本文選題：污水源熱泵　切入點：取水換熱工藝　出處：《大連理工大學》2014年博士論文

【摘要】：污水源熱泵技術(shù)在我國北方采暖地區(qū)已得到一定程度的應(yīng)用,節(jié)能減排成效顯著。但在工程中,污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝及其設(shè)備在設(shè)計和運行中存在污水物性參數(shù)取值難度大、流動與換熱隨機性大、系統(tǒng)運行維護難度大等實際問題,究其原因在于污水的關(guān)鍵工程設(shè)計參數(shù)(如污水的堵塞系數(shù)、沿程阻力系數(shù)和對流換熱系數(shù))影響因素多、取值難度大、缺乏合理的設(shè)計計算模型,最終導致難以形成較準確、合理的污水工程設(shè)計參數(shù)取值方法及系統(tǒng)化的污水源熱泵工程設(shè)計方法,導致系統(tǒng)可靠性差和系統(tǒng)設(shè)計、運行能耗高。為此,本文將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上,以進一步揭示污水管內(nèi)流動與換熱規(guī)律、完善污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方法為目標,以城市原生污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝中污水取水機堵塞特性、管內(nèi)污水流動與對流換熱特性的研究為核心內(nèi)容,開展了理論與試驗研究。 旋轉(zhuǎn)孔板反沖洗濾面連續(xù)再生是開式循環(huán)污水取水機實現(xiàn)原生污水穩(wěn)定取水的關(guān)鍵技術(shù),孔板的結(jié)構(gòu)形式、孔板大小、孔板旋轉(zhuǎn)速度、孔眼大小及分布規(guī)律是設(shè)計開發(fā)該類污水取水機的核心問題。本文首先針對開式循環(huán)污水取水機中半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板優(yōu)化設(shè)計問題,研究了半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板堵塞系數(shù)影響因素,建立了其水力學動態(tài)數(shù)學模型,通過對堵塞系數(shù)時間函數(shù)模型的離散化,得到了堵塞系數(shù)穩(wěn)態(tài)模型,仿真研究了污雜物濃度、孔板淹沒高度、孔板旋轉(zhuǎn)速度對取水機堵塞系數(shù)及取水特性的影響程度,在此基礎(chǔ)上,提出了開式循環(huán)污水取水機過濾孔板工程設(shè)計方法,為污水源熱泵系統(tǒng)開式取水設(shè)備的設(shè)計提供了設(shè)計方法。 在污水源熱泵工程現(xiàn)場建立污水管內(nèi)流動換熱特性試驗系統(tǒng),對研究污水管內(nèi)流動沿程阻力特性和管內(nèi)對流換熱特性具有重要意義。本文根據(jù)污水管內(nèi)流動與換熱特性試驗研究要求,選擇大連某污水源熱泵工程污水取水現(xiàn)場,建立了污水管內(nèi)流動換熱特性試驗系統(tǒng),分析了污水管內(nèi)流動特性與換熱特性試驗方法及試驗系統(tǒng)精度范圍,為本文后續(xù)各章的研究提供現(xiàn)場試驗條件。 污水輸送管路和污水換熱器管內(nèi)污水流動阻力的計算,離不開污水管內(nèi)沿程阻力系數(shù)。本文首先從理論上研究了污水管內(nèi)流動本構(gòu)特性、無污垢底層下管內(nèi)污水流變特性、及在污垢底層下污水沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律。通過理論分析和試驗測試,證明了本文所采用的現(xiàn)場污水管內(nèi)流動具有非牛頓冪率流體特性。從圓管湍流切應(yīng)力變化規(guī)律和附加切應(yīng)力是因質(zhì)點摻混而導致的動量輸運率這一本質(zhì)出發(fā),在污水中的固體顆粒相間應(yīng)用混合長度理論,得到了污水管內(nèi)湍流切應(yīng)力計算公式,進而得到管內(nèi)污水湍流速度分布通用公式,提出了管內(nèi)污水在實際工況下(有污垢底層)沿程阻力系數(shù)變化規(guī)律關(guān)聯(lián)表達式,為工程設(shè)計中管內(nèi)污水沿程阻力的計算提供了理論模型。 管內(nèi)污水對流換熱系數(shù)是設(shè)計開發(fā)臥式殼管式污水換熱器的關(guān)鍵參數(shù)。本文在污水管內(nèi)湍流速度分布通用模型的基礎(chǔ)上,通過理論推導,建立了污水管內(nèi)溫度場分布通用公式。進而在未考慮管內(nèi)污垢厚度的條件下,建立了污水管內(nèi)換熱熱阻通用表達式,并依據(jù)臨界污垢的概念及污水流變特性,證明了污水水質(zhì)條件下可忽略管內(nèi)污垢形成過程中誘導期的合理性。以Kern-Seaton微分方程為基礎(chǔ),建立了管內(nèi)污水側(cè)污垢沉積模型,分析表明,管內(nèi)污水污垢沉積量呈現(xiàn)漸近型分布,污垢沉積量的漸進值與污雜物濃度呈正比、與污水平均流速呈反比,漸進時間與流速的平方成反比。最后,通過試驗數(shù)據(jù)擬合,得到了污垢底層條件下污水管內(nèi)污垢熱阻模型。在上述研究的基礎(chǔ)上,歸納了污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝設(shè)計方法,為污水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供了參考。 最后,以本文前述工作的流動阻力系數(shù)、傳熱系數(shù)和污垢熱阻的計算公式為基礎(chǔ),以大連某污水源熱泵工程現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為計算依據(jù),對比分析該工程污水換熱器的流動阻力和傳熱系數(shù),驗證本文上述各章研究結(jié)果的準確性。通過本文所提出的經(jīng)驗公式對現(xiàn)有污水源熱泵系統(tǒng)在取水工藝和換熱設(shè)備的再設(shè)計分析表明,在取水工藝中采用基于沿程阻力系數(shù)變化的污水泵變頻調(diào)速控制技術(shù)后可降低水泵運行能耗50.7%；在相同的傳熱溫差下可降低換熱器傳熱面積25%左右；在相同的傳熱面積條件下,可降低傳熱溫差25%左右,可提高熱泵機組的進水溫度1℃,進而提高熱泵機組的性能系數(shù)。
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【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TU83

【參考文獻】

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本文編號：1722679