处理后污水-原生污水热泵的淋激式换热器研究

摘要

在目前常用的浸没式换热器和壳管式换热器不能较好的满足使用要求的情况下，提出在污水源热泵中使用淋激式换热器。由于污水水质的特殊性，应对污水源热泵中与污水接触的换热器结构型式等问题进行深入研究。并将带该淋激式换热器的污水源热泵系统应用于哈尔滨某制药厂中，回收处理后污水中的热能加热原生污水，以满足该制药厂污水生物处理对水温的要求，保证低温环境下污水生物处理的正常进行，这是寒冷地区寒冷月份污水处理厂及其它污水处理场合的实际需要。
　　本文针对淋激式换热器和带该换热器的处理后污水-原生污水热泵系统，主要的研究内容和研究成果如下：
　　（1）建立水平管降膜流动和换热的数学模型，并对模型方程进行变量转换和无量纲化，将由于液膜厚度变化导致的不规则求解域转换为规则的矩形求解域，给出该数学模型的数值解法，编制计算机程序，进而对淋激式换热器的降膜流动特性，传热特性以及稳定特性进行研究。
　　（2）考虑管间流动形态对液膜厚度的影响，分析三种情况下的液膜厚度分布差异，以及管间距影响。分析在污水源热泵的使用工作范围内，最有可能的是膜状布液降膜流动。膜状布液降膜是管两端液膜厚，中间薄，且液膜厚度变化受管间距影响较小。进行无量纲液膜厚度的拟合关系研究，与其他文献中有关膜厚实验拟合式对比，并通过天津大学的水平管降膜实验验证。
　　（3）研究了污水液膜内速度分布，温度分布，及 Nu的变化情况，并对可能影响液膜速度分布、温度分布和换热的因素及影响规律进行分析。喷淋密度和粘度是影响液膜速度的关键因素，保证一定喷淋密度的条件下，基本工况下大于0.148kg/(m.s)，淋激式换热器在处理高粘度液体时，仍可以达到0.3m/s以上的平均速度，而且达到这样的理想流速无需外加动力，比壳管式换热器节省动力消耗。管径对平均速度影响不大，但管径的减小使液膜容易产生波动，液膜稳定性降低。液膜内温度分布，越靠近壁面处的液膜温度沿圆周变化越明显，越远离壁面，液膜温度趋于一致。引入无量纲降膜换热系数 Nu，进行拟合关系研究，并与其他文献中实验拟合式对比。对液膜的稳定性，包括波动特性和破裂特性等进行分析。在相同接触角下，流量越大，越不易破裂；在相同热流密度下，接触角越大，越容易破裂。换热管材对液膜稳定性也有影响，钛优于不锈钢，不锈钢优于紫铜。并提出目前预防破裂的可行措施。
　　（4）建立淋激式换热器分布参数模型及整个系统模型，预测该处理后污水-原生污水热泵在该制药厂工况下的运行情况，对三级淋激式换热器的换热情况作详细模拟分析，并考察污垢热阻对污水源热泵系统性能的影响趋势和影响程度。在污垢热阻较小时，三级壳管式蒸发器的传热系数大于三级淋激式冷凝器，但随着污垢热阻的增大，壳管式换热器传热系数的降低比淋激式换热器快，减小的幅度比淋激式大。因此淋激式换热器比壳管式换热器更适合于结垢严重的原生污水换热使用。
　　（5）提出淋激式换热器强化传热方法，用异型管（椭圆管）来代替圆管。对椭圆管上液膜的速度分布、温度分布，以及无量纲液膜厚度和无量纲降膜换热系数 Nu等进行研究。研究发现随着形状因子 a/b增大，平均液膜厚度减小，Nu增大，但膜厚减小，Nu增大的趋势逐渐减小，在基本工况下，a/b大于1.8以后，Nu随 a/b的变化已不明显。a/b=2的椭圆管的高降膜换热系数区占半周长的65％，而圆管的高降膜换热系数区只占半周长的48%。开发管型，就是使相同圆周的管子上，具有较高传热膜系数的区域所占比例较大。建议选用形状因子 a/b大于1小于1.8的椭圆管，能起到较显著的强化传热的作用。
　　本课题研究是“十一五”国家科技支撑计划项目六“水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范”（2006BAJ01A06）的一部分。本文工作对深入认识淋激式换热器降膜流动换热，以及在污水源热泵中切实使用淋激式换热器提供理论指导，并对推广巧用污水源热泵，在诸如药厂、啤酒厂、医院、游泳馆等特殊场合因地制宜地就地回收污水热能，并就地使用提供有益参考和借鉴。

目录

处理后污水-原生污水热泵的淋激式换热器研究

THE RESEARCH OF SPRAY HEAT EXCHANGER IN TREATED SEWAGE-RAW SEWAGE HEAT PUMP

摘要

Abstract

符号表

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 热泵回收污水热能的研究现状

1.2.2 我国城市污水热能情况及潜力分析

1.2.3 污水换热器结构形式及除垢过滤等设备研究现状

1.2.4 污水处理系统内部热能回收与利用研究现状

1.2.5 淋激式换热器模型研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 淋激式换热器水平管降膜模型研究

2.1 淋激式换热器的提出

2.2 水平管降膜换热模型

2.2.1 坐标系建立

2.2.2 模型假设

2.2.3 控制方程

2.2.4 边界条件

2.3 模型求解

2.3.1 变量变换和无量纲化

2.3.2 网格的划分和控制方程的离散

2.3.3 计算机求解

2.4 本章小结

第3章 水平管管间流动形态及液膜厚度研究

3.1 滴状布液情况

3.2 柱状布液情况

3.3 膜状布液情况

3.4 管间流动形态分析及本文情况

3.5 膜状布液降膜流动液膜厚度影响因素分析

3.5.1 角度 变化对液膜厚度 的影响

3.5.2 喷淋密度 对液膜厚度 的影响

3.5.3 粘度对液膜厚度影响

3.5.4 管径对液膜厚度的影响

3.6 膜状布液平均液膜厚度和无量纲液膜厚度

3.7 结果验证

3.8 本章小结

第4章 水平管降膜流动特性、传热特性及稳定特性研究

4.1 液膜内速度分布

4.1.1 液膜内各点速度分布

4.1.2 沿膜厚的平均速度分布

4.1.3 喷淋密度对速度的影响

4.1.4 粘度对速度的影响

4.1.5 管径对液膜速度的影响

4.1.6 综合影响

4.2 液膜传热特性数值模拟结果及分析

4.2.1 液膜内温度分布

4.2.2 液膜内无量纲降膜换热系数

4.3 液膜稳定特性模拟结果及分析

4.3.1 液膜波动特性研究

4.3.2 液膜破裂特性研究

4.4 本章小结

第5章 淋激式换热器管束模型及热泵系统模型

5.1 淋激式换热器的结构设计

5.2 淋激式换热器（冷凝器）数学模型

5.2.1 建模思路

5.2.2 微元内模型方程

5.2.3 模型求解

5.3 压缩机模型

5.4 膨胀阀模型

5.5 蒸发器模型

5.6 热泵系统仿真算法

5.7 本章小结

第6章 淋激式换热器及系统模拟结果

6.1 设定工况下系统模拟结果

6.2 三级淋激式换热器的换热情况

6.3 污垢热阻变化对系统性能的影响

6.4 防垢、抑垢和除垢措施

6.4.1 前期防垢措施

6.4.2 中期抑垢措施

6.4.3 后期除垢措施

6.5 本章小结

第7章 淋激水平椭圆管降膜换热研究

7.1 淋激水平椭圆管降膜换热器的提出

7.2 淋激水平椭圆管降膜换热器结构

7.3 淋激水平椭圆管板降膜换热模型

7.3.1 几何模型

7.3.2 淋激水平椭圆管降膜换热模型及求解

7.4 淋激水平椭圆管淋激降膜换热数值模拟结果

7.4.1 水平椭圆管外液膜厚度

7.4.2 水平椭圆管外液膜速度分布

7.4.3 水平椭圆管外液膜温度分布

7.4.4 水平椭圆管外液膜平均Nu的变化

7.4.5 水平椭圆管与圆管液膜局部Nu随圆周的变化比较

7.5 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

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

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历