污水源热泵系统取水换热工艺中污水流动与换热特性研究

摘要

污水源热泵技术在我国北方采暖地区已得到一定程度的应用，节能减排成效显著。但在工程中，污水源热泵系统取水换热工艺及其设备在设计和运行中存在污水物性参数取值难度大、流动与换热随机性大、系统运行维护难度大等实际问题，究其原因在于污水的关键工程设计参数（如污水的堵塞系数、沿程阻力系数和对流换热系数）影响因素多、取值难度大、缺乏合理的设计计算模型，最终导致难以形成较准确、合理的污水工程设计参数取值方法及系统化的污水源热泵工程设计方法，导致系统可靠性差和系统设计、运行能耗高。为此，本文将在现有工作的基础上，以进一步揭示污水管内流动与换热规律、完善污水源热泵系统设计方法为目标，以城市原生污水源热泵系统取水换热工艺中污水取水机堵塞特性、管内污水流动与对流换热特性的研究为核心内容，开展了理论与试验研究。
　　旋转孔板反冲洗滤面连续再生是开式循环污水取水机实现原生污水稳定取水的关键技术，孔板的结构形式、孔板大小、孔板旋转速度、孔眼大小及分布规律是设计开发该类污水取水机的核心问题。本文首先针对开式循环污水取水机中半淹没式旋转孔板优化设计问题，研究了半淹没式旋转孔板堵塞系数影响因素，建立了其水力学动态数学模型，通过对堵塞系数时间函数模型的离散化，得到了堵塞系数稳态模型，仿真研究了污杂物浓度、孔板淹没高度、孔板旋转速度对取水机堵塞系数及取水特性的影响程度，在此基础上，提出了开式循环污水取水机过滤孔板工程设计方法，为污水源热泵系统开式取水设备的设计提供了设计方法。
　　在污水源热泵工程现场建立污水管内流动换热特性试验系统，对研究污水管内流动沿程阻力特性和管内对流换热特性具有重要意义。本文根据污水管内流动与换热特性试验研究要求，选择大连某污水源热泵工程污水取水现场，建立了污水管内流动换热特性试验系统，分析了污水管内流动特性与换热特性试验方法及试验系统精度范围，为本文后续各章的研究提供现场试验条件。
　　污水输送管路和污水换热器管内污水流动阻力的计算，离不开污水管内沿程阻力系数。本文首先从理论上研究了污水管内流动本构特性、无污垢底层下管内污水流变特性、及在污垢底层下污水沿程阻力系数的变化规律。通过理论分析和试验测试，证明了本文所采用的现场污水管内流动具有非牛顿幂率流体特性。从圆管湍流切应力变化规律和附加切应力是因质点掺混而导致的动量输运率这一本质出发，在污水中的固体颗粒相间应用混合长度理论，得到了污水管内湍流切应力计算公式，进而得到管内污水湍流速度分布通用公式，提出了管内污水在实际工况下（有污垢底层）沿程阻力系数变化规律关联表达式，为工程设计中管内污水沿程阻力的计算提供了理论模型。
　　管内污水对流换热系数是设计开发卧式壳管式污水换热器的关键参数。本文在污水管内湍流速度分布通用模型的基础上，通过理论推导，建立了污水管内温度场分布通用公式。进而在未考虑管内污垢厚度的条件下，建立了污水管内换热热阻通用表达式，并依据临界污垢的概念及污水流变特性，证明了污水水质条件下可忽略管内污垢形成过程中诱导期的合理性。以Kern-Seaton微分方程为基础，建立了管内污水侧污垢沉积模型，分析表明，管内污水污垢沉积量呈现渐近型分布，污垢沉积量的渐进值与污杂物浓度呈正比、与污水平均流速呈反比，渐进时间与流速的平方成反比。最后，通过试验数据拟合，得到了污垢底层条件下污水管内污垢热阻模型。在上述研究的基础上，归纳了污水源热泵系统取水换热工艺设计方法，为污水源热泵系统的工程设计提供了参考。
　　最后，以本文前述工作的流动阻力系数、传热系数和污垢热阻的计算公式为基础，以大连某污水源热泵工程现场测试数据为计算依据，对比分析该工程污水换热器的流动阻力和传热系数，验证本文上述各章研究结果的准确性。通过本文所提出的经验公式对现有污水源热泵系统在取水工艺和换热设备的再设计分析表明，在取水工艺中采用基于沿程阻力系数变化的污水泵变频调速控制技术后可降低水泵运行能耗50.7％;在相同的传热温差下可降低换热器传热面积25％左右;在相同的传热面积条件下，可降低传热温差25％左右，可提高热泵机组的进水温度1℃，进而提高热泵机组的性能系数。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 污水源热泵技术应用前景广阔

1．1．2 污水源热泵工程存在的问题及研究意义

1．2 国内外研究现状及进展分析

1．2．1 污水源热泵取水过滤除污技术研究进展

1．2．2 管内流动沿程阻力特性研究进展

1．2．3 管内污垢热阻及污水对流换热研究进展

1．2．4 国内外研究现状小结

1．3 本文主要研究内容与思路

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 本文主要研究思路

2 开式取水机半淹没式旋转孔板污水堵塞特性研究

2．1 开式循环污水取水机基本结构

2．2 过滤孔板堵塞系数数学模型建立及求解

2．2．1 旋转孔板堵塞系数的定义

2．2．2 堵塞系数动态数学模型的建立

2．2．3 半淹没式旋转孔板堵塞系数的求解方法

2．3 孔板堵塞系数影响因素分析

2．3．1 污杂物浓度对孔板堵塞系数的影响

2．3．2 液面高度对取水机性能的影响

2．3．3 孔板旋转周期对取水机性能的影响

2．4 半淹没式旋转孔板防阻机设计方法

2．5 本章小结

3 原生污水换热管内流动与换热特性监测试验系统建立

3．1 城市污水水源特点

3．1．1 污水的水温

3．1．2 污水的水质

3．2 实验原理和方案设计

3．2．1 实验原理

3．2．2 实验方案设计

3．2．3 实验系统实施

3．2．4 实验系统调试

3．3 污水参数测量方法

3．3．1 基本参数测量

3．3．2 污水管内流动特性测量方法

3．3．3 污水管内换热特性测量方法

3．4 实验数据处理方法与实验系统误差分析

3．4．1 实验数据处理方法

3．4．2 实验系统误差分析

3．5 本章小结

4 污垢底层下管内污水湍流流动沿程阻力特性研究

4．1 原生污水的粘度及其流态判别

4．1．1 原生污水稠度系数和流变指数的确定

4．1．2 原生污水粘度的确定

4．1．3 管内污水流态判别方法

4．2 无污垢底层时管内污水湍流流动阻力系数的研究

4．2．1 污水湍流管内切应力

4．2．2 管内污水湍流速度分布

4．2．3 管内污水湍流的沿程阻力系数

4．3 有污垢底层时管内污水湍流流动阻力系数的研究

4．3．1 污垢底层对管内污水流动阻力系数的影响

4．3．2 管内污水流动阻力特性试验和结果分析

4．4 本章小结

5 污垢底层下管内污水对流换热特性研究

5．1 管内污水湍流换热特性的研究

5．1．1 管内污水湍流工况下的温度场分布

5．1．2 管内污水湍流工况下的换热准则关联式

5．1．3 管内污水湍流换热试验与结果分析

5．2 污水侧污垢诱导期和污垢模型的研究

5．2．1 污水侧污垢的诱导期

5．2．2 污垢沉积模型

5．2．3 污水侧污垢测试与结果分析

5．3 卧式壳管式污水换热器设计方法

5．4 本章小结

6 既有污水源热泵工程取水换热工艺关键设计参数对比分析

6．1 既有污水源热泵系统工程概述与性能测试

6．1．1 既有污水源热泵系统工程概述

6．1．2 既有污水源热泵系统性能测试

6．2 既有污水换热器流动换热特性测试与对比分析

6．2．1 污水换热器换热特性分析

6．2．2 污水换热器阻力特性分析

6．3 既有污水源热泵工程取水换热系统再设计对比分析

6．3．1 取水系统再设计对比分析

6．3．2 换热设备再设计对比分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介