污水源热泵系统污水换热器强化传热设计研究及对比分析

摘要

城市污水有极大的热损失。冬季的污水温度为10-16℃，比冬季的环境温度高。夏季的污水温度为20-26℃，比夏季的环境温度低。根据污水、地表水及地下水的特性，污水源热泵通过污水换热器与污水进行热量交换。污水源热泵通过对污水的再利用来解决全球水问题并实现可持续发展及废水热量的回收。
　　污水换热器需要具有可靠的防堵塞，防污染和防腐能力。由于城市污水成分复杂，在设计换热器时不仅要考虑提高换热器的传热系数，还要使换热器具有耐腐蚀、抑垢特性。传统换热圆管和内表面经过粗糙处理的换热管结构简单，传热效率不高，而且不能起到除垢、抑垢的作用。长时间的使用后污垢会在管内壁逐渐沉积，降低换热器的传热效率。
　　为提高换热器的传热效率，解决换热器的除垢、抑垢难题，本课题在前人的基础上通过分别在换热管中插入可旋转的柔性单螺旋、双螺旋及螺旋片对污水源热泵换热器做出改进。不仅可以增强圆管内部扰流，增大换热器的传热系数，还可以带动管内流体刮擦壁面，防止壁面结垢，从而起到抑垢的作用。
　　为了选出最优换热管，本课题采用数值模拟的方法对上述三种模型中流体的流动和换热过程进行了模拟计算。螺距和转速是对比分析模型换热特性的关键因素，除了对比单个模型在不同螺距、不同转速的传热特性之外，还对比不同模型在相同螺距或相同转速下的传热特性。通过模拟发现三种换热管的换热效率均随着转速的提高而提高，随着螺距的减小而提高，但是在对应螺距或转速相同时，单螺旋管与双螺旋管的换热效率几乎相同，而旋转螺旋片的换热效率远远大于另外两种换热管。
　　另外，本课题还单独分析了宽度对旋转螺旋片管换热的影响，发现该管的换热效率随宽度的增大而提高。宽度为2mm的旋转螺旋片管的出口截面平均温度刚好与同螺距和转速的旋转单螺旋管出口截面平均温度相同，结合两种模型的尺寸特点可以发现旋转单螺旋管相当于宽度为2mm的旋转螺旋片管。螺旋的螺距、转速、宽度的变化都会造成管内阻力变化，从而需要不同的管外动力。模拟结果表明：对于动力不足装置，本课题选择螺距为50mm、转速为10rad/s的旋转单螺旋管为最优换热管；对于动力强劲装置，本课题选择宽度为12mm、螺距为10mm、转速为40rad/s的旋转螺旋片管为最优换热管。因此，在实际工程中应根据具体情况来确定旋转螺旋的螺距、转速、宽度的大小。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 热泵的定义及其分类

1.3 常用热泵系统形式及其特点

1.4 污水源热泵特点及研究意义

1.5 本课题研究的主要内容

1.6 本章小结

第二章 污水源热泵系统的原理及经济性分析

2.1 污水源热泵系统的原理

2.2 污水源热泵换热器的选择

2.3 污水源热泵形式对比及选择

2.4 污水源热泵技术的经济性分析

2.5 本章小结

第三章 污水源热泵换热器强化传热设计

3.1 强化传热技术简介

3.2 无源强化传热技术在管壳式换热器中的应用

3.3 可旋转柔性螺旋的物理模型

3.4 本章小结

第四章 可旋转柔性螺旋CFD模拟

4.1 CFD理论与FLUENT软件介绍

4.2 模型选择及UDF对本课题的意义

4.3 内置可旋转柔性螺旋换热管数值模拟具体过程

4.4 本章小结

第五章 三种旋转螺旋换热管的模拟结果及对比分析

5.1 旋转螺旋换热管强化换热机理

5.2 螺距对三种旋转螺旋换热管强化换热的影响

5.3 转速对三种旋转螺旋换热管强化换热的影响

5.4 宽度对旋转螺旋片换热管强化换热的影响

5.5 最优换热管的选择

5.6 旋转螺旋换热管的抑垢分析

5.7 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢