污水源热泵系统污水换热器强化传热数值模拟与实验研究

发布时间：2020-05-15 21:30

【摘要】：热泵技术可以提升低品位能源品质,挖掘出介质中贮存的低温余热,可有效实现节能,而污水温度全年小幅变化,热能特征及稳定性均较好,且水量丰富,若利用热泵提取污水中贮存的能量,既回收了城市排放的热能,又减少了传统能源的消耗,可满足我国的发展要求,是一种有益于全球可持续发展的新型污水处理策略。污水换热器是污水源热泵系统的关键,它能提取污水中的热能,再由热泵技术提升热能的位态。污水换热器不仅需要具有传热效率高的特点,而且还应兼具预防换热器结垢的能力。而传统换热器,污水流通后,换热管不仅易发生结垢现象,还会因此额外引起换热效率降低的问题,因此改进污水换热器结构从而推动污水源热泵市场化发展具有重要意义。本课题对污水换热器的结构进行改良,在原有换热管的基础上,分别插入单螺旋线以及双螺旋线。通过螺旋线的转动加强管内流体扰动,打破管内流体原有运动规律,流体由无掺混的层状流动变为螺旋状流动,提高了换热效率,且增强了流体对管壁的冲刷作用,有很强的防、除垢效果。本文首先分析了强化传热的机理,得出可旋转式螺旋线可有效增强换热的结论。因螺旋线贴近管壁,可有效改变流体流动结构,破坏对传热有阻碍作用的边界层,并加强螺旋线圈内、外流体的掺混,且有效减小温度场与速度场之间的夹角,在流体物性、流速及管径不变的条件下提高了换热效率。为了进一步研究螺旋线强化传热的效果,本课题搭建了单管换热实验平台,对两种内插可旋转式螺旋线的水平管及传统换热管的传热效果进行实验测量,同时利用FLUENT模拟软件进行数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行对比验证。本课题除分析螺旋线的强化传热效果外,并从影响换热特性的螺距和转速两方面进行螺旋线强化传热规律的分析。结果表明:(1)内插可旋转式螺旋线换热管壁面附近流体流向发生明显改变,流体的切向运动更加剧烈,中心流体与管壁附近流体互相掺混,流体呈有规律的螺旋状流动的流动特性;(2)本文所设计的强化换热管具有管内流动边界层温度梯度大、温度变化区域向换热管中心扩展,主流区等温面积减小的温度分布特性;(3)在相同条件下,内插可旋转式单螺旋线换热管与内插可旋转式双螺旋线换热管的换热效率均优于传统换热管;对于螺距及转速的影响,内插可旋转式单螺旋线换热管与内插可旋转式双螺旋线换热管的传热系数变化趋势相同;同一转速或同一螺距条件下,两种强化换热管的传热系数相近,同时强化换热管的传热系数随转速的增大而增大,随螺距的增大而减小;(4)实际工程中可采用经济转速10rad/s,螺距为10mm的单螺旋线即可达到强化换热效果。
【图文】：

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经济消费能力提高，对生活质量追求逐渐提升，使得污水排放量逐年增加，我国年量增加的速度已达到 5%左右[8]，而 2017 年的全年污水排放量为 700 亿吨[9]。为合决污水处理问题，摆脱制约国家发展的水资源短缺现状，我国陆续增加污水处理厂，，从十一五期间的 1947 座到 2014 年的 6031 座，处理能力已达 1.8 亿吨每日[10]。.1.3 城市污水特点因生产、生活使用而排放出的城市污水具有极大的低位热能可作为热泵系统的热热汇，与热泵系统的其它冷、热源相比具有如下特点：（1）水体温度适宜且波动幅度小：我国城市污水的夏季温度低，一般处在 106℃的温度范围内，而冬季温度较高，其范围一般在 20℃-26℃之间。人们生活生产放的能量大部分被污水吸收，因此污水温度与环境温度相比出现差值[11]。以重庆市，污水与环境平均温度逐月对比折线图如图 1.1 所示。从图中可看出，污水温度全化较小且远小于空气全年最大温差。

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长安大学硕士学位论文用的优势尽显无疑。热泵原理热泵的组成部件包括：蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀等。由图 1.2 所示原理图可知，通过输入电能，热泵系统中的压缩机开始工作，工质在热泵系动，依靠工质相变作用所伴随的吸收及释放能量过程使热量传递，同时供热切换的实现依靠阀门的转换。虽然为使热泵系统得以正常工作，需要电能的压缩机，但是最终得到的高位热能却是蒸发器吸收的低位能源与驱动电能的意义上实现高品位能源的节约。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU83;X703

【参考文献】