污水换热器的材质及选择

      污水换热器按其材质可分为金属换热器和非金属换热器。金属换热器按其结构可分为板式换热器、淋激式换热器和壳管式换热器。非金属换热器则主要包括各种结构的塑料管换热器或铝塑复合管换热器等。

 

  污水换热器存在的最主要的问题是腐蚀和堵塞问题，因此污水换热器的选材则主要从这几个方面来考虑。作为金属换热器最大的优点是传热系数高，结构紧凑。但在污水源热泵系统中，污水换热器极易腐蚀和堵塞，而且不易清洗，因此只有在采用污水处理厂二级出水，而且水质达到标准的前提下，才可以选用金属换热器。从经济、安全等多方面考虑，采用城市原生污水的换热器，不适合采用金属换热器。

 

  制造金属换热器的主要材料有铜及铜合金、铝合金、不锈钢和钛合金。铝合金具有导热性能好，成本低等特性，在常规的“空冷”型热泵中使用广泛，但污水中的电解质会对铝合金产生严重的腐蚀作用。纯铜及铜合金材料具有导热性好，加工、焊接性能好的特点。它对污水中的氯离子有一定的耐腐蚀性，但污水中的氨、氮离子对铜及铜合金的腐蚀作用是不可忽视的。当污水中的氨离子含量大于1 mg/L 时，它对铜的腐蚀作用是相当明显的。钛管对氯化物、硫化物和氨都具有较好的耐蚀性，可在高度污染的淡水和海水中使用。但由于价格昂贵，焊接技术要求高而限制了其使用的范围。以1Gr18Ni9Ti 为主的不锈钢材料是空调热交换器常用的材料。此种材料对水中的氨离子有较强的耐腐蚀性，但如果水中有较多的氯离子则会与溶解氧共同作用，破坏不锈钢材料的晶间结构，造成点蚀。

 

  恰当选择换热器的型式可以大大减轻污垢的影响。由于污水水质的特殊性，金属防腐的方法总有一定的局限性，因此我们可以换一个角度考虑问题，采用耐腐蚀的非金属材料来代替金属材料制造换热器。目前，国内已应用的污水源热泵系统均采用间接式系统，污水换热器以采用非金属类沉浸式污水换热器居多。非金属材料则主要采用塑料及各类复合塑料等。目前我国在空调冷热水、建筑给排水等系统中常用的非金属塑料类管材有多种，主要有PE- X 管、PP- R 管、PE- RT（铝塑复合）管、HDPE（高密度聚乙烯）管等[3]。

 

  PE- X 是交联聚乙烯的缩写，它是将聚乙烯通过物理或者化学的方法进行交联，交联后聚乙烯分子结构由线性转变为网状，从而其热强度、耐热老化性、耐腐蚀性能、抗蠕变性能都得到较大的提高，适合长期使用，可输送90 ℃以下的介质，具有良好的物理机械性能，耐酸碱和其它化学品性能优良。但是其热膨胀性较大，传热性能不如铝塑管。

 

  PP- R 是无规共聚聚丙烯的缩写，它是将聚

 

  乙烯分子无规则地接入聚丙烯的分子链中，从而使其抗低温冲击、长期耐热耐压及抗低温环境应力开裂等性能大大改善。PP- R 塑铝稳态复合管是一种内层为PP- R，外层包敷铝层及塑料保护层，各层间通过热熔胶粘接而成的五层结构的管材。该管材既具有金属管的刚性，又有塑料管的抗腐蚀性，寿命长，热熔接不渗漏，特别具有塑料管所没有的防渗氧性能，它的最高工作压力高达1.6MPa，工作温度范围为5~65 ℃，是空调水系统的优选管材[3]。

 

  PE- RT 管全称是铝塑复合管，它是以交联聚乙烯塑料材料作为管的内外层，中间芯层夹一焊接铝管，在铝管的内外表面涂覆胶粘剂与塑料层粘接，通过复合共挤成型的具有5 层结构的复合管材。铝塑管具有塑料管的全部优点，同时由于中间夹入一层铝，其机械理化性能比塑料管更强。

 

  HDPE 管为高密度聚乙烯管，以它的优秀的化学性能、韧性、耐磨性以及低廉的价格和安装费受到管道界的重视，它是仅次于聚氯乙烯，使用量占第二的塑料管道材料。HDPE 管具有耐腐蚀、内壁光滑、流动阻力小、强度高、韧性好、重量轻等特点.

 

  在选择非金属类污水换热器时，应根据污水换热器的工作温度、工作压力、传热性能、经济性能等多方面来考虑。以城市污水源系统来说，污水换热器的工作温度一般在5～50 ℃，作为间接式污水源热泵系统，它的工作压力并不高，多数塑料类管材均能满足要求。从表2 中可以看出，PE- RT管、HDPE 管和PE- X 管的传热性能均优于PP- R管，从经济性方面比较，其经济性排序为HDPE管、PE- X 管、于PP- R 管、PE- RT 管。山东某污水处理厂采用PE- X 管作为利用工业废水的污水换热器管材，经过1 年的实践运行表明，系统经济性比较好，而且清洗方便[4]。

 

  污水换热器的工作温度及原理与地表水热泵系统中换热器相同。根据文献[5]，国外地表水及土壤源热泵系统中采用的换热器管材有HDPE管、PVC 管和铜管。PVC 管抵抗太阳紫外线辐射能力差，并不推荐采用。HDPE 管材强度高、耐酸碱性强、使用寿命长，是推荐采用的地表水热泵系统和土壤源热泵系统换热器管材，也是美国目前完成的地源热泵系统中用的最广的换热器材料之一。铜管传热性能好，相同传热量的情况下，铜管换热器长度只是塑料换热器的1/4～1/3，但铜管易结垢。而且结垢后对换热器性能影响较大，因此不适合作为污水换热器材料。

 

  根据以上分析表明，从经济性和传热性能来考虑，污水换热器以采用HDPE 管、PE- X 管为推荐管材。采用塑料类换热器间接换热的方式回收污水的热能，一方面解决了管道和设备的腐蚀问题；另一方面，由于管内外壁光滑，也缓解了结垢问题，而且也易于清洗。