非清洁水换热面颗粒流态化除垢研究

发布时间：2017-10-20 22:15

  本文关键词：非清洁水换热面颗粒流态化除垢研究

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【摘要】：采用污水源热泵供暖空调是节能减排的有效途径,但换热器结垢问题尚未得到有效解决。本文将固液流态化除垢技术应用到污水源热泵换热器的防、除垢中,并设计了一套污水换热器流态化除垢系统。该系统以沙粒作为除垢颗粒,通过理论分析和实验研究及数值模拟相结合的方法,研究了固液流态化除垢的最佳流速、除垢能力、强化换热效果及减少磨损的最佳工作参数。本文利用Ansys-Fluent软件,研究了沙粒对管道壁面的剪切力、壁面磨损及传热系数的提升情况。研究发现,随着流速的增加固体颗粒对壁面的磨损率先降低后增加,在流速为0.6m/s时,沙粒的运动几乎是贴着管道的底部滑动;当沙粒流速超过0.9m/s时,沙粒与污水充分混合。沙粒对管道的最大的磨损率出现在90°弯头处,当流速从0.9m/s升到3m/s时,最大磨损率从4.2×10-10kg/m2s上升到了8.3×10-9kg/m2s;最大磨损率随着沙粒直径的变大增长明显;在未加入沙粒时,正常换热器流速下,管道内壁面所受的切应力平均为16.8pa,加入沙粒后壁面剪切应力平均值为158.4pa,超过软垢所能承受的100pa剪切力,可有效除垢。在相同的速度下,在流速0.6-2m/s范围内,加入颗粒后,其换热系数的提升为2.6%到23%;设计实验方案,以畅通式污水换热器作为流态化除垢强化换热实验台,对换热器流态化除垢强化换热技术进行实验研究,实验研究表明,将固液两相流流速提升到0.87m/s时,成功实现了95%的直径为2~3mm的沙粒在线循环清洗,与理论计算的0.85m/s扬动流速几乎吻合。随着沙粒体积分数的增大,其除垢效果越好;沙粒体积分数为6%时,运行24h后,传热系数也提高了25.6%。为减少沙粒对管壁磨损,进行优化实验,本实验中,污水流速为扬动流速且沙粒体积分数为4%时,既可减小沙粒对壁面的磨损,又可保证高效除垢效率。
【关键词】：污水源热泵 换热器 流态化 防、除垢 强化换热
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB657.2
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-8
• 第1章 引言8-24
• 1.1 课题背景8-14
• 1.1.1 能源现状与环境问题8
• 1.1.2 污水作为热泵冷热源的优点8-9
• 1.1.3 污水源热泵的应用现状9-11
• 1.1.4 污水源热泵所面临的问题11-14
• 1.2 除垢研究进展14-22
• 1.2.1 现有除垢技术14-18
• 1.2.2 流态化防、除垢强化换热技术18-22
• 1.3 主要研究内容及解决的主要问题22-23
• 1.4 本章小结23-24
• 第2章 换热器污垢及除垢理论24-36
• 2.1 换热器污垢基本理论24-27
• 2.1.1 换热器污垢的定义24
• 2.1.2 污垢的分类24-25
• 2.1.3 非清洁水换热器表面污垢的界定25
• 2.1.4 换热器污垢的形成过程25-26
• 2.1.5 换热器污垢影响因素26-27
• 2.2 换热器流态化除垢基本理论27-34
• 2.2.1 颗粒对壁面剪切力模型27-29
• 2.2.2 颗粒对壁面碰撞力模型29-33
• 2.2.3 流态化除垢扬动流速模型33-34
• 2.3 本章小结34-36
• 第3章 沙粒-水固液两相流数值模拟36-50
• 3.1 固液两相流流动与传热控制方程36-39
• 3.1.1 控制方程36-37
• 3.1.2 颗粒运动模型37-38
• 3.1.3 颗粒对壁面磨损模型38-39
• 3.2 物理模型及边界条件39-40
• 3.3 流态化磨损及强化换热模拟结果及分析40-49
• 3.3.1 流速对壁面磨损的影响40-42
• 3.3.2 沙粒的加入对光管壁面传热系数的影响42-43
• 3.3.3 沙粒浓度对壁面磨损的影响43-45
• 3.3.4 沙粒直径对壁面磨损的影响45-46
• 3.3.5 沙粒对壁面的剪切应力46-47
• 3.3.6 沙粒运动轨迹47-48
• 3.3.7 沙粒对壁面污垢的磨损率48-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 沙粒流态化在线除垢系统设计及其实验50-68
• 4.1 实验装置及设备50-53
• 4.1.1 实验仪器50
• 4.1.2 实验装置及实验工质50-53
• 4.2 固液分离方法与装置设计53-55
• 4.3 流态化除垢系统设计55-56
• 4.4 实验测试内容与实验步骤56-58
• 4.4.1 实验内容56-57
• 4.4.2 实验步骤57-58
• 4.5 实验结果与分析58-66
• 4.5.1 流态化除垢防沙粒沉积最低流速58-60
• 4.5.2 传热系数的变化60-61
• 4.5.3 换热器除垢前后换热面污垢对比61-62
• 4.5.4 除垢前后污水出水水质对比62-63
• 4.5.5 沙粒对换热壁面的磨损63-64
• 4.5.6 除垢、强化传热及磨损的最优工况64-65
• 4.5.7 流态化除垢工艺经济性分析65-66
• 4.6 本章小结66-68
• 第5章 结论与展望68-70
• 5.1 主要结论68-69
• 5.2 展望69-70
• 参考文献70-75
• 攻读学位期间的研究成果75-76
• 致谢76-77

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本文编号：1069664