CN101221096A - 以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统 - Google Patents

以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统 Download PDF

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以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，该实验系统含有被测板式换热器、热泵、负荷板式换热器、自清洗过滤器、蓄水箱、补水箱、水泵系统、非洁净水源及连接所述部件的管路；本发明能够独立地在非洁净水源地现场模拟板式换热器流动换热工况，系统结构紧凑、节能环保且工况调节范围大；该实验系统可用于在现场开展非洁净水在板式换热器内的结垢特性、污垢对策方案以及非洁净水板式换热器优化设计方案的实验研究，所获实验数据对于非洁净水板式换热器长期安全经济运行具有重要指导意义。

Description

以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统
技术领域
本发明涉及一种板式换热器的实验设备，特别涉及一种以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统。
背景技术
能源危机的日益加剧促使人们不断加快对于可再生能源开发利用。江水、河水、湖水、海水、城镇和工业污水、城镇和工业污水处理后的再生水中蕴含着大量的低位热能。以上述水体作为冷、热源的热泵技术具有显著的节能环保效益，已被公认为一项具有很大应用潜力的可再生能源技术。板式换热器作为一种高效换热器，其占地面积小，传热系数高，单位造价低，是水体中低位热能回收的首选高效换热设备之一。
 然而，上述蕴含大量低位热能的水体在换热表面上容易形成污垢。这里将江水、河水、湖水、海水、城镇和工业污水、城镇和工业污水处理后的再生水统称为非洁净水。非洁净水在板式换热器内较易形成污垢，该污垢的种类主要为析晶污垢、颗粒污垢、生物污垢和腐蚀污垢。大量污垢在换热面上附着将引起以下三方面危害：1)形成较大的污垢热阻，使得换热效率明显下降，严重影响系统运行效率；2)使得流动阻力增加，严重时可能堵塞板间流道；3)“垢下腐蚀”现象的发生对于换热器材质构成较大威胁。因此，对板式换热器内结垢规律及其对换热性能影响的研究具有重要意义，其研究结果可有效指导板式换热器科学合理的运行管理及合理设计。
目前，对于板式换热器流动换热性能研究，国内外学者大都采用“在模拟板式换热器实际工况条件下测量传热系数及流动压降”的方法。传统的实验方法是：在实验室内搭建板式换热器流动换热实验台，实验水源采用自来水或去离子水；为了模拟实际换热工况，通常采用锅炉作为热源，冷源则通常直接采用“自来水+空冷塔”形式。
对于非洁净水在板式换热器内结垢规律及其对换热性能影响的研究具有以下三个特点：1)实验水质复杂：在海水、河水及城镇再生水等水体中不仅溶有各种离子、悬浮物，而且还含有数量较高的微生物或宏生物；2)实验周期长：非洁净水在板式换热器内的结垢过程周期较长，实验通常需要连续进行20天甚至更长时间，在实验周期里需要维持被测板式换热器在一个相对稳定的工况下运行；3)实验工况复杂：非洁净水在换热面上的结垢过程受温度条件影响较大，因此常常需要在一个较大范围内调节水温(10～80℃)。
由以上三个特点可以判知，传统实验方法无法应用于非洁净水板式换热器性能的研究，原因是：1)水源问题：无法在实验室内获得真实、稳定的实验水源；2)经济性问题：以蒸汽锅炉作为热源，能耗大，且运行费用高；3)温度问题：冷源的温度受环境限制，使得无法获得环境温度以下的实验水源；当热源温度较低时，采用锅炉加热方式的控温难度大。
发明内容
本发明旨在提供一种以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，该实验系统适宜建立在非洁净水源地现场，并可模拟非洁净水板式换热器流动换热工况，以便于对非洁净水在板式换热器内的结垢特性、污垢对策方案以及非洁净水板式换热器优化设计方案进行现场实验研究，从而确保非洁净水板式换热器实现长期安全经济运行。
本发明的技术方案如下：
一种以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：该实验系统含有被测板式换热器、热泵、负荷板式换热器、自清洗过滤器、蓄水箱、补水箱、水泵系统、非洁净水源及连接所述部件的管路；所述的非洁净水源经由污水提升泵与自清洗过滤器入口相连；自清洗过滤器的出水管分为两路，其中一路经由流量平衡阀与负荷板式换热器的非洁净水侧入口相连，另一路经由流量平衡阀与蓄水箱的入口相连；蓄水箱的侧壁上加工有溢流口，该溢流口与非洁净水源连通；蓄水箱出口经由污水输送泵及流量控制阀与被测板式换热器的非洁净水侧入口相连；被测板式换热器及负荷板式换热器的非洁净水侧出口均与非洁净水源连通；被测板式换热器循环水侧经由循环水泵与热泵的第一换热器水侧共同构成一个循环水回路；负荷板式换热器循环水侧经由循环水泵与热泵的第二换热器水侧共同构成一个循环水回路；补水箱分别与所述两个循环水回路相连；所述的非洁净水是指江水、河水、湖水、海水、城镇和工业污水、城镇和工业污水处理后的再生水。
本发明所述的被测板式换热器安装6～8张板片；所述的自清洗过滤器的过滤精度为300～1500微米。所述的热泵为蒸气压缩式热泵机组；热泵的第一换热器和第二换热器为不锈钢板式换热器。连接各部件的管路均采用PPR管材。在污水提升泵入水口处以及两个循环水回路中均安装流量开关。
本发明与现有的实验系统相比具有以下优点：①系统结构简单紧凑，独立性强，系统仅需为热泵及水泵输入电能即可维持稳定运转，非常适宜建立在非洁净水源地现场并进行长周期连续实验，所得实验数据真实可靠，对于实际工程设计及运行指导性强；②在本发明提出的实验系统中，非洁净水一方面作为被测流体，另一方面作为低位冷热源，利用热泵技术，为模拟被测板式换热器实际运行工况持续稳定地提供热量和冷量；在热源获取方面，与锅炉加热相比，提供相同的加热量时，本发明由于回收利用了非洁净水的低位热能，因此付出的高品位能量(如电能或化石能源)相对较少；实验证明，本发明提出的实验系统在长期连续运行条件下节能效果十分明显；在冷源获取方面，本发明中冷热源均由同一套系统提供，从而省略了传统实验系统中的冷却循环水路及空冷塔，系统得以简化；与此同时，利用非洁净水作为冷却介质，其冷却效率明显优于空冷塔方式。③热泵系统可实现的最低制冷温度为5℃(蒸发器出水温度)，可实现的最高制热温度为90℃(冷凝器出水温度)，由此可见，利用热泵技术，被测板式换热器可以在一个较大的温度范围内进行变工况实验；与此同时，热泵系统工况调节较为简便，且在设定工况下运行稳定性高，因此被测板式换热器的实验工况较容易控制和调节。
板式换热器是非洁净水体低位热能回收利用系统的关键技术组成之一。本发明可为人们了解非洁净水在板式换热器内的结垢特性及其对流动换热性能的影响提供一个可靠的研究平台，相关实验结果可为非洁净水板式换热器的选型、污垢对策以及优化设计提供重要依据。
附图说明
图1为以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统示意图。
图2为被测板式换热器及负荷板式换热器与热泵之间循环水路连接示意图。
图中，1-被测板式换热器；2-热泵；3-负荷板式换热器；4-自清洗过滤器；5-蓄水箱；6-补水箱；7-污水提升泵；8-污水输送泵；9-循环水泵；10-非洁净水源；11-第一换热器；12-第二换热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构、工作流程作进一步的详细说明。
图1是以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统示意图。该实验系统含有被测板式换热器1、热泵2、负荷板式换热器3、自清洗过滤器4、蓄水箱5、补水箱6、水泵系统、非洁净水源10及连接所述部件的管路；所述的非洁净水源10经由污水提升泵7与自清洗过滤器4入口相连；自清洗过滤器4的出水管分为两路，其中一路经由流量平衡阀与负荷板式换热器3的非洁净水侧入口相连，另一路经由流量平衡阀与蓄水箱5的入口相连；蓄水箱5的侧壁上加工有溢流口，该溢流口与非洁净水源10连通；蓄水箱5出口经由污水输送泵8及流量控制阀与被测板式换热器1的非洁净水侧入口相连；被测板式换热器1及负荷板式换热器3的非洁净水侧出口均与非洁净水源连通；被测板式换热器1循环水侧经由循环水泵9与热泵2的第一换热器11水侧共同构成一个循环水回路；负荷板式换热器3循环水侧经由循环水泵9与热泵2的第二换热器12水侧共同构成一个循环水回路；补水箱6分别与所述两个循环水回路相连；所述的非洁净水是指江水、河水、湖水、海水、城镇和工业污水、城镇和工业污水处理后的再生水。
本发明所述的被测板式换热器1安装6～8张板片。所述的自清洗过滤器4的过滤精度为300～1500微米。所述的热泵2为蒸气压缩式热泵机组；热泵2的第一换热器11和第二换热器12为不锈钢板式换热器。连接各部件的管路均采用PPR管材。在污水提升泵7入水口处以及两个循环水回路中均安装流量开关。
基本工作流程：
利用污水提升泵7从非洁净水源10提取实验所用的非洁净水；被提取的非洁净水经由自清洗过滤器4进行机械过滤处理，过滤精度可根据实验要求在300～1000微米范围内设定；经过滤后的非洁净水分别被通入负荷板式换热器3和蓄水箱5；蓄水箱5中的非洁净水进而被通入被测板式换热器1。
如图2所示，该实验系统模拟夏季工况时，热泵的第一换热器11为冷凝器，第二换热器为蒸发器；被测板式换热器1循环水侧经由循环水泵9，与热泵2的第一换热器11水侧共同构成一个回路；负荷板式换热器3循环水侧经由循环水泵9，与热泵2的第二换热器12水侧共同构成一个回路。此时，热泵2从负荷板式换热器3非洁净水侧流体中提取热量并提升其品位，所获得的热量被用于加热被测板式换热器1非洁净水侧流体，即负荷板式换热器3中的非洁净水被作为低位热源使用。该实验系统模拟冬季工况时，维持上述管路连接不变，调节热泵2的四通换向阀，改变工质的流动方向，使得热泵的第一换热器11为蒸发器，第二换热器12为冷凝器；被测板式换热器1循环水侧经由循环水泵9，与热泵2的第一换热器11水侧共同构成一个回路；负荷板式换热器3循环水侧经由循环水泵9，与热泵2的第二换热器12水侧共同构成一个回路。此时，热泵2从被测板式换热器1非洁净水侧流体中提取热量，这部分热量被释放给负荷板式换热器3非洁净水侧的流体，即负荷板式换热器3中的非洁净水被作为冷却介质使用。
实验系统正常运行过程中，蓄水箱5始终保持溢流状态，所溢出的非洁净水被排回入非洁净水源10。通入被测板式换热器1及负荷板式换热器3的非洁净水经热交换后均被排回入非洁净水源10。

Claims (6)

1.一种以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：该实验系统含有被测板式换热器(1)、热泵(2)、负荷板式换热器(3)、自清洗过滤器(4)、蓄水箱(5)、补水箱(6)、水泵系统、非洁净水源(10)及连接所述部件的管路；所述的非洁净水源(10)经由污水提升泵(7)与自清洗过滤器(4)入口相连；自清洗过滤器(4)的出水管分为两路，其中一路经由流量平衡阀与负荷板式换热器(3)的非洁净水侧入口相连，另一路经由流量平衡阀与蓄水箱(5)的入口相连；蓄水箱(5)的侧壁上加工有溢流口，该溢流口与非洁净水源(10)连通；蓄水箱(5)出口经由污水输送泵(8)及流量控制阀与被测板式换热器(1)的非洁净水侧入口相连；被测板式换热器(1)及负荷板式换热器(3)的非洁净水侧出口均与非洁净水源连通；被测板式换热器(1)循环水侧经由循环水泵(9)与热泵(2)的第一换热器(11)水侧共同构成一个循环水回路；负荷板式换热器(3)循环水侧经由循环水泵(9)与热泵(2)的第二换热器(12)水侧共同构成一个循环水回路；补水箱(6)分别与所述两个循环水回路相连；所述的非洁净水是指江水、河水、湖水、海水、城镇和工业污水、城镇和工业污水处理后的再生水。
2.如权利要求1所述的以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：所述的被测板式换热器(1)安装6～8张板片。
3.如权利要求1所述的以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：所述的自清洗过滤器(4)的过滤精度为300～1500微米。
4.如权利要求1所述的以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：所述的热泵(2)为蒸气压缩式热泵机组；热泵(2)的第一换热器(11)和第二换热器(12)为不锈钢板式换热器。
5.如权利要求1所述的以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：连接各部件的管路均采用PPR管材。
6.如权利要求1所述的以非洁净水为换热介质的板式换热器现场实验系统，其特征在于：在污水提升泵(7)入水口处以及两个循环水回路中均安装流量开关。
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