1　引言
    能源的緊張,導致能源利用的多極化。城市原生污水是一種較為理想的建筑供熱空調冷熱源,但污水熱能利用中存在的污雜物對設備管路的阻塞與污染問題不容忽視[1,2]。其中污染問題主要表現在換熱表面微尺度粘泥與微生物的貼附掛壁。目前國內外對城市原生污水軟垢特性的研究仍在起步階段[3],文獻[4]對污水換熱器中軟垢的增長特性進行了測試,但沒有分析軟垢的增長與污水換熱器的換熱性能及水力損失之間的關系。
    污水換熱器污水管內軟垢的增長會引起換熱性能和流動壓降的變化,從而引起換熱器火用損失的變化,反之,可以由換熱器火用損失的變化來反映軟垢增長對換熱器換熱性能和流動壓降的影響[5～7]。本文將采用熱力學中的火用分析方法對城市原生污水軟垢增長對換熱性能和流動壓降的影響作進一步分析。
    2　有效能-火用損失評價
    城市原生污水熱泵系統運行時,首先通過特制的除污裝置去除了污水中大尺度污雜物,接著含雜質較少的污水經管殼式污水換熱器把熱量或冷量傳遞給中介水,熱泵機組再通過中介水間接獲得熱量或冷量向建筑物供熱或制冷。管殼式污水換熱器中,殼程走中介水(清水)管程走污水。在普通的管殼式換熱器中,火用損失主要包括以下方面[7]:(1)管內流體與管內壁對流換熱火用損失;(2)管內污垢層溫差導熱火用損失;(3)管內流體流動壓降火用損失;(4)換熱管內外壁的溫差導熱火用損失;(5)換熱管外側污垢層溫差導熱火用損失;(6)換熱管束外壁與殼程流體間對流換熱火用損失;(7)管外流體流動壓降火用損失。而對用于城市原生污水熱泵系統的管殼式污水換熱器,換熱管內軟垢的增長速度較快,隨著軟垢的增長,管內的流通斷面減小,從而引起各傳熱環節溫差的重新分布。與軟垢有關的為(1)～(3)項。本文將就這三項火用損失變化作分析。
    2.1　管內污水對流換熱的火用損失
    設污水進出口平均溫度為Tws,中介水進出口平均溫度為Tzj。根據牛頓冷卻定律,管內污水對流換熱的溫差為:
                
    對污水換熱器中污水對流換熱的測試表明,污水對流換熱系數較清水明顯減小,其原因可能為:(1)污水的流變特性問題,即污水的運動粘度要比清水大;(2)污水流動是一種固、液兩相流,傳熱機理與清水存在一定的差異。流速在0.4～1m/s且污水運動粘度按清水的3倍考慮時,換熱系數實測值為586～800W/(m2·K),若按光滑管的紊流換熱準則關聯式(2)計算,則換熱系數為772～1600W/(m2·K),計算結果偏大。若按修正的式(3)計算,則換熱系數為514～1038W/(m2·K),這與實測值比較接近。實際上,污水的流動換熱是很復雜的物理過程,可采用式(3)、(4)分別對供熱和制冷工況時的污水對流換熱作近似計算。
               
                
                
                
                
                
                 
                
                
   3　工程實例分析
    以哈爾濱某城市污水源熱泵工程為例,對冬季供熱工況下污水換熱器的軟垢狀況進行火用分析。該熱泵系統采用的是2臺并聯的單殼程6管程的管殼式換熱器,換熱管束為25/20mm的碳鋼無縫管,每管程根數為65。中介水走殼程,流量為200m3/h。冬季環境溫度為263.5K。表1是冬季供熱工況測試參數。表中的軟垢平衡厚度是指在一定流速條件下,軟垢隨時間不斷生長,最終不增長時的穩態厚度。
    由表1中可知,隨著流速的增加,軟垢平衡厚度逐漸降低。軟垢在不同流速下均會達到厚度平衡狀態,軟垢的增長速度與流速有直接關系,其主要原因有:(1)不同流速的壁面切應力不同,軟垢薄膜變形后再增長時受力脫落,(2)軟垢中含大量微生物,近貼換熱管的微生物長時間無營養后死亡,該層微生物死亡后無掛壁能力,整層生物粘泥自然脫落[4]。
                   
    由圖可知,管內對流換熱溫差火用損失系數隨著流速的增加變化緩慢;管內軟垢層溫差及管內流動壓降火用損失系數變化明顯,隨著流速的增加,管內軟垢層溫差火用損失系數迅速降低后趨于平緩,而管內流動壓降火用損失系數始終趨于上升;三項之和火用損失系數則是經歷了一個先下降而后上升的過程。表1中流速較低的(6)、(7)組數據,管內對流換熱溫差火用損失系數占主導作用;流速中等的(4)、(5)組數據,管內軟垢層溫差火用損失系數與管內對流換熱溫差火用損失系數較大;流速較高的(1)～(3)組數據,管內流動壓降火用損失系數則占據了主導作用。
    從與軟垢有關的三項火用損系數之和的變化來看,選擇一個適中的流速三項火用損失之和較小,因而系統也節能。本文中,取流速中等的第(4)組數據比較合適。
    圖2～4顯示了表1中第(2)、(4)、(7)組測試數據下,當污水換熱器的換熱負荷不變時,火用損失系數隨軟垢增長的變化。
                
                
    由圖可知,管內對流換熱火用損失系數在同一流速下,隨軟垢的增長而緩慢上升。這是因為軟垢厚度增長導致對流換熱有效換熱面積減小,致使對流換熱溫差緩慢上升,但軟垢軟垢厚度非常小,故管內對流換熱火用損失系數上升量幾乎不變。軟垢層導熱溫差火用損失隨軟垢的增長而基本呈線性規律增大,流速越小其增大趨勢越明顯。管流壓降火用損失幾乎不變,這是由于流速不變時軟垢的增長對污水質量流量減小很小的緣故。三項火用損失系數的變化趨勢與軟垢層導熱溫差火用損失的變化趨勢一致。
    對比圖2～4,隨管流速的降低,管內流動壓降火用損失系數的作用越來越減弱,軟垢層導熱溫差火用損失的主導作用越來越明顯,管內對流換熱火用損失系數變化不大,相對而言是次要因素。
    4　結語
    (1)管殼式換熱器的火用損失隨管側污水軟垢的增長按一定的規律變化,通過分析比較火用損失系數的相對大小能全面反映軟垢增長對換熱損失和流動壓降損失的影響程度。
    (2)污水流速越大,管內流動壓降火用損失系數也越大,管內軟垢層溫差火用損失系數越小。而在流速中等時,與軟垢有關的三項火用損失系數之和存在較小值。若在污水取水上能滿足此流速,則選擇此中等流速對系統節能和經濟性都有利。
    (3)流速不變時,隨軟垢的增長,軟垢層導熱溫差火用損失系數呈線性規律快速增大,流速越低,這種趨勢越明顯,而管程流動壓降火用損失系數的變化則相對較緩慢。若在污水取水上不能滿足上述(2)的中等流速而只能取較低流速時,則需要及時采用有效的阻垢、除垢措施以保證換熱器的換熱效果,如采取短時間內以較高流速反向沖刷污水管除垢等措施。