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)的設計計算姚楊，馬最良，趙麗瑩(哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，黑龍江哈爾濱150090)商要:設計了一套污水源熱泵,將經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、熱力膨脹閥進行設計和選型計算。關鍵詞:水源熱泵; 污水源熱泵; 淋激式換熱器; 板式換熱器;壓縮機;熱力 膨脹閥中圖分類號: TU995文獻標識碼: 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。污水源熱泵機組主要由壓縮機、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)設計供回水溫度為45/40 C,機5124x10*t。哈爾濱某制藥廠排放的廢水主要由組設計制熱量260 kW。為防止地板結露,夏季供冷生產廢水和生活廢水組成。口服藥車間排放的廢水水溫度為16 ~18 C,供回水溫差2 ~3 C ,機組設計主要在洗瓶、配劑、刷罐、沖洗地面、冷卻等工序中產制冷量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。污水全部進人污水處理系統(tǒng),經13、二級處理后污水水質符合CGB 8978- 96《污水綜合排放標準》規(guī)定的醫(yī)藥污水的排放標準。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循環(huán)流向一系統(tǒng)與水源熱泵機組相結合,是--種理想的城市污1.壓縮機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.調峰鍋爐設備選型進行研究。1系 統(tǒng)的設計和設備選型YHCNMHG統(tǒng)污水源熱泵為廠區(qū)中4 000 m2的住宅建筑冬Fig. 1 Sewage source heat pump system●39●第2期煤氣與熱力第25卷.系統(tǒng)冬季設計參數見表1。續(xù)表3表1污水源熱泵 系統(tǒng)冬季設計參數換熱器總傳熱溫差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行設計選型，冷凝器出口溫度/C| 45設計參數見表4。注:過熱度中其中有5C發(fā)生在蒸發(fā)器出口至壓縮機表4板式換熱器的設計參數的吸氣管道中。Tab. 4 Design parameters of plate heat exchanger①壓縮機的選型介質_R22水狀態(tài)_氣態(tài)液態(tài)按供熱工況下的制熱量和表1的設計參數,求進口溫度/C40得壓縮機的實際排氣量為192.8 m'/h,考慮其用于出口溫度/C4:熱泵機組,可加大5%排氣量作為設計值,壓縮機的介質質量流量/(kg.s"I)1.3612.45容積效率為0.8,則壓縮機的理論排氣量為253. 1最大允許壓力降/kPa42m'/h。可選擇螺桿式壓縮機,使用工質為R22 ,理論5(-排氣量264m'/h,空調工況蒸發(fā)、冷凝溫度為5/40換熱量/kW260C下的制冷量為254.2kW,軸功率55kW,配用電根據表4中的設計參數,選擇某換熱設備廠的機功率65kW,電機轉速2960s"'。人字形波紋板換熱器,它的幾何尺寸為2:單板有②淋激式換熱器的設計計算效面積0.52 m2 ,單通道截面積0.0015 m2 ,當量直淋激式換熱器按冬季作為蒸發(fā)器進行設計計徑0.007 m,流程長度1 m, 板寬度0.75 m。算,設計參數見表2,設計計算結果見表3。工質R22和水均采用并聯逆流單通程方式，由.表2淋激式換熱器設計參數板式換熱器面積的設計計算得到板片為69片。Tab.2 Design parameters of sprinkling heat exchanger④熱力膨脹閥的設計計算a.設計參數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。=工質質量流量/(kg.s")602. 28 kPa(蒸發(fā)溫度為6 C)。經相應計算,制冷污水溫降/C2量為212 kW。噴淋污水質量流量/(kg.h")90 600b.熱力膨脹閥兩端壓力差Op表3淋激式換熱器設計計算結果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[3(換熱管排數9P.--冷凝壓力, kPa換熱管內徑/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)管內表面過熱區(qū)管內表面Opn-冷凝器或貯液器出液口至膨脹閥人傳熱系數2 847勹,取50kPa/(W.m2.K-')/(W .m2.K*1)中國煤化工|污水側表面?zhèn)鳠嵯禂祙6 835換熱器傳熱系數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)的設計計算第25卷式中qm,- - - -工質質量流量,kg/s水槽C-- -流量系數大入入不個不入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的外平衡式熱力膨脹閥[41 ,適用于工質R22,名義制冷能力(基于蒸發(fā)溫度為4.4C,工質進口溫度為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行校核計a.淋激式換熱器主視圖算,校核計算參數見表5,校核計算結果見表6。(虛線為支架)表5淋激式換熱器校核計算參數3.5 mTab.5 Check calculation parameters of sprinklingheat exchangerY0.07m !下冷凝溫度/C工質質量流量1.3/(kg.s~)換熱量/kW，64污水溫升/C2.5過冷度/C5噴淋污水質量流量| 90 600/(kg.h-")O:表6 淋激式換熱器校核計算結果Tab.6 Check calculation result of sprinking heat exchanger換熱管列數30換熱管排數1換熱管內徑/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淋激式換熱器結構及尺寸兩相區(qū)管內表面過熱區(qū)管內表面Fig.2 Structure and size of sprinkling heat exchanger傳熱系數.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)管內表面污水側表面板式換熱器按夏季作為蒸發(fā)器時的工況進行校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-')凝器的設計結果69片。換熱器總傳熱溫差換熱器傳熱系數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，出流速度可用下換熱管材料紫銅式計算[5]:通過校核計算發(fā)現，按冬季作為蒸發(fā)器所設計0= J2gH(3)的淋激式換熱器不能滿足夏季作為冷凝器的設計要式中。 一污水的出流凍度m/s求。因此取兩個計算結果中較大值為設計結構參中國煤化工數,淋激式換熱器結構及尺寸見圖2(未嚴格按比例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,故必須進行兩種情況下的設計、校核式中qr--污水體積流量, m'/s計算,取計算結果中最大值作為結構設計參數。-流量系數,取0.60 ~0.62A- - -小孔的截面積,m2參考文獻:噴水孔采用機械鉆孔，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μ遠遠小于0.60~0.62,初探[J].中國給水排水,200 ,17(4):27 -30.現取流量系數μ=0.2。在實際工程中,考慮從污水[2] 楊崇林.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械.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.空氣調節(jié)用制冷技術[M].北京:中國建筑噴淋裝置的列數按換熱管的列數取為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.空調用熱泵技術及應用[M].北京:機械工業(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:化學工業(yè)出版社,水孔徑為0.003 m,可計算得孔數為43個,取孔數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， 教根據以上的結果,可知噴淋裝置上共開有1 500授，博士，主要從事熱泵的基礎理論與應個孔,分為30列,每列50個,孔間距70 mm。用技術及暖通空調系統(tǒng)仿真與節(jié)能的研究工2結語作。對污水源熱泵系統(tǒng)中的淋激式換熱器進行了設電話:(0451 )86283123計計算,對板式換熱器、壓縮機、熱力膨脹閥進行了E - mail:yangyao - yy@ sohu. com選型計算,盡量使各部件達到合理匹配。系統(tǒng)中的收稿日期:2004-11-19●信息●《煤氣與熱力》的期刊評價指標在同類學科內名列前茅中國科學技術信息研究所編制的2004年版《中國科技期刊引證報告》由科學技術文獻出版社于2004年10月出版。該報告在與國際評價體系保持-致的基礎上,結合中國期刊的實際情況,從總被引頻次、影響因子等15項指標對2003年的中國科技期刊進行了定量分析和評價。在該報告的學科分類中,《煤氣與熱力》屬“土木建筑工程”類,代碼為V024。《煤氣與熱力》的各項統(tǒng)計指標分別為:總被引頻次841,影響因子0.754,即年指標0.087,他引總引比0.08,引用刊數32,擴散因子3.8,被引半衰期3. 98,來源文獻量230,參考文獻量1 368 ,平均引文率5.95 ,平均作者數2.77 ,地區(qū)分布數23,機構分布數32,基金論文比0. 09。其中總被引頻次和影響因子兩項指標在1 576種統(tǒng)計源期刊中分別名列第49位和127位,在學科內分別排名第三和第二。中國煤化工刊通訊員供稿)MYHCNMHG●42●