污水换热器传热性能测试分析

暖通空调HV&AC2009年第3卷第2期设备开发·87·污水换热器传热性能测试分祈北京航空航天大学武姿☆清华大学张世钢付林北京航空航天大学袁卫星摘要以北京某宾馆污水源热泵系统中的污水换热器为研究对象,连续测试了污水、中间水以及热水流量、温度随时间的变化。根据测试数据计算得到了污水换热器换热效率的衰减情况,并拟合得到了传热系数的衰减公式,测试分析结果可为污水源热泵供热系统中的污水换热器设计和选型提供参考。关键词污水源热泵污水换热器传热换热效率Testing and analysis of heat transfer propertiesof sewage heat exchangersBy Wu Zi*, Zhang Shigang, Fu Lin and Yuan WeixingAbstract Taking the sewage heat exchanger of a hotel in Beijing as study object, continuously tests thevariation in flow rate and temperature of sewage, intermediate water and hot water with time. Based on thetested data, obtains the decaying condition of the heat exchanger efficiency with the using time due to scaleformation, and obtains a fitted decaying formula of the heat transfer coefficient. The analysis results providea reference for the design and selection of sewage heat exchanger of a sewage source heat pumpKeywords sewage source heat pump, sewage heat exchanger, heat transfer, heat exchange efficiencyBeijing Univ. of Aero. Astro, Beijing, China0引言生88196万t城市污水。采用污水源热泵系统从随着能源在国民经济中地位的日益重要能源城市污水中提取部分热能用于为建筑物供热能提的高效利用逐渐成为人们关注的焦点。近些年,随高城市能源的利用效率同时因为减少了煤炭等能着热泵技术的日趋成熟与发展地下水地源热泵得源的使用量,相应地减少了CO2,NO2,SO4等污染到了推广应用但由于地下水的回灌与水资源的保物的排放量,具有非常重要的经济及社会意义护问题这项技术存在明显的局限性。在这种情况污水换热器是污水源热泵供热系统的关键部下城市污水引起了人们的重视。20世纪70年代件。污水中的各种杂质在传热表面沉积会形成污垢以来日本、挪威、瑞典及其他一些供热发达国家对热阻,污垢热阻是影响污水源热泵系统换热效率的污水源热泵空调系统进行了大量研究,并进行了推主要因素。据文献[4的研究,污垢热阻对污水源热广应用。目前,日本污水源热泵空调系统的能效水泵系统换热效率的影响大约占整体热阻对污水源热平已接近现有常规水源热泵系统的能效水平,瑞典泵系统换热效率的影响的67%。文献5]的研究表斯德哥尔摩有40%的建筑物釆用热泵系统供热其明,传热系数随污水流速变化缓慢,在设计流速下传中10%采用污水处理厂的中水作为热源。国内热系数为60wW/(m2,℃).在实际工程应用中,人对污水源热泵的节能性、环保性与应用前景也已经进行了一些研究,并在一些经济较为发达的城市进☆武姿,女,1983年1月生在读硕士研究生100084北京市海淀区清华大学建筑节能研究中心三层行了一定程度的推广应用。据统计北京市每天产(0)13810836739E-mail: z-wu02@mails, tsir收稿日期:2007-11-13一次修回:2008-01-07。电厂余热再利用与研究资助项目(编号:D07040900560000二次修回:2008-12-23.88·设备开发暖通调HV&AC209年第39卷第2期们往往希望知道结垢引起的污水换热器换热效率随新回到污水换热器再次加热升温,完成一个循环使用时间的衰减情况,以便了解系统性能的动态变在空调热泵机组侧空调水经过空调热泵机组加热化规律安排合理的清洗周期,但目前还没有可以信升温后为宾馆供暖;在热水热泵机组侧自来水经赖的研究结果。针对这种情况,本文对北京某宾馆过热水热泵机组换热升温后作为宾馆的生活热水。的污水源热泵供热系统中的污水换热器的实际运行夏季工况与冬季工况的不同在于夏季工况中间水性能进行了一个多月的测试,分析得到了污水换热作为热泵机组的冷却水,并通过污水换热器将冷却器换热效率的衰减情况,并拟合得到了传热系数的水热量排放到污水中。本文主要测试分析冬季供衰减公式,测试分析结果可为类似污水换热器的设热工况计、选型、使用、维护提供参考主要测试参数包括污水进出换热器的温度和系统及测试方法介绍流量以及中间水进出换热器的温度和流量。热泵图1为该污水源热泵供热系统冬季供热工况机组型号为SL-60M额定制热量为720kW,制系统流程及测点布置图。系统所使用的污水来源热输入功率为148kW;额定制冷量为650kW制冷输入功率为112kW。污水换热器为壳管式污水走管内,中间水走壳侧污水与中间水逆向流动污水换热器共有两组,采用串联连接方式,每组换热面积230m2,两组换热器轮流使用,一用一备g在测试期间,只开了其中一组换热器。主要测试仪器温度自记仪测量精度≤0.3℃,SCL便携式数字1温度自记仪2防阻机3污水4超声波流量计5污水换热器6中间水超声波流量计测量精度等级为士0.5。7空调热泵机组8热水热取机组9生活热水循环泵10求端循环泵一中间水(清水)管路污水管路一-空调用水及生活热水管路2试验及分析于2007年1月26日至2月28日共进行了图1系统流程及测点布置34天的现场连续测试,测试采样周期设定为20于附近的城市污水管道,为城市原生污水,经潜水min。测试开始前,对污水换热器进行了全面的泵输送到设置在宾馆地下室的热泵机房经防阻机除垢清洗,因此,可视初期数据为新投入使用污过滤掉污水中的大块悬浮物后进入污水换热器将水换热器的数据。在测试期间,污水流量与中间热量换给中间水后再通过排水管路送回城市污水水流量基本稳定,分别为95t/h和100t/h。图管道。中间水在污水换热器中吸热升温后分两路2a,2b分别给出了污水和中间水进出口温度随分别经过空调热泵机组和热水热泵机组降温后重时间的变化。时阃/h10020030040050060070080090污水进口‘污水出口中间水进口中间水出口换热器污水进出口温度随时间的变化b换热器中间水进出口温度随时间的变化c污水换热器传热系数厂随测试时间的变化图2实测参数及污水换热器传热系数K随时间的变化根据测试数据,进行以下整理计算中间水吸热量:污水放热量:Q-4QcG△u(1)由于管路和换热器壳体与环境空气的换热量暖通空调HN&AC209年第39卷第2期设备开发·89很小,可以忽略则污水放热量与中间水吸热量应式中t为新换热器投入运行后的累积运行时间基本相等可作为校核测试数据的依据。在计算传或旧换热器全面清洗后的累积运行时间h热量时,取其平均值根据本次测试分析结果笔者认为,在污水换热Q+Q(3)器设计和选型时,为了保证热泵机组的可靠稳定运行,污水换热器传热系数应取稳定状态时的700污水换热器传热系数:W/(m2·℃),或者通过设置自动清洗装置定时清K(4)洗传热管,使其保持在较佳的传热状态,此时的传热系数和清洗周期可根据图2c或式(5)确定其中,△m=,△=t-,△"=2-3结论3.1由于城市原生污水水质很差,在换热器内壁容易形成较厚的污垢,使污水换热器传热系数显著式(1)~(4)中Qn为换热量,W;c为水的比热降低。本次测试中,污水换热器的传热系数在前容,k/(kg·K);G为污水流量,t/h;△为污水100h衰减迅速,从约1400W/(m2·℃)迅速降到进出口温差℃;G2为中间水流量,t/h;M2为中间900W/(m2·℃),随着时间的推移,下降速率逐渐水进出口温差,℃;K为总传热系数W/(m2·℃);趋于平缓稳定在约700~800W/(m2·℃),其衰F为传热面积,m2;△为对数平均传热温差℃;减规律基本符合 Logistic函数。,分别为污水进出口温度,℃;t2,t分别为中间3.2在污水换热器设计和选型时,为了保证热泵水进出口温度,℃机组可靠、稳定运行,污水换热器传热系数应取稳将测试数据代入式(1)~(4),计算整理可得测定后的数值(对本文研究的换热器而言,约为700试期间污水换热器传热系数K随时间的变化情W/(m2·℃),或者通过设置自动清洗装置定时况如图2c所示。由图可见,传热系数K在前清洗传热管,使其保持在较佳的传热状态,此时的l00h衰减迅速,从约1400W/(m2·℃)迅速降到传热系数和清洗周期可根据图2c或式(5)确定900W/(m2·℃),随着时间的推移下降速率逐渐3.3本文的测试数据及相关公式可供同类换热器趋于平缓,稳定后大约为700~800W/(m2·℃),设计和选型时参考测试(连续运行800h)结束后测得的传热系数K参考文献:为700Ww/(m2℃)左右可见,在后600多小时t] Zhang H Y, Ebadian M A, Compo A. viscoelastic里换热器效率基本保持不变,达到稳定状态fluids heat transfer [J]. Numer Heat Transfer1990,17(8):231-234观察污水换热器传热系数K随时间的变化曲[2]国家统计局.中国统计年鉴206M北京:中国统线,发现其变化趋势基本符合 Logistic函数规律,计出版社,2006采用数值方法可以拟合得到所测试的污水换热器[3]尹军,王宏哲,韦新东城市污水热能利用技术及展望的传热系数的计算公式:[.吉林建筑工程学院学报,2001(2)[4]吴荣华张承虎孙德兴,等城市原生污水冷热源换K=66897+-586.43热管软垢特性研究门].流体机械,2006,34(1)1+56.38[5]吴荣华孙德兴,张承虎等热泵冷热源城市原生污水的流动阻塞与换热特性[J.暖通空调,2005,35(2)(上接第127页)[14]中国预防医学科学院环境卫生监测所.WS/T206[11]陆际晨蒋巍张泓等负离子流降低门诊室空气中细2001公共场所空气中可吸入颗粒物(PM10测定方菌数的初步试验D]上海医学,1996,19(7):391法——光散射法[S].北京:中国标准出版社,2001[12] Nishi J, Tanaka T, Seiki T, et aL. Estimation of the[15]中国预防医学科学院环境卫生监测所.GB/Tvalue of the internal and external environment in18204.1-2000公共场所空气微生物检验方法细菌underground space use [J]. Tunneling and总数测定[S]北京:中国标准出版社,2000Underground Space Technology,2002,15(1):79-89[16]中国预防医学科学院环境卫生监测所.GB/T[13]朱明明公共场所室内空气质量监测结果分析[江17220-1998公共场所卫生监测技术规范[S].北苏预防医学,2003,3(14):42-43京:中国标准出版社,1998