板、定位止推環(huán)）經(jīng)特殊的工藝加工形成換熱元件，成為氟塑料換熱器最重要的組成部分。換熱元件采用非剛性固定在殼體或器壁上，因此具有較大的撓曲性。工作時(shí)管壁兩側(cè)流體流動(dòng)的速度使得呈撓曲性的換熱元件激 烈抖動(dòng)，同時(shí)工作溫度的變化也使得換熱元件沿軸向和徑向方向伸縮，結(jié)果是將管壁表面沉 積

13、形成的污物、垢層或消除或減少，增加了流體湍動(dòng)，進(jìn)而提高傳熱系數(shù)。氟塑料換熱器體積小結(jié)構(gòu)十分緊湊。其單 位體積的換熱面積大于金屬及其它非金屬換熱器的換熱面積，相同換熱面積的氟塑料換熱器重量遠(yuǎn)輕于金屬及其它非金屬換熱器的重量。此外氟塑料換熱器具有很強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力，可以在-150260范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。    氟塑料換熱器的設(shè)計(jì)與制造在國(guó)內(nèi)前者尚沒(méi)形成系統(tǒng)的規(guī)范，設(shè)計(jì)者一般是憑借制造 廠家的介紹選擇氟塑料換熱器的傳熱系數(shù)或換熱面積。后者達(dá)不到美國(guó)杜邦公司“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)的制造水平。雖某些制造廠家訂有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 但國(guó)內(nèi)開發(fā)的兩種氟塑料

14、管板與管子連接工藝與國(guó)外的制造工藝相比，雖具有工裝簡(jiǎn)單，操作容易和工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)，但勞動(dòng)生產(chǎn)率低，工藝操作難以機(jī)械化、管板材料消耗多，使得氟塑 料換熱器價(jià)格高昂，影響其推廣應(yīng)用。盡管目前氟塑料換熱器設(shè)計(jì)與制造與國(guó)外水平相比存在以上差距，但國(guó)產(chǎn)氟塑料換熱器在苛刻的化工單元操作條件下，滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求且好用，這已是不爭(zhēng)的事實(shí)，其潛在的能力更為人們重視。所以對(duì)氟塑料換熱器的設(shè)計(jì)與制造都有待于人們更深層次的研究與開發(fā)。參考文獻(xiàn)1梁偉臻，吳大為.污水處理廠集水量的確定方法J.中國(guó)給水排水，2003，12.2下水道多目的活用研究會(huì).下水道最先端一下水道多目的活用M.東京：理工圖書株式 會(huì)社，1997，3.3錢伯章.非金屬換熱器及其應(yīng)用J.現(xiàn)代化工， 1996，2.4朱曉慶.氟塑料換熱器設(shè)計(jì)和應(yīng)用基礎(chǔ)J.有機(jī)氟工業(yè)，1994，3.5易戈文，劉剛，牛紋.氟塑料石墨板式換熱器板片材質(zhì)的研究J.化工機(jī)械，1996.6劉剛，易戈文，牛紋.氟塑料石墨板式換熱器在高溫強(qiáng)腐蝕換