長江上游地區(qū)地表水水質(zhì)對江水源熱泵運行特性的影響研究.pdf

1、在國家大力促進節(jié)能減排的背景下，發(fā)展可再生能源是積極應(yīng)對能源危機和氣候變化，提高能源的利用率，推進能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要措施，也是我國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的需要。
　　作為一種可再生能源的利用方式，江水源熱泵利用江河水作為熱泵冷熱源，溫度比空氣溫度更為穩(wěn)定，夏季比室外氣溫低，冬季比室外氣溫高，能夠獲得更高的性能系數(shù)。論文在對重慶段兩江江水水源概況進行了詳細(xì)的實驗研究及調(diào)研的基礎(chǔ)上，對發(fā)展江水源熱泵的應(yīng)用形式及關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究

2、，并通過實驗提出了長江上游地區(qū)特定水源條件下的水質(zhì)適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用污垢理論、兩相流及對流換熱理論對直接式江水源熱泵系統(tǒng)的機組換熱器污垢形成機理、對流動換熱特性及其管內(nèi)流動與換熱進行了理論與實驗研究，并取得了以下相關(guān)結(jié)論：
　　以重慶段長江、嘉陵江江水為例，對江水溫度橫斷面分布規(guī)律、隨時間的變化及其穩(wěn)定性進行了詳細(xì)的實驗調(diào)研與分析，得出江水溫度在整個過流斷面上分布均勻并無明顯分層現(xiàn)象，夏季保持在25℃左右，冬季保持在12℃左右，是一

3、種穩(wěn)定的冷熱源；江水作為冷熱源時必須解決的主要水質(zhì)問題是含沙量與濁度過高；江水懸移質(zhì)泥沙主要為粉砂和粘土；三峽庫區(qū)蓄水對重慶段江水水位與水溫影響不大，但泥沙粒徑會不斷細(xì)化。
　　通過對江水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用形式、能效利用以及環(huán)境影響評價的分析，提出適宜發(fā)展江水源熱泵技術(shù)的開式直接式系統(tǒng)，全年運行能耗比冷水機組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)及間接式江水源熱泵系統(tǒng)分別節(jié)約22％和15.8%，污染物排放量也大大減少，并有效促進了城市熱島效應(yīng)的緩解。

4、　　搭建了高效節(jié)能水源熱泵機組水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)實驗臺，對在不同水質(zhì)（含沙量、濁度）條件下的江水進入熱泵機組時機組性能變化等情況進行了實驗研究以及傳熱特性分析，提出當(dāng)水質(zhì)條件為含沙量≤100 g/m3，濁度≤100 NTU時可作為江水源熱泵合適的冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，驗證了重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)指標(biāo)中含沙量的建議值，增大了水質(zhì)指標(biāo)中濁度的建議值。
　　設(shè)計研發(fā)了具有專利技術(shù)的水流旋轉(zhuǎn)除渣防堵裝置以及濁水過濾自動排渣器，對不同水質(zhì)條件下的江水進入高效水

5、源熱泵機組時防堵除渣效果進行了實驗研究，采用絲網(wǎng)過濾及活性炭層吸附的方法，對江水中的泥沙顆粒及懸浮物進行自動過濾分離，能夠解決長江中上游地區(qū)進入熱泵機組的江水清污、防堵、防腐等關(guān)鍵問題，使得直接進入熱泵機組的江水水質(zhì)滿足推薦標(biāo)準(zhǔn)。
　　對影響江水源熱泵換熱器結(jié)垢因素分析可知，其關(guān)鍵因素為含沙量與濁度，并不包括藻類的作用。采用污垢熱阻監(jiān)測法研究了江水源熱泵系統(tǒng)換熱器管內(nèi)污垢在不同江水水質(zhì)條件下（含沙量、濁度）采用不同流速時隨時間的生

6、長特性以及變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)江水的含沙量>700.2 g/m3，濁度>252.2NTU時，污垢的形成將會產(chǎn)生誘導(dǎo)期；誘導(dǎo)期與流速成正比關(guān)系，而穩(wěn)定污垢熱阻值與流速成反比關(guān)系，在不同水質(zhì)（含沙量、濁度）條件下，換熱管內(nèi)穩(wěn)定污垢熱阻值最大可達(dá)1.80×10-4（m2·K)/W，而最小為0.40×10-4（m2·K)/W；除誘導(dǎo)期外，隨時間成波浪形上升的污垢熱阻值大體形狀接近指數(shù)函數(shù)曲線趨勢，并最終達(dá)到穩(wěn)定污垢熱阻。
　　根據(jù)工程經(jīng)

7、驗以及實驗研究，得出江水源熱泵換熱管污垢預(yù)測模型符合漸近增長模型，忽略污垢誘導(dǎo)期，根據(jù)本文第四章針對長江上游地區(qū)地表水水源提出的江水源熱泵合適的冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對在含沙量≤100 g/m3，濁度≤100 NTU的水質(zhì)條件下建立換熱管污垢預(yù)測模型，并對所提出的預(yù)測模型進行了驗證。
　　應(yīng)用顆粒動力方程對泥沙顆粒在江水中的受力情況進行了分析，并以顆粒動力學(xué)理論為基礎(chǔ)采用雙流體模型對含泥沙江水在換熱器管內(nèi)的流動狀態(tài)進行了模擬研究，可知兩

8、相流中固體顆粒相在水平方向體積分?jǐn)?shù)分布呈對稱狀態(tài)，而在管道軸向橫截面上沿豎直徑向方向呈梯度分布，管道頂部顆粒相濃度很低，底部顆粒相濃度較高。固體顆粒相與液相的速度分布水平方向上呈對稱狀態(tài)，而在垂直方向上不再呈對稱狀態(tài)，速度最大值出現(xiàn)于管道橫截面中心稍偏向上部區(qū)域。通過對流動過程中不同類型作用力對兩相間動量傳遞過程的影響分析，得到在含沙江水管內(nèi)湍流流動中曳力及湍流擴散力是兩相間動量傳遞的主要影響因素，直接影響顆粒相的濃度場分布。而附加質(zhì)量

9、力、Basset力、Magnuns升力及Saffman升力等對流動過程影響較弱。
　　通過對含沙江水管內(nèi)換熱的模擬研究發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒相體積分?jǐn)?shù)恒定時，換熱量隨江水流速的增加而增加，而江水流速恒定時，管內(nèi)換熱量隨泥沙顆粒相體積分?jǐn)?shù)也是逐漸增加的，當(dāng)泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)為11%時，最大變化幅度為25.8%。管內(nèi)平均對流換熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)Re的增加而不斷增加，這種趨勢隨著雷諾數(shù)Re的增大而更加明顯，在江水流速V=1.5m/s，泥沙顆粒體積分