第25卷第2期煤氣與熱力Vol. 25 No.22005年2月GAS & HEATFeb. 2005污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計計算姚楊，馬最良，趙麗瑩(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)商要:設(shè)計了一套污水源熱泵,將經(jīng)過處理后的污水作為低位熱源。對污水源熱泵系統(tǒng)中的淋激式換熱器、板式換熱器、壓縮機(jī)、熱力膨脹閥進(jìn)行設(shè)計和選型計算。關(guān)鍵詞:水源熱泵; 污水源熱泵; 淋激式換熱器; 板式換熱器;壓縮機(jī);熱力 膨脹閥中圖分類號: TU995文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 1000 -4416(2005)02 -0039 -04Design Calculation of Sewage Source Heat Pump SystemYAO Yang，MA Zui-liang， ZHAO Li-ying( School of Municipal & Enironmental Engineering ，Haerbin Institute of Technology , Haerbin150090, China)Abstract: A sewage source heat pump is designed, and the treated sewage is used as low-levelheat source. The design and model calculation of sprinkling heat exchanger , plate heat exchanger, com-pressor and thermal expansion valve used in the sewage source heat pump system are made.Key words: water source heat pump; sewage source heat pump; sprinkling heat exchanger;plate heat exchanger; compressor; thermal expansion valve哈爾濱的城市污水中可利用的熱量和城市的熱季供熱，夏季供冷。污水源熱泵機(jī)組主要由壓縮機(jī)、需要量都非常高,可以優(yōu)先采用城市污水熱能利用淋激式換熱器、板式換熱器、熱力膨脹閥等設(shè)備組系統(tǒng)"。1999年,哈爾濱市區(qū)工業(yè)廢水處理量為成。冬季供熱系統(tǒng)設(shè)計供回水溫度為45/40 C,機(jī)5124x10*t。哈爾濱某制藥廠排放的廢水主要由組設(shè)計制熱量260 kW。為防止地板結(jié)露,夏季供冷生產(chǎn)廢水和生活廢水組成?？诜庈囬g排放的廢水水溫度為16 ~18 C,供回水溫差2 ~3 C ,機(jī)組設(shè)計主要在洗瓶、配劑、刷罐、沖洗地面、冷卻等工序中產(chǎn)制冷量230 kW。污水源熱泵系統(tǒng)見圖1。生,排放量較多且流量穩(wěn)定;片劑、中藥車間排放量適中,流量不穩(wěn)定。生活污水主要為洗滌用水,在夏用戶系統(tǒng)季時排放量較多。污水全部進(jìn)人污水處理系統(tǒng),經(jīng)13、二級處理后污水水質(zhì)符合CGB 8978- 96《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的醫(yī)藥污水的排放標(biāo)準(zhǔn)。夏季污水溫度維持在17~22 C ,冬季維持在13~17C,日污冬季工質(zhì)循環(huán)流向一水排放量為2 745 ~4 770 m'/d。將城市污水處理夏季工質(zhì)循環(huán)流向一系統(tǒng)與水源熱泵機(jī)組相結(jié)合,是--種理想的城市污1.壓縮機(jī)2.四通閥3.淋激式換熱器4.高壓貯液器水綜合利用方法。本文對污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和5.干燥過濾器6.執(zhí)力膨脹閥7.I止 同閥8.板式換熱器9.污水泵中國煤化工不水泵13.調(diào)峰鍋爐設(shè)備選型進(jìn)行研究。1系 統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備選型YHCNMHG統(tǒng)污水源熱泵為廠區(qū)中4 000 m2的住宅建筑冬F(xiàn)ig. 1 Sewage source heat pump system●39●第2期煤氣與熱力第25卷.系統(tǒng)冬季設(shè)計參數(shù)見表1。續(xù)表3表1污水源熱泵 系統(tǒng)冬季設(shè)計參數(shù)換熱器總傳熱溫差5.70|換熱器換熱面積/m2 42. 0Tab. 1 Design parameters of sewage source heat/C淋激密度pump system in winter500換熱管材料.紫銅/(kg.h-'.m~)冷凝溫度/C50蒸發(fā)溫度/C6③板式換熱器的設(shè)計計算過冷度/C過熱度/C1吸氣溫度/C6蒸發(fā)器出口溫度/C 1I板式換熱器按冬季作為冷凝器進(jìn)行設(shè)計選型，冷凝器出口溫度/C| 45設(shè)計參數(shù)見表4。注:過熱度中其中有5C發(fā)生在蒸發(fā)器出口至壓縮機(jī)表4板式換熱器的設(shè)計參數(shù)的吸氣管道中。Tab. 4 Design parameters of plate heat exchanger①壓縮機(jī)的選型介質(zhì)_R22水狀態(tài)_氣態(tài)液態(tài)按供熱工況下的制熱量和表1的設(shè)計參數(shù),求進(jìn)口溫度/C40得壓縮機(jī)的實際排氣量為192.8 m'/h,考慮其用于出口溫度/C4:熱泵機(jī)組,可加大5%排氣量作為設(shè)計值,壓縮機(jī)的介質(zhì)質(zhì)量流量/(kg.s"I)1.3612.45容積效率為0.8,則壓縮機(jī)的理論排氣量為253. 1最大允許壓力降/kPa42m'/h。可選擇螺桿式壓縮機(jī),使用工質(zhì)為R22 ,理論5(-排氣量264m'/h,空調(diào)工況蒸發(fā)、冷凝溫度為5/40換熱量/kW260C下的制冷量為254.2kW,軸功率55kW,配用電根據(jù)表4中的設(shè)計參數(shù),選擇某換熱設(shè)備廠的機(jī)功率65kW,電機(jī)轉(zhuǎn)速2960s"'。人字形波紋板換熱器,它的幾何尺寸為2:單板有②淋激式換熱器的設(shè)計計算效面積0.52 m2 ,單通道截面積0.0015 m2 ,當(dāng)量直淋激式換熱器按冬季作為蒸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計計徑0.007 m,流程長度1 m, 板寬度0.75 m。算,設(shè)計參數(shù)見表2,設(shè)計計算結(jié)果見表3。工質(zhì)R22和水均采用并聯(lián)逆流單通程方式，由.表2淋激式換熱器設(shè)計參數(shù)板式換熱器面積的設(shè)計計算得到板片為69片。Tab.2 Design parameters of sprinkling heat exchanger④熱力膨脹閥的設(shè)計計算a.設(shè)計參數(shù)5由冬季制熱循環(huán)計算可知,冷凝壓力p. =212. 1 942.3 kPa(冷凝溫度為50 C),蒸發(fā)壓力p。=工質(zhì)質(zhì)量流量/(kg.s")602. 28 kPa(蒸發(fā)溫度為6 C)。經(jīng)相應(yīng)計算,制冷污水溫降/C2量為212 kW。噴淋污水質(zhì)量流量/(kg.h")90 600b.熱力膨脹閥兩端壓力差Op表3淋激式換熱器設(shè)計計算結(jié)果Op=p。-p。-Sp, -Op。- Spn(1)Tab.3 Design calculation result of sprinkling heat exchanger式中Ap一 熱力膨脹閥兩端壓力差 ,kPa換熱管列數(shù)[3(換熱管排數(shù)9P.--冷凝壓力, kPa換熱管內(nèi)徑/m__ 0. 014換熱管外徑/m0.016」蒸發(fā)壓力, kPa換熱管水平有效長度3.0每根換熱管總長度27.9Ap.-供液 管中的壓力降,約為183 kPa!3]/m兩相區(qū)長度/m26.4.過熱區(qū)長度/m1.5Aps一分液器和分液管中的壓力降,約為兩相區(qū)傳熱溫差/C 5.78 過熱區(qū)傳熱溫差/C| 3. 94.100 kPa兩相區(qū)管內(nèi)表面過熱區(qū)管內(nèi)表面Opn-冷凝器或貯液器出液口至膨脹閥人傳熱系數(shù)2 847勹,取50kPa/(W.m2.K-')/(W .m2.K*1)中國煤化工|污水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)|6 835換熱器傳熱系數(shù)884. CN M ! G量流量qm./(W.m-2.K-1)/(W .m-2.K-十)qm. =153 460CA, Op(2)●40.第2期姚楊,等:污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計計算第25卷式中qm,- - - -工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s水槽C-- -流量系數(shù)大入入不個不入0.07mA,-膨脹閥的通道 面積,m20.07支架d.熱力膨脹閥選型選擇某廠生產(chǎn)的外平衡式熱力膨脹閥[41 ,適用于工質(zhì)R22,名義制冷能力(基于蒸發(fā)溫度為4.4C,工質(zhì)進(jìn)口溫度為38 C)為351.6 kW,Ap=1 x103 kPa,A =0.013 m2。⑤淋激式換熱器的校核計算0i3m.0.035 m淋激式換熱器按夏季作為冷凝器進(jìn)行校核計a.淋激式換熱器主視圖算,校核計算參數(shù)見表5,校核計算結(jié)果見表6。(虛線為支架)表5淋激式換熱器校核計算參數(shù)3.5 mTab.5 Check calculation parameters of sprinklingheat exchangerY0.07m !下冷凝溫度/C工質(zhì)質(zhì)量流量1.3/(kg.s~)換熱量/kW，64污水溫升/C2.5過冷度/C5噴淋污水質(zhì)量流量| 90 600/(kg.h-")O:表6 淋激式換熱器校核計算結(jié)果Tab.6 Check calculation result of sprinking heat exchanger換熱管列數(shù)30換熱管排數(shù)1換熱管內(nèi)徑/m[ 0.014 換熱管外徑/m| 0. 016換熱管水平有效長度3.0 .每根換熱管總長度37.2/m兩相區(qū)長度/m32.2兩相區(qū)傳熱溫差/C| 6. 64b.淋激式換熱器俯視圖過冷區(qū)長度/m3.6過冷區(qū)傳熱溫差 /C | 2. 10過熱區(qū)長度/m1.4過熱區(qū)傳熱溫差/C 15.94圖2淋激式換熱器結(jié)構(gòu)及尺寸兩相區(qū)管內(nèi)表面過熱區(qū)管內(nèi)表面Fig.2 Structure and size of sprinkling heat exchanger傳熱系數(shù).1941406/(W●.m-2●K門)/(W .m-2●K"')⑥板式換熱器的校 核計算過冷區(qū)管內(nèi)表面污水側(cè)表面板式換熱器按夏季作為蒸發(fā)器時的工況進(jìn)行校4876835核計算,得到換熱器的板片為57片。取冬季作為冷/(W .m~2.K"I)/(W .m-2●K-')凝器的設(shè)計結(jié)果69片。換熱器總傳熱溫差換熱器傳熱系數(shù)6.58715⑦噴淋裝置/C/(W.m-2.K~")理想的換熱狀態(tài)是污水從水槽噴淋裝置的小孔淋激密度500換熱器換熱面積56.1淋激到蛇形換熱管上,形成均勻的水膜。如果忽略/(kg.h-' .m小)/m2污水從小孔中噴出時的體積變化，出流速度可用下?lián)Q熱管材料紫銅式計算[5]:通過校核計算發(fā)現(xiàn)，按冬季作為蒸發(fā)器所設(shè)計0= J2gH(3)的淋激式換熱器不能滿足夏季作為冷凝器的設(shè)計要式中。 一污水的出流凍度m/s求。因此取兩個計算結(jié)果中較大值為設(shè)計結(jié)構(gòu)參中國煤化工數(shù),淋激式換熱器結(jié)構(gòu)及尺寸見圖2(未嚴(yán)格按比例MHCNMHG繪制)。對于從1個小孔流出的污水的體積流量qv,可●41●第2期煤氣與熱力第25卷用下式計算:淋激式換熱器和板式換熱器既作為冷凝器使用又作9v =μAD(4)為蒸發(fā)器使用,故必須進(jìn)行兩種情況下的設(shè)計、校核式中qr--污水體積流量, m'/s計算,取計算結(jié)果中最大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。-流量系數(shù),取0.60 ~0.62A- - -小孔的截面積,m2參考文獻(xiàn):噴水孔采用機(jī)械鉆孔，由于彈性形變使孔徑縮[1]尹軍,韋新東.我國主要城市污水中可利用熱能狀況小,所以實際的流量系數(shù)μ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.60~0.62,初探[J].中國給水排水,200 ,17(4):27 -30.現(xiàn)取流量系數(shù)μ=0.2。在實際工程中,考慮從污水[2] 楊崇林.板式換熱器工程設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械.泵到噴淋裝置的壓力損失,取噴淋裝置中污水的作工業(yè)出版社,1994.用壓頭H= 10 m,則污水的體積流量qv=2.8A。[3] 彥啟森.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M].北京:中國建筑噴淋裝置的列數(shù)按換熱管的列數(shù)取為30列,則工業(yè)出版社, 1985.平均每列污水的體積流量為8.4x10-4 m'/s。從而4] 蔣能照.空調(diào)用熱泵技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.計算得到每列的小孔總截面積為3x10-4 m2 ,取噴[s] 幡野佐一.換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,水孔徑為0.003 m,可計算得孔數(shù)為43個,取孔數(shù)1987.為50個。取單根噴淋管管長3. 5 m,則噴水孔間距為70 mm。作者簡介:姚楊(1963- )， 女，遼寧開原人， 教根據(jù)以上的結(jié)果,可知噴淋裝置上共開有1 500授，博士，主要從事熱泵的基礎(chǔ)理論與應(yīng)個孔,分為30列,每列50個,孔間距70 mm。用技術(shù)及暖通空調(diào)系統(tǒng)仿真與節(jié)能的研究工2結(jié)語作。對污水源熱泵系統(tǒng)中的淋激式換熱器進(jìn)行了設(shè)電話:(0451 )86283123計計算,對板式換熱器、壓縮機(jī)、熱力膨脹閥進(jìn)行了E - mail:yangyao - yy@ sohu. com選型計算,盡量使各部件達(dá)到合理匹配。系統(tǒng)中的收稿日期:2004-11-19●信息●《煤氣與熱力》的期刊評價指標(biāo)在同類學(xué)科內(nèi)名列前茅中國科學(xué)技術(shù)信息研究所編制的2004年版《中國科技期刊引證報告》由科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社于2004年10月出版。該報告在與國際評價體系保持-致的基礎(chǔ)上,結(jié)合中國期刊的實際情況,從總被引頻次、影響因子等15項指標(biāo)對2003年的中國科技期刊進(jìn)行了定量分析和評價。在該報告的學(xué)科分類中,《煤氣與熱力》屬“土木建筑工程”類,代碼為V024?！睹簹馀c熱力》的各項統(tǒng)計指標(biāo)分別為:總被引頻次841,影響因子0.754,即年指標(biāo)0.087,他引總引比0.08,引用刊數(shù)32,擴(kuò)散因子3.8,被引半衰期3. 98,來源文獻(xiàn)量230,參考文獻(xiàn)量1 368 ,平均引文率5.95 ,平均作者數(shù)2.77 ,地區(qū)分布數(shù)23,機(jī)構(gòu)分布數(shù)32,基金論文比0. 09。其中總被引頻次和影響因子兩項指標(biāo)在1 576種統(tǒng)計源期刊中分別名列第49位和127位,在學(xué)科內(nèi)分別排名第三和第二。中國煤化工刊通訊員供稿)MYHCNMHG●42●