一種新型毛細管壁污水換熱器及其應用

鄧俊敏

北京雙圓工程咨詢監理有限公司

0 引言

目前，能源危機和環境污染已經成為人們最為關注的兩大問題，清潔能源日益重要，城市污水作為一種余熱資源，其排熱量約占城市總排熱量的10%～16%，具有很大的開發利用潛力[1]，通過使用污水源熱泵實現夏季將熱量排放到污水中，冬季從污水中提取熱量，既實現了空氣調節的需求，同時對節能環保也具有重要的意義。通過這樣的技術應用，每使用一噸污水，可少燃燒兩公斤煤，少向大氣排放六公斤二氧化碳。這具有明顯的環保、經濟效益，處于行業領先的位置。

城市污水是一種混合水體，主要由生活污水和工業廢水組成。這種混合水體中含有許多未知懸浮物及化學性有機溶解性化合物[2]，因此，若將污水直接通入污水源熱泵機組的換熱器，將會經常出現以下問題：首先，污水流經管道和設備時，會在設備表面上產生污垢、微生物膜、油膜等，從而增加熱阻，惡化傳熱效果。其次，污水中含有的固體懸浮物和漂浮物容易造成管道的堵塞，導致污水流動阻力增大，流通不暢，最終導致系統的供熱量隨時間延長而衰減。再有，污水中含有的硫化氫等化學物質會使管道和設備腐蝕生銹，進而影響設備的使用壽命。

由于污水流動的阻塞和供熱量的衰減，使污水源熱泵的運行管理和維修量加大，例如，為改善污水源熱泵的運行特性，換熱面需要每日水力沖洗3～6 次。

1 現有技術介紹

目前污水源換熱器種類很多，形式也是多種多樣，有寬通道換熱技術，列管換熱器，阻污機換熱器技術[3-4]，等。這些技術都有各自的特點，但由于污水組分的復雜性，上述技術未能一次性解決污水中雜質所產生的問題。

其中，寬通道及列管換熱器通過加大污水流動的通道進而減少阻力，從而解決了系統供熱量隨時間延長而衰減的問題，但其未能從根本上杜絕污水雜質進入換熱器中，使用過程中依舊會出現結垢，生物膜貼附等問題；阻污機換熱技術是在污水進入換熱器前將污水中的固體漂浮物打碎，進而使污水的流動性增強，但其解決污水中纏繞物的堵塞能力較差。

由上述可知，影響污水換熱器換熱能力的主要原因是由于污水組分過于復雜，且其物性不同，無法通過單一手段徹底處理掉污水中所有影響換熱的雜質，故要提高污水換熱器的換熱能力，首先要從了解污水組分及其物性著手，經分析，城市污水中不利于換熱的雜質主要有四類。

一類是最上面的懸浮類雜質，此類雜質以泡沫、木屑等輕質材料為主，此類雜質經過換熱器時，容易漂浮在換熱器上方，極易造成換熱器堵塞。

二類是水底的沉積類雜質，此類雜質密度較大，以泥沙為主，此類雜質容易沉積在換熱器底部，這些雜質導致傳統換熱器需要經常清理污垢，沉積過多的此類雜質還容易板結，板結后清理更加困難。

三類是懸浮于水中的雜質，此類雜質密度和水接近，懸浮于水中，此類雜質容易被帶走，一般不會給換熱器帶來太大威脅。但如果換熱器結構設計不合理，有明顯的流通不暢部位，會導致此類雜質聚集，也會產生臟堵。

四類是腐蝕類雜質，此類雜質容易腐蝕換熱器，長時間使用導致換熱器銹蝕影響換熱，嚴重者導致換熱器泄露。

為解決上述污水雜質影響換熱器效率的問題，提供了一種新的技術路線，該技術采用毛細管換熱技術，可解決污水雜質造成換熱器效果差的問題，具有清洗方便、占地空間少、使用壽命長、換熱效率高等優點，下面從其結構特點、換熱機理、實施方式三個方面對其進行詳細描述。

2 污水換熱器的結構設計

該新型毛細管壁污水換熱器是一種將毛細管固定于污水管道內壁的換熱器（圖1、2），沿污水管道敷設。中介清水在毛細管內流動，污水在管道內流動，由于污水通道足夠寬，這避免了常規的堵塞問題，如長時間沉積泥沙等臟污染物，僅需將進水口或出水口接上高壓清水沖洗即可。此裝置換熱效率高，免人工拆洗。

圖1 新型毛細管壁污水換熱器構造圖

圖2 新型毛細管壁污水換熱器剖面圖

毛細管采用美國某公司生產的產品，該產品使用抗紫外線并且耐低溫（-40℃）的特殊工業用聚丙烯（polypropylene）塑料制成，生產出超細（外徑6.35 mm）、超薄（壁厚0.63 mm）、大換熱面積（同體積換熱器的換熱面積是金屬換熱器的3 倍）、不長菌、不長藻、不結水垢、不銹蝕的可靠、耐用（保用壽命40 年）的污水換熱器。同時，該設備導熱系數適中，表面光滑不易沉積雜質。

3 新型換熱器設計計算

換熱能力是換熱器的一個重要指標參數，由于污水水質復雜，與清水物性相差較大，因此污水換熱器的設計不能簡單的套用清水換熱器的設計經驗和參數，本文參考孫德興博士發表的污水換熱器的設計計算[5]中方法及參數對新型毛細管壁污水散熱器的換熱能力進行了計算。

中介清水和生活污水在毛細管壁實現換熱，該換熱過程主要包括污水與毛細管外壁面對流傳熱、毛細管管壁導熱、毛細管內壁與中介清水對流換熱三個換熱過程，該換熱器換熱系數計算公式為

式中：h0為污水側外表面傳熱系數，W/(m2·℃)；d0為毛細管外徑，mm；di為毛細管內徑，mm；λ為毛細管管材導熱系數，W/(m·℃)；hi為中介清水側內表面傳熱系數，W/(m·2℃)。

1）污水側表面傳熱系數hi

污水與毛細管壁換熱過程屬于外掠圓管換熱[6]，該換熱過程屬于對流換熱的一種，污水流速取值范圍為0.8 m/s～1.3 m/s，該區間對應的雷諾數Re=（v1d0）/u0=（[ 0.8～1.3）×6.35×10-3]（/3.2×10-6）=1588～2580。該雷諾數在1000＜Re＜2×105區間內，則選用的計算公式具體為：

式中：λ0為污水的導熱系數，W/(m·℃)；N u0為污水努塞爾數；Re0為污水雷諾數；Pr0為污水普朗特數。

2）中介清水側表面傳熱系數h2

中介清水在毛細管內屬于管內受迫對流換熱過程[6]，考慮換熱器阻力及減少使用過程中的泵耗，中介清水在管內流速定為0.75m/s，其雷諾數為Re=（v1di）/ui=（0.75×5.72×10-3）（/1.3×10-6）=3300＞2300，該速度下中介清水屬于過渡流，則選用的計算公式為：

式中：λi為中介清水導熱系數，W/(m·℃)；Nui為中介清水努塞爾數；Rei為中介清水雷諾數；Pri為中介清水普朗特數。

經過計算，如表1 所示，新型毛細管壁污水換熱器在設計參數范圍內總換熱系數達最高可達986 W/(m·2℃)，其換熱效率較高。

表1 不同設計參數工況下換熱器設計參數

4 實施方式

本技術實施方式主要有三種：

一種應用方式是將該換熱器廣泛應用于各個行業的污水、廢水的余熱利用項目中，既減少了能源的浪費，起到了節能環保的效果，同時也可以為企業帶來不錯的經濟效益。

二種應用方式主要是將換熱器應用于污水源熱泵系統（圖3），該系統使用水泵從污水水渠、水池或溝槽中將污水送至該換熱器并與中介清水實現換熱，并通過熱泵系統閥門的轉換實現冬季從污水中取熱、夏季向污水中放熱，從而進一步降低建筑采暖及供冷的電耗。

圖3 熱泵系統流程圖

三種實施方式為將該換熱器應用于模塊化機組中，即該系統是將污水換熱器、空調補水箱、變頻補水泵、中介水循環泵、空調循環泵，污水源熱泵機組撬裝于一個集裝箱內，為建筑供冷供暖，該實施方案具有布置靈活、經濟實惠、可重復利用等優點。

5 結論

文章介紹了一種新型毛細管壁污水換熱器，該新型換熱器從設計結構上解決了污水源熱泵由于污水水質復雜造成的換熱器堵塞、換熱效果差等問題，可廣泛應用于撬裝式熱泵系統中，極大減少設備的占地空間，從性能上分析，該換熱器換熱系數可達986 W/（m2·℃），且清洗方便，可長時間保證熱泵機組穩定運行，在污水余熱回收利用方面具有一定的推廣應用價值，同時我們也將會繼續關注其在實際使用中的效果，并對其逐步進行完善以達到更優的使用效果。