能源的紧张,导致能源利用的多极化。城市原生污水是一种较为理想的建筑供热空调冷热源,但污水热能利用中存在的污杂物对设备管路的阻塞与污染问题不容忽视[1,2]。其中污染问题主要表现在换热表面微尺度粘泥与微生物的贴附挂壁。目前国内外对城市原生污水软垢特性的研究仍在起步阶段[3],文献[4]对污水换热器中软垢的增长特性进行了测试,但没有分析软垢的增长与污水换热器的换热性能及水力损失之间的关系。
污水换热器污水管内软垢的增长会引起换热性能和流动压降的变化,从而引起换热器火用损失的变化,反之,可以由换热器火用损失的变化来反映软垢增长对换热器换热性能和流动压降的影响[5～7]。本文将采用热力学中的火用分析方法对城市原生污水软垢增长对换热性能和流动压降的影响作进一步分析。
2 有效能-火用损失评价
城市原生污水热泵系统运行时,首先通过特制的除污装置去除了污水中大尺度污杂物,接着含杂质较少的污水经管壳式污水换热器把热量或冷量传递给中介水,热泵机组再通过中介水间接获得热量或冷量向建筑物供热或制冷。管壳式污水换热器中,壳程走中介水(清水)管程走污水。在普通的管壳式换热器中,火用损失主要包括以下方面[7]:(1)管内流体与管内壁对流换热火用损失;(2)管内污垢层温差导热火用损失;(3)管内流体流动压降火用损失;(4)换热管内外壁的温差导热火用损失;(5)换热管外侧污垢层温差导热火用损失;(6)换热管束外壁与壳程流体间对流换热火用损失;(7)管外流体流动压降火用损失。而对用于城市原生污水热泵系统的管壳式污水换热器,换热管内软垢的增长速度较快,随着软垢的增长,管内的流通断面减小,从而引起各传热环节温差的重新分布。与软垢有关的为(1)～(3)项。本文将就这三项火用损失变化作分析。
2.1 管内污水对流换热的火用损失
设污水进出口平均温度为Tws,中介水进出口平均温度为Tzj。根据牛顿冷却定律,管内污水对流换热的温差为:
对污水换热器中污水对流换热的测试表明,污水对流换热系数较清水明显减小,其原因可能为:(1)污水的流变特性问题,即污水的运动粘度要比清水大;(2)污水流动是一种固、液两相流,传热机理与清水存在一定的差异。流速在0.4～1m/s且污水运动粘度按清水的3倍考虑时,换热系数实测值为586～800W/(m2·K),若按光滑管的紊流换热准则关联式(2)计算,则换热系数为772～1600W/(m2·K),计算结果偏大。若按修正的式(3)计算,则换热系数为514～1038W/(m2·K),这与实测值比较接近。实际上,污水的流动换热是很复杂的物理过程,可采用式(3)、(4)分别对供热和制冷工况时的污水对流换热作近似计算。
3 工程实例分析
以哈尔滨某城市污水源热泵工程为例,对冬季供热工况下污水换热器的软垢状况进行火用分析。该热泵系统采用的是2台并联的单壳程6管程的管壳式换热器,换热管束为25/20mm的碳钢无缝管,每管程根数为65。中介水走壳程,流量为200m3/h。冬季环境温度为263.5K。表1是冬季供热工况测试参数。表中的软垢平衡厚度是指在一定流速条件下,软垢随时间不断生长,最终不增长时的稳态厚度。
由表1中可知,随着流速的增加,软垢平衡厚度逐渐降低。软垢在不同流速下均会达到厚度平衡状态,软垢的增长速度与流速有直接关系,其主要原因有:(1)不同流速的壁面切应力不同,软垢薄膜变形后再增长时受力脱落,(2)软垢中含大量微生物,近贴换热管的微生物长时间无营养后死亡,该层微生物死亡后无挂壁能力,整层生物粘泥自然脱落[4]。
由图可知,管内对流换热温差火用损失系数随着流速的增加变化缓慢;管内软垢层温差及管内流动压降火用损失系数变化明显,随着流速的增加,管内软垢层温差火用损失系数迅速降低后趋于平缓,而管内流动压降火用损失系数始终趋于上升;三项之和火用损失系数则是经历了一个先下降而后上升的过程。表1中流速较低的(6)、(7)组数据,管内对流换热温差火用损失系数占主导作用;流速中等的(4)、(5)组数据,管内软垢层温差火用损失系数与管内对流换热温差火用损失系数较大;流速较高的(1)～(3)组数据,管内流动压降火用损失系数则占据了主导作用。
从与软垢有关的三项火用损系数之和的变化来看,选择一个适中的流速三项火用损失之和较小,因而系统也节能。本文中,取流速中等的第(4)组数据比较合适。
图2～4显示了表1中第(2)、(4)、(7)组测试数据下,当污水换热器的换热负荷不变时,火用损失系数随软垢增长的变化。
由图可知,管内对流换热火用损失系数在同一流速下,随软垢的增长而缓慢上升。这是因为软垢厚度增长导致对流换热有效换热面积减小,致使对流换热温差缓慢上升,但软垢软垢厚度非常小,故管内对流换热火用损失系数上升量几乎不变。软垢层导热温差火用损失随软垢的增长而基本呈线性规律增大,流速越小其增大趋势越明显。管流压降火用损失几乎不变,这是由于流速不变时软垢的增长对污水质量流量减小很小的缘故。三项火用损失系数的变化趋势与软垢层导热温差火用损失的变化趋势一致。
对比图2～4,随管流速的降低,管内流动压降火用损失系数的作用越来越减弱,软垢层导热温差火用损失的主导作用越来越明显,管内对流换热火用损失系数变化不大,相对而言是次要因素。
4 结语
(1)管壳式换热器的火用损失随管侧污水软垢的增长按一定的规律变化,通过分析比较火用损失系数的相对大小能全面反映软垢增长对换热损失和流动压降损失的影响程度。
(2)污水流速越大,管内流动压降火用损失系数也越大,管内软垢层温差火用损失系数越小。而在流速中等时,与软垢有关的三项火用损失系数之和存在较小值。若在污水取水上能满足此流速,则选择此中等流速对系统节能和经济性都有利。
(3)流速不变时,随软垢的增长,软垢层导热温差火用损失系数呈线性规律快速增大,流速越低,这种趋势越明显,而管程流动压降火用损失系数的变化则相对较缓慢。若在污水取水上不能满足上述(2)的中等流速而只能取较低流速时,则需要及时采用有效的阻垢、除垢措施以保证换热器的换热效果,如采取短时间内以较高流速反向冲刷污水管除垢等措施。
