污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝中污水流動(dòng)與換熱特性研究.pdf

1、污水源熱泵技術(shù)在我國北方采暖地區(qū)已得到一定程度的應(yīng)用，節(jié)能減排成效顯著。但在工程中，污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝及其設(shè)備在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在污水物性參數(shù)取值難度大、流動(dòng)與換熱隨機(jī)性大、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)難度大等實(shí)際問題，究其原因在于污水的關(guān)鍵工程設(shè)計(jì)參數(shù)（如污水的堵塞系數(shù)、沿程阻力系數(shù)和對流換熱系數(shù)）影響因素多、取值難度大、缺乏合理的設(shè)計(jì)計(jì)算模型，最終導(dǎo)致難以形成較準(zhǔn)確、合理的污水工程設(shè)計(jì)參數(shù)取值方法及系統(tǒng)化的污水源熱泵工程設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠

2、性差和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行能耗高。為此，本文將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，以進(jìn)一步揭示污水管內(nèi)流動(dòng)與換熱規(guī)律、完善污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為目標(biāo)，以城市原生污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝中污水取水機(jī)堵塞特性、管內(nèi)污水流動(dòng)與對流換熱特性的研究為核心內(nèi)容，開展了理論與試驗(yàn)研究。
　　旋轉(zhuǎn)孔板反沖洗濾面連續(xù)再生是開式循環(huán)污水取水機(jī)實(shí)現(xiàn)原生污水穩(wěn)定取水的關(guān)鍵技術(shù)，孔板的結(jié)構(gòu)形式、孔板大小、孔板旋轉(zhuǎn)速度、孔眼大小及分布規(guī)律是設(shè)計(jì)開發(fā)該類污水取水機(jī)的核心問題。本

3、文首先針對開式循環(huán)污水取水機(jī)中半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，研究了半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板堵塞系數(shù)影響因素，建立了其水力學(xué)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過對堵塞系數(shù)時(shí)間函數(shù)模型的離散化，得到了堵塞系數(shù)穩(wěn)態(tài)模型，仿真研究了污雜物濃度、孔板淹沒高度、孔板旋轉(zhuǎn)速度對取水機(jī)堵塞系數(shù)及取水特性的影響程度，在此基礎(chǔ)上，提出了開式循環(huán)污水取水機(jī)過濾孔板工程設(shè)計(jì)方法，為污水源熱泵系統(tǒng)開式取水設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)方法。
　　在污水源熱泵工程現(xiàn)場建立污水管內(nèi)流動(dòng)換熱特性試

4、驗(yàn)系統(tǒng)，對研究污水管內(nèi)流動(dòng)沿程阻力特性和管內(nèi)對流換熱特性具有重要意義。本文根據(jù)污水管內(nèi)流動(dòng)與換熱特性試驗(yàn)研究要求，選擇大連某污水源熱泵工程污水取水現(xiàn)場，建立了污水管內(nèi)流動(dòng)換熱特性試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了污水管內(nèi)流動(dòng)特性與換熱特性試驗(yàn)方法及試驗(yàn)系統(tǒng)精度范圍，為本文后續(xù)各章的研究提供現(xiàn)場試驗(yàn)條件。
　　污水輸送管路和污水換熱器管內(nèi)污水流動(dòng)阻力的計(jì)算，離不開污水管內(nèi)沿程阻力系數(shù)。本文首先從理論上研究了污水管內(nèi)流動(dòng)本構(gòu)特性、無污垢底層下管內(nèi)污水流

5、變特性、及在污垢底層下污水沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律。通過理論分析和試驗(yàn)測試，證明了本文所采用的現(xiàn)場污水管內(nèi)流動(dòng)具有非牛頓冪率流體特性。從圓管湍流切應(yīng)力變化規(guī)律和附加切應(yīng)力是因質(zhì)點(diǎn)摻混而導(dǎo)致的動(dòng)量輸運(yùn)率這一本質(zhì)出發(fā)，在污水中的固體顆粒相間應(yīng)用混合長度理論，得到了污水管內(nèi)湍流切應(yīng)力計(jì)算公式，進(jìn)而得到管內(nèi)污水湍流速度分布通用公式，提出了管內(nèi)污水在實(shí)際工況下（有污垢底層）沿程阻力系數(shù)變化規(guī)律關(guān)聯(lián)表達(dá)式，為工程設(shè)計(jì)中管內(nèi)污水沿程阻力的計(jì)算提供了理論

6、模型。
　　管內(nèi)污水對流換熱系數(shù)是設(shè)計(jì)開發(fā)臥式殼管式污水換熱器的關(guān)鍵參數(shù)。本文在污水管內(nèi)湍流速度分布通用模型的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)，建立了污水管內(nèi)溫度場分布通用公式。進(jìn)而在未考慮管內(nèi)污垢厚度的條件下，建立了污水管內(nèi)換熱熱阻通用表達(dá)式，并依據(jù)臨界污垢的概念及污水流變特性，證明了污水水質(zhì)條件下可忽略管內(nèi)污垢形成過程中誘導(dǎo)期的合理性。以Kern-Seaton微分方程為基礎(chǔ)，建立了管內(nèi)污水側(cè)污垢沉積模型，分析表明，管內(nèi)污水污垢沉積量呈現(xiàn)漸

7、近型分布，污垢沉積量的漸進(jìn)值與污雜物濃度呈正比、與污水平均流速呈反比，漸進(jìn)時(shí)間與流速的平方成反比。最后，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到了污垢底層條件下污水管內(nèi)污垢熱阻模型。在上述研究的基礎(chǔ)上，歸納了污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱工藝設(shè)計(jì)方法，為污水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了參考。
　　最后，以本文前述工作的流動(dòng)阻力系數(shù)、傳熱系數(shù)和污垢熱阻的計(jì)算公式為基礎(chǔ)，以大連某污水源熱泵工程現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，對比分析該工程污水換熱器的流動(dòng)阻力和傳熱系數(shù)，