【摘要】：近年來,我國污水源熱泵在工程應(yīng)用方面發(fā)展較快,但其理論研究卻明顯滯后,尤其是污水源熱泵中污水換熱器的防堵和防垢問題。盡管研究人員研發(fā)了許多污水除污裝置,但其性能的可靠性、成本和普適性卻亟需進一步改善。因此為解決長期限制污水源熱泵發(fā)展的防堵和防垢問題,本文將旋流分離技術(shù)應(yīng)用到污水源熱泵污水除污裝置上,提出了引射強化污水旋流分離器,利用換熱后的污水引射帶走旋流分離的污雜物,創(chuàng)造污雜物暫離、凈水取熱環(huán)境。本文通過實驗和數(shù)值模擬研究了引射對污水旋流分離器性能的強化作用,闡明了引射強化污水旋流分離器內(nèi)連續(xù)相流場和顆粒行為特性,明晰了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件對分離性能和流場的影響,從宏觀和微觀角度揭示了引射強化污水旋流分離規(guī)律。論文首先分析了現(xiàn)有污水源熱泵除污技術(shù)與水力旋流分離技術(shù)的局限性,提出了引射強化污水旋流分離技術(shù)、引射強化污水旋流分離器和使用引射強化污水旋流分離器的污水源熱泵系統(tǒng)。然后針對1953年Kelsall提出的折算分離效率,提出了更適用于評價污水源熱泵中使用的引射強化污水旋流分離器分離性能的綜合分離效率概念。其次,搭建了引射強化污水旋流分離器本體實驗臺,開展了不同入口流量、底流管直徑、溢流管長度和入口壓力下的實驗研究。結(jié)果表明,引射強化污水旋流分離器對污雜物(4 mm)和砂子(75~250μm)的分離效率高(90%)且穩(wěn)定,溢流濃度低,分流比小于10%,總靜壓損失小于20 kPa,并表現(xiàn)出越污濁,分離效率越高的特性。與底流管直徑為0的旋流分離器(類似于底部帶封閉集污槽并利用手動或自動排污閥間歇排污的傳統(tǒng)旋流分離器)相比,該新型旋流分離器大幅減少了“溢流跑粗”的發(fā)生,將分離效率提高了41.6%~46.2%,實現(xiàn)了連續(xù)排污,而總靜壓損失卻僅有輕微增加。與底部通大氣的傳統(tǒng)旋流分離器相比,引射功能利用水封消除了會降低分離效率的空氣柱。為進一步從連續(xù)相流場和顆粒行為特性的微觀角度揭示上述實驗結(jié)果的產(chǎn)生機理,彌補實驗工況的不足,論文運用計算流體力學(xué)的方法,采用Fluent軟件建立了引射強化污水旋流分離器本體實驗臺的數(shù)值模型,用雷諾應(yīng)力模型來捕捉旋流分離器內(nèi)的三維強旋轉(zhuǎn)各向異性湍流流動,用離散相模型來預(yù)測顆粒行為特性,并用不同底流管直徑下實驗和模擬得到的分流比驗證了數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬研究了底流管直徑、溢流管長度、正向引射速度和反向引射速度對連續(xù)相流場、顆粒行為特性和總分離性能的影響。模擬結(jié)果表明,當(dāng)?shù)琢鞴苤睆叫∮诘琢骺谥睆綍r,底流管直徑與分離效率和分流比成正比,該關(guān)系與傳統(tǒng)旋流分離器的相應(yīng)關(guān)系類似,也與本文實驗結(jié)果一致;而當(dāng)?shù)琢鞴苤睆酱笥诘琢骺谥睆綍r,底流管內(nèi)會出現(xiàn)加劇“溢流跑粗”的循環(huán)流,且內(nèi)部循環(huán)流的強度與底流管直徑成正比,導(dǎo)致底流管直徑與分離效率和分流比成反比。當(dāng)溢流管長度接近圓柱段長度時,密度足夠大的顆粒的分離效率始終是100%;而當(dāng)溢流管長度剛剛從圓柱段長度增加時,分離效率先降低再增加;相反,當(dāng)溢流管足夠長時,分離效率則隨著溢流管長度的增加而輕微降低。與可變底流管直徑的設(shè)計相比,調(diào)整正向或反向引射速度的設(shè)計可同時實現(xiàn)較高的分離效率和可接受的低分流比,且不增加底流口和底流管的堵塞風(fēng)險,即不降低底流口和底流管的承載能力。與正向引射相比,反向引射可降低最優(yōu)引射速度,進而減小引射強化污水旋流分離器的運行成本,使其更加經(jīng)濟實用。本文從引射強化污水旋流分離器的宏觀分離性能和微觀流場與顆粒行為特性兩方面揭示了引射強化污水旋流分離規(guī)律,具有重要的理論意義,也為解決長期限制污水源熱泵發(fā)展的污水換熱器防堵與防垢難題和長期限制旋流分離技術(shù)發(fā)展的底流管堵塞難題提供了新思路,對進一步提升污水源熱泵和水力旋流器性能,拓展二者的應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著的實用價值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X703

【參考文獻】

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本文編號：2701540