污水源热泵系统的污水源热阻模拟分析

污水源热泵系统的污水源热阻模拟分析

1热泵回收系统原理目前，最常用的处理方法是回收和释放气的生物污泥。生物处理方法最适合的处理温度约为30c。为了确保冷区和冷季的废水处理顺利进行，根据哈尔滨某制药公司的实际情况，建议使用水泵系统收集二级处理后废水中的能耗，并返回现有废水（15c）。这样，废水的温度可以提高到30c，这样可以确保通风装置中生物反应的正常进行。图1显示了系统的原理。1.由于废水水质的特殊性和结垢，采用系统中的湿式换热器作为污泥，根据污水处理技术要求，采用大高差（约15c）交换特性，采用三级交换。2污水的处理污垢既影响设备的初投资,又影响系统的运行维护,对污垢的基本考虑包括:1)系统设计阶段对污垢的防范考虑:合理选择换热器的型式和管材;为便于拆卸和清洗,换热器应留有清洗开口或拆装端头;要求换热器型式设计简单,设备越复杂越难清洗.采用淋激式换热器蛇形布管,形式简单,结构开放,不易结垢还易于清洗,适合处理腐蚀性流体,结垢方面的问题相对较小,喷淋液膜薄,换热系数较高.因此,比常规的壳管式、浸没式换热器更适合于污水环境.2)系统运行阶段对污垢的抑制考虑:可投放杀生剂、缓蚀剂、阻垢剂并控制污水的pH.研究表明,污垢组分的溶解能力随pH的减小而增大,因此,向污水中加酸的方法使pH维持在6.5~7.5,对抑制污垢有利.3)污垢形成后对污垢的清除考虑:一是物理清洗,即用具有一定压力的水流对污脏表面产生冲刷、气蚀和水楔作用以清除表面污垢;二是化学清洗,又分为酸清洗、碱清洗和杀生剂清洗,除此之外还有在线清洗和周期清洗之分.污垢中的油污不容忽视,可采用喷热水清洗的办法.3基于分析其结果的分析,有以下几种清洁换热面的传热方程为Qj=KjAjΔtm,(1)Qj=ΚjAjΔtm,(1)污染换热面的传热方程为Qf=KfAfΔtm,(2)Qf=ΚfAfΔtm,(2)清洁换热时总传热系数为Kj=(1αo+δpλpdodm+1αidodi)−1,(3)Κj=(1αo+δpλpdodm+1αidodi)-1,(3)污染换热时总传热系数为Kf=(1αo+R+δpλpdodm+1αidodi)−1,(4)Κf=(1αo+R+δpλpdodm+1αidodi)-1,(4)污垢热阻为R=1Kf−1Kj,(5)R=1Κf-1Κj,(5)冗余面积为ΔA=Af−Aj,(6)ΔA=Af-Aj,(6)冗余面积百分数为a=(AfAj−1)×100％,(7)a=(AfAj-1)×100％,(7)洁净系数为C=KfKj.(8)C=ΚfΚj.(8)表示污垢对换热的影响除常用的污垢热阻外,冗余面积百分数的大小可以直观说明污垢对换热器设计的影响程度,冗余面积百分数越大,因污垢使换热器面积增加得越多;洁净系数最早在动力工业中使用,洁净系数越小,说明污染程度越深.实际过程中都要求换热面受污染后仍维持总换热量不变,即Qj=Qf,由式(1)~(8)整理可得污垢热阻、冗余面积百分数和洁净系数3者之间关系如下:R=1−CCKj,(9)a=KjR,(10)C=1a+1.(11)R=1-CCΚj,(9)a=ΚjR,(10)C=1a+1.(11)注意到在3者关系式中除R、a、C还有Kj,即说明污垢对换热的影响与Kj的大小有关.观察式(10)和(11)可以发现:当Kj一定时,污垢热阻R越大,冗余面积百分数a越大,洁净系数C越小,即污染越严重;而当R一定时,传热系数Kj越大,则冗余面积百分数a越大,洁净系数C越小,污染越严重.这个结论说明污垢热阻相同时,污垢对换热器的影响却不一定相同,传热系数越大,污垢对换热器的负面影响越大.所以,在采用各种强化传热措施的同时,虽然增大了传热系数,也使污垢恶化传热的影响加大了.为了定量分析,计算所设计的三级淋激式换热器的洁净系数和冗余面积,见表1、2.为准确起见,将换热器按制冷剂状态分为过热区、两相区和过冷区.在设计计算中采用的是美国管式换热器制造商协会(TEMA)标准推荐的对未净化污水在温度低于52℃时的热阻值5.28×10-4m2·K/W.由表2可见,在总换热量一定的情况下,污垢热阻5.28×10-4m2·K/W,将使换热器面积比清洁表面大幅增大,三级各增大83.3%,83.4%,73.58%,所以,选择合理的污垢热阻值对换热器设计的准确度影响重大.图2、3是一级换热器三区冗余面积和洁净系数随污垢热阻的变化关系图,二、三级与此类似.由图2、3可见,随着污垢热阻的增大,冗余面积百分数增大,洁净系数减小,但两相区的曲线变化明显比单相区陡,这是因为两相区传热系数最大的缘故,这也验证了前面的结论.4系统热阻变化建立污水源热泵系统4个主要部件——螺杆式压缩机、淋激式冷凝器、电子膨胀阀和干式蒸发器的模型,再以质量守恒、能量守恒、动量守恒为约束条件将各部件模型有机结合起来,构成整个系统的稳态模型.污垢从产生、生长到剥落和清除,污垢热阻并不为固定值,考察污垢热阻变化对系统性能的影响,了解系统性能对污垢热阻变化的敏感程度和定性变化趋势,这些对综合考虑污垢影响,从而对改进系统设计及预测和指导系统运行都有重要意义.为方便比较,在热阻变化中取3个典型值为A、B、C3种情况,见表3.4.1压缩机性能恶化污垢热阻增大,压缩机排气温度、排气压力、压缩比、出口制冷剂焓值都增大,压缩机输入功率也增大,污垢热阻从0增大到5.28×10-4m2·K/W,压缩机功率增大了18.02%,压缩机性能明显恶化,具体结果见表4.4.2除垢设计结果污垢热阻增大引起两个换热器传热系数变小,换热器性能恶化,如图4、5所示.两个换热器换热量都减小,见图6.冷凝器换热量减小使冷凝器侧污水出口温度降低,蒸发器换热量减小使蒸发器侧污水出口温度升高,见图7.分析如下:1)由图4可知,污垢热阻增大,三区传热系数都明显减小,且两相区的传热系数变化曲线比单相区陡.污垢热阻从0增加到0.001m2·K/W,两相区传热系数从1890.37W/(m2·K)降低到636.91W/(m2·K),降低了66.3%,降幅也最大.这说明初始传热系数越大,污垢热阻增加使传热系数减小得越快.2)由图7可知,冷凝器换热量减小使冷凝器侧污水出口温度降低,而该套设备的使用目的就是提高污水温度到30℃左右,故是否进行除垢的重要标志之一就是污水出口温度.即当污水出口温度低于30℃时应考虑除垢,当污水出口温度低于25℃时,已不能满足使用要求,则必须除垢.3)图8可更直观了解A、B、C3组不同污垢热阻情况下,制冷剂和污水在淋激式冷凝器中的温度变化情况.横坐标轴0-1段为过热区,1-2段为两相区,2-3段为过冷区.污水进口温度相同条件下(都为15℃),污垢热阻越小,则污水出口温度越高,由水侧的3条直线知:A污垢热阻最小,则A情况污水出口温度最高.污垢热阻越小,制冷剂平均温度越低,由剂侧的3条曲线知:A热阻最小,A曲线在最下方,即A的制冷剂平均温度低于B、C.这就说明污垢热阻越小,制冷剂就可以以越低的平均温度提升污水温度,且污水被提升的温度越高.4.3蒸发时间的影响污垢热阻增加,系统冷凝温度升高,蒸发温度降低,系统能效比EER减小,制冷剂质量流量减少,见表5计算结果.分析如下:1)系统能效比EER减小是由于压缩机功率增大(见表4),而系统制热量减小(见图6).2)质量流量减小是由于污垢热阻增大,蒸发温度降低,压缩机吸气比容v增大,而排气量V固定,又由于压缩比增大导致容积效率η降低,故系统质量流量mr=Vvηmr=Vvη减小.3)可以计算当污垢热阻增大到0.0012m2·K/W时,蒸发温度趋于0℃,为保证蒸发器冬季的运行安全,蒸发温度不宜过低,因此,也应注意及时除垢.5增设健康热阻,提高热质1)污水源热泵系统中对污垢的基本考虑包括设计阶段防范污垢、运行阶段抑制污垢和形成后阶段清除污垢.2)换热器的淋激式结构适合污水工作环境.考虑污垢影响将使换热器设计面积增大,使换热器运行时换热效果恶化,这种影响不仅与污垢热阻有关,还与传热系数的大小有关,强化传热也加大了污垢对换热的负面影响.3)污垢热阻增大,压缩机性能明显恶化,污垢热阻从0增加到5.28×