污水换热器性能测试与分析

中图分类号： TH12；TU831.6 文献标志码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.05.013Testing and Analysis of Propeies of the Sewage Heat ExchangersLIU Zhi-bin，ZHANG Ji-li，MA Liang-dong(Dalian University of.Technology，Dalian 1 16024，China)Abstract： Using field test data to analysis the variation of heat transfer of sewage heat exchanger and heat transfer coeficient。

Based on test data and theoretical calculations to analysis the variation of the sewage side convection heat transfer thermal resist-ante and the fouling resistance，as well as thermal resistance in the proportion of the total therm al resistance.Results show thatafter running 255 hours the test heat transfer iS 43.8% of the initial heat transfer；the test heat transfer coeficient iS 46.3% 0fthe initial heat transfer coeficient and the test value is 44ow/(m ·oC)；the thennM resistance of the sewage side convectiveheat transfer iS 60% of the total thermal resistance：the fouling resistance iS 20% of the total thermal resistance.With the therm alresistance of the sewage side convective heat transfer reduced，heat transfer eficiency could be increased and the stability of thesewage heat exchanger could be improved。

Key words： sewage source heat pump；sewage heat exchangers；fouling resistance1 前言污水换热器是污水源热泵系统 中的关键设备。通常，在污水换热器内污水将热量换给中介水，再由中介水将热量换给热泵机组。污水换热器的形式大多是管壳式换热器，污水流经管程，中介水流经壳程。由于污水的流动与换热特性与清水相比有很大的不同，且很难套用以往的设计经验和参数，因此目前的研究主要集中在对污水的物性参数和污垢的生长规律方面。例如，在污水换热器的设计中推荐污水黏度为清水黏度的 2.5倍左右；在试验室内对污水的换热试验中计算得 到 13℃ 污 水 的质 量 热 容 量 为 4.17kJ/(kg·℃) ；在对污水换热器进行现场测试的基础上，拟合得到了传热系数的衰减公式 ；在对淋激式污水换热器的研究基础上，指出污垢对换热的影响不仅与污垢热阻有关，还与传热系数的大小有关 ；在对实际应用的污水换热器测试收稿 日期： 2012-10-17 修稿日期 ： 2013-Ol-20基金项目： 新疆建设兵团科技局科技支撑计划项目(2011AB025)；江苏势技支撑计划项 目(BE2010645)FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013的基础上，指出污垢热阻对污水源热泵系统换热效率的影响大约占整体热阻对系统换热效率影响的67% ；污水换热器在设计流速下的传热系数为6oow/(m ·oC) 。综上所述，国内目前的研究着重解决污水换热器设计中遇到的问题，而关于污水换热器换热量的衰减规律以及引起换热量衰减因素的研究较少，但是研究换热器换热量的衰减因素是预防和提高污水换热器运行效率和稳定性的基矗因此，本文以研究污水换热器换热量衰减规律为出发点，通过对污水换热器实际运行工况的测试，分析污水换热器运行中各变量的变化规律，指出影响污水换热器换热量衰减的主要因素，为提高污水换热器效率的研究提供基矗2 测试系统污水源热泵系统中主要设备的测试研究中，由于受到污水水源条件的限制，本文将测试地点选择了-正在制热运行的原生污水源热泵项 目现常在测试前 ，污水换热器已清洗洁净。

2.1 系统组成污水源热泵系统冬季供热工况系统流程和测点布置如图 1所示。

污水排水 /温度传感器2电磁流量计系统水出 -系统水系统水进 循环泵污水换 热器 L卫巾介水水 循环泵蒸发器- 图 1 测试 系统流程污水源热泵系统运行时，污水给水泵将由污水排水管道流人污水调节池内的污水输送至污水防阻机内进行过滤，过滤孔直径为3mm，过滤后的污水由污水循环泵输送至污水换热器内与中介水进行换热，中介水将热量输送至热泵机组的蒸发器内，吸热后的制冷剂将热量在冷凝器内释放给系统水。

污水中的污杂物对流量计的测试影响较大，实际测试时污水的流量根据能量平衡由中介水侧换热量和换热器进出水温度计算获得。因此，测试过程中通过阀门调整使所测试污水换热器与热泵机组、中介水循环泵、污水循环泵应处于--对应的关系，并保证进入污水换热器的中介水流量处于稳定状态。

测试系统中设置了数据 自动采集单元，温度及流量信号通过信号转换器、数据采集器储存于电脑中，数据采集间隔为30min，共采集 450组数据。

2.2 污水换热器所测试污水换热器的结构参数如表 1所示，运行参数如表2所示。

表 1 污水换热器结构参数参数 数值换热管内径(mm) 19换热管外径(mm) 25换热管数目(根) 269换热管管程/壳程 4，4换热管长度(m) 6.6换热管内污水设计流速(m/s) l换热面积(I1 ) 425表 2 污水换热器运行参数参数 数值污水进水温度(oC) l1污水出水温度(℃) 7污水流量(rl /h) 275中介水出水温度(℃) 7中介水进水温度(℃) 3换热量(kW) l20O2.3 污水水质污水防阻机过滤孔径为3mm，过滤后的污水中已泥沙为主，并有少量的动植物丝茎和毛发，经过滤后称重(湿质量)，泥沙质量浓度为 1.165kg/m ，其它污物质量浓度为 0.109kg/m 。泥沙的比热容近似为水的 1/5，因此测试中污水的平均比热容近似为4.17lcJ/(kg·oC)。

3 测试数据处理3.1 换热器换热量根据中介水侧流量、换热器进出水温度，给出换热器换热量的表达式为：Q cp，wP Vm(t -tin，in) (1)式中 Cp. --水的比定压热容，4180J/(kg℃)p --水的密度，kg/m2013年第41卷第5期 流 体 机 械 57- - 中介水体积流量，m /st 、tin，in- - 中介水在换热器内的出、入口温度，℃现场测试中中介水的体积流量为平均值。

3.2 污水流量根据能量守恒，即污水放热量等于中介水吸热量，污水流量的表达式为：---垫L- (2) -Cp，(t。

- t )式中 c --污水的比定压热容，4180J/(ks·oC)P --污水的密度，kg/m- - 污水体积流量，m。/sts，in- - 污水在换热器内的进水温度，℃t，，out- - 污水在换热器内的出口温度，℃3.3 换热管内污水平均流速及雷诺数换热管内污水平均流速为：五 (3)式中 五 --换热管内污水平均流速，m/sn--换热管数目Re： (4)式中 --雷诺数d --换热管内径，m- - 污水运动粘度，m /s，取相同温度下清水的2.5倍；定性温度为污水进出水的平均温度3.4 换热器传热温差传热温差At 的表达式为：At [(t ， -t .。 )-(t ，。 -t ， )]t t(5) (Ⅲ - 。

)3.5 换热器传热 系数污水换热器的运行过程 中的传热系数表达式：裢 6)式中 后厂～ 污水换热器传热系数， (m ·℃)A--换热器传热面积，m3.6 换热器热阻污水换热器热阻的表达式：1 11吩 (7) 式中 --污水侧对流换热系数，W/(m ·oC)：--中介水侧对流换热系数，W/(m2·℃)R厂污水侧污垢热阻，w/(m ·oC)圮--换热管壁污垢热阻，w/(m ·oC)污垢热阻 ，的表达式为： 去-(丢 1Rb) (8)整个测试过程中中介水侧污水流量 保持不变，近似认为h const；换热器投入运行前2h，设 Rf-0。

4 测试结果及讨论4.1 污水换热器换热量污水换热器换热量变化如图2所示。随着测试时间的进行，换热器的换热量呈现下降并趋于稳定，开始运行的 100个数据采集时间(50h)内换热量由平均 1600kW下降至900kW，在此时段内换热量下降了43.7%；在第 100至第200个数据采集时间(50h)内，换热量由平均 1200kW下降至900kW，在此时段内换热量下降了 25%；在第200至450个数据采集时间内，换热量在 700kW左右波动，为初始值的43.8%，为设计值的58。

3%。随着时间的进行，单位时间内换热量的衰减速度开始减缓，并有趋于稳定的趋势。

800O0 250 500时问/0.5h图2 污水换热器换热量变化换热器投入运行后，换热器的换热面积保持不变，根据换热器传热计算公式可知，引起换热器换热量衰减的因素是传热系数 k，和换热温差△t 。

对污水换热器进出水温度的测试如图 3所示。从图3中可以看到，测试时间内，污水侧的进出水温度和温差基本稳定，且明显大于中介水侧的进出水温度和温差；中介水侧的进出水温差随着测试时间的进行有逐渐缩小的趋势。参考中介水流量稳定这-设置条件，可知污水换热器的换58 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013热量在减小，依据换热器能量平衡，可知换热器换热量的减小是由污水侧的流量减小而引起。

0 225时间，0.5h图3 污水换热器进出水温度变化换热器传热温差如图4所示。传热温差在2～ 4.5℃之间波动，污水换热器具有明显的小温差传热特点，与污水的温度和热泵机组自身的保护温度有关。整个测试时间内，换热器的传热温差变化并无明显规律性，根据换热器传热温差在现诚难判断污水换热器的运行状态。

6300 225 4511时问/0.5h图4 污水换热器的传热温差4.2 换热器传热系数根据测试数据并依据式(6)计算得到的换热器传热系数如图5所示。

暑：：垛啦时间/0.5h图5 换热器传热系数随着测试时间的进行，换热器传热系数整体呈下降趋势-始运行的 100个数据采集时间(50h)内，传热系数由 950W/(m ·℃)下降至580w/(m ·oC)，下降了38.9%；在第 100至第200个数据采集时间(50h)内，传热系数由700W/(m ·oC)下 降 至 520W/(m ·oC)，下 降 了25.7%；在第200至250个数据采集时间内，传热系数 由在 650W/(m ·oC)下 降至 460W/(m· ℃)，下降了29.2%；在第250至第400个数据采集时间内，传热系数由550W/(m ·oC)下降至440w/(m ·oC)，下降了20%，传热系数下降速度随运行时间有减缓的趋势，在趋于稳定阶段的传热 系数为初始值 的 46.3%，为设计值 的58.7% 。

影响传热系数的因素有污水侧对流换热系数、中介水侧对流换热系数、污垢热阻和管壁热阻。由于中介水侧工况在测试期间内基本保持不变，因此中介水侧对流换热系数和管壁热阻可近似为常数，因此对传热系数的影响主要来 自污水侧对流换热系数和污水侧污垢热阻。

根据测试数据和式(2)计算得到的测试期间内污水流量变化如图6所示。

l50遮巨瑙槎·畏敬；辎00 225 450时间，0.5h图6 污水换热器污水侧流量图7 换热管内污水流速和雷诺数的在起始至第 150个数据采集时间内，污水流量由初始值 300m /h下降至 180m /h，下降了40%；在第 150至第350个数据采集时间内，污水流量在 165m。/h左右波动；在第 350至第 450个8 O 2 - - 赠2013年第41卷第5期 流 体 机 械 59数据采集时间内，污水流量最低值降低值 125m /h，为初始值的41.7%，为设计值的45.5%▲-步分析换热管内污水的流速和雷诺数如图7所示。随换热器的运行时间，污水流速 由 1.1m/s下降至0.5m/s；雷诺数由6500降低至2600。

换热管 内污水最小雷诺数 Re 2600>2300；对应的最大雷诺数 ～ 6500<10 ，由此可知管内流动属于过渡流，可以选用式(9)计算污水侧对流换热系数， 三o.012(Re0.87-280)Pr· l(警) (9)污水换热器内各热阻分布如图8所示。

：：宣岛蕞0 225 450时间/O.5h图8 污水换热器内热阻污水侧换热管内污水流速降低，污水侧对流换热热阻逐渐增加，由起始 的 7×10 W/(m· ℃)逐渐增加至 1.4×10 7//(m ·℃)，增加了50%；中介水侧对流换热热阻稳定在 4.7×10-W/(m ·oC)；污水侧污垢热阻由O增加至5.4×10 W/(m ·℃)，其值与美国管式换热器制造商协会(TMEA)标准推荐的对未净化污水在温度低于 52C时的热阻值 5.28×10 W/(m· ℃)相接近。各热阻在换热器总热阻所 占比例如图9所示。

丑雹蕞·LⅡ盟蕞0 225 450时间/0.5h图 9 各热阻占总热阻的比例从图可以看到，整个测试时间内，污水侧对流换热热阻在总热阻中所占比例最大，保持在60%左右；中介水侧对流换热热阻由起始的40%逐渐下降至20%；污水侧污垢热阻由0逐渐增加至2O% 。

通过以上数据和分析可知，整个测试时间内，换热器的换热量逐渐减小，其主要影响因素是污水侧对流换热热阻和污垢热阻，降低对流换热热阻是提高污水换热器换热效率的主要因素。

5 结论(1)洁净的污水换热器投入运行225h后，实际换热量为初始值的43.8%，为设计值的58.3%；(2)洁净的污水换热器投入运行 225小时后，实际传热系数为440W/(m ·oC)，为初始值的46.3%，为设计值的58.7%；(3)在现场测试中，依据污水换热器传热系数的变化很难判断污水换热器的运行状态；(4)污水侧对流换热热阻和污垢热阻共同影响污水换热器的换热量，经过 225h后，污水侧对流换热热阻占总热阻的60%，污垢热阻占总热阻的20%；(5)提高污水换热器换热效率，保持污水换热器换热量的稳定应从降低污水侧对流换热热阻人手；(6)测试期间，测试数据表现出不连续性是因为污水中纤维状污物堵塞部分换热管，且堵管现象具有随机性造成，堵管问题是污水换热器急需解决的问题之-。