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污水源热泵系统近几年得到了快速发展。采用污水源热泵系统从城市污水中提取部分热能用于为建筑物供热,能提高城市能源的利用效率, 同时因为减少了煤炭等能源的使用量,相应地减少了CO2 , NOx , SOx等污染物的排放量,具有非常重要的经济及社会意义。由于污水水质差，通常不能让污水直接进入热泵机组，而是通过污水换热器将热量还给中介水，再由中介水将热量换给热泵机组。所以污水换热器是污水源热泵系统中非常重要的设备之一，对其设计要求也很高，第一，污水换热器是将污水中的能量与中间介质进行交换，两者之间的温差不大，因此要求换热器在此工作条件下具有较高的换热强度，且尽量减小热量损失；第二，要求在工作条件下具有一定强度，结构要求简答、紧凑，便于安装和维护，不能出现堵塞状况，造价低廉且运行安全；第三，污水换热器需要防腐蚀性能好，抗垢，清洗方便，处理量大。 应用于水源热泵系统中的换热器通常有喷淋式换热器、板式换热器和管壳式换热器。这几种换热器各有优缺点，适用范围也不同。喷淋式换热器多用做冷却器。热流体在管内自下而上流动，冷水由最上面淋水管流出，均匀分布在蛇形管上并呈膜状流下。其优点是便于检修，传热效果好，缺点是喷淋不易均匀。管壳式换热器缺点是污水能使管束在极短的时间内结垢挂膜，需要经常进行清洗，但是管壳式结构却又导致清洗不易，制造困难。板式换热器传热系数高，结构紧凑，具有可拆结构，检修和清洗都比较方便。但由于压强过高容易泄露，故操作压强 和温度不太高，所以污水处理量较小。 雷诺特在综合了几种不同污水换热器的技术特点的基础上提出了一种新的高效污水板式换热器结构：离心式污水换热器，通过研究各种参数条件对换热器换热能力的影响来优化换热器结构，同时改进加工工艺，使得整个换热器不仅具有高效的换热能力，同时满足一定的强度，结构简单紧凑，便于维护，而且具有优良的抗垢能力，清洗方便，处理量大。主要研究内容包括： 1） 离心式结构的流道设计： 间壁式换热器中影响整个换热器换热性能的是换热器的平均换热系数： 
其中分别是中介水和污水侧冷热流体的强迫对流换热系数，分别是中介水和污水侧的污垢热阻，为板材厚度，为板材的导热系数。 由于板材厚度一般很薄而且板材的导热系数良好，所以板材上的导热热阻相对于其他热阻项来说较小，提高换热器的换热效果主要关键在于提高流体的对流换热系数并降低污垢热阻。增加流体的流速和流体内部的扰动可以减薄层流边界层提高对流换热系数，而抑制壁面上的结垢速度则可以降低污垢热阻，这两个方法都能够增加换热器的平均换热系数。 离心式污水换热器内的污水和中介水通道为矩形截面连续螺旋流道，冷、热流体在螺旋流道内做曲线运动，因离心力的作用而在与主流流动方向垂直的界面上产生二次流，并可能形成二次涡，二次流能够增加流体的湍动程度，同时流体流动方向的不断改变和二次流的生成能够使流体更好的对壁面进行冲击，破坏层流边界层，从而强化传质和传热，增加对流换热系数，提高整个换热器的换热系数。同时，离心式连续螺旋流道的设计，使得在整个流道中流动平滑没有死角，便于污水污杂物的排放，同时管道内流体强烈湍动能够很好的冲刷换热器的壁面，降低生物垢的生长速度。 为提高流体紊乱度，流道为螺旋上升板式流道，使流体在流动过程中因离心力、重力等惯性力的作用而达到紊流状态。根据一系列换热经验公式可以得到结合惯性力的离心换热器换热系数比传统换热器高了46.7%。由于较高的换热系数，离心式污水换热器能够实现小温差高效换热，可提高清水冬季进入热泵主机蒸发器的温度（夏季降低清水进入主机冷凝器的温度），从而提高主机的工作能效比（蒸发温度每提高1℃，主机效率提高3%~5%），充分发挥污水热泵系统的节能性和高效性。也可以有更广泛的应用空间和使用环境。 2） 流道参数设计： 离心式污水换热器螺旋流道中中介水和污水流道的高度不仅会影响到相同流量下整个通道内的压力损失，同时也会影响到对流换热系数以及污垢的堆积进而影响整个换热器的换热效果，流道的内外径大小会影响到整个换热器的平均换热系数，整体换热面积，也对影响整个换热器最终的体积大小以及紧凑程度。所以在高效的离心通道基础上通过模拟即理论计算优化换热器的尺寸参数，确定换热器的最佳运行参数从而更好的提高换热器的换热效能也是一个重要的研究内容。 3） 纯逆向360°光滑螺旋流道设计： 换热器中流体的相对流向一般有顺溜和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差最小。顺流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变是，以逆流的平均温差最大，顺流最小。在完成相同传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小。若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低，节省设备费和操作费。所以紊流且纯逆向流动的水-水间隔式换热效果明显好于非纯逆向式换热，而目前国内用于污水换热的设备均未做到换热介质纯逆、紊流换热，换热效果不明显，致使初始设备投入大、初始投资高。 流体流向与温度变化关系 在本换热器的设计中污水自上而下360°旋转流动，中介清水则自下向上反方向360°螺旋流动，中介水和污水在流道内始终处于逆流状态，提高换热系数。360°光滑螺旋流道，足够的流道空间，无折返角度，使污水在换热器里面无任何堆积现象，彻底解决了换热器堵塞的问题。 部分螺旋流道示意图 4）国际尖端的优化防腐防垢涂层 该涂料由AMERICA RENOLD INTERNATIONAL LIMITED研制，是新型无机聚合物和经过分散活化的金属、金属氧化物纳米材料、稀土超微粉体组成的无机聚合物专用防腐涂料，能与钢结构表面铁原子快速反应，生成具有物理、化学双重保护作用，通过化学键与基体牢固结合的无机聚合物防腐涂层，对环境无污染，使用寿命长，对换热效率影响最小、防腐性能达到美国防护涂料协会SSPC， 欧盟“REACH”法案即《关于化学品注册、评估、许可和限制法案》（Registration Evaluation and Authorization of Chemicals）及ROHS的严苛要求，国际先进水平。
现在这种新型的无机聚合物防腐涂料已成为保护钢铁最普遍、最重要的涂料。R-C-1106无机聚合物防腐涂料在大气、地下、海洋、化工材料、石油石化液体、污水中等重要防腐领域应用几乎没有可竞争的对手。 综上所述离心式污水换热器在设计结构、换热效率、防堵性能、制作工艺、系统安全性等综合性能指数上都明显优于普通国产污水换热器。由于我国污水源热泵项目实施整体较晚，设备技术相对落后。虽然北京、哈尔滨、青岛、江苏等多个区域出现了一批污水换热器生产厂家，但是设计结构多是防堵塞、宽流道设计，是在普通板换基础上改良而来，结构设计比较落后。因自身设备结构原因，如承压、换热效率低、使用寿命短等问题和隐患难以规避。
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发表于 2014-12-19 11:26:20
