直接式污水源热泵用淋激式换热器研究

摘要

城市污水具有温度特性好、流量大和热容大等优点，使其成为了较理想的低温热源与热汇。在污水源热泵应用中，一方面直接式污水源热泵系统相较与间接式系统具有较大的优势，是未来污水源热泵技术的开发重点及发展方向；另一方面污水换热器对于污水源热泵系统的性能影响较大，在众多污水换热器中，淋激式换热器具有结构简单开放、膜态换热效率高及在结垢严重的情况下仍具有较好的操作性等优点。因此，针对淋激式换热器在直接式污水源热泵中的应用研究具有较大的意义。
　　本文针对淋激式换热器在直接式污水源热泵中的应用进行了理论与实验两部分内容的研究。其中，理论部分的研究主要介绍了水管外降膜模型、对淋激式换热器换热过程的传热传质进行了分析提出了相应数学模型公式和分析了换热管外污垢的形成过程及污垢热阻监测的方法。对于实验研究部分，本文通过搭建以淋激式换热器为蒸发器的直接式污水源热泵系统的实验台，定义了喷淋百分比κ，对系统能效比主要影响因素（喷淋密度、空气进口温度和污水温度）、淋激式换热器换热主要影响因素（喷淋密度、喷淋方式和污水温度）、换热管外污垢热阻随时间变化特性进行了实验研究并得出了以下研究成果：
　　①能效比随着喷淋密度的增大而增大，且存在一个最佳喷淋密度使得能效比达到最大，当喷淋密度大于最佳喷淋密度继续增加时，能效比甚至有所下降。能效比随着空气进口温度的增加而逐渐降低，随着污水温度增大而增加。
　　②当淋激式换热器的结构确定时，喷淋密度是影响其换热管外流态的主要因素，随着喷淋密度的逐渐增大其换热管外流态由滴状流态逐渐向柱状流态过渡最后变为膜状流态。在本实验淋激式换热器管间距为4d0，未安装成膜装置的情况下，较难形成完成的膜态流状，在Γ=0.053kg/（m·s）即喷淋百分比κ=155％左右时，膜态流状最明显，但最主要的流状是柱状和膜状的混合状态。
　　③淋激式换热器的换热系数及换热量均在达到最佳喷淋密度之前随着喷淋密度的增大而增加，在达到最佳喷淋密度时，随着喷淋密度的继续增加换热系数及换热量均出现了增幅减缓甚至有所下降，针对本实验台，最佳喷淋密度为0.055kg/（m·s），即κ为160%左右。
　　④改善淋激式换热器的喷淋方式对增强其换热有一定作用，本实验中在淋激式换热器的中部设置了一根喷淋管能改善污水的喷淋均匀性，主要增强了换热器底部换热管外的污水喷淋效果从而增强换热器的换热器效果，此方法在工程上具有一定应用价值。
　　⑤在不同污水温度及喷淋密度下，本实验系统中淋激式换热器其换热管外出现了不同程度的结冰，增加了换热热阻，影响了换热效果。在工程应用上，为了减轻结冰，在污水温度低于10℃时，喷淋百分比κ应大于120%，在污水温度为10℃左右时，喷淋百分比κ应大于90%，在污水温度大于10℃时，喷淋百分比κ应大于60%，对于污水温度较低地区应适当的加大喷淋密度。
　　⑥淋激式换热器其换热管外污垢热阻随时间变化特性呈锯齿形增长，基本不存在诱导期，在系统运行70h后稳定在一定范围，且随着污水温度的增大其稳定污垢热阻有所增加
　　⑦利用实验数据拟合了淋激式换热器其换热管外对流换热系数实验关联式，对其工程应用起到一定的指导作用。

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主要符号表

1 绪 论

1.1研究背景

1.2研究现状及分析

1.3本课题研究意义及研究内容

1.4本章小结

2 淋激式换热器基本理论研究

2.1水平圆管管外降膜传热模型研究

2.2淋激式换热器的传热传质分析

2.3换热管外污垢的形成机理分析

2.4本章小结

3 淋激式换热器实验研究

3.1实验目的

3.2实验系统

3.3实验方案

3.4实验误差分析

3.5本章小结

4 实验数据处理及结果分析

4.1能效比影响因素研究

4.2喷淋密度对换热影响研究

4.3喷淋方式对换热影响分析

4.4污水温度对换热影响研究

4.5换热管外污垢热阻特性研究

4.6淋激式换热器管外对流换热系数实验关联式

4.7本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2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论文的目录