直接式原生污水源热泵系统的防堵技术及换热特性研究

摘要

城市污水中蕴含有丰富的低位热能,将其作为热泵的冷热源为建筑供热空调具有巨大的开发利用价值。
　　城市污水的水质极为恶劣。其热工与流动性能与清水有很大不同。污水处理厂中的二级出水(排放水)接近清水的水质,但由于污水处理厂多位于远离城市建筑群的郊区,因此真正具有巨大开发利用价值的是遍布城区污水渠中的原生污水。
　　传统的热泵空调机组对水质有严格的要求。因此目前在利用原生污水的热泵系统中多为避免污水直接进热泵系统的蒸发器或冷凝器而设置一个中间换热的措施,即所谓“间接式系统”,这种间接式系统不仅要增加中间换热设备而且要增加系统的火用损失,故开发污水直接进机组的热泵系统,即所谓“直接式系统”,从污水源热泵技术产生以来就对学术与工程界具有巨大的诱惑力。
　　直接式污水源热泵系统由于污水水质的特殊性,必须解决以下关键问题:
　　(1)对过滤和防阻塞的效率和可靠性提出了更高的要求;
　　(2)必须认清污水的流动、换热以及污垢热阻的特性与规律;
　　(3)必须认清污水蒸发器、冷凝器的换热特性;
　　(4)直接式热泵系统两换热器的合理匹配与性能。
　　本文对此主要进行了下述研究工作:
　　直接式污水源热泵系统能够长时间连续安全换热,首要前提是必须保证大尺度污物不进入机组的换热器中。针对已在间接式污水源热泵系统中普遍应用的污水防阻设备,通过工程实践和测试,总结发现:
　　(1)丝状纤维类污物是阻塞滤面的最大诱因;
　　(2)参考传统做法,仅靠过滤孔直径难以衡量防阻机滤面的过滤与再生能力;
　　(3)不可避免的存在内漏混水的情况。
　　论文建立了以缠绕长度、反冲效率、内漏率、换热保证率为核心的,包括滤孔直径、反冲面积比、转速、阻力等在内的防阻机设计指标体系,并通过工程测试确定了最佳的缠绕长度、反冲面积比和清洁周期,为防阻的科学合理设计及工程选用提供了合理依据。
　　设计并在哈尔滨太平污水处理厂搭建了城市原生污水性能研究实验台,实验研究了城市原生污水在各种管材圆管内紊流流动时的污垢热阻特性,流动阻力特性及对流换热特性。通过大量实验数据总结出各种常用换热管内污垢热阻增长规律,以及污垢热阻稳定值与管内污水流速的函数关系、污水紊流流动的阻力系数计算式及换热准则关联式。实验表明污垢增长模型为时间的渐进型函数,在同管径同流速下污水的流动阻力系数约为清水的1.08～1.12倍,对流换热系数约为清水的0.75～0.82倍。这些基础数据与经验公式为污水源热泵系统的换热设备研发、系统设计等提供了较为可靠的依据。
　　依据污水流动、换热及污垢热阻特性、换热管污水侧难以强化换热的特点,建立了污水蒸发器与冷凝器的分布参数模型,编制了仿真程序并进行了大量的数值研究,给出了污水蒸发器和冷凝器的传热系数范围,以及污水温度和流量变化对换热器换热特性的影响规律。发现与常规水源热泵的两换热器相比,污水蒸发器与冷凝器内污水以四流程为宜,冷凝器内蒸汽过热段所占比例较大,过热对冷凝换热影响明显,为系统换热器设计以及系统性能分析打下基础。
　　通过直接式污水源热泵系统建模与数值仿真,给出了直接式系统的效能范围,以及污水温度对效能的影响规律。规定了污水源热泵机组的标准设计工况,并深入分析了污水蒸发器、冷凝器面积匹配比与机组制热量、制冷量、出力比之间的关系。由于污水源热泵机组具有更大的适宜面积比范围和出力比范围,提出不同地区采取不同面积比进行热泵机组设计的理念。最后给出了非标准工况下热泵机组的特性以及设计与选型原则。
　　本文通过研究主要解决了直接式污水源热泵系统所面临的防堵塞可靠性、污水流动与换热计算方法、污水蒸发器与冷凝器的换热特性、机组换热器匹配等问题,为直接式污水源热泵技术的发展奠定了一定的理论基础。

目录

哈尔滨工业大学博士学位论文

直接式原生污水源热泵系统的防堵技术及换热特性研究

Clog-proof Technique and Heat Exchange Characteristic Research of the Direct Untreated Sewage Source Heat Pump System

摘要

Abstract

符号表

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 直接式污水源热泵系统的防堵技术研究

2.1 引言

2.2 污水防阻机的过滤与再生数学模型

2.3 污水防阻机工程实践问题总结与分析

2.4 滤孔缠绕长度及其对反冲效率的影响

2.5 防阻机混水特性及对换热的影响

2.6 滤面设计与评价指标

2.7 防阻机与换热器的清理维护措施

2.8 本章小结

第3章 城市原生污水流动与换热特性实验

3.1 引言

3.2 实验原理与方法

3.3 实验平台设计与实验方案

3.4 实验测试的参数及方法

3.5 实验结果与分析

3.6 实验系统误差分析

3.7 本章小结

第4章 直接式污水源热泵系统换热器的换热特性

4.1 引言

4.2 直接式污水源热泵系统换热器整体设计

4.3 直接式污水源热泵系统换热器的仿真模型

4.4 换热器在非设计工况下的换热特性

4.5 本章小结

第5章 直接式污水源热泵系统性能与两换热器匹配

5.1 引言

5.2 直接式污水源热泵系统的仿真模型

5.3 直接式污水源热泵系统性能的仿真结果

5.4 直接式污水源热泵系统两换热器的匹配特性

5.5 非标况下两换热器匹配与系统性能

5.6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历