污水源热泵技术大讲堂(连载十五) 污水换热器的基本要求及方案对比

 污水换热器的基本要求及方案对比
        张承虎、孙德兴、刘京
（哈尔滨工业大学，哈尔滨150090；chenghu.zhang@163.com）

摘要：本文介绍了城市污水源热泵系统对污水换热器的基本要求，并对目前工程中遇到的常见污水换热器作了对比分析，为污水换热器的选择提供理论和经验参考。
关键词：污水、热泵、换热器、对比

    污水换热器是污水源热泵系统的瓶颈。
    污水换热器的传热系数小或换热面积不足就会导致热泵主机工况恶化，效率低下，出力不足，甚至形同烧电；换热器的承压能力不足，容易造成内部部件连接处大幅变形、应力集中、疲劳破坏，最终漏水混水；换热器防堵塞能力不好，或阻力过大就会增加系统的泵耗；换热器淤堵后，如果其结构设计没考虑方便的清理维护措施，将会造成运行维护的承重负担。
   
    实际上，污水换热器的造价约占整个热泵机房造价的15%左右，不是主要的投资部分，却起着至关重要的作用。因此本文建议投资者不必在污水换热器方面吝啬节约，增加20%的换热面积，也仅仅增加3%的总投资，但它对将来的运行费用的节省就远不止这个数了。
  

    目前在工程应用了的换热器主要有壳管式换热器、宽流道平板式换热器、宽流道圆管式换热器，本文将从污水换热器的基本要求和换热器的普适规律来将之进行对比分析。

1、污水换热器的基本要求
   污水参与的换热明显具有如下两个特点：
  （1）污水换热是低传热系数换热。由于污水水质特别，容易造成堵塞、容易生成软垢，粘度大而相同条件下传热系数就比清水要小。（详见本连载的第5期、第6期）。

  （2）污水换热属于小温差换热。一般而言冬季污水温度只有十多度，受冰点的限制，在这十度左右的区间内要分配污水温降、中介水温升、传热温差，必然导致污水的温降只有三四度，传热温差也只有三四度。（详见本连载的第7期）。

   以上特点决定了污水换热器须满足如下基本要求：
  （1）污水中大量的悬浮固体污物的存在，要求污水换热器必须采用稍大的污水流通截面。即使前端有防阻机等粗效过滤措施，仍然是无法保证毛发纤维等污物进入换热器，污物的堵塞是一个不可自逆的累积过程，稍大的流通截面能够简单、有效地延缓这一过程。目前防阻机还无法做到串联多级过滤，笔者课题组正在致力于研发可以简单串联多级过滤的防堵塞技术和设备。

  （2）同样是由于污物和泥沙、油脂、有机物的存在，要求污水换热器必须采用平直光滑的流道。这一点对于强化传热是不利的。传统的流场扰动措施针对污水有两个缺点：一是容易拦截附着污物，造成堵塞且无法清理；二是沟壑凹槽处容易寄生软垢，不但填平了沟壑凹槽，而且增加热阻，特别地，这些部位的软垢也更不易清理干净。

  （3）小温差传热要求污水换热器的设计必须精打细算，要求换热器的结构形式必须保证换热形式更加接近纯逆流状态，要求流程之间不能“窜水”、“短路”。多流程设计是接近纯逆流状态的常用手段，纯逆流也要求冷热两种流体的主流方向必须相逆。一般而言同时也要求中介水的流程数与污水相同。在设计和加工时保证污水或中介水各自的流程之间不能“窜水”、“短路”，否则将严重较小传热温差和有效传热面积。（这种失败在工程中是有先例的）。

  （4）正是由于无法绝对保证换热器不堵塞，而且还必须清除软垢（例如不运行期间必须清洗干净空干放置），这就要求换热器在结构设计时考虑方便开启、安装和清理的各项措施，安全和效率是第一位的。污水换热器的个头一般都很大，端盖都很笨重，拆卸或安装的安全性必须足够重视（端盖伤人的事故在实际工程时有发生），将端盖分解或者大小相套是一种解决措施。

  （5）一般而言，污水换热器的工作压力水平都不高，但是并不能由此就过于降低污水换热器的承压能力（特别是采用水路切换的高程建筑系统）。承压能力差就会容易导致变形，频繁的变形和应力集中必然导致焊胀接部位开裂，造成漏水、污水与中介水混合等严重问题。

  （6）污水对金属具有腐蚀性，因此污水换热器应该有一定的抗腐蚀或防腐蚀能力，或者在经济合理的前提下有合理的使用寿命。这要求污水换热器要有一定的壁厚，或者采用特殊的金属材质，或者特殊的表面处理方法。此外，焊接处金属材料发生化学变质，是最容易被腐蚀的地方，这就要求污水换热器的焊接部位不宜过多，焊缝不能过长，焊接操作难度不能太大，否则难以保证焊接质量。

   综上所述，污水换热器无法避免的存在如下特点：
  （1）污水流道截面稍大，流道平直；
  （2）金属壁较厚；
  （3）单位体积的换热面积系数较小；
  （4）污水源热泵工程所需的换热面积都比较大，体积和占地也较大。
   不满足上述六点要求的换热器不是一个好的污水换热器。

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