熱管廢熱回收蒸發(fā)器在濁水余熱回收中的應(yīng)用

                             向南宏,金蘇敏,王璐

                        (南京工業(yè)大學(xué),江蘇南京　210009)

   摘要：針對污水的特性,為避免生活污水與熱泵工質(zhì)R22產(chǎn)生交叉污染,從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行的可能性,提出在污水與熱泵系統(tǒng)工質(zhì)R22之間采用一個熱管換熱器,得出在系統(tǒng)增加了一個熱管換熱器的情況下,污水流量一定時,熱泵制熱量,性能系數(shù)COP值,熱泵系統(tǒng)R22工質(zhì)蒸發(fā)溫度,污水廢熱回收熱量隨污水進口溫度的增大而增大,其中熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度的增幅最大,達(dá)到65.79%,廢熱回收熱量的增幅最小,為6.8%,污水入口溫度一定時,熱泵制熱量,性能系數(shù)COP值,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度,廢水回收熱量隨著污水流量的升高而升高,但是熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度的和性能系數(shù)COP值的增幅減少,熱泵制熱量,熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度以及廢水回收熱量的增幅緩慢增加。

   關(guān)鍵詞：熱管;熱泵;廢熱

   中圖分類號：TB65　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　

   1　前言

   近些年來,全球普遍呈現(xiàn)能源危機,能源問題得到越來越廣泛的關(guān)注,世界各國都在研究開發(fā)新能源,而節(jié)約能源在我國被專家視為與煤炭、石油、天然氣、電力同等重要的“第五能源”。隨著我國城市家庭熱水器普及率逐年上升,達(dá)到70%以上,洗浴熱水能耗占城市民用建筑能耗的20%[1],大量的余熱隨著洗浴熱水的排放而白白浪費,有效合理利用洗浴熱水的熱水廢熱回收是污水資源利用化的一條有效途徑[2],因此生活污水余熱回收熱泵技術(shù)得到越來越多的研究,在普遍采用的污水余熱回收系統(tǒng)中,大都采用污水與熱泵工質(zhì)通過一個換熱器直接換熱,然而,考慮到生活污水含有雜質(zhì)等實際情況,直接換熱易對換熱器造成不利影響,而且若是泄漏的話,污水和制冷劑就會交叉污染,影響整個熱泵系統(tǒng)的運行,針對此種情況,提出采用一個熱管換熱器在污水和熱泵制冷劑工質(zhì)進行換熱,以解決這個問題。本文對污水熱管廢熱回收蒸發(fā)器在濁水余熱回收中的應(yīng)用進行研究,探討生活污水余熱回收在節(jié)能方面的潛力。

   2　系統(tǒng)及熱管廢熱回收蒸發(fā)器

   實驗臺的生活污水余熱回收系統(tǒng)圖如圖1所示,整個系統(tǒng)分為四個循環(huán),加熱水循環(huán)系統(tǒng),熱泵系統(tǒng),分離式熱管系統(tǒng)以及污水系統(tǒng),污水從污水箱中出來,經(jīng)過一個管殼式換熱器與熱管廢熱回收蒸發(fā)器中的R22工質(zhì)進行換熱,R22工質(zhì)再將熱量通過一個板式換熱器釋放給熱泵系統(tǒng)中的制冷劑工質(zhì)R22,工質(zhì)經(jīng)壓縮機壓縮后,由R22在板式冷凝器中將熱量傳給需要加熱的水,加熱后的水通過閥門a, b的調(diào)節(jié),與污水換熱后進入熱水箱,然后再作為熱水進口水源進入板式冷凝器循環(huán)換熱,污水循環(huán)中,污水換過熱后再進入污水箱,采用電加熱的方式將溫度提高到所需要的溫度,然后再進管殼式換熱器進行換熱,即實現(xiàn)了利用污水余熱來加熱生活用水的目的。

                    

   實驗臺在污水系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)的中間采用了熱管換熱器,工質(zhì)為R22,管殼式換熱器作為熱管換熱器的蒸發(fā)段,板式換熱器作為熱管換熱器的冷凝段,管殼式換熱器殼程的制冷劑R22吸收管內(nèi)廢水的熱量蒸發(fā),沿管程上升到板式換熱器去熱泵系統(tǒng)中的制冷劑R22換熱冷凝,之后回流到管殼式換熱器循環(huán)工作,同時系統(tǒng)制冷劑R22蒸發(fā),即板式換熱器既作為熱管系統(tǒng)的冷凝器,又作為熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器,蒸發(fā)段采用管殼式換熱器是因為考慮污水含有雜質(zhì)的情況,不宜采用板式換熱器,為避免污水與熱泵系統(tǒng)中的制冷劑工質(zhì)R22交叉污染,采用一個分離式熱管換熱器作為中間換熱器將污水與熱泵系統(tǒng)隔離開來,此外由于水量大,因此污水側(cè)宜采用管殼式換熱器,管殼式換熱器作為分離式熱管的蒸發(fā)段,管內(nèi)走污水,管外走R22,避免熱泵內(nèi)的制冷劑R22泄漏,導(dǎo)致整個系統(tǒng)停止運行,即使制冷劑泄漏,只需更換熱管換熱器的某些部件,即可重新運行,無需使整個系統(tǒng)停止工作,有效的解決了污水回收過程中可能遇到的污水與熱泵工質(zhì)交叉污染的問題,保證了系統(tǒng)的安全運行;而熱管冷凝段采用板式換熱器,因為其結(jié)構(gòu)緊湊,換熱效果好,工質(zhì)是R22,無需考慮污水的影響,故熱管冷凝段采用板式換熱器;此外,由于分離式熱管具有遠(yuǎn)距離傳熱的特點,因此可以遠(yuǎn)距離聯(lián)系污水源和熱泵系統(tǒng)?；谶@些優(yōu)點,提出了用管殼式換熱器作為熱管換熱器的蒸發(fā)段,板式換熱器作為熱管換熱器的冷凝段,整個熱管換熱器充當(dāng)污水與熱泵系統(tǒng)的之間換熱器。熱管換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

                     

   3　試驗結(jié)果及分析

   試驗系統(tǒng)中,參照《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》新國標(biāo)(GB/T21362-2008)對系統(tǒng)進行循環(huán)加熱工況實驗,將水從29℃加熱到50℃,溫度測量采用PT100鉑電阻,壓力測量采用GE德魯克型號為PMP4070壓力傳感器,流量測量采用天津儀表廠生產(chǎn)的渦輪流量計,功率測量采用YDD型有功功率變送器,實驗采用惠普采集儀進行數(shù)據(jù)采集[4]。

   (1)機組制熱量[5]機組制熱量是通過設(shè)在熱水回路中的流量計以及溫度測試裝置來計算的,通過如下公式可以計算出機組制熱量。

                       

   在試驗中,通過調(diào)節(jié)閥a, b以及污水箱內(nèi)電加熱的溫度,從而調(diào)節(jié)污水進口溫度。通過調(diào)節(jié)閥c和g,從而調(diào)節(jié)污水進口流量,熱管廢熱回收蒸發(fā)器內(nèi)充注14kg的R22工質(zhì),熱泵系統(tǒng)內(nèi)充注10kg的R22工質(zhì),進行實驗,得出以下結(jié)果。實驗結(jié)果表明,如圖3,污水流量為0. 05kg/s時,廢熱回收量從污水入口溫度為29℃時的2. 92kw提高到污水溫度為35℃時的3. 12kW,提高了6. 8%,而且隨著污水流量增加到0. 21kg/s時,廢熱回收量也從29℃時的4. 1kW提高到35℃時的4. 52kW,提高了10. 2%,可以看出,隨著污水流量的增加,廢熱回收熱量的增加幅度是越來越大的,這是由于在污水流量一定時,隨著污水進口溫度的升高,污水進出口溫差也隨之升高,從而導(dǎo)致污水回收熱量的增加,當(dāng)流量提高時,在相同進口溫度下,隨著流速的增高,廢水的擾動性增強,換熱強度增大,廢水換熱系數(shù)增大,廢熱回收熱量也隨之增加。

   如圖4所示,污水流量為0. 05kg/s時,熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度從污水進口溫度為29℃時的12. 6℃提高到污水進口溫度為35℃時的15. 34℃,增加了21. 75%,隨著污水流量增加到0. 21kg/s時,熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度也從污水進口溫度為29℃時的22. 92℃提高到污水進口溫度為35℃時的28. 41℃,增加了23. 95%,可以看出,隨著污水流量的增加,熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度的增加幅度是有所增加的,但是增幅不大,這是由于隨著污水進口溫度的升高,熱管廢熱回收換熱器內(nèi)的工質(zhì)蒸發(fā)壓力呈升高的趨勢,對應(yīng)的蒸發(fā)溫度也隨之升高;隨著流速的提高,對應(yīng)的壓力增長越來越緩慢,所以對應(yīng)的熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度的增長也越來越緩慢。

                   

   如圖5,污水流量為0. 05kg/s時,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度從污水進口溫度為29℃時的6. 84℃提高到污水進口溫度為35℃時的11. 34℃,增加了65. 79%,隨著污水流量增加到0. 21kg/s時,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度也從污水進口溫度為29℃時的18. 3℃提高到污水進口溫度為35℃時的25. 15℃,增加了37. 43%,可以看出,隨著污水流量的增加,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度的增加幅度是越來越小的,這是由于隨著污水進口溫度的升高,熱管廢熱回收換熱器內(nèi)的工質(zhì)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度呈升高的趨勢,從而導(dǎo)致熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)溫度隨之升高。并且在相同進口溫度下,隨著流速的增高廢水的擾動性增強,換熱強度增大,廢水換熱系數(shù)增大,換熱量增加,蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也有所增加,導(dǎo)致熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)溫度增加。

                      

   如圖6所示,污水流量為0. 05kg/s時,熱泵制熱量從污水進口溫度為29℃時的3. 73kW提高到污水進口溫度為35℃時的4. 13kW,增加了21. 75%,隨著污水流量增加到0. 21kg/s時,熱泵制熱量也從污水進口溫度為29℃時的4. 74kW提高到污水進口溫度為35℃時的5. 12kW,增加了23. 95%,可以看出,隨著污水流量的增加,熱泵制熱量的增加幅度是有所增加的,但是增幅不大,這是由于隨著污水進口溫度和污水流速的升高,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也隨之升高,在水-R22板式換熱器中,熱水側(cè)進出口溫差逐漸增大,導(dǎo)致熱泵制熱量逐漸增大。

   如圖7所示,污水流量為0. 05kg/s時,COP值從污水進口溫度為29℃時的4. 6提高到污水進口溫度為35℃時的5. 1,增加了10. 87%,隨著污水流量增加到0. 21kg/s時,COP值也從污水進口溫度為29℃時的5. 85提高到污水進口溫度為35℃時的6. 32,增加了8. 03%,可以看出,隨著污水流量的增加,COP值的增加幅度是越來越小的,這是由于隨著污水進口溫度和污水流速的升高,熱泵制熱量逐漸增大,而熱泵工質(zhì)冷凝溫度逐漸升高,壓縮機功耗雖然有所增加,但是增加幅度沒有熱泵制熱量增加幅度大,因此,最終導(dǎo)致COP值還是增大的。

                  

   4　結(jié)語

   在回收污水廢熱中,污水換熱器的好壞直接影響著換熱效果及安全運行情況,本試驗采用的熱管廢熱回收蒸發(fā)器有效的解決了污水回收過程中可能遇到的污水與熱泵工質(zhì)交叉污染的問題;并且由于熱管的高效傳熱,廢熱回收效果顯著,同時還保證了系統(tǒng)的安全運行,并得出了以下結(jié)論,熱管換熱器性能是受熱管蒸發(fā)溫度影響的,而污水流量和污水進口溫度對熱管換熱器內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度均產(chǎn)生影響。系統(tǒng)的性能亦受熱管換熱器性能的影響:　　(1)在相同的污水流量下,熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度是隨著污水進口溫度的升高而逐漸升高的,35℃對應(yīng)的蒸發(fā)溫度比29℃對應(yīng)的蒸發(fā)溫度增加了21. 75%,隨著熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度的升高,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度也隨之升高,從而引起熱泵制熱量,性能系數(shù)COP值的升高,其中熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度的增幅最大,廢熱回收熱量的增幅最小;

   (2)在相同的污水進口溫度下,熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度隨著污水流速的增加而逐漸增加,污水流量為0. 21kg/s時對應(yīng)的熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度比0. 05kg/s時對應(yīng)的熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度增加了23.95%,隨著熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度的升高,熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度也隨之緩慢升高,從而引起熱泵制熱量,性能系數(shù)COP值,廢水回收熱量隨著污水流量的升高而升高,其中熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度的和性能系數(shù)COP值的增幅減少,熱泵制熱量,廢水回收熱量的增幅緩慢增加;

   (3)在污水流量和污水進口溫度增加相同的百分比的基礎(chǔ)上,熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度的升高比例是不同的,由污水流量升高引起的的熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度的升高明顯大于污水進口溫度升高引起的熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度的升高,即污水流量對熱管蒸發(fā)溫度的影響大于污水進口溫度對熱管蒸發(fā)溫度的影響。

   參考文獻(xiàn)

   [1]　羅清海,湯廣發(fā),龔光彩,等.建筑熱水節(jié)能途徑分析[J].煤氣與電力, 2004, 24(6): 353-357.

   [2]　王璐,金蘇敏,史敏,等.浴室排水余熱回收熱泵系統(tǒng)的能量分析[J].流體機械, 2008, 36(9): 73-77.

   [3]　王璐,金蘇敏,生活濁水余熱回收熱泵熱水器的研究.碩士學(xué)位論文.南京:南京工業(yè)大學(xué), 2009.

   [4]　GB/T21362-2008.商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機[S]. 2008.

   [5]　吳業(yè)正.制冷與低溫技術(shù)原理[M].北京:高等教育出版社, 2004.

   作者簡介:向南宏(1984-),男,碩士研究生,主要從事熱能工程及熱泵技術(shù)研究,通訊地址: 210009江蘇南京市丁家橋30號南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院熱管樓207室。