處理后污水-原生污水熱泵的淋激式換熱器研究.pdf

1、在目前常用的浸沒(méi)式換熱器和殼管式換熱器不能較好的滿足使用要求的情況下，提出在污水源熱泵中使用淋激式換熱器。由于污水水質(zhì)的特殊性，應(yīng)對(duì)污水源熱泵中與污水接觸的換熱器結(jié)構(gòu)型式等問(wèn)題進(jìn)行深入研究。并將帶該淋激式換熱器的污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于哈爾濱某制藥廠中，回收處理后污水中的熱能加熱原生污水，以滿足該制藥廠污水生物處理對(duì)水溫的要求，保證低溫環(huán)境下污水生物處理的正常進(jìn)行，這是寒冷地區(qū)寒冷月份污水處理廠及其它污水處理場(chǎng)合的實(shí)際需要。
　　本文

2、針對(duì)淋激式換熱器和帶該換熱器的處理后污水-原生污水熱泵系統(tǒng)，主要的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下：
　?。?）建立水平管降膜流動(dòng)和換熱的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型方程進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換和無(wú)量綱化，將由于液膜厚度變化導(dǎo)致的不規(guī)則求解域轉(zhuǎn)換為規(guī)則的矩形求解域，給出該數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解法，編制計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)而對(duì)淋激式換熱器的降膜流動(dòng)特性，傳熱特性以及穩(wěn)定特性進(jìn)行研究。
　?。?）考慮管間流動(dòng)形態(tài)對(duì)液膜厚度的影響，分析三種情況下的液膜厚度分布差異，以及管間

3、距影響。分析在污水源熱泵的使用工作范圍內(nèi)，最有可能的是膜狀布液降膜流動(dòng)。膜狀布液降膜是管兩端液膜厚，中間薄，且液膜厚度變化受管間距影響較小。進(jìn)行無(wú)量綱液膜厚度的擬合關(guān)系研究，與其他文獻(xiàn)中有關(guān)膜厚實(shí)驗(yàn)擬合式對(duì)比，并通過(guò)天津大學(xué)的水平管降膜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　（3）研究了污水液膜內(nèi)速度分布，溫度分布，及 Nu的變化情況，并對(duì)可能影響液膜速度分布、溫度分布和換熱的因素及影響規(guī)律進(jìn)行分析。噴淋密度和粘度是影響液膜速度的關(guān)鍵因素，保證一定噴淋密

4、度的條件下，基本工況下大于0.148kg/(m.s)，淋激式換熱器在處理高粘度液體時(shí)，仍可以達(dá)到0.3m/s以上的平均速度，而且達(dá)到這樣的理想流速無(wú)需外加動(dòng)力，比殼管式換熱器節(jié)省動(dòng)力消耗。管徑對(duì)平均速度影響不大，但管徑的減小使液膜容易產(chǎn)生波動(dòng)，液膜穩(wěn)定性降低。液膜內(nèi)溫度分布，越靠近壁面處的液膜溫度沿圓周變化越明顯，越遠(yuǎn)離壁面，液膜溫度趨于一致。引入無(wú)量綱降膜換熱系數(shù) Nu，進(jìn)行擬合關(guān)系研究，并與其他文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)擬合式對(duì)比。對(duì)液膜的穩(wěn)定性，

5、包括波動(dòng)特性和破裂特性等進(jìn)行分析。在相同接觸角下，流量越大，越不易破裂；在相同熱流密度下，接觸角越大，越容易破裂。換熱管材對(duì)液膜穩(wěn)定性也有影響，鈦優(yōu)于不銹鋼，不銹鋼優(yōu)于紫銅。并提出目前預(yù)防破裂的可行措施。
　?。?）建立淋激式換熱器分布參數(shù)模型及整個(gè)系統(tǒng)模型，預(yù)測(cè)該處理后污水-原生污水熱泵在該制藥廠工況下的運(yùn)行情況，對(duì)三級(jí)淋激式換熱器的換熱情況作詳細(xì)模擬分析，并考察污垢熱阻對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)性能的影響趨勢(shì)和影響程度。在污垢熱阻較小時(shí)

6、，三級(jí)殼管式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)大于三級(jí)淋激式冷凝器，但隨著污垢熱阻的增大，殼管式換熱器傳熱系數(shù)的降低比淋激式換熱器快，減小的幅度比淋激式大。因此淋激式換熱器比殼管式換熱器更適合于結(jié)垢嚴(yán)重的原生污水換熱使用。
　?。?）提出淋激式換熱器強(qiáng)化傳熱方法，用異型管（橢圓管）來(lái)代替圓管。對(duì)橢圓管上液膜的速度分布、溫度分布，以及無(wú)量綱液膜厚度和無(wú)量綱降膜換熱系數(shù) Nu等進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)隨著形狀因子 a/b增大，平均液膜厚度減小，Nu增大，但膜

7、厚減小，Nu增大的趨勢(shì)逐漸減小，在基本工況下，a/b大于1.8以后，Nu隨 a/b的變化已不明顯。a/b=2的橢圓管的高降膜換熱系數(shù)區(qū)占半周長(zhǎng)的65％，而圓管的高降膜換熱系數(shù)區(qū)只占半周長(zhǎng)的48%。開(kāi)發(fā)管型，就是使相同圓周的管子上，具有較高傳熱膜系數(shù)的區(qū)域所占比例較大。建議選用形狀因子 a/b大于1小于1.8的橢圓管，能起到較顯著的強(qiáng)化傳熱的作用。
　　本課題研究是“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目六“水源地源熱泵高效應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與