塑料换热器在污水源热泵系统中的应用分析

摘要：污水源热泵是高效的环保节能系统．污水水质的特殊性使得在回收污水热能时换热设备的选择以及水质对换热设备的腐蚀和结垢都成为其推广的障碍．根据现有的污水源热泵系统换热装置存在的问题，结合塑料换热装置的特点，提出采用塑料换热器代替金属换热器．通过对塑料换热器在腐蚀、结垢、价格等方面与金属热换器的比较，发现其具有明显优势．对塑料换热器阻力、强度、传热性能的分析，证明塑料换热器在污水源热泵中应用是可行的．
　　关键词：塑料换热器；污水源热泵；结垢；腐蚀
　　中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1672—0946(2006)03—0055—03
　　热泵作为环保节能型供热制冷装置受到越来越广泛的应用，原生污水作为热泵系统的热源／热汇具有其他种类热源／热汇不可比拟的一些优点．1)可大量获得．原生污水产生量大，全年流量几乎叵定．2)冬暖夏凉．冬季污水温度比环境温度高，夏季一般比环境温度低．如北京高碑店污水处理厂长期测量数据显示，污水水温为13．5～16．．5℃，高出气温20℃以上；夏季污水水温为22～25℃，又低于气温10℃以上．3)含有大量热能．市区产生的废热约40％在污水中．因此污水源是热泵理想的热源／热汇，但污水应用于热泵系统由于其本身复杂的水质，对换热装置的长期稳定运行会带来严峻的考验．
　　1 塑料换热器的主要优点
　　原生污水在作为热源／热汇的利用中存在问题主要由污水本身复杂的水质造成的，而塑料与金属材料相比在原生污水中应用有显著优势．
　　1．1 堵塞
　　原生污水中的杂质按其粒径大小和存在形态，可分为3大类：第一类是溶解质和胶体，其稳定均匀分布；第二类是固体微粒，只有在湍流时才能够稳定均匀分布；第三类是大尺度固体杂物．其中大尺寸固体可以在换热前用格栅拦等除去；固体颗粒等可以在换热器前设置自动筛滤器等装置．
    1．2 结垢
    结垢是污水源热泵的换热装置在运行中需要解决的重要问题，结垢涉及到复杂的物理及化学过程．采用塑料材料制作污水源热泵的换热装置，对于相关的物理过程产生的污垢来说，因塑料材料表面张力低而不易黏附(见表1)；对于相关化学过程产生的污垢来说，可以针对污水水质选择合适的塑料材料，与金属材料相比，可以大幅减少化学反应污垢．如聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)等材料，热泵换热装置工作的温度条件下，上述材料几乎不与任何物质发生反应．
                  
    塑料材料热膨胀系数较大，因而有自洁效果，基本不用除垢．即使需要除垢，也可采用价格低廉的酸洗，操作成本也大大低于金属换热器．
    1．3 腐蚀
    腐蚀与结垢往往是相互促进的过程，塑料换热器不易结垢的特点也说明耐腐蚀性相对金属换热器有所提高．此外，主要的腐蚀作用如：电化学腐蚀、点蚀等均不会在塑料材料中发生．塑料换热器的耐腐蚀特性是显而易见的．
    1．4 价格
    塑料换热器的价格比金属换热器低，主要体现在2方面：制作性能相近的换热器材料用量少(按重量计)；塑料换热器成品重量轻，安装运输费用低．污水源热泵在应用中的主要问题是初投资大．降低换热装置成本可提高污水源热泵的实用性．
                 
    2 塑料换热器应用需要解决的问题
    2．1 机械性能
    虽然金属较塑料的机械强度为优，但热泵换热装置工作的绝对压力一般在0 0．5 MPa之间，可以采用拉密公式较核安全强度，参见表3，可知以聚四氟乙烯PTEF为例，在热泵装置的工作温度范围内，塑料的材料强度是满足使用要求的．
    2．2 换热性能
    塑料换热器应用的最大问题就在于材料的传热性能较差，为保证塑料换热器的实用性，合理选材与设计换热器结构是关键问题．
    塑料材料导热系数只有常用金属材料的10-2一1O-4级，但塑料管管壁较薄，如可以采用壁厚只有0．2—3mm的塑料管材，而铜管壁厚要达到塑料管材的一倍以上．
    经过理论计算，可知如果采用管壁较薄，管径较细的塑料管，对比铜制成的换热器，其总的传热系数可达到铜制换热器的1／3以上．但采用管径较细的塑料管，与金属材料制成的换热器比较，采用相同的系统型式时，阻力将增加10倍以上．因而，如采用塑料换热器，需重新设计换热器型式，如采用并联管路减小阻力等．
               
    3 结 语
    在污水源热泵系统采用适当材料的塑料换热器可大大提高抗结垢，耐腐蚀能力，从而降低运行管理费用，提高系统工作稳定性；采用塑料换热器可以降低换热器的初投资；塑料材料在热泵系统的工况下可以满足强度要求．合理设计塑料换热器的型式是塑料换热器应用的重点问题．采用塑料作为污水源热泵系统的换热器的材质具有良好的应用前景．