直接式与间接式理论分析

前述内容已简单分析了直接式和间接式系统的优缺点,本节从理论上进一步分析探讨直接式系统面临的问题,从根本上认识直接式和间接式存在的内部差异,以便更科学地研究开发直接式系统和实施工程应用。

从表面上看,污水直接进入机组后,省去了中间传热过程,没有中间传热温差损失,可提高机组的性能系数,并减少投资[1]。而实际上,当污水直接进入机组的蒸发器或冷凝器时,与干净水相比其传热效率将会显著降低,综合比较起来,直接进入不一定会提高或显著提高机组的性能系数,并且不一定具有较高的系统运行效率和节省投资。

初步研究表明:当两者机组的蒸发温度相等时,间接式系统的污水换热器面积是蒸发面积的4倍左右,直接式系统较间接式系统需增加蒸发面积50%左右;而当蒸发面积相等时,直接式系统的蒸发温度反而要低2～4℃;直接式系统的投资不一定低于间接式系统,其能耗最多低4%～5%。

为此,以下从运行工况、蒸发温度、蒸发面积,系统的可靠性、经济性等方面详细分析比较直接式系统与间接式系统两种形式。

(1)两种系统运行工况。

污水直接进入热泵机组,实际的运行工况如图3-10所示:污水进水温度12℃,出水温度8℃,此时蒸发器蒸发温度4℃,即留有4℃过热度。

图3-10　直接式污水源热泵系统供热流程图

1:压缩机;2:四通阀;3:冷凝器;4:节流阀;5:蒸发器;6:防堵塞设备;7:污水泵

该系统中机组的蒸发器须为满液式或喷淋降膜式,污水在管内流动,为避免污垢的积聚和利于维护清洗,管内壁以光滑为宜,其蒸发器传热系数将降低,故此过热度较大。

采取二次换热,设置中间换热器,实际运行工况如图3-11所示:污水进水温度12℃,出水温度8℃,蒸发器进水温度10℃,出水温度6℃,此时蒸发器蒸发温度4℃,即留2℃过热度。

图3-11　间接式污水热泵系统供热流程图

1:压缩机;2:四通阀;3:冷凝器;4:节流阀;5:蒸发器;6:防堵塞设备7:污水泵;8:中介净水泵;9:污水换热器

蒸发器可按最优换热条件设计,管内壁可呈波纹状等[2,3],具有相对很高的传热效率,故此过热度较小。

假定为实现同一供热目标,污水的水源条件相同,包括污水的运行水量、运行温度、取热温差等,在此基础上可以比较两者的运行参数、换热效率及机组的性能系数。

(2)传热基本理论。

如图3-10所示的直接式系统,蒸发器的传热量可以表示为[4,5]:

如图3-11所示的间接式系统,蒸发器传热量也可以表示为:

式中　Q1、Q2——分别为直接式与间接式的蒸发器传热量(W);

　K1、K2——分别为直接式与间接式蒸发器传热系数(W/m2·℃);

　Δ、Δ——分别为直接式与间接式蒸发器的传热温差(℃);

　Δtm——间接式系统中间换热器传热温差(℃);

　F1、F2——分别为直接式与间接式蒸发器的传热面积(m2);

　——直接式与间接式蒸发器内制冷剂的蒸发温度(℃);

　t′w、t″w——污水的进出水温度(℃);

　t′j、t″j——间接式系统机组中介水进出水温度。

当Q1＝Q2时,由式(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)可得:

(3)蒸发温度相等时。

按图3-10,图3-11中,若两者取相同的蒸发温度,即＝,取＝＝4℃,t′w＝12℃、t″w＝8℃,Δtm＝2℃(t′j＝10℃、t″j＝6℃),而且取K2＝3750W/m2·℃、K1＝1500W/m2·℃时,Δ＝6℃、Δ＝4℃,则:

对图3-11中的污水换热器9,其传热量可表示为:

式中　K——为间接式污水换热器传热系数(W/m2·℃);

　F——间接式污水换热器的传热面积(m2);

　Q——间接式的污水换热器传热量(W),Q＝Q1;

则换热面积可由蒸发器面积表示为:

当取图中数据时,且有K＝K1＝1500W/m2·℃时,则F＝3·F1＝5·F2。

上述示例性计算结果表明,采用直接式系统时,即使将蒸发器的蒸发温度降至与间接式的相等,其蒸发面积还要增大67%以上,而间接式中污水换热器的面积则为蒸发器蒸发面积的5倍。

可能的几种典型工况条件下的比较结果见表3-1。

表3-1　直接式与间接式的蒸发温度相等时的比较结果

从式(3-6)及表3-1中显示的数据,不难得到:

①污水的进出水平均温度决定了后续的换热工况,在不同的进出水温度条件下,只要污水的平均温度相等,则直接式与间接式的比较结果是相同的;

②当K2＝2．5K1时,即间接式的蒸发器的传热系数是直接式的2．5倍时,直接式的蒸发器蒸发面积比间接式的需要增大0．5～1倍,而间接式的污水换热器的换热面积则是蒸发器蒸发面积的3～5倍,即:F＝(3～5)F1。

(4)蒸发面积相等时。

若直接式与间接式取相同的蒸发面积,即有F1＝F2,则由式(3-6)可得:

如传热系数K2＝2.5K1,则:

当＝4℃,t′w＝12℃、t″w＝8℃,Δtm＝2℃(t′j＝10℃、t″j＝6℃)时,则:＝0℃。

即,间接式的蒸发器蒸发温度为4℃时,直接式要为0℃。

这表明,在相同条件下,直接式的蒸发温度要求比间接式的低4℃才能满足同等的传热要求。其他工况的比较结果见表3-2。

表3-2　直接式与间接式蒸发面积相等时的比较结果

从表3-2中数据不难看出:

①在两者具有相同的蒸发面积条件下,直接式的蒸发器蒸发温度将要比间接式的低2～4℃。

②随着间接式污水换热器传热温差的增大,直接式与间接式的蒸发温度的差值将逐渐缩小。

当然,直接式的蒸发器蒸发温度相对间接式的降低是与其传热系数K1的大小密切相关的,两者相比时的大小完全由的大小来决定。

(5)参数折中时。

由于蒸发器蒸发温度的高低对蒸发面积或污水换热器换热面积的影响很大,因此当采用间接式方式时,可能适当降低蒸发温度,增大污水换热器的传热温差,从而减小污水换热器的换热面积,例如蒸发温度降低1℃,即满足＝＋1,在保持蒸发面积不变的情况下,污水换热器的传热温差Δtm可增大1℃,则两者的比较结果见表3-3。

表3-3中数据表明:

①间接式与直接式相比较,当间接式的蒸发器蒸发温度低1℃,污水换热器换热面积所需3.33倍的蒸发面积的情况下,直接式系统需增加蒸发面积67%;

②污水直接进入机组后,虽然没有中间换热过程和传热温差损失,但要想使得其蒸发器的蒸发温度高于间接式的1℃,需要增加蒸发面积50%以上;

③间接式的蒸发器蒸发温度低1℃时,污水换热器的换热面积可减小30%。

表3-3　间接式降低蒸发温度后与直接式的比较结果

(6)经济性比较。

按表3-1中数据,在满足热泵机组性能系数不变的情况下,即机组的蒸发温度相同时,间接式系统的污水换热器面积为蒸发器面积的4倍左右,而直接式系统的蒸发器面积需增大50%左右。两者的投入主要与下面4个因素有关[6]:

①污水换热器采用普通材质或防腐涂层即可,而直接式的蒸发器需要考虑防腐,要用防腐材质,例如铜镍合金、海军铜等;

②直接式的蒸发器将需要经常清洗,为避免泄漏,蒸发管的壁厚要适当增加;

③直接式的蒸发面积增大后,其制冷剂冲注量也会相应增加;

④间接式系统需要增加一套循环管路和循环水泵。

从面积的增量上看,间接式增加的量相当于直接式增加量的8倍,而防腐材质的价格较普通材质要高出十几倍,因此,综合考虑起来,直接式系统的投入不一定低于间接式系统。

(7)运行能耗比较。

间接式系统的中介循环水泵的运行能耗一般占系统能耗的4%～5%[7,8]。如直接式系统的蒸发器不增大50%的蒸发面积,则需降低蒸发温度3℃左右,两者的运行能耗将无显著差异。如直接式增加了50%的蒸发面积,两者蒸发温度一致,则间接式将多耗能4%～5%。

(8)可靠性比较。

直接式系统的可靠性相对较差,我们从关键技术的解决程度、清洗的破坏可能性、设计保障性等方面分析直接式系统存在的问题。

①目前还没有一种技术能够做到不堵塞、无污垢,或需要定期清洗,或经常发生堵塞情况,对直接式而言,稍有堵塞情况,污水流量减小,会很快恶化机组的运行工况;而间接式系统至少保证了进入机组蒸发器的流量不变,只是中介水温度会降低。

②清洗直接式机组的蒸发器存在破坏风险,一旦蒸发管泄漏,后果极其严重,另外,污水中含有泥沙,避免不了冲刷腐蚀;而间接式系统即使污水换热器泄漏,也不会对机组造成伤害。

③污水的水温既不能完全确定,也有一定的波动幅度,每相差2～3℃都会对系统有明显的影响,对直接式系统而言,设计人员不易控制好设计余量,而对间接式系统则可适当增大污水换热器的换热面积。

④当污水温度偏低时,直接式系统会经常发生低温报警而停机或低温保护而不能起机,而间接式系统可在中介水中加设防冻液,或正常运行或低负荷维持。

(9)主要结论。

①在机组的蒸发器蒸发温度相等时,间接式的污水换热器面积为蒸发面积的4倍左右,直接式的蒸发器需增大面积50%左右;

②在机组的蒸发面积相等时,同等污水温度情况下,直接式的蒸发器蒸发温度要低2～4℃,才能提取相同的热量;

③污水直接进入机组后,虽然没有中间换热过程和传热温差损失,但要想使得其蒸发器的蒸发温度高于间接式的1℃,需要增加蒸发面积50%以上;

④直接式系统由于蒸发面积的增加,其投入不一定低于间接式系统,在相同的蒸发温度下,间接式系统需要多耗能4%～5%。

通过理论分析可以初步认为:要想实现污水或地表水直接进机组,首先必须有效解决好防堵问题,然后实现机组的两器具有最大的传热系数,或者通过增大两器的传热面积而不显著增大机组的投入,即增大两器后具有经济性,否则直接式系统虽然宏观上较间接式系统具有明显优势,然而体现在内在的综合效率不一定增大,相反如在两器的传热系数较低,而未能有效增加两器传热面积的情况下,直接式系统的综合效率比间接式系统还低。