回收污水热能中换热器污性能的实验研究
回收污水热能中换热器污性能的实验研究
李晓明 王 磊
(哈尔滨工程大学) (哈尔滨电信工程局)
摘要：采用传热童浏量法浏定了不诱钠和姻管两种换热器在不同污水水城温度下的结垢热队，研究了这两种换热器的污垢热队随着时间和水域A度的变化规律，并测得污水换热器中污垢的主要成分是徽生物垢。
污水中蕴藏着大量的热能，将污水中的热能回收会节省大量的能源。早在20世纪80年代，北欧的一些国家就有利用热泵来回收污水热能的工程实例。如瑞典的 Skurup、日本东京的后乐泵站、日本东京的汤岛污水泵站和莫斯科热电厂利用热泵来回收未处理污水中的热能。受我国能源政策的影响，目前国内污水热能回 收还处于研究和探索阶段，对污水中换热器的工作情况尚未见系统的报道和研究。笔者研究了螺旋管换热器在生活污水中的换热和结垢情况，为回收未处理污水中热 能时换热器的选型设计提供了依据。
1 实验系统和原理
1.1 实验管
本实验所采用的螺旋管换热器结构见图1,其材料和几何尺寸见表1.
1.2 实验所用生活污水的水质
为了真实地反映不锈钢和铜管这两种材料的换热器在污水中的腐蚀和结垢情况，本实验采用的是校园内家属区里的生活污水，其水质情况如下:
1.3 实验系统
采用传热量测量法测量结垢热阻，实验所采用的系统见图2。该系统采用一个恒温污水浴，设备的主体是两种材料做成的模拟换热器，管外是污水，为了减小管内壁 污垢的影响，管内流动的是蒸馏水，恒温水浴的热源是U形管电加热器，加热器由温控仪控制以维持水浴恒温。试验管段安装有壁温测点、出人口温度测点，整个系 统的流量由转子流量计来控制。
运行时，由水泵来驱动管内水的循环，而由自来水当冷却水来维持每个换热器人口温度的基本恒定。通过测量并记录蒸馏水的进出口温差，来计算测试管表面的结垢 热阻。所有的测量信号由温度巡检仪来测得，并由打印机打印出来。实现了数据的自动测量、采集和打印。蒸馏水出人口温度以及换热器壁温由R100热电阻来测 量，其允许误差为土(0. 1 +0.0011tI)，按照文献仁2」中的方法进行误差分析表明，该系统测量污垢热阻的最大相对误差为士15%。
清洁状态下的总传热系数同样由式(5)确定，只不过各参数的值均为清洁状态下的值。最后，由式(3)便可得出污垢热阻。
2 实验结果与讨论
2.1 结垢热阻随测试时间的变化
在水域温度分别为30,33,36℃时，污垢热阻随着侧试时间的变化关系见图3 -5。由图3 -5可知，两种材料的结垢热阻随着测试时间的增加 其增长规律是不同的:不锈钢的结垢热阻随着测试时间的增加，呈现了锯齿形渐进增长的规律;而铜管的结垢热阻随着测试时间的增加，先是 呈现了增长的规律，而 后出现了负增长的趋势。铜管的这种负增长趋势的产生主要有两方面的原因:一是铜管表面释放铜离子，具有生物杀灭剂的作用，抑制了微生物垢的增长;二是铜管 热阻没有进人稳定阶段，表面形成的垢层不够致密，又被水流冲刷掉，而使热阻减小。同时还可以看出，换热器在污水中，几乎没有经过诱导期，换热器表面立刻形 成了污垢，因而在污水中有关换热器的结垢问题应当值得重视。
2.2 结垢热阻随着水域温度的变化
水域温度对结垢热阻的影响见图6。从图6中可以看到，随着水域温度的增加，污垢热阻是逐渐增大的。铜管热阻在温度为21℃时，污垢热阻是很小的。这一结果说明，在污水源热泵的实际应用中，铜管具有很好的抗垢性。
2.3 垢样分析
首先对污垢使用了灼烧的方法，不锈钢和铜管换热器污垢的失重率分别为95.3%和91.7%，说明这两种污垢中，微生物垢占有很大的成分。同时使用X射线衍射分析(XRD)，检测污垢中化合物的种类，其结果见图7.
从图7中可以看到，垢样中只能检测到晶体SiO2。可见，在污水污垢中析晶污垢(CaO.CaCO3或者CaS04等)不是污水污垢的主要成分，这和用灼烧的方法分析污垢所得出的结论是一致的。
3 结论
3.1 在污水中不锈钢换热器的污垢热阻呈渐近性增长;而铜管换热器的污垢热阻先增长，后呈现负增长趋势。两种材料换热器污垢热阻均不存在诱导期，都是污水一接触到换热器表面就出现污垢。
3.2 两种换热器污垢热阻均随着水域温度的增加而增加，且铜管换热器的污垢热阻在实际的污水温度中，数值很小。因此，铜管换热器比不锈钢换热器更适合在污水的环境下应用。
3.3 不锈钢换热器和铜管换热器表面的污垢均以微生物垢和粘泥为主，因此在以后的研究工作中，需确定抑制微生物污垢的主要水质指标，找出污垢热阻随该水质指标的变化规律，从而有效地控制污水中换热器的结垢情况。
参考文献:
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