塑料換熱器在污水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

摘要：污水源熱泵是高效的環(huán)保節(jié)能系統(tǒng)．污水水質(zhì)的特殊性使得在回收污水熱能時換熱設(shè)備的選擇以及水質(zhì)對換熱設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢都成為其推廣的障礙．根據(jù)現(xiàn)有的污水源熱泵系統(tǒng)換熱裝置存在的問題，結(jié)合塑料換熱裝置的特點，提出采用塑料換熱器代替金屬換熱器．通過對塑料換熱器在腐蝕、結(jié)垢、價格等方面與金屬熱換器的比較，發(fā)現(xiàn)其具有明顯優(yōu)勢．對塑料換熱器阻力、強(qiáng)度、傳熱性能的分析，證明塑料換熱器在污水源熱泵中應(yīng)用是可行的．
　　關(guān)鍵詞：塑料換熱器；污水源熱泵；結(jié)垢；腐蝕
　　中圖分類號：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—0946(2006)03—0055—03
　　熱泵作為環(huán)保節(jié)能型供熱制冷裝置受到越來越廣泛的應(yīng)用，原生污水作為熱泵系統(tǒng)的熱源／熱匯具有其他種類熱源／熱匯不可比擬的一些優(yōu)點．1)可大量獲得．原生污水產(chǎn)生量大，全年流量幾乎叵定．2)冬暖夏涼．冬季污水溫度比環(huán)境溫度高，夏季一般比環(huán)境溫度低．如北京高碑店污水處理廠長期測量數(shù)據(jù)顯示，污水水溫為13．5～16．．5℃，高出氣溫20℃以上；夏季污水水溫為22～25℃，又低于氣溫10℃以上．3)含有大量熱能．市區(qū)產(chǎn)生的廢熱約40％在污水中．因此污水源是熱泵理想的熱源／熱匯，但污水應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)由于其本身復(fù)雜的水質(zhì)，對換熱裝置的長期穩(wěn)定運行會帶來嚴(yán)峻的考驗．
　　1 塑料換熱器的主要優(yōu)點
　　原生污水在作為熱源／熱匯的利用中存在問題主要由污水本身復(fù)雜的水質(zhì)造成的，而塑料與金屬材料相比在原生污水中應(yīng)用有顯著優(yōu)勢．
　　1．1 堵塞
　　原生污水中的雜質(zhì)按其粒徑大小和存在形態(tài)，可分為3大類：第一類是溶解質(zhì)和膠體，其穩(wěn)定均勻分布；第二類是固體微粒，只有在湍流時才能夠穩(wěn)定均勻分布；第三類是大尺度固體雜物．其中大尺寸固體可以在換熱前用格柵攔等除去；固體顆粒等可以在換熱器前設(shè)置自動篩濾器等裝置．
    1．2 結(jié)垢
    結(jié)垢是污水源熱泵的換熱裝置在運行中需要解決的重要問題，結(jié)垢涉及到復(fù)雜的物理及化學(xué)過程．采用塑料材料制作污水源熱泵的換熱裝置，對于相關(guān)的物理過程產(chǎn)生的污垢來說，因塑料材料表面張力低而不易黏附(見表1)；對于相關(guān)化學(xué)過程產(chǎn)生的污垢來說，可以針對污水水質(zhì)選擇合適的塑料材料，與金屬材料相比，可以大幅減少化學(xué)反應(yīng)污垢．如聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)等材料，熱泵換熱裝置工作的溫度條件下，上述材料幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)．
                  
    塑料材料熱膨脹系數(shù)較大，因而有自潔效果，基本不用除垢．即使需要除垢，也可采用價格低廉的酸洗，操作成本也大大低于金屬換熱器．
    1．3 腐蝕
    腐蝕與結(jié)垢往往是相互促進(jìn)的過程，塑料換熱器不易結(jié)垢的特點也說明耐腐蝕性相對金屬換熱器有所提高．此外，主要的腐蝕作用如：電化學(xué)腐蝕、點蝕等均不會在塑料材料中發(fā)生．塑料換熱器的耐腐蝕特性是顯而易見的．
    1．4 價格
    塑料換熱器的價格比金屬換熱器低，主要體現(xiàn)在2方面：制作性能相近的換熱器材料用量少(按重量計)；塑料換熱器成品重量輕，安裝運輸費用低．污水源熱泵在應(yīng)用中的主要問題是初投資大．降低換熱裝置成本可提高污水源熱泵的實用性．
                 
    2 塑料換熱器應(yīng)用需要解決的問題
    2．1 機(jī)械性能
    雖然金屬較塑料的機(jī)械強(qiáng)度為優(yōu)，但熱泵換熱裝置工作的絕對壓力一般在0 0．5 MPa之間，可以采用拉密公式較核安全強(qiáng)度，參見表3，可知以聚四氟乙烯PTEF為例，在熱泵裝置的工作溫度范圍內(nèi)，塑料的材料強(qiáng)度是滿足使用要求的．
    2．2 換熱性能
    塑料換熱器應(yīng)用的最大問題就在于材料的傳熱性能較差，為保證塑料換熱器的實用性，合理選材與設(shè)計換熱器結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵問題．
    塑料材料導(dǎo)熱系數(shù)只有常用金屬材料的10-2一1O-4級，但塑料管管壁較薄，如可以采用壁厚只有0．2—3mm的塑料管材，而銅管壁厚要達(dá)到塑料管材的一倍以上．
    經(jīng)過理論計算，可知如果采用管壁較薄，管徑較細(xì)的塑料管，對比銅制成的換熱器，其總的傳熱系數(shù)可達(dá)到銅制換熱器的1／3以上．但采用管徑較細(xì)的塑料管，與金屬材料制成的換熱器比較，采用相同的系統(tǒng)型式時，阻力將增加10倍以上．因而，如采用塑料換熱器，需重新設(shè)計換熱器型式，如采用并聯(lián)管路減小阻力等．
               
    3 結(jié) 語
    在污水源熱泵系統(tǒng)采用適當(dāng)材料的塑料換熱器可大大提高抗結(jié)垢，耐腐蝕能力，從而降低運行管理費用，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性；采用塑料換熱器可以降低換熱器的初投資；塑料材料在熱泵系統(tǒng)的工況下可以滿足強(qiáng)度要求．合理設(shè)計塑料換熱器的型式是塑料換熱器應(yīng)用的重點問題．采用塑料作為污水源熱泵系統(tǒng)的換熱器的材質(zhì)具有良好的應(yīng)用前景．