城市污水换热器的方案对比与设计

柯祖来 黄立平

摘 要：随着社会以及各种高精尖技术的不断发展，曾经许多被我们视之为“废品”的东西，经过高新技术的转化也能成为实用的资源，如污水经过转化便能成为一种非常经济的冷热源。而要达到以上目的，便必然要通过城市污水换热器进行处理。本文就通过对比不同城市的污水换热器方案，旨在找出最优质的城市污水换热器应用方案，以提升冷热源的转换效率。

关键词：城市；污水；换热器

城市污水换热器，其主要功能在于将污水转化为经济的冷热源。然而在转化过程中，无论传热系数过小或是传热面积过窄等情况都将对热泵主机的工作情况产生影响，与此同时，当前我国大多是城市污水处理厂所使用的城市污水换热器，因其本身便无法承受过高的压力，然而却时常处于超负荷工作的状态，因而导致设备内部元件容易发生形变，进而出现疲劳性破裂的现象，最终使得城市污水换热器并无法完全处理漏水或混水的状态。此外，部分城市污水换热器还存在堵塞能力偏低的情况，这不仅极大程度了增添了系统的泵耗，且一旦发生淤堵的情况，便需对其进行全面的清理，这无疑也在一定程度上增加了设备的维护费用，从而加重了设备的运行负担。从表面上来看，污水换热器于热泵机房的整体造价中仅占15%，但其作用确实其他任何环节均无法替代的。因而笔者认为，若要节约整个污水换热过程的成本，投资者不应将目光集中于污水换热器，而适应从增加换热面积入手，经相关调查显示，仅需增加3%的总投资便能有效增加20%的换热面积，如此观来，虽在总投资成本方面有所增加，但所提升的工作效益却相比投资提高了数倍有余，何乐而不为。目前，污水换热器于工程方面的运用主要有宽流道平板式换热器、宽流道圆管式换热器以及壳管式换热器3种型号，本文就通过分析不同换热器的普适规律，以望根据不同的工程条件，给出适合的污水换热器设计方法。

1 污水换热器的基本要求与特点

由于污水，其本身便具有堵塞风险高、易结垢、腐蚀、粘度大等特性，因而针对污水换热器的选择，需同时满足以下几点要求：（1）污水流通截面必须适当增大。（2）流道必须保持光滑、平直。（3）为防止各环节之间出现“窜水”、“短路”的情况，换热形式应是呈逆流的状态。（4）换热器的结构不能过于复杂，要能方便后期的维护，包括启动、清理等，简言之，即确保运行的安全与效率。（5）必须具备一定的承压能力。（6）基于污水本身具有的腐蚀性，因而污水换热器必须具有相应的抗腐蚀能力，且不能出现过长的焊缝情况。

以上六点基本要求，若不满足其中一点都难以承受现代社会这种高压的工作环境。

2 污水换热器结构的普适关系及方案对比

壳管式换热器是目前市面上出现最早也应用最为广泛的换热器形式之一，此种形式的换热器，不仅符合以上六点基本要求，且其所运用的普通无缝碳钢管，在无氧条件下，亦可长时间不受腐蚀。此外，壳管式换热器为了实现小温差纯逆流，其换热管的直径亦是与前段防阻机的过滤尺寸相匹配，并对换热器的流程与隔板进行了特殊的设计，从而具有了一定的承压能力，因而此种形式的污水换热器也被称之为当前最符合工作环境要求的污水换热器。

曾有设计者认为，板式换热器，其本身便具备极高的传热系数，而若能将之套用进污水换热器中，自然能可提升污水换热器的传热能力。然而事实并非如此，若仅是对板式换热器进行简单的改良，其所改变的无非是板间的距离，对此，若将其运用到污水换热器中，便无法起到相应的效果，因此，传统板式换热器才会被称作失败品。

目前，市面上还存在一种名为“宽流道换热器”的技术，该技术的基本思路在于扩宽污水流通通道，从而让污物能可顺利通过。但实际上，这样的设计思路与紧凑型的换热器设计原则相抵触，因而也未能得到良好的实施。当前，所谓的“宽流道换热器”技术，其在换热器中的运用主要包括两种形式，一为宽流道圆管式换热器，二为宽流道平板式换热器。

所谓的宽流道圆管式换热器，即将传统的热管换做大尺寸，以拓宽污水流通通道的宽度。词句虽能解决传统平板式设计承压能力差的问题，但却违背了换热器紧凑、高效、经济的设计原则。

而宽流道平板式换热器实则为一种全焊接式的换热器。在上文中我们提到，标准的换热器不能有过场的焊缝，然而此种形式的换热器，其焊缝长度却远远超标，因而在实际的运用过程中，不仅传热效果以及承压能力差，且容易出现漏水、破裂等风险。

以上3种形式的污水换热器，其差别主要在于流道的尺寸。基于污水换热器的结构与性能均取决了流道尺寸的状况，因而要想解决堵塞这一难题，便必须在流通截面尺寸方面下功夫。此外，由于污水换热器，其热阻主要集中在污水一侧，因而除了流通截面的尺寸外，污水软垢的热阻与对流热阻亦与流速相关。

2.1 三种换热器流程总长度对比

对换热器有以下关系成立：

可以导得：

可见，换热器的流程总长度L与换热量Q或污水流量没有关系，随流速的增加而缓慢增加；随流道尺寸和污水温降的增加而急剧增加。

2.2 三种换热器面积对比

从污水中换取Q的热量，所需的换热面积为：

可见，换热器面积与污水温降和流程总长度L无关，随流道尺寸的增加而缓慢增加。

2.3 三种换热器体积对比

污水换热器的体积可表述为：

式子中β——换热器体积与污水侧水容积之比，一般可为2.2。可见，换热器体积与污水温降和流程总长度无关，而随流道尺寸的增加而急劇增加。

3 结论

从以上数据来看，较之传统壳管式换热器，宽流道换热器无论是在流程总长度或是换热器提及等各方面有了明显的增大。因而考虑到在换热器阻力差距不大的情况下，同等流速，宽流道换热器其承压面积都要高于传统壳管式换热器，相应的也增加了流动的阻力与泵耗。因而考虑到设备运行的经济性，为达到相应的换热要求，应适当增加换热的面积而非流速。

参考文献

[1]李志新，刘宇涵，李学臻，等.城市地下污水中的余热利用[J].工程技术：全文版，2016，（11）：215.

（作者单位：1.超临界流体技术及装备国家地方联合工程研究中心；2.贵州航天乌江机电设备有限责任公司）