优势及基本理论问题

根据该疏导式换热方法的基本原理,除有效解决防堵问题以外,还具有如下显著优势。

(1)符合基本理论要求。

四个效应完全符合流动换热的基本规律要求,是从理论上、根本上解决了悬浮物的堵塞和污垢问题,是实施疏导换热的关键途径,理论上具有显著的先进性。分离效应是利用了污水或地表水中悬浮物的流动特性,压差互立效应是利用了水压作用,回转流动是利用了水流的强烈湍动效果,短管换热效应是利用湍流进口段的边界层特性。

(2)强防悬浮物能力。

当悬浮物在某一支流内滞留,造成该条支流水流通道不畅或堵塞时,该滞留点处形成的压力差或推力等于设备进出口压差在该流道断面上形成的压力,该压力足以将悬浮物推动并随水流流动,即压差互立效应,经实际计算,推力相当于几十千克的重量力。

(3)实用性强。

疏导式换热方法的原理及工艺形式简单,不仅理论上成熟可靠,经实践证明也具备很好的可实施性,为产品研制及工程应用提供了关键的应用基础。例如,180°回转流动方式也是实际换热设备设计的需要,因为换热设备的长度本身受到限制,需要进行数次折流,即管程数量问题。

(4)水流分布均匀。

水流互立效应不仅起到了防止悬浮物缠绕和滞留问题,而且各支流水流分布均匀,对污垢的局部沉积和均匀换热是非常有利的,避免了传热换热设备的流动死区问题,为提高传热的综合效率起到了重要作用。

(5)短管强化换热。

短管强化换热是一直被研究的重要方向,对污水及地表水等非清洁水的换热,尤其是含有大量大尺径悬浮物的换热,扩大的流通断面不仅保证了悬浮物的顺利流通,也正好为短管换热提供了关键条件。

(6)综合效率高。

经众多工程实践证明,根据疏导式换热方法设计的换热装置在连续运行一个采暖季后,有一定污垢的状态下,其传热系数可维持在1300W/(m2·℃)以上,不低于传统光管换热装置在清水条件下的传热系数,一般为800～1500W/(m2·℃)。显然,其综合传热性能显著提高。

(7)适应面广。

疏导式换热方法对换热装置的设计并无其他约束性指标,可以根据水质条件和运行工况对流通断面进行合理调整,对流程的直线长度进行有效控制。在换热装置设计具有很强实用性条件下,为污水及地表水等非清洁水的疏导换热提供了广泛的应用条件。

虽然疏导式换热方法在工艺形式上容易认识和理解,但还需要深入把握如下几个方面的理论问题:

(1)水流分离流动模型问题。

初始水流分离效应过程中,悬浮物和杂质在180°分流过程中的流动模型,该流动模型与悬浮物的大小尺径相关联,即悬浮物的大小尺径影响水流多次分离的物理模型,物理模型与悬浮物的大小尺径应具有一致性。

如图4-5所示为水流分离模型,在水流分离过程中,需要满足如下参数条件:

图4-5　水流分离模型

式中　L——水流分离长度(m);

　l——悬浮最大长度(m);

　β——水流分离角度(度);

　α——水流切向角度(度)。

(2)压差互立效应问题。

压差互立效应保证了悬浮物不挤压、不滞留问题,如图4-6所示为压差互立效应模型图。假设当某一支路出现悬浮物滞留时,其流动参数满足下列条件:

P＝ΔP·A

G≥0

式中　P——悬浮物滞留压力(V);

　ΔP——无悬浮物压差(Pa);

　A——流道截面积(m2);

　G——悬浮物滞留流量(m2);

　G′——无悬浮物流量(m2);

　ΔP′——支路进出口压差(Pa)。

图4-6　压差互立效应模型图

(3)短管换热强化问题。

水流往复回转流动和短管强化换热显著提高了污水或地表水侧的对流换热系数,该对流换热系数的提高幅度及其机理问题,以及对水流的流动水阻的影响问题,理论上会增大流动水阻,即换热系数与流动水阻的关联问题。

(4)合适流速问题。

污水或地表水侧的流通断面扩大后,同等流量情况下,水流速度降低,而流速的降低对换热不利,若保持“相当”的设计流速,整个流动水阻将显著增加。这里所说的“相当”是指沿程阻力接近,而不是流速的大小问题。因此,污水或地表水的流速选择问题将决定后续换热装置的设计问题,即“合适流速”问题。

(5)杂质沉积与冲泄流速问题。

冲泄流速是指杂质不易沉积的最小流速,是换热设计时考虑到实际运行可能面临的最小流速值,例如部分负荷情况下,污水泵的台数减少等问题。当为了提高换热效率,流速可增加到最大值,即最大流速问题。显然,前述“合适流速”将介于冲泄流速和最大流速之间。

(6)软垢平衡厚度问题。

流速增大,软垢量减小,即软垢的厚度与设计流速有关,当流速大到一定程度后,软垢不再增长。通常设计流速为“合适流速”时,软垢厚度可认为已达到设计最小值,考虑一定的软垢热阻即可。

(7)多相流动问题。

悬浮物和杂质在流动过程中对换热系数的影响,即污水或地表水的多相流动换热问题。实际污水或地表水中杂质含量成分复杂,从多相流角度研究分析,难度较大,且不一定与实际情况相符,因此在单相流基础上考虑杂质的影响,研究其宏观流动换热特性,符合污水或地表水的水质特点和实际应用情况。

(8)换热参数综合优化问题。

污水及地表水换热为大流量、小温差换热,该特点为扩大流通断面实现短管换热提供了关键的应用条件。但不同的应用场合、不同的水源水温条件,使得换热过程或工况要求具有一定的可适应性,例如原生污水、已处理污水及地表水,其水温不同,实际的运行流量也将不同,而同一换热装置可能冬夏两用,冬夏两季换热参数不同,在采用同一换热装置时,需要综合考虑换热工况的变化,即换热参数的综合优化问题,该优化一方面是为了单纯优化特定换热工况下的设计参数,另一方面是为了优化换热工况变化情况下的设计参数。