污水源热泵系统的设计计算

第25卷第2期煤气与热力Vol. 25 No.22005年2月GAS & HEATFeb. 2005污水源热泵系统的设计计算姚杨，马最良，赵丽莹(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)商要:设计了一套污水源热泵,将经过处理后的污水作为低位热源。对污水源热泵系统中的淋激式换热器、板式换热器、压缩机、热力膨胀阀进行设计和选型计算。关键词:水源热泵; 污水源热泵; 淋激式换热器; 板式换热器;压缩机;热力 膨胀阀中图分类号: TU995文献标识码: A文章编号: 1000 -4416(2005)02 -0039 -04Design Calculation of Sewage Source Heat Pump SystemYAO Yang，MA Zui-liang， ZHAO Li-ying( School of Municipal & Enironmental Engineering ，Haerbin Institute of Technology , Haerbin150090, China)Abstract: A sewage source heat pump is designed, and the treated sewage is used as low-levelheat source. The design and model calculation of sprinkling heat exchanger , plate heat exchanger, com-pressor and thermal expansion valve used in the sewage source heat pump system are made.Key words: water source heat pump; sewage source heat pump; sprinkling heat exchanger;plate heat exchanger; compressor; thermal expansion valve哈尔滨的城市污水中可利用的热量和城市的热季供热，夏季供冷。污水源热泵机组主要由压缩机、需要量都非常高,可以优先采用城市污水热能利用淋激式换热器、板式换热器、热力膨胀阀等设备组系统"。1999年,哈尔滨市区工业废水处理量为成。冬季供热系统设计供回水温度为45/40 C,机5124x10*t。哈尔滨某制药厂排放的废水主要由组设计制热量260 kW。为防止地板结露,夏季供冷生产废水和生活废水组成。口服药车间排放的废水水温度为16 ~18 C,供回水温差2 ~3 C ,机组设计主要在洗瓶、配剂、刷罐、冲洗地面、冷却等工序中产制冷量230 kW。污水源热泵系统见图1。生,排放量较多且流量稳定;片剂、中药车间排放量适中,流量不稳定。生活污水主要为洗涤用水,在夏用户系统季时排放量较多。污水全部进人污水处理系统,经13、二级处理后污水水质符合CGB 8978- 96《污水综合排放标准》规定的医药污水的排放标准。夏季污水温度维持在17~22 C ,冬季维持在13~17C,日污冬季工质循环流向一水排放量为2 745 ~4 770 m'/d。将城市污水处理夏季工质循环流向一系统与水源热泵机组相结合,是--种理想的城市污1.压缩机2.四通阀3.淋激式换热器4.高压贮液器水综合利用方法。本文对污水源热泵系统的设计和5.干燥过滤器6.执力膨胀阀7.I止 同阀8.板式换热器9.污水泵中国煤化工不水泵13.调峰锅炉设备选型进行研究。1系 统的设计和设备选型YHCNMHG统污水源热泵为厂区中4 000 m2的住宅建筑冬Fig. 1 Sewage source heat pump system●39●第2期煤气与热力第25卷.系统冬季设计参数见表1。续表3表1污水源热泵 系统冬季设计参数换热器总传热温差5.70|换热器换热面积/m2 42. 0Tab. 1 Design parameters of sewage source heat/C淋激密度pump system in winter500换热管材料.紫铜/(kg.h-'.m~)冷凝温度/C50蒸发温度/C6③板式换热器的设计计算过冷度/C过热度/C1吸气温度/C6蒸发器出口温度/C 1I板式换热器按冬季作为冷凝器进行设计选型，冷凝器出口温度/C| 45设计参数见表4。注:过热度中其中有5C发生在蒸发器出口至压缩机表4板式换热器的设计参数的吸气管道中。Tab. 4 Design parameters of plate heat exchanger①压缩机的选型介质_R22水状态_气态液态按供热工况下的制热量和表1的设计参数,求进口温度/C40得压缩机的实际排气量为192.8 m'/h,考虑其用于出口温度/C4:热泵机组,可加大5%排气量作为设计值,压缩机的介质质量流量/(kg.s"I)1.3612.45容积效率为0.8,则压缩机的理论排气量为253. 1最大允许压力降/kPa42m'/h。可选择螺杆式压缩机,使用工质为R22 ,理论5(-排气量264m'/h,空调工况蒸发、冷凝温度为5/40换热量/kW260C下的制冷量为254.2kW,轴功率55kW,配用电根据表4中的设计参数,选择某换热设备厂的机功率65kW,电机转速2960s"'。人字形波纹板换热器,它的几何尺寸为2:单板有②淋激式换热器的设计计算效面积0.52 m2 ,单通道截面积0.0015 m2 ,当量直淋激式换热器按冬季作为蒸发器进行设计计径0.007 m,流程长度1 m, 板宽度0.75 m。算,设计参数见表2,设计计算结果见表3。工质R22和水均采用并联逆流单通程方式，由.表2淋激式换热器设计参数板式换热器面积的设计计算得到板片为69片。Tab.2 Design parameters of sprinkling heat exchanger④热力膨胀阀的设计计算a.设计参数5由冬季制热循环计算可知,冷凝压力p. =212. 1 942.3 kPa(冷凝温度为50 C),蒸发压力p。=工质质量流量/(kg.s")602. 28 kPa(蒸发温度为6 C)。经相应计算,制冷污水温降/C2量为212 kW。喷淋污水质量流量/(kg.h")90 600b.热力膨胀阀两端压力差Op表3淋激式换热器设计计算结果Op=p。-p。-Sp, -Op。- Spn(1)Tab.3 Design calculation result of sprinkling heat exchanger式中Ap一 热力膨胀阀两端压力差 ,kPa换热管列数[3(换热管排数9P.--冷凝压力, kPa换热管内径/m__ 0. 014换热管外径/m0.016」蒸发压力, kPa换热管水平有效长度3.0每根换热管总长度27.9Ap.-供液 管中的压力降,约为183 kPa!3]/m两相区长度/m26.4.过热区长度/m1.5Aps一分液器和分液管中的压力降,约为两相区传热温差/C 5.78 过热区传热温差/C| 3. 94.100 kPa两相区管内表面过热区管内表面Opn-冷凝器或贮液器出液口至膨胀阀人传热系数2 847勹,取50kPa/(W.m2.K-')/(W .m2.K*1)中国煤化工|污水侧表面传热系数|6 835换热器传热系数884. CN M ! G量流量qm./(W.m-2.K-1)/(W .m-2.K-十)qm. =153 460CA, Op(2)●40.第2期姚杨,等:污水源热泵系统的设计计算第25卷式中qm,- - - -工质质量流量,kg/s水槽C-- -流量系数大入入不个不入0.07mA,-膨胀阀的通道 面积,m20.07支架d.热力膨胀阀选型选择某厂生产的外平衡式热力膨胀阀[41 ,适用于工质R22,名义制冷能力(基于蒸发温度为4.4C,工质进口温度为38 C)为351.6 kW,Ap=1 x103 kPa,A =0.013 m2。⑤淋激式换热器的校核计算0i3m.0.035 m淋激式换热器按夏季作为冷凝器进行校核计a.淋激式换热器主视图算,校核计算参数见表5,校核计算结果见表6。(虚线为支架)表5淋激式换热器校核计算参数3.5 mTab.5 Check calculation parameters of sprinklingheat exchangerY0.07m !下冷凝温度/C工质质量流量1.3/(kg.s~)换热量/kW，64污水温升/C2.5过冷度/C5喷淋污水质量流量| 90 600/(kg.h-")O:表6 淋激式换热器校核计算结果Tab.6 Check calculation result of sprinking heat exchanger换热管列数30换热管排数1换热管内径/m[ 0.014 换热管外径/m| 0. 016换热管水平有效长度3.0 .每根换热管总长度37.2/m两相区长度/m32.2两相区传热温差/C| 6. 64b.淋激式换热器俯视图过冷区长度/m3.6过冷区传热温差 /C | 2. 10过热区长度/m1.4过热区传热温差/C 15.94图2淋激式换热器结构及尺寸两相区管内表面过热区管内表面Fig.2 Structure and size of sprinkling heat exchanger传热系数.1941406/(W●.m-2●K门)/(W .m-2●K"')⑥板式换热器的校 核计算过冷区管内表面污水侧表面板式换热器按夏季作为蒸发器时的工况进行校4876835核计算,得到换热器的板片为57片。取冬季作为冷/(W .m~2.K"I)/(W .m-2●K-')凝器的设计结果69片。换热器总传热温差换热器传热系数6.58715⑦喷淋装置/C/(W.m-2.K~")理想的换热状态是污水从水槽喷淋装置的小孔淋激密度500换热器换热面积56.1淋激到蛇形换热管上,形成均匀的水膜。如果忽略/(kg.h-' .m小)/m2污水从小孔中喷出时的体积变化，出流速度可用下换热管材料紫铜式计算[5]:通过校核计算发现，按冬季作为蒸发器所设计0= J2gH(3)的淋激式换热器不能满足夏季作为冷凝器的设计要式中。 一污水的出流凍度m/s求。因此取两个计算结果中较大值为设计结构参中国煤化工数,淋激式换热器结构及尺寸见图2(未严格按比例MHCNMHG绘制)。对于从1个小孔流出的污水的体积流量qv,可●41●第2期煤气与热力第25卷用下式计算:淋激式换热器和板式换热器既作为冷凝器使用又作9v =μAD(4)为蒸发器使用,故必须进行两种情况下的设计、校核式中qr--污水体积流量, m'/s计算,取计算结果中最大值作为结构设计参数。-流量系数,取0.60 ~0.62A- - -小孔的截面积,m2参考文献:喷水孔采用机械钻孔，由于弹性形变使孔径缩[1]尹军,韦新东.我国主要城市污水中可利用热能状况小,所以实际的流量系数μ远远小于0.60~0.62,初探[J].中国给水排水,200 ,17(4):27 -30.现取流量系数μ=0.2。在实际工程中,考虑从污水[2] 杨崇林.板式换热器工程设计手册[M].北京:机械.泵到喷淋装置的压力损失,取喷淋装置中污水的作工业出版社,1994.用压头H= 10 m,则污水的体积流量qv=2.8A。[3] 彦启森.空气调节用制冷技术[M].北京:中国建筑喷淋装置的列数按换热管的列数取为30列,则工业出版社, 1985.平均每列污水的体积流量为8.4x10-4 m'/s。从而4] 蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 1997.计算得到每列的小孔总截面积为3x10-4 m2 ,取喷[s] 幡野佐一.换热器[M].北京:化学工业出版社,水孔径为0.003 m,可计算得孔数为43个,取孔数1987.为50个。取单根喷淋管管长3. 5 m,则喷水孔间距为70 mm。作者简介:姚杨(1963- )， 女，辽宁开原人， 教根据以上的结果,可知喷淋装置上共开有1 500授，博士，主要从事热泵的基础理论与应个孔,分为30列,每列50个,孔间距70 mm。用技术及暖通空调系统仿真与节能的研究工2结语作。对污水源热泵系统中的淋激式换热器进行了设电话:(0451 )86283123计计算,对板式换热器、压缩机、热力膨胀阀进行了E - mail:yangyao - yy@ sohu. com选型计算,尽量使各部件达到合理匹配。系统中的收稿日期:2004-11-19●信息●《煤气与热力》的期刊评价指标在同类学科内名列前茅中国科学技术信息研究所编制的2004年版《中国科技期刊引证报告》由科学技术文献出版社于2004年10月出版。该报告在与国际评价体系保持-致的基础上,结合中国期刊的实际情况,从总被引频次、影响因子等15项指标对2003年的中国科技期刊进行了定量分析和评价。在该报告的学科分类中,《煤气与热力》属“土木建筑工程”类,代码为V024。《煤气与热力》的各项统计指标分别为:总被引频次841,影响因子0.754,即年指标0.087,他引总引比0.08,引用刊数32,扩散因子3.8,被引半衰期3. 98,来源文献量230,参考文献量1 368 ,平均引文率5.95 ,平均作者数2.77 ,地区分布数23,机构分布数32,基金论文比0. 09。其中总被引频次和影响因子两项指标在1 576种统计源期刊中分别名列第49位和127位,在学科内分别排名第三和第二。中国煤化工刊通讯员供稿)MYHCNMHG●42●