污水热利用的相变换热器强化换热研究

摘要

城市污水是一种优良的绿色可再生能源，提高污水热能利用水平、深入发掘污水的能源利用潜力对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义。污水源热泵技术是实现污水热能回收利用的关键途径之一，热泵系统的整体性能又要受换热器的制约。现有的换热器在应对由水质造成的堵塞、腐蚀、污水侧换热效率低等方面还存在一些问题。热管是一种高效的换热元件，推动热管在污水源热泵系统中的应用研究对于有效解决上述问题是一次有意义的尝试。本文从研发高效污水换热器的角度出发，探索了折流板结构对换热器流动-传热性能的影响，明确了折流板结构对强化相变换热器换热性能的可行性。
　　本文由污水换热器的设计着手，分析了热管换热器在污水中应用的理论基础及可能的途径，根据减少控制热阻的可能途径，结合在工程实践中应用比较成熟的壳管式换热器的设计方法，提出了在光管换热器中引入折流板结构以强化传热效果的可能性。理论部分主要包含：①热管传热机理分析及热管在污水热能利用中的构想；②热管传热过程分析及各部分传热热阻比较，提出可行的强化传热途径；③优化实验组、对照组换热器的设计，确定各部分结构参数；④分析换热器流动-传热性能，明确流动-传热路径，为后续实验开展及数据分析奠定理论基础。
　　实验阶段，考虑了流体的进口方式以及换热器的结构不同（有无折流板），可能会对换热器的性能产生的影响，设计了无折流板流动-换热实验（对照组）、有折流板流动-换热实验（实验组）。分析实验组与对照组的实验数据，找到换热器性能最优的工况。考虑到换热器实际运行过程中，蒸发段、冷凝段流量都是变化的，还测试了蒸发段、冷凝段同时变流量下换热器的流动-传热性能。实验结束后，将理论计算值和实验数据进行了对比分析和误差分析。
　　结合理论分析和实验数据对比，本文得出了以下结论：1)流体进口方式对对照组换热器的性能是有影响的，上-上工况下的对照组换热器性能最优。2)冷凝流速对实验组换热器的性能是有影响的，传热量和传热系数随污水流速增大而增大；蒸发段与冷凝段长度的比值对换热器的传热性能有较大影响，l1/l2由480/220改变为1和220/480，整体传热系数分别提升了35％和56%。3)引入折流板后换热器的传热性能有明显的改善。4)蒸发段变流量运行，清水流量最小时，换热器的流动-传热性能最优。最优工况下污水流速为0.44m/s，传递单位热量的功耗为2.19Pa/W，Eh的值为415.39。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 城市污水热利用现状

1.3 相变换热器在污水源热泵技术中的应用

1.4 课题研究内容及技术路线

1.5 本章小结

2 应用于污水热利用的热管换热器理论分析

2.1 重力热管的传热机理

2.2 重力热管的传热特性

2.3 应用于污水热利用的相变换热器构想

2.4 相变换热器换热性能评价

2.5 本章小结

3 相变换热器强化换热实验设计

3.1实验原理

3.2 相变换热器设计

3.3 换热器的热力计算

3.4 实验台搭建

3.5 本章小结

4 实验数据处理及分析

4.1 无折流板换热器流动-换热实验

4.2 有折流板换热器流动-换热实验

4.3 实验组与对照组换热器性能对比

4.4 变流量下上-上换热器的性能

4.5 实验误差分析

4.6 本章小结

5 结果及展望

5.1实验结论

5.2 论文创新点

5.3 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录