PTFE管在生活污水中的换热特性研究

广州化工2010年38卷第4期PTFE管在生活污水中的换热特性研究李成龙,王成端,蔡世涛(西南科技大学，四川绵阳 621000)摘要:研究 了浸泡在生活污水中的PTFE管和铝塑管的污垢生长特性和换热性能。根据污垢热阻变化曲线总结出污垢在塑料换热器上生长特性,污垢的生长过程可分为三个阶段:生长阶段,过渡阶段和振荡阶段。通过分析和比较PTFE管和铝塑管的污垢热阻和换热系数,说明了PTFE管在抑制污垢生长和传热性能都优于铝塑管,PTFE材质更适合于污水热能回收系统中。关键词:PTFE管;铝塑管;生活污水;污垢生长;换热特性Study on the Heat Transfer Characteristics of PTFE Pipe in Sewage WaterLI Cheng - long, WANG Cheng -duan, CAI Shi - tao( Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621000，China)Abstract: The growth properties and heat transfer performance of PTFE pipe and plastical - pipe immersed in domes-tic sewage were studied. According to the fouling heat resistance curve, the growth characteristics of fouling were summa-rized on the surface of plastic heat exchanger, which can be divided into three stages: the growth stage, the transitionalstage and vibration stage. Through the analysis and comparison of the fouling resistances and heat transfer coefficient ofPTFE tube and plastical- pipe, it illustrated that PTFE pipe in inhibiting dirt growth and heat transfer performance wasbetter than plastical - pipe, and PTFE material was more suitable for sewage heat recovery system.Key words: PTFE tube; plastical - pipe; sewage water; the process of fouling growth; heat transfer characteristics污水源热泵系统的关键技术就是污水中热能的提取技术，1塑料换热器 的研究现状提取热能的主要设备就是污水热交换器。城市污水水质非常恶劣,生活污水中含有大量污杂物及溶解性化合物,是一-种固液两为解决换热器的腐蚀和结垢问题，许多学者探讨了塑料换相,固相多组份流体,并呈现非牛顿特性。生活污水中污物的含热器在污水中可行性和可能性6]。塑料换热器已经在土壤源热量高达1%以上,包括大小尺度悬浮固体、胶体、溶解性化合物以泵系统、工业化工和海水淡化工艺上广泛应用,而在污水源热泵及微生物。生活污水中的杂质对常规金属换热器有严重的阻系统中还处于探讨和试验阶段。白莉等人[”研究了铝塑管在换塞、腐蚀和结垢作用。污水水质的特殊性对换热器的材质也有水中的换热性能。在试验期热泵系统运行稳定，换热系数高,具特殊的要求。金属换热器材质主要有铜、铜镍合金和抗腐蚀的有良好的节能性和经济性。宫晔['] 测试蛇形布置的浸泡式蛇形钛金属等金属换热器[1-3)。日本是污水源热泵系统应用最多的PE管在污水中夏季变工况的性能参数,换热效果能满足复杂工国家之- - ,对污水换热器的腐蚀特性和防腐材料的研究,取得了况要求。中国石化齐鲁有限公司供排水厂厂内供暖节能改造工很大的进步。对铜、铜镍合金和钛三种材质分别作污水浸泡实程,热源采用工业废水作为热泵系统的热源,换热器采用PEX盘验,以保留原有管壁厚度的1/3作为使用寿命,铜镍和静可使用管 ,系统运行稳定,节能效益明显,每年节约运行费用68万3年,铜可以使用1年,钛金属无任何的腐蚀4。在国内,吴荣华元9。等人5对碳钢进行浸泡实验,实验采用7mm厚的普通碳钢在污氟塑料换热器已经广泛应用在工业生产和海水淡化[0]中。水流动条件下浸泡两年,有氧腐蚀达3. 5mm,密闭无氧腐蚀仅有欧阳录春等[11 探讨了聚四氟乙烯塑料换热器在溴化锂吸收式制0.8mm,污水微观的化学特性表现出很强的有氧腐蚀性。铜、铜冷机中的中国煤化工艺,投资和运运行成本上镍合金等常用金属材质换热器需13个运行周期就得更换,运行较金属换YH乙烯(PTFE)材料属于化学成本大大增加。钛金属在生活污水中无腐蚀,价格昂贵,制造工惰性材料C N.M H G与熔确的碱金属和强的氨艺复杂。高昂的初投资和运行成本大大超出了国内用户的承受化介质及高温的氢氧化钠反应外,几乎能在任何介质中工作。能力,完全体现不出污水源热泵系统的节能优势,污水源热泵系因此,采用以氟塑料为主要材料制成的氟塑料换热器也具有良统的应用和推广受到严重的阻碍。好的化学稳定性和优异的耐腐蚀性能。材料本身表面张力低而作者简介:李成龙(1985 -),男,西南科技大学土木工程与建筑学院在读研究生。E - mail :long 316@ 163. com2010年38卷第4期广州化工●105.不易黏附、质地柔软、热膨胀系数较大很低的摩擦系数而有自2.2实验 系统设计浦嫩果。氟塑料换热器体积小结构十分紧凑。其单位体积的换实验原理图见图1。规面积大于金属及其它非金属换热器的换热面积,相同换热面稠的氟塑料换热器重量远轻于金属及其它非金属换热器的重量。污水源热泵系统的腐蚀性和工作温度较工业化工行业大大降低,从而使得PTFE塑料换热器在生活污水中热能交换中更为可靠。2研究方法及实验系统9L1022.1研究方法根据传热方程和能量守恒原理,换热管的传热系数计算公图1实验系统原理图式如下:1-风机盘管;2-热电偶温度计;3- 数字螺旋流量计;4- 循环水泵;K=_e(1)5-污水泵;6- 蒸发器;7- 空调压缩机;8- 冷凝器;9- -PTFE 管换热槽;A A.Otm .10-铝塑管换热槽;11- 生活污水坑式中:Q换热器总传热量,WA.-换热器洁净侧换热面积,m2系统采用两组污水换热管,一组是PTFE管,另一组是铝塑Qt.-换热对数平均温差,C .复合管,两组换热管同程式并联布置。换热管道长度都为50Otm的计算公式为:米,壁厚为0. 8mm ,管外径为16mm。两组污水换热管都采用浸Otm =(t'.-",)-("。-*')(2)泡式换热工艺,分别螺旋状浸泡在污水换热槽中。实验用污水来自西南科技学校内,校内生活污水是未经化粪池初级沉淀处理而直接排人校内污水处理厂的污水调节池中。为避免造成输式中:t'。一-中介水进口温度 ,C送设备和管道堵塞,原生污水经粗格栅去除大尺寸污物后进入t".一中介水出口温度,C换热槽。污水进水水温,实验系统真实模拟了办公室空调制冷系统运行工况。整个t"p--污水出水水温,C实验从6月4日开始,7月26日结束。每天运行时间从早上8:30-总传热量由热平衡方程如下:12:00,下午1:305 :30,为保证实验数据的可靠稳定，实验检测数Q = CM(t".-t'_)(3)据从早上的9:00,下午14:00 开始记录,每20min监测实验数式中:M一-中介水质量流量,kg/s据。其余时间系统停滞,换热管处于污水浸泡状态。C- - -水的定压比热容,kJ/kg. K .3结果分析上面(1) (2) (3)式得:CM(".-t'_)3.1污水水温特征曲线K=-(t.-")-("。-2(4)生活污水之所以能成为理想的低温冷热源,在于生活污水水温特性-冬暖夏凉。经长期对绵阳地区生活污水水温的观通过对换热管传热系数的实时监测，计算出结垢影响下的测,冬季水温16C ~ 19C ,夏季温水20C ~24C。.换热热阻,与换热管洁净时的传热热阻的差值,就得出污垢热阻,这就是污垢热阻法[8] ,计算公式如下:R=六一K。(5)色32台30式中:Kz一换热器结垢后的传热系数,W/m2 ●KKc一换热 器洁净时的传热系数，W/m2.KR-污垢的热阻,m2 ●K/W从(4)可知,污染后的换热传热系数由洁净流体的流量,换热器洁净侧表面积,洁净侧流体进出口温度和污水侧流体进出时刻口温度决定。中国煤化工变化曲线图污垢热阻的计算公式中规避了污垢侧污水流量的测量,提高了实验数据的准确性和可靠性。生活污水复杂的的水质成分YHC N M H G生活污水温/心C和输送管道中呈非牛顿流体特性,对生活污水在管道中输送过图2为系统运行时生活污水和室外干球温度的温度变化曲程的实时流量的测定相当复杂,受水质,运行工况等因素呈随机线图,生活污水水温稳定， 平均温差为小于2c,最大温差为性的F扰,并且对测量设备有特殊要求。这些因素使得污水换3.5C ,最高温度为24. 2C。室外空气干球温度最低温度为热流量的测量费用昂贵,测定值可信度低。25. 4C ,最高温度为34.79C ,变化幅度较大，最大温差达9. 3C。●106广州化工2010年38卷第4期生活污水优良的温度特性保证了空调系统中介冷却较大换热温1. 5倍。相对应的铝塑管的传热系数急刷跌落,而PTFE管的传割且换热稳定,负荷调节能力强。热系数平缓下降。32塑料器换热性能分析铝塑管是由交联聚乙烯材料、聚丙烯材料和铝材三种杨氏铺根据PTFE管污垢热阻变化曲线(图3)和铝塑管污垢热阻模量相差很大的材料组成的多层管， 而PTFE管全由聚四氟乙烯曲线(图4)的特征,污垢在塑料换热器表面的生长可分为三个材质组成。塑料材质之间的导热系数相差不大,而铝材的导热过程:生长阶段,过渡阶段,振荡阶段。不稳定生长阶段时间测系数是塑料的102104级。由于铝塑管中铝层较薄,大约点从1240,大约为系统运行的前11天,过渡阶段从241300,大约0. 5mm,铝塑管的传热性能稍稍优于PTFE管,最大差异约40W/为系统运用的第12天至第15天,然后进入污垢生长的振荡阶m2 . C。但是在系统运行的第-天，具有特殊管道构造的铝塑段。管开始并没有表现出应该比PTFE管更大的传热系数,而是在系统运行45h后,铝塑管的换热优势才有所体现,见图7。说明换热管一浸泡在污水中就受到污染,这与污水悬浮物在换热管表0.007面附着现象相- -致,且铝塑管受污较PTFE管更严重。: 0.0060.00530? 0.004是003冒250紧0.002色2000.0011 50 99 148 197246295 344 393442 491 540 589638 687器150时间测点虹100图3 PTFE管污垢热阻变化曲线50..一”5099 148197 246 295344 303 442491 540 589638 6870.008图6铝塑管换热系数变化曲线图巨0.006: 0.005只0.004240恩0.003220菜0.002200实0.001豁180路160”150 99 148197246295 344393442 491540589 638687革140节120團4铝塑管污垢热阻变化曲线10080污垢的生长直接影响着换热管的换热系数,污垢热阻由换热系数所求得,因此换热系数的变化特征与污垢阶段性变化相图7第1天传热系数变化曲线图致,见图5和图6。+铝塑管换热系数KI( Wm2-K) +PTE管换热系数 K2( Wm2-K)随着系统运行时间的延长,换热管逐渐被污物包裹,换热管首 250道上的洁净斑点斑点逐渐减少,厚度不断增加。铝塑管污垢厚|目度明显大于PTFE管,铝塑管的污垢热阻快速增长,大约是PTFE之200管的1.5倍。急剧跌落的铝塑管传热系数在测点120(第5天).|嘴150左右与PTFE管的换热系数曲线相交,之后PTFE管的传热性能和100优于铝塑管。3.2.2过渡阶段50 99 148 197 246 295344 393 442491 540 589 638 687中国煤化工已经完全被-一层的致密的粘状物MHC N M H G附着在这层粘状物外,污图5 PTFE 管换热系数变化曲线图垢的生长进入了污物在粘状物表面的生长过程。粘状物与污水中的絮状物的粘附作用比管道外壁与污染物的附着作用明显更3.2.1污垢生长阶段加强,但脱落现象较生长阶段更频繁。污垢生长的过渡阶段是从污垢热阻变化曲线和传热系数变化曲线可知,污垢热阻附着污垢在换热管表面的不断沉积的过程。污垢密度变得致生长的总趋势是:铝塑管的速率较PTFE管的大,是PTFE管的密,厚度变薄, PTFE管和铝塑管污垢热阻明显降低,传热系数有2010年38卷第4期广州化工●107●所回升。管更适合污水热能回收系统。外污垢附着在换热管表面就伴随着污垢沉积,污垢的沉积作国穿于正个生长过程,但在过渡阶段,污垢沉积现象尤为突参考文献嘴经历的时间较短,只有23天。[1]崔福义,李晓明 ,周红.污水资源及其在热泵系统中的应用[J].低3.2.3振荡阶段温建筑技术,2005 ,103(1) :96 -97.随着污物厚度不断增加,污垢的生长速率随着污垢厚度的2]尹军,陈雷， 王鹤立城市污水的资源再生及热泵回收利用[M].北增加不断减弱(4]。塑料换热器在生活污水中的污垢生长特性与京:化学工业出版社,2003.金属换热器的污垢生长特性(15,16.有很大差异。PTFE管和铝塑3] 尹军,韦新东.日本城市污水热泵利用系统运行状况分析[J].吉林建筑工程学报,1999,(4) :31 -38.管的污垢热阻曲线围绕某- -定值 呈无规则振荡。根据污垢热阻4] 吴荣华，张承虎，孙德兴.城市污水冷热源应用技术发展状况研究曲线和实验现象分析可知:换热器外表面的污垢由两层污物组[J].暖通空调,2005 ,35(6) :31 -37.成,一层为沉积作用形成的污垢致密层,沉积厚度达到稳定;另5] 吴荣华,孙德兴，驴兴城市污水冷热源水参数特性与应用方法一层为悬浮物和絮状物的附着形成的污垢松软层。污垢表面的[J].可再生资源,2005 ,123:39 -43.松软附着层热阻是致密层热阻的1.52倍。PTFE 管的致密层平6]陈志峰, 闫泽生.塑料换热器在污水源热泵系统中的应用分析[J].均污垢热阻为1.5x10-3 m2●C/W ,附着层最大平均热阻约为哈尔滨商业大学学报,2006, 22(3):55 -57.2.0x10~ 3m2●C/W ;铝塑管致密层平均污垢热阻为2.5x10-3 [7] 白莉,尹军， 廖资生.基于铝塑管改进的城市污水热能供热系统m2●C/W,附着层最大平均热阻约为3.0x10-'m2. C/W。换[J].吉林大学学报2006 ,36(2) :269 -273.热管表面附着层污垢占总热阻55%60%。铝塑管的污垢平均总[8] 宫哗,曲云霞,金 振家沉浸式污水源热泵系统夏季变工况性能试热阻是PTFE管的1.52倍,污垢在铝塑管表面的生长更为严重。验研究可再生资源,2008 ,26(2) :100 - 106.PTFE管的平均传热系数为160 W/m2● C ,铝塑管的平均传热[9]曲云霞， 杨男,李爱景.污水源热泵供热的工程应用及分析[J].可再生能源,2007 ,25(2) :103 - 105.系数为130 W/m2 . C ,PTFE管的换热性能优于铝塑管。10] 王立国，王世昌,朱爱梅, 熊日华,丁涛.塑料换热器在海水淡化中4结论的应用[J].化学进展,2004 ,23(12) :1359 - 1361.(1)塑料换热器污垢的生长过程经过三个阶段:生长阶段,[11]欧阳录春, 谢雪梅,俞卫刚,等塑料换热器在溴化俚吸收式制冷机中的应用[J].暖通空调,2005 ,35(3) :65 -68.过渡阶段和振荡阶段。污垢生长的前两个阶段时间很短，很快12] Sonmriava C,Hogg H,allister K. Desalination, 2003 ,158:17 -21.达到污垢生长的稳定阶段。[13]杨善让,徐志明,孙灵芳.换热设备污垢与对策[ M].北京:科学出(2)塑料换热器表面污垢热阻由稳定沉积污垢热阻和不稳版社,2004 :427.定的附着悬浮物热阻两部分组成。在振荡阶段,不稳定附着悬[14] Bryers J D,Characklis W G. Kinetics of Initial Bioflm Formatin within浮物热阻占总热阻的55%60%,决定着换热器换热系数波动幅a Turbulent Flow System . New York: Rensselaer Polytechnic Institute,度。1979.(3)铝塑管污垢生长迅速且严重，污垢热阻是PTFE管的2[15]崔福义,李晓明,周红.污水换热器污垢热阻特性研究[J].煤气与倍。热力2005, 25(6):9-11.(4)受到污垢的影响,铝塑管换热系数下降迅速,从污垢生16] 李鑫,孙德兴，张承虎，等.污水换热器内污垢生长特性实验研究[J].暖通空调,2008 ,38(2):5 -8.长初期就低于PTFE管。(5)PTFE管在抑制污垢生长和换热性能都优于铝塑管,PTFE(上接第70页)胶工业,1996 ,43(6) :339 -344.3] 张绍文.2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体的-一步- -釜法[1]杜党举, 王栖鹏，吉爱顺.防老剂RD新工艺研究[J].山西化工，合成工艺[P]. CN1046535. 1990 - 10 -31.1994(1):2-5. .4] 张志俊，许思俊.二氢喹啉类橡胶防老剂的工艺[ P]. CN86100665.[2]李育佳,丁 龙福,张志炳.橡胶防老剂RD性能改进的研究[J].橡中国煤化工TYHCNM HG