自動除污型污水-水換熱器的數值模擬

沈 朝,姜益強,姚 楊

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱 150090)

自動除污型污水-水換熱器的數值模擬

沈 朝,姜益強,姚 楊

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱 150090)

針對污水源熱泵污水側除污問題,提出并設計了一種具有自動除污功能的殼管式換熱器?；诜植紖捣▽ζ浣⒘朔€態數學模型。采用矩陣控制的方法求解模型,并對其除污前后不同的污水、循環水流量,不同的換熱面積下兩側流體的溫度分布進行了研究。結果表明,當換熱器面積設計偏大時會出現局部熱量反交換現象,并指出了多發區。將除污功能應用于殼管式換熱器,相應地減小換熱器的體積,可使殼管式污水-水換熱器在最佳工況下運行。

污水源熱泵;換熱器;自動除污;穩態數學模型

利用地表水(城市污水、江河湖水、海水等)作為熱泵冷熱源為建筑供暖空調具有重要的節能、環保及經濟價值[1-2]。除此之外,洗浴中心和游泳池[3]、油田[4]、藥廠、啤酒廠、醫院等的污水均可以因地制宜地回收熱能以滿足自身的工藝用能或廠區供熱制冷的需要[5]。但由于污水水質惡劣,要實現污水冷熱量的有效傳遞與轉換,必須克服污物對換熱設備的阻塞與污染問題[6]。針對這一問題,國內外開發了一些系統應用工藝。挪威、瑞典采用淋水式污水換熱器[7-8],蒸發器每3～5 d用高壓水沖洗一次,每年有1～2次化學清洗。日本開發的殼管式污水源熱泵系統,傳熱管內帶有自動移行的毛刷,并附有毛刷收容器以及可改變管內水流方向的四通閥[9-10]。管道的日沖洗次數為4～6次[11],需要定期更換管道內毛刷。中國的大量研究側重于污水冷熱源的價值與前景方面,而對流動阻塞與換熱問題研究較少,應用側重于浸泡式系統,即將盤管直接浸泡在污水坑池中。由于是自然對流,且換熱溫差小,所需換熱面積極大,相應的管材用量和污水坑的體積都極大,其前景并不樂觀[12]。針對這一問題,本文介紹了一種具有自動管外除污功能的殼管式污水換熱器。自動除污型污水-水殼管式污水換熱器是污水源熱泵系統的關鍵設備之一,是筆者在污水換熱器方面提出的一種除污裝置[13]。該裝置起到連續換熱和除污的作用,其核心部件為管外除污設備。文章介紹了自動除污型污水-水換熱器的結構原理,建立了污水-水換熱器合理的數學模型,采用矩陣控制的方法求解模型,并對該換熱器的運行特性進行了模擬研究。

1 自動除污型污水換熱器的工作原理和結構尺寸

自動除污型污水-水換熱器應用于間接式污水源熱泵系統,系統原理如圖1所示。

圖1 間接殼管式污水源熱泵系統示意圖

與以往不同,管外自動除污型污水換熱器有其特有的結構(見圖2)。1)污水在管外流動,循環水在管內流動,兩側流體在流動過程中換熱。2)殼體中心軸上設有一根可以轉動的轉軸,上面刻有螺紋。折流板由2塊不銹鋼板和中間橡膠夾層組成。折流板設置成獨立體,中間轉軸和換熱管穿過折流板。中間轉軸與折流板以螺紋連接,換熱管與折流板的膠皮夾層接觸。該設備除污時轉動中間轉軸,在螺紋作用下折流板沿軸向移動。折流板橡膠夾層刮擦換熱管實現自動除污。

圖2 污水-水殼管式換熱器結構示意圖

污水-水殼管式換熱器主要包括殼體、循環水轉向端蓋、換熱管、折流板、管板以及中間轉軸等。換熱管穿過折流板并通過管箍固定在管板上,可以拆卸。折流板由2個塑料夾板和中間的膠皮夾層組成,上下交錯依次在殼體內軸向排開。污水從殼體上側左端進入右端流出,在殼體內受折流板的作用而上下迂回前進。循環水由管程的左下端進入換熱管,經過6個管程后從左上端流出管程。循環水的轉向是通過兩端的端蓋實現的,在轉向腔體內循環水充分混合。兩側流體在殼體內實現污水與循環水的換熱。換熱管材質可根據經濟條件等選用鈦、鋁塑、紫銅、黃銅、鍍鋅銅管、碳鋼電鍍銅合金、不銹鋼等。為防止銹蝕,與污水接觸的其他裝置,如殼體、管板等都采用鍍鋅材質。

圖3 污水-水換熱器部件圖

針對夏季運行工況設計了2種不同換熱面積的污水-水殼管式換熱器。污水進/出口溫度為20/28℃,循環水設計進/出口溫度為33/23℃。換熱管采用紫銅光管,殼體采用不銹鋼材料。具體參數見表1。

表1 換熱器的結構尺寸

2 模型的建立和理論分析

對換熱器的模擬首先要建立殼管式換熱器的數學模型。換熱器管程數為n,在每一管程有m根換熱管。由于在換熱器兩端循環水轉向端蓋的作用,同一管程中每根換熱管的入口端循環水溫度相同,在出口端循環水混合,溫度也將一樣。這樣同一管程中的換熱管換熱特性基本一致。污水側,軸向上通過折流板將污水分成若干程。

將模型微元劃分,左右方向以折流板為分界線劃分為j列,上下方向污水橫掠一個管程劃分為一個微元,如圖4中微元塊1。由于換熱器除污功能的要求,第j列的軸向寬度為2×B,是其它列寬度的2倍。第j列仍按微元塊1劃分,換熱面積為微元塊1的2倍(為方便描述以后也稱為微元塊1)。在第1列和第j列分別劃分為5個微元塊1。第2列至第j-1列分別劃分出4個微元塊1。污水流過上缺口折流板和下缺口折流板時,以微元塊2的方式劃分,如圖4中微元塊2。所以劃分出5×2+4× (j-2)+(j-1)個微元塊。這是分布參數法建模。由于污水、循環水多管程多殼程交叉換熱,使得模擬計算中不能按一側流體的流向依次計算出微元塊參數。這里需同時設出各微元塊參數,通過匹配同時求解。

圖4 污水-循環水換熱器的模型圖

按循環水的流動方向,在每個微元塊的進口、出口處分別設出循環水平均參數。每個微元塊循環水的出口參數也是下一個微元塊入口參數。在污水流動方向上,在每個微元入口、出口處分別設出污水的平均參數,每個微元塊污水的出口參數也是下一個微元塊污水的進口參數。入口條件包括流體的溫度、流量等。在每個微元塊的計算中,分為循環水側和污水側2部分。

換熱過程由循環水側流動換熱和污水側流動換熱2個環節組成。由此可計算各微元的未知量。

循環水側：

對整個換熱過程編制程序,就得到了殼管式換熱器的分布參數模型,程序算法流程圖見圖5。

圖5 管外除污型污水換熱器的算法流程圖

3模擬結果及分析

因為在實際運行時,換熱器污水、循環水進出口溫度都要求有一個特定值,故流量比也是一個固定值。本次模擬中按Ms/Mt=1.25的比例取值。模擬中,污水入口溫度為 20℃,循環水入口溫度為33℃。污垢熱阻在換熱器未除污時選定TEMA標準推薦的未凈化污水在溫度小于52℃的污垢熱阻值5.28×10-4m2?K/W,由于殘余污垢,除污后污垢熱阻取2.84×10-4m2?K/W[14]。對表1中所設計的2種換熱面積的污水換熱器進行模擬研究。

圖6、7分別為除污后污水流量為14.91 kg/s、循環水流量為11.98 kg/s時換熱器一中污水和循環水的溫度沿流動方向的分布情況。從圖6中可以看出,污水沿流動方向溫度整體呈上升趨勢,但在微元序號為72、79的局部區段溫度出現下降趨勢;與之對應,在圖7中循環水的溫度總體呈下降的趨勢,但在微元序號為50、75的局部區段有溫度上升的趨勢。經分析,圖6污水溫度下降的區段與圖7中循環水溫度上升區段恰好處在同一個微元內,這一現象符合能量守恒定律。整個換熱過程目的本是循環水向污水傳遞熱量,但在局部卻出現了污水向循環水傳遞熱量現象,故我們將這種現象稱為“熱量反交換”。

圖6 有熱量反交換時污水溫度變化

圖7 有熱量反交換時循環水溫度變化

通過多組污水以及循環水溫度分布曲線可知“熱量反交換”現象多發生在換熱器的右上角,如圖8所示。此處為污水出口與循環水最后2個管程交叉處。這是由于污水在循環水第一管程末端(換熱器右下角)與剛流入換熱器的高溫循環水換熱,溫度升高后,直接流到第5、6管程(換熱器右上角)與將要流出換熱器的低溫循環水換熱。此處污水溫度高于循環水溫度,故出現“熱量反交換”。此過程污水充當載熱體將第1管程中循環水的熱量傳遞給第5、6管程中低溫循環水,產生熱短路。圖9、10為兩側流體流量增加后,換熱器一中污水以及循環水溫度沿流動方向的分布圖。從圖中可以看出兩側流體溫度在流動方向呈單調的趨勢,并沒有出現“熱量反交換”現象。

圖8 熱量反交換多發區示意圖

圖11給出了“熱量反交換”微元個數的變化情況。進而分析了影響“熱量反交換”的因素。其中換熱器二的換熱面積比換熱器一的小(見表1)。圖中可以看出,隨污水流量的增加,熱量反交換區域減小直至消失。在相同污水流量下,換熱器的換熱面積越大熱量反交換區域越大,并且除污后熱量反交換區域會增大。由此說明除污作用相當于增大了換熱器的換熱面積。結果表明,“熱量反交換”區域的大小與兩側流體的流量、換熱器換熱面積的大小以及是否除污有關。

圖9 無熱量反交換時污水溫度變化

圖10 無熱量反交換時循環水溫度變化

圖11 熱量反交換微元個數與污水流量關系

圖12為換熱器一除污前后換熱量隨污水流量變化關系。結果顯示,除污后要比除污前的換熱量大。且換熱量隨兩側流體流量的增加呈直線上升。圖9、12綜合說明,將除污功能應用于殼管式換熱器,減小換熱器的體積,使其恰好不發生“熱量反交換”現象,是殼管式污水-水換熱器的最佳運行工況。

圖13所示為兩側流體的進出口溫差隨流量變化關系。隨著流量的增加,污水以及循環水的進出口溫差稍有降低的趨勢,但降低程度并不明顯,循環水溫差從8.19℃降到了7.24℃;污水溫差從6.55℃降到了5.79℃。這個溫度變化在實際工程中是微乎其微的可以忽略。所以對一個已定的換熱器,當兩側流體的進口溫度給定時,流量變化對流體出口溫度的影響很小。

圖12 換熱器一除污前后換熱量隨流量的變化

圖13 換熱器二兩側流體進出口溫差與流量的關系

4 結 論

提出了除污型污水-水殼管式換熱器,闡述了其結構原理。采用數值模擬的方法對其進行了模擬研究,得到如下結論：

1)當流量小換熱器面積較大時,在換熱器的局部會出現熱短路即“熱量反交換”現象。兩側流體流量越大,熱量反交換面積越小。

2)除污后殼管式換熱器可大大提高換熱量。將除污功能應用于殼管式換熱器,并相應減小換熱器的體積,使其恰好不發生“熱量反交換”現象,是殼管式污水-水換熱器的最佳運行工況。

3)對一個已定的換熱器,當兩側流體的進口溫度給定時,流量變化對流體出口溫度的影響很小。

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(編輯 胡英奎)

Analysis of Sewage-water Heat Exchanger w ith the Function of Auto-de-fouling

SHENChao,JIANGYi-qiang,YAOYang
(School of Municipal and Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

A sewage-w ater shell-tube heat exchanger with the function of de-fouling was proposed and designed for sewage-source heat pump.Its new sim ulation program which relies on a distribution parameter com putationalmethod was set up.Then themodel was solved w ith the method of Matrix Control.Based on the model,the distribution of bilateral fluid tem peraturew ere studied,under the conditions of different flow rates and heat exchange area before and after the de-fouling.Results showed that therew ill be heat anti-transfer phenomenon if the heat exchanger area is bigger than need and the region of this phenomenon was point out.Setting the function of auto-de-fouling in shell-tube heat exchanger and reducing the equipment＇s volume accordingly can make the sewage-water heat exchanger run in the best conditions.

sew age source heat pump;heat exchangers;auto-de-fouling;steady-statemodel

TU833.3

A

1674-4764(2011)03-0107-05

2010-12-26

基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃重大項目(2006BAJ01A 06)

沈 朝(1984-),男,博士生,主要從事污水源熱泵的高效利用研究,(E-mail)Shenchao030647@163.com。姜益強(通訊作者),男,教授,博士生導師,(E-mail)jyq7245@163.com。