新型在线自除污换热装置研究

摘要

能源与环境问题的压力日趋严重，“节能减排”已成为世界各国发展的大政方针。城市污水具有水温适中、数量巨大、分布广泛等特点，是很好的可再生的绿色低位能源，采用热泵技术从中提取热能具有很好的应用前景。但由于污水水质极差，污水源热泵系统中换热器污染严重，目前只能采取人工的定期或不定期除污方式，同时用增大换热面积来抵消换热过程中污垢热阻的影响，增加了系统的投资和维护工作量。开发在线、自动的防除垢技术是本文的研究目标。
　　本文在总结国内外换热器污垢特性和除污对策的基础上，针对污水换热器结构及其中所形成污垢的特点，开发了两种在线自除污换热装置，主要工作如下：
　　结合实验，从污垢成份，结构，形成过程，影响因素及剥离机制阐述污水换热器污垢特点，讨论污水换热器在线除污的可行的思路。
　　基于阻抗和热阻监测原理构建城市污水流动换热实验台，该实验台可进行单管或换热器整体污垢特性和除垢效果实验。相对于目前常用的压降法，阻抗法受污垢以外因素变化影响较小，可以更准确的反映换热管的污垢特性和除污效果，此外该方法无须固定流量，即时测量实验管段的进出口压差和流量的变化，反映的是实际运行中换热管污垢特性。
　　实验研究不同管径换热管的污垢特性，定义污垢当量厚度和污垢当量导热系数的概念，根据实验数据反推得到工程上常用污水换热管的最大污垢当量厚度在0.7mm左右，换热管内所成混合垢当量导热系数为1.07W/(m.K)左右。
　　通过单管污垢特性和单管自冲污运行参数优化实验，得到除污效果与冲洗流速，冲洗周期，冲洗时间及换热管管径的关系如下：以一个采暖期内换热管污垢阻抗平均降低率做为评价指标评价除污效果，污垢阻抗平均降低率随冲洗流速的增加而增大，冲洗流速从小流速段（2m/s～2.5m/s）增加到中流速段(3m/s～3.5m/s)，污垢阻抗平均降低率增加了12.82％，进一步增加冲洗流速到大流速段(5m/s～5.5m/s)，其又增加了28.42%；污垢阻抗平均降低率随冲洗周期的增加而减小，冲洗周期从10小时分别增加到20小时和50小时，其分别降低了6.09%和20.66%；污垢阻抗平均降低率随冲洗时间的增大而增大，洗时间从1分钟增加到5分钟其值增加了2.84%，进一步增加冲洗时间到10分钟，其值只增加了0.53%；管径大的换热管除垢效果略好于管径小的换热管，DN25的换热管比DN20的换热管污垢阻抗平均降低率增加了4.50%。
　　开发在线自冲洗除污换热装置，阐述其原理、结构及运行方式；结合经济技术分析确定了在线自清洗除污换热装置冲洗方案；设计加工小型样机，实验研究其除污效果及可靠性；实验结果表明样机机械性能良好，以5m/s冲洗流速，以10小时为冲洗周期，轮流冲洗换热管1分钟，可保证一个采暖期内换热样机的污垢阻抗和污垢热阻平均降低率均在70%以上。
　　开发在线拉环式自除污换热装置，阐述其原理、结构及运行方式；设计加工在线拉环式自除污换热样机，实验研究其除污效果及机械性能；实验结果表明，样机运行稳定可靠，以10小时为除垢周期，每次启动刮环10分钟，可保证一个采暖期内换热器的污垢阻抗和污垢热阻平均降低率均在82%以上。
　　本文来源于非清洁水源热泵系统实际工程中遇到的实际问题，也是国家自然科学基金项目（编号：50578048）的重要内容之一。换热设备的使用范围极广，故本文的研究成果对促进电力、化工、机械等行业节能降耗，提高经济效益也具有实用价值。

目录

论文封面.doc

新型在线自除污换热装置研究

Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题的背景与意义

1.2 国内外该领域的研究现状及分析

1.2.1 换热器污垢特性研究现状

1.2.2 换热器污垢对策研究现状

1.3 本文的研究内容

第2章 污水换热器内污垢特点

2.1 污水换热器内污垢的成份与结构

2.1.1 污垢的成份

2.1.2 污垢的分层结构

2.2 生物垢的形成过程

2.3 影响生物垢形成的因素

2.3.1 换热器流动的介质

2.3.2 换热器的运行参数

2.3.3 换热器的结构参数

2.4 污垢的剥离

2.5 本章小结

第3章 城市污水流动与换热实验台

3.1 污垢监测方法

3.1.1 阻抗法

3.1.2 热阻法

3.2 实验系统

3.2.1 单管实验系统

3.2.2 换热器实验系统

3.3 实验误差分析

3.3.1 阻抗法误差分析

3.3.2 热阻法误差分析

3.4 实验台的热平衡实验

3.5 本章小结

第4章 在线自冲洗除污换热器

4.1 在线自冲洗除污换热器的结构及原理

4.1.1 换热管束高压头轮流冲洗装置

4.1.2 HRF换热器的形式

4.1.3 HRF换热器的工作原理

4.1.4 其他保障措施

4.2 HRF换热器合理的运行参数

4.2.1 单管污垢特性实验

4.2.2 单管自冲污运行参数优化实验

4.3 HRF换热器的冲洗方案

4.3.1 技术可行性分析

4.3.2 经济可行性分析

4.4 HRF换热样机的设计加工

4.5 HRF换热器的整体实验

4.5.1 未启动冲污注水头时HRF换热器的工作状况

4.5.2 启动冲污注水头时HRF换热器的除污效果

4.6 本章小结

第5章 在线拉环式自除污换热器

5.1 在线拉环式自除污换热器的结构及原理

5.1.1 拉环联动机构

5.1.2 换热器结构

5.1.3 其它保障措施

5.1.4 MRF换热器工作原理

5.2 MRF换热样机的设计加工

5.3 MRF换热器的整体实验

5.3.1 未启动拉环机构时MRF换热器的工作状况

5.3.2 启动拉环机构时MRF换热器的除污效果

5.4 本章小结

结 论

参考文献

附 录

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