引射强化污水旋流分离规律研究

发布时间：2020-06-07 14:12

【摘要】：近年来,我国污水源热泵在工程应用方面发展较快,但其理论研究却明显滞后,尤其是污水源热泵中污水换热器的防堵和防垢问题。尽管研究人员研发了许多污水除污装置,但其性能的可靠性、成本和普适性却亟需进一步改善。因此为解决长期限制污水源热泵发展的防堵和防垢问题,本文将旋流分离技术应用到污水源热泵污水除污装置上,提出了引射强化污水旋流分离器,利用换热后的污水引射带走旋流分离的污杂物,创造污杂物暂离、净水取热环境。本文通过实验和数值模拟研究了引射对污水旋流分离器性能的强化作用,阐明了引射强化污水旋流分离器内连续相流场和颗粒行为特性,明晰了结构参数和操作条件对分离性能和流场的影响,从宏观和微观角度揭示了引射强化污水旋流分离规律。论文首先分析了现有污水源热泵除污技术与水力旋流分离技术的局限性,提出了引射强化污水旋流分离技术、引射强化污水旋流分离器和使用引射强化污水旋流分离器的污水源热泵系统。然后针对1953年Kelsall提出的折算分离效率,提出了更适用于评价污水源热泵中使用的引射强化污水旋流分离器分离性能的综合分离效率概念。其次,搭建了引射强化污水旋流分离器本体实验台,开展了不同入口流量、底流管直径、溢流管长度和入口压力下的实验研究。结果表明,引射强化污水旋流分离器对污杂物(4 mm)和砂子(75~250μm)的分离效率高(90%)且稳定,溢流浓度低,分流比小于10%,总静压损失小于20 kPa,并表现出越污浊,分离效率越高的特性。与底流管直径为0的旋流分离器(类似于底部带封闭集污槽并利用手动或自动排污阀间歇排污的传统旋流分离器)相比,该新型旋流分离器大幅减少了“溢流跑粗”的发生,将分离效率提高了41.6%~46.2%,实现了连续排污,而总静压损失却仅有轻微增加。与底部通大气的传统旋流分离器相比,引射功能利用水封消除了会降低分离效率的空气柱。为进一步从连续相流场和颗粒行为特性的微观角度揭示上述实验结果的产生机理,弥补实验工况的不足,论文运用计算流体力学的方法,采用Fluent软件建立了引射强化污水旋流分离器本体实验台的数值模型,用雷诺应力模型来捕捉旋流分离器内的三维强旋转各向异性湍流流动,用离散相模型来预测颗粒行为特性,并用不同底流管直径下实验和模拟得到的分流比验证了数值模型。通过数值模拟研究了底流管直径、溢流管长度、正向引射速度和反向引射速度对连续相流场、颗粒行为特性和总分离性能的影响。模拟结果表明,当底流管直径小于底流口直径时,底流管直径与分离效率和分流比成正比,该关系与传统旋流分离器的相应关系类似,也与本文实验结果一致;而当底流管直径大于底流口直径时,底流管内会出现加剧“溢流跑粗”的循环流,且内部循环流的强度与底流管直径成正比,导致底流管直径与分离效率和分流比成反比。当溢流管长度接近圆柱段长度时,密度足够大的颗粒的分离效率始终是100%;而当溢流管长度刚刚从圆柱段长度增加时,分离效率先降低再增加;相反,当溢流管足够长时,分离效率则随着溢流管长度的增加而轻微降低。与可变底流管直径的设计相比,调整正向或反向引射速度的设计可同时实现较高的分离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风险,即不降低底流口和底流管的承载能力。与正向引射相比,反向引射可降低最优引射速度,进而减小引射强化污水旋流分离器的运行成本,使其更加经济实用。本文从引射强化污水旋流分离器的宏观分离性能和微观流场与颗粒行为特性两方面揭示了引射强化污水旋流分离规律,具有重要的理论意义,也为解决长期限制污水源热泵发展的污水换热器防堵与防垢难题和长期限制旋流分离技术发展的底流管堵塞难题提供了新思路,对进一步提升污水源热泵和水力旋流器性能,拓展二者的应用领域具有显著的实用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】