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作
者：
高庆梅，沈朝，王墨红，曹慧哲，姜益强
第一作者单位：
哈尔滨工业大学建筑学院
摘自《煤气与热力》2023年7月刊
高庆梅，沈朝，王墨红，
等
.
枕板型污水换热器性能试验
［J］.
煤气与热力，
2023，43（7）
：A01-A05，A21.
1
概述
污水余热回收利用可有效降低建筑运行能耗。对污水余热回收装置（污水源热泵）的深入研究与推广应用，对我国双碳进程有重要意义
［
1-3
］
。
国内外有许多污水源热泵相关的研究。
Ali
等人
［
4
］
模拟了不同污水温度和热水温度时污水源热泵的制热性能系数。
Ni
等人
［
5
］
利用理论模型研究了纽约使用污水源热泵的住宅，模拟结果表明，供暖、制冷和热水供应的能源消耗分别降低了
23.5%
、
2.7%
和
76.0%
。
Chen
等人
［
6
］
介绍了中国华北地区污水资源的现状以及污水源热泵的特点和类型，证明了污水源热泵在常年运行中的经济优势。李慧星等人
［
7
］
对严寒地区洗浴污水余热回收实际工程进行了研究，结果证明，回收洗浴污水余热的污水源热泵年均制热性能系数可达
4.87
。
在污水
换热器
长期使用过程中，污垢的产生在所难免。污水源热泵的稳定性与长效性需求对污水换热器的防腐性与防堵塞性提出了较高要求。
Chao
等人
［
8
］
长期测试以洗浴污水为热源的污水源热泵的性能，发现制热性能系数随着运行时间延长逐渐降低，污水管的输送能力在运行
30 d
后下降
16.9%
，因此必须对污水换热器的换热表面进行定期有效清洗。
Liu
等人
［
9
］
设计了自动避免堵塞的设备，并对典型工况下的污水源热泵进行了性能测试。结果表明，污水换热器中污水侧污垢热阻占总热阻的
80%
。宋艳
［
10
］
提出在污水源热泵中使用喷淋式换热器，虽然可以一定程度上避免污垢堵塞，但换热器体积大，并需要额外的清洗工作。
Chao
等人
［
11
］
提出新型壳管式蒸发器，可从蒸发器外部手动旋转螺杆轴，使挡板移动将管道表面的生物污垢擦掉。
Qin
等人
［
12
］
提出的自由流道污水换热器可利用污水自重对污水换热器进行冲洗。
许多学者对枕板换热器进行了试验和数值研究。
Piper
等人
［
13
］
对枕板换热器的几何参数确定进行了研究，提出了枕板水力直径、截面积、传热面积的确定方法。
Piper
等人
［
14
］
还对枕板内的流动进行了研究，结果表明，枕板内的流动有
2
个区域，即主导传热的弯曲核心区和发生在焊点尾部的再循环区。研究者还研究了枕板换热器几何形状对其热工水力性能的影响，并确定了最有利的设计。在模拟流场的基础上，提出了几何条件改进措施，显著改善了枕板换热器的热工水力性能。
Mitrovic
等人
［
15
］
提出了枕板几何形状设计参数的确定方法，即采用三维三角函数来描述壁面波纹度，并使用圆柱形表面作为焊点。
对于枕板内流体的传热及流动，缺乏试验研究，特别是在污水换热条件下。本文分别将采用直流型、折流型枕形换热板的枕板型污水
换热器
（简称枕板换热器）作为污水源热泵机组蒸发器，采用试验方法分析污水流量、温度对枕板换热器换热性能以及污水源热泵性能系数、能效比的影响。
枕板换热器内部结构见图
1
。枕板换热器由
4
片长
1.50 m
、高
250 mm
的枕形换热板平行排列组成，枕形换热板间距为
50 mm
。污水在枕形换热板外流道流动，制冷剂在枕形换热板内流道流动，内流道最大宽度为
9 mm
。
枕形换热板采用液压膨胀成形工艺制造，先将
2
块金属板通过激光或电阻焊相互点焊，然后通过滚缝焊接在边缘处密封（制冷剂进出口除外），焊点规则可根据结构和热工水力要求进行选择。然后通过液压膨胀成形，最终得到复杂的波浪形流道。焊点和波浪形流道均会增强内部流体横向混合，从而增强湍流，使枕板换热器具有良好的热工水力性能。由于采用液压膨胀成形工艺，枕形换热板外表面光滑、无死角，在换热面较难结垢。在实际运行中，由于机械冲击和热冲击作用，板面会产生微小变形，促使枕形换热板表面污垢层剥落，减少清洗次数，确保长期相对稳定的换热性能。
折流型、直流型枕形换热板见图
2
。制冷剂进出口间距为
1 380 mm
，焊点直径为
10 mm
，相邻焊点的横向距离为
50 mm
，纵向距离为
60 mm
。折流型枕形换热板在直流型枕形换热板的基础上增加均匀分布的
5
条焊缝。
3
试验内容
枕板换热器试验系统现场布置见图
3
。试验系统流程见图
4
。污水由蒸发器（枕板换热器）左侧进口进入外流道，与内流道制冷剂（
R134a
）逆流换热后，由枕板换热器右侧流出。制冷剂在枕板换热器内吸收热量，通过热泵冷凝器（板式换热器）加热冷却水。低温冷却水由冷却水箱底部流出，进入冷凝器，在冷凝器内被加热后流回到冷却水箱。冷却水箱冷量由自来水提供，污水箱热量由电加热器提供，蒸发压力由实测得到（图
4
中未表示测量装置）。实验室压力为
101.325 kPa
。试验用污水取自污水厂处理后的污水。
采用试验方法，分析污水流量、温度对枕板换热器换热性能以及污水源热泵性能系数、能效比的影响。
试验枕板换热器分别采用直流型、折流型换热板（对应的枕板换热器分别简称直流型、折流型枕板换热器）。污水流量变化范围为
2.0~4.2 m
3
/h
，污水进口温度变化范围为
10~30
℃。
4
试验结果与分析
不同污水流量下折流型、直流型枕板换热器传热系数随污水进口温度的变化见图
5
、
6
。由图
5
、
6
可知，直流型枕板换热器的换热性能优于折流型枕板换热器。污水流量一定时，直流型、折流型枕板换热器传热系数均随污水进口温度升高而增大。当污水进口温度升至
15
℃后，直流型、折流型枕板换热器传热系数增大速率均明显加快，特别是在大污水流量条件下。
图
5
不同污水流量下折流型枕板换热器传热系数随污水进口温度的变化
不同污水流量下直流型、折流型枕板换热器传热系数差（直流型枕板换热器传热系数减折流型枕板换热器传热系数，简称换热器传热系数差）随污水进口温度的变化图
7
。污水进口温度一定时，在污水流量变化范围内，传热系数差差别不大。污水流量一定时，在污水进口温度变化范围内，传热系数差变化明显，特别是污水进口温度大于
15
℃后。因此，与污水流量相比，污水进口温度对枕板换热器换热性能的影响占主导地位。
图
6
不同污水流量下直流型枕板换热器传热系数随污水进口温度的变化
图
7
不同污水流量换热器传热系数差随污水进口温度的变化
污水流量为
4.2 m
3
/h
时，制热性能系数、能效比随污水进口温度的变化见图
8
。由图
8
可知，污水流量一定时，制热性能系数、能效比均随污水进口温度升高而增大。相同试验工况下，采用直流型枕板换热器时，污水源热泵制热性能系数、能效比更高。
图
8
污水流量为
4.2 m
3
/h
时制热性能系数、能效比随污水进口温度的变化
污水进口温度为
30
℃时，制热性能系数、能效比随污水流量的变化见图
9
。由图
9
可知，污水进口温度一定时，制热性能系数、能效比均随污水流量增大而增大，但增大幅度不明显，进一步说明污水进口温度的影响占主导地位。
图
9
污水进口温度为
30
℃时制热性能系数、能效比随污水流量的变化
①直流型枕板换热器的换热性能优于折流型枕板换热器。
②与污水流量相比，污水进口温度对枕板换热器换热性能的影响占主导地位。
③相同条件下，采用直流型枕板换热器的污水源热泵制热性能系数、能效比更高。
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