非清洁水源热泵系统换热器除污方法研究.pdf

第25卷,总第146期2007年11月,第6期 节 能 技 术 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.25,Sum.No.146Nov.2007,No.6非清洁水源热泵系统换热器除污方法研究肖红侠1,孙德兴2,赵明明3(哈尔滨工业大学市政环境工程学院2651#,黑龙江 哈尔滨 150090)摘 要:非清洁水源热泵系统中,污水换热器换热面的污染问题导致流动阻力增大,换热系数降低,已成为污水源热泵发展的主要技术障碍之一。本文分析了现存的几种在线物理清洗方法应用于污水换热器除垢的局限性,基于污水换热器污垢的特点,针对管壳式换热器提出了适合于污水换热器去污方法,即小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺,介绍了强力自冲洗换热器结构和原理,分析了其经济可行性。关键词:非清洁水;热泵;换热器;除垢中图分类号:TH3 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2007)06-0525-04The Research on Removing Fouling Methods of the HeatExchanger of Sewage Heat Pump SystemXIAO Hong-xia1,SUN De-xing2,ZHAO Ming-ming3(School of municipal and environment engineering,Harbin institute of technology,Harbin 150090,China)Abstract:The pollution problemof heat-exchanger surface of sewage heat pump system affects flow resistanceand heat exchange coefficient badly,which has been one of the technology obstacle of heat-pump develop2ment and application.This paper analyses the limitation of the existing removing-fouling ways and means,presents a new flushing technique which can flush strongly part heat transfer tube.The new heat-exchangers configuration and principle has been introduced and the technical feasibility has been analysed.Through de2sign calculation and economy efficiency analysis on flushing project,the feasible flushing project has been giv2en.Key words:sewage;heat pump;heat exchanger;removing fouling收稿日期 2007-09-27 修订稿日期 2007-10-16基金项目:北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室开放课题(KF200503)国家自然科学基金项目(50578048)作者简介:肖红侠(1978),女,在读博士。1 前言非清洁水(污水与地表水)作为热泵冷热源为建筑物供热空调,其一次能源综合利用率高,节能幅度大,是一种良好的低位可再生清洁能源1。但利用非清洁水做热泵冷热源的最大技术困难就是如何防止污水对管路、换热设备的堵塞与污染。采用水力连续滤面再生装置后,换热器阻塞问题基本解决,但其中仍含有一定数量的悬浮物和化合物,导致换热面上的软垢生长速度快,成分复杂,厚度大,严重地影响流动换热。笔者对哈尔滨望江宾馆和北京悦都酒店污染后的换热器进行试验检测发现,其换热系数为700 W/m2K左右,大约是清洁时的1/2。过低的换热系数,要求较大的换热面积和较高的运行费用,525这严重的影响了系统的整体性能,使系统节能效果降低。换热面的污染问题已成为污水源热泵发展的主要技术障碍之一。针对换热面污染问题,其他领域已有很多除污方法,但没有一种是基于污水换热器提出的,本文分析了现存的几种在线物理清洗方法应用于污水换热器除垢的局限性,基于污水换热器污垢的特点,针对壳管换热器提出了适合于污水换热器去污方法,即小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺,并介绍了强力自冲洗换热器结构和原理,分析了其经济可行性。2 现有除污方法的局限性针对管壳换热器换热面污染问题,其它领域已有很多除污方法。一般来说,按清洗方式可分为物理清洗和化学清洗。化学清洗具有污染产品、造成环境污染、设备腐蚀,应用于开式系统不经济等局限性,无法应用于污水源热泵系统。物理清洗是靠流体的流动或机械力的作用,提供一种大于污垢粘附力的力而使之从受热面上剥落。按清洗时间间隔不同,物理清洗方法可分为在线清洗和定期清洗。定期清洗当污垢积聚到一定程度将设备解体,采用高压水枪逐根清洗,不仅浪费大量人力物力,而且不能保证系统高效运行。而在线物理清洗不仅能使设备长期处于洁净高效率状态,而且不会腐蚀设备,也不会造成环境污染,近年来倍受关注。现有的在线物理清洗方法主要有两种,一种是依靠水力的清洗方法,以弹簧插入物在线清洗为代表;一种是依靠机械力和水力相结合的清洗方法,以胶球在线清洗为代表。2.1 胶球在线清洗胶球清洗是20世纪80年代首先在国外发展起来,起初是在热电行业凝汽器系统中使用,整套清洗装置使用时需要配套胶球清洗泵及胶球收、放旁路设备。其除垢机理是密度与水相近的海绵胶球通过管子内微受压缩,胶球受流体的推动力在管内流动,并借助海绵体的弹力对管壁施加压力达到除垢目的2。其系统结构如图1所示。文献研究发现,胶球清洗装置在国内的使用情况并不理想,不仅收球率低,而且二次虑网和收球网结垢腐蚀严重。很多学者3-4进行有关试验、运行分析和结构检查,对系统进行了改造。虽然在一定程度上提高了收球率,但并未能从根本上解决问题。下面几方面问题依然存在:收球率低。往往比较好的系统,收球率也在80%以下,最差的情况根本收不到球。不适用水质较差的场合,胶球在管中只能依靠循环水作动力,清除冷却管内壁上的薄层淤泥或水垢。若循环水中含有较多的杂物,如水生动物、垃圾、碎石及各种有机物,不仅会堵塞二次滤网,使循环水压差减小,流量减小,不利于胶球的循环,而且会堵塞凝汽器的管孔,妨碍胶球的通过。不能用于对胶球具有腐蚀作用的水源。对于由化学反应而形成的析晶污垢则不能完全清除。其安装困难,结构复杂,材料消耗多,操作和维护不便,故障率较高。由于上述原因,致使胶球清洗系统在许多换热器上不能发挥作用。综上所述,对于水质极差的城市原生污水热泵系统中污水换热器污染问题,胶球在线清洗显然是不合适的。图1 胶球清洗系统结构1-滤网;2-胶球泵;3-集球室;4-球喷射器;5-胶球监视器;6-分配器;7-胶球计数器;8-分配器调节装置;9-收球网;10-装球室2.2 管内插入物在线清洗管内插入物是早期应用于强化传热的一种方法。近几年很多学者将管内插入物在线清洗方法作为研究方向6-9,它们的工作原理均是靠流体的作用下转动或振动达到除垢效果,而且都基于管式换热方式和水质较清洁情况下提出的,一方面对于换热面积大,传热管数量很多的污水换热器,其机械工艺复杂,难以实现,另一方面对于水质恶劣城市原生污水,很容易造成插入物的腐蚀,损坏,同时如果脱落的大块污物吸附在插入物上,极易导致管道阻塞。3 新型除污方法的提出综上所述,由于非清洁水换热器污垢区别于一般结晶垢,现有的除污方法都不适合解决污水换热器污染问题,下面基于非清洁水换热器污垢的特征提出小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺,介绍强力去污换热器的结构和原理,分析其经济可行性。3.1 非清洁水换热器污垢的特征非清洁水包括城市原生污水与地表水。城市原生污水是未经任何物理与生物手段处理的城市污625水。即使经过旋转滤面再生装置,其中仍含有大量的小、微尺度的污杂物和复杂的化学生物成分,导致换热面上很快结垢,严重地影响流动换热。经观察和实验发现其中污泥,腐蚀产物和生物沉积物等软垢约占污垢总数90%以上,它们是影响换热器效率的主要因素。由于原生污水的特殊性,相对于普通换热器软垢,城市污水所形成的软垢具有以下特点:污水换热器表面在很短的时间内就可积聚较大的厚度,硬度低,与壁面粘附力小。课题组对管壳式污水换热器污垢的平衡厚度随流速的变化特性做了试验测试,图2说明了在不同流速下测试的污垢平衡厚度规律。污垢在不同流速下均会达到厚度平衡状态,污垢的平衡厚度与流速有直接关系,其主要原因是不同流速的壁面切应力不同,污垢薄膜厚度增加到一定程度后,其粘滞力小于流体切应力便开始脱落。如图2所示,当流速从1 m/s增加到2 m/s时,污垢平衡厚度从2 mm减到1 mm,由此说明对于城市污水换热器,采用高流速冲洗,能达到除污目的。图2 污垢平衡厚度与流速关系3.2 小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺虽然使用大流速冲洗换热管的方法可以达到除污的目的,但是对于传热管数量很多的壳管换热器,采用单次冲洗全部传热管的方法进行冲污,必然要求并联大容量冲污水泵,因而导致设备庞大,初投资大幅度增加,在传热管非常多的情况下很有可能导致因除污设备增加的初投资大于除污本身带来的效益,也就失去了除污的意义。基于此本文提出了小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺,可以实现轮替冲洗部分换热管(10根到20根),因而也就降低了冲污水泵的容量,从而减少初投资。小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺主要是在管壳换热器封头内设置在电机带动下可以自动旋转的主轴4(兼做进水管),主轴4两侧通过轴承分别与管板9和封头10连接。高压冲污水泵吸入的非清洁水通过主轴上的接头5进入主轴内腔中,再经主轴出水口3进入随主轴一同旋转的冲污注水头2,强力注入换热管束1内进行冲污,冲污注水头随着主轴的旋转紧贴各个换热管的入口转动,从而完成轮替冲洗的过程,完成冲污后的非清洁水通过污水出口或污水进口和污水出口排出,如图3所示。图3 强力自冲污换热器结构与原理图1-换热管束;2-冲污注水头;3-主轴出水口;4-主轴;5-接头;6-电机;7-高压冲污水泵;8-封头;9-管板4 冲洗工艺经济可行性分析下面以端面换热管根数为400 mm,管长为6 m,管内径为20 mm的壳管换热器为例,计算冲洗流速5 m/s,轮替冲洗10和20根(n)换热管时耗功情况,并对泵进行选型,然后通过计算及选型结果对其进行经济分析。4.1 功耗计算及泵的选型以单次冲洗10根换热管为例,计算过程如下,计算需要以下公式:Q1=u d2/4n3600(1)Q=1.1Q1(2)p=(fld+)(3)H=1.1P(4)W=(n/n1)/60N(6)式中 n 换热管根数(根)n1 单次冲洗换热管根数(根)u 设计流速,m/s;Q1 计算流量,t/h;Q 安全流量,t/h;p 换热器压降,Pa;l 换热器单程管长,m;d 换热管管径,mm;f 沿程阻力系数;H 污水泵扬程,m;725 局部阻力系数之和;1.1 安全系数;N 电机功率,kW;W 分钟耗电量,kWh。将n=10,u=5 m/s,d=0.02 m代入公式(1)(2)得:Q1=56.4 t/h,Q=62.0 t/h。沿程阻力系数按希弗林松公式f=0.11(ksd)0.25计算,粗糙高度,ks=0.001 m,l=6 m;f=0.052 03,换热器进出口阻力系数1均取1,管程局部阻力系数2取2.5,故=1.0+1.0+2.5=4.5,将f,ks,u,l代入公式(3)得p=25.1 m,H=27.5 m,w=4.4 kWh。同样的方法可以计算单次冲洗20根的情况。根据流量,扬程,对泵进行选型,并查询泵的出厂报价,如表1所示。需要指出的是,本文所选泵为管道型排污泵,其最大优点是可以输送含有固体颗粒和纤维杂质的污水。表1泵的选型与价格流速u(m/s)根数n(根)流量Q(t/h)扬程H(m)GW型污水泵转速(n/s)电机功率N(kW)效率(%)价格(元)分钟耗电量W(kWh)510622012427.580-65-25-7.52 9007.5561 6744.4100-100-30-151 46015663 0694.064.2 经济可行性工艺的经济可行性取决于工艺增加的费用与节省费用的比值。工艺增加的费用主要有初投资增加和运行费用增加。初投资增加主要包括增加辅助设备的费用,如除污水泵,水泵配备的电机,带动冲污注水头及主轴转动的电机,以及主轴,减速机链轮等,其中除污水泵的费用最高。初投资增加:从表1可以看出单次冲洗10根和20根换热管所选高压冲污水泵的价格为1 674元和3 069元,其它设备价格按300元计算,增加全部初投资为1 974元和3 369元。运行费用增加:按每度电0.6元计算,每次冲洗换热器的运行费小于3元。工艺增加的成本=初投资初投资增加+运行费用增加=1 977元到3 372元。对于本文例算的换热器,换热面积为151 m2,按单价600元/m2计算,整个换热器的成本90 000元,两种情况工艺增加的成本分别为换热器成本的1.86%和3.4%,折合到换热器单位面积,每平米分别增加了11元和20元。如果污水换热器按20%的设计余量来计算,由于除污节省的换热器费用为90 00020%=18 000元,两种方案增加成本费用节省费用比值为11%和18%。可见本工艺是经济可行的。5 结束语现有的除垢方法虽然很多,但是即经济又实用的很少。即使发展较早的胶球在线清洗,虽然其除垢效果较好,但其具有收球率低的重大缺陷。至于近年来发展起来的插入物除垢方法仍处于理论实验研究阶段,并未见有实际应用报道。此外将它们应用于水质恶劣城市原生污水换热器,问题更多。使用胶球在线清洗,大厚度污垢会堵塞二次滤网,而使用插入物除污方法很容易造成插入物的腐蚀,损坏,及管道阻塞。由于换热器污垢自身的特点,使本来就具有一定缺陷的除垢方法更加不适合于污水换热器除垢,而本文提出的强力自冲污工艺恰恰就是针对污水换热器污垢厚度大,硬度低的特性提出的,此工艺可以小水量轮替冲洗部分传热管,具有较好的经济性,对于污水换热器除污具有较好的应用前景,但需要指出的是本工艺不适合于清洗一般换热器结晶类硬垢,此外受换热器结构的影响,本工艺只能应用于单管程和双管程管壳换热器除污。参考文献1 吴荣华,孙德兴,马广兴.城市污水源热泵系统的节能与环保评价法J.中国给水排水,2005,21(12):103-106.2 刘东宁.冷却器胶球在线清洗技术研究与工业应用J.石油化工设备,2006,35(1):64-67.3 姚翠霞,等.包头第一热电厂胶球清洗装置存在的问题与对策J.内蒙古石油化工,2006,4:62-63.4 杨振海,等.关于电厂凝汽器胶球清洗装置技术改造的探讨J.汽轮机技术,2006,48(6):453-455.5 张林,等.胶球清洗系统的调试和完善J.华东电力,2005,33(2):60-62.6 王勤获.管内弹簧插入物在线污垢清洗与强化传热技术J.炼油设计,1994,24(3):57-62.7 俞秀民,俞天兰,叶施仁.自动旋转螺旋线传热技术的试验研究J.化工装备技术,1997,18(5):4-8.8 俞秀民,俞天兰,叶施仁.列管式水冷设备塑料扭带自动清洗防垢技术J.湘潭大学学报(自然科学),1998,20(3):3-4.9 林榕端,林清宇,冯庆革.换热管内微型液轮机研究J.机械工程学报,2001,37(7):41-43.825