污垢堆積特性及除污型污水蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、利用污水源熱泵系統(tǒng)(WastewaterSourceHeatPump,WWSHP)對(duì)污水廢熱進(jìn)行回收具有重要的節(jié)能環(huán)保意義。由于污水水質(zhì)較差,在廢熱回收過程中污水換熱器表面會(huì)形成一層污垢,從而導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能下降,因此需要周期性除污來保證換熱設(shè)備的正常運(yùn)行。目前常見的方法有兩種:一種是人工拆卸清洗,另一種是設(shè)計(jì)大尺寸或高流速的換熱器來抵消污垢的影響。前者浪費(fèi)人工既臟又累,后者則未能從根本上克服污垢,增加成本和運(yùn)行費(fèi)用。針對(duì)污水換熱器

2、結(jié)垢問題,本文對(duì)污垢堆積特性進(jìn)行了機(jī)理研究來尋求有效的抑垢除垢方法;針對(duì)洗浴廢水這類水質(zhì)的污水搭建了廢熱回收實(shí)驗(yàn)臺(tái),來研究污垢對(duì)實(shí)際熱回收系統(tǒng)的影響以及系統(tǒng)運(yùn)行特性;提出了一種適用于污水源熱泵系統(tǒng)的具有除污功能的殼管式污水蒸發(fā)器來保證污水廢熱回收系統(tǒng)的高效性和可靠性。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　本文首先從機(jī)理上分析了污垢堆積過程,搭建了污垢堆積特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了污水換熱過程中各因素對(duì)污垢形成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,污水中直徑較

3、小的粒子是形成污垢的主要成分。污水流速越大,漸近污垢熱阻越小,沉積在換熱器表面的粒子平均直徑也越小。污水低流速運(yùn)行時(shí),在污垢形成初期,污垢反而增強(qiáng)換熱,此時(shí)的污垢熱阻定義為“負(fù)污垢熱阻”。但污水在高流速運(yùn)行時(shí),這種現(xiàn)象并不出現(xiàn)。當(dāng)污水換熱器安裝在污水泵吸入口時(shí),形成的漸近污垢熱阻以及沉積粒子的平均直徑比安裝在污水泵出口時(shí)要高。污垢成分分析測(cè)試結(jié)果表明,污垢中主要成分為無機(jī)物。
　　為了研究實(shí)際工程中污垢對(duì)污水換熱器的影響,在某洗浴

4、中心搭建了利用浸泡式蒸發(fā)器(ImmersedEvaporator,IE)進(jìn)行洗浴廢水廢熱回收的熱泵系統(tǒng)。研究了洗浴廢水這類水質(zhì)的污水中形成的污垢對(duì)系統(tǒng)的影響,以尋求合適的污垢去除方法。本文對(duì)不同運(yùn)行工況下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,應(yīng)用水泵使浸泡式蒸發(fā)器內(nèi)污水上下循環(huán)流動(dòng)可減弱甚至消除溫度在垂直方向的不均勻分布現(xiàn)象,并能改善污水源熱泵的性能和壓縮機(jī)的吸氣壓力。通過對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)一個(gè)月的性能監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),由于換熱器表面污垢的生長(zhǎng),系

5、統(tǒng)COP逐漸減小,因此對(duì)污水換熱器進(jìn)行定期清洗是十分必要的。同時(shí),污垢生長(zhǎng)導(dǎo)致污水管道的最大運(yùn)輸能力下降,且第一個(gè)月下降程度最大,在隨后的四個(gè)月下降不明顯。與幾種傳統(tǒng)熱水加熱系統(tǒng)的成本以及運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比結(jié)果表明,該廢熱回收熱水系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。
　　針對(duì)換熱器污垢問題,提出了WWSHP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——具有除污功能的干式殼管式污水蒸發(fā)器(Dry-ExpansionShell-and-TubeEvaporator,DESTE)。

6、在該洗浴中心搭建了利用DESTE換熱器進(jìn)行廢熱回收的WWSHP系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)DESTE的運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。連續(xù)一個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)表明,一個(gè)月后系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)器換熱能力、系統(tǒng)COP均因受到換熱器表面污垢的影響而降低。一個(gè)月后利用DESTE換熱器的除污裝置對(duì)換熱器進(jìn)行了除污,并對(duì)除污前后的系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果表明,除污后制冷劑的平均蒸發(fā)溫度、換熱能力、COP在很大程度上有了提高,基本恢復(fù)到潔凈時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。這些

7、測(cè)試結(jié)果表明該換熱器具有高效的除污功能。
　　將傳統(tǒng)的IE換熱器和本文提出的DESTE換熱器在WWSHP系統(tǒng)(IE-WWSHP和DESTE-WWSHP)中的運(yùn)行和換熱特性進(jìn)行了對(duì)比分析,包括不同的熱水設(shè)定溫度、污水排放流量和形式,熱水排放模式(連續(xù)/間斷)等。并從初投資、運(yùn)行費(fèi)和環(huán)保方面對(duì)兩種換熱器進(jìn)行分析。結(jié)果表明,DESTE換熱器可以取代傳統(tǒng)IE換熱器。DESTE-WWSHP系統(tǒng)中的污水儲(chǔ)水箱內(nèi)污水溫度分布比IE-WWSHP系

8、統(tǒng)均勻;DESTE-WWSHP系統(tǒng)的熱水加熱能力比傳統(tǒng)IE-WWSHP系統(tǒng)高;DESTE換熱器污水側(cè)換熱系數(shù)、DESTE緊湊度均比IE換熱器的高,因此體積比IE換熱器小很多。分析表明,在除污方面,DESTE-WWSHP較IE-WWSHP系統(tǒng)節(jié)省勞動(dòng)力和電能,同時(shí)避免難聞氣體的泄漏造成的空氣污染。
　　為進(jìn)一步了解DESTE換熱過程,對(duì)其流動(dòng)與換熱機(jī)理進(jìn)行了分析,根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒,建立了該干式殼管式污水蒸發(fā)器的換熱模

9、型。在驗(yàn)證了模型的有效性后,利用該模型對(duì)不同制冷劑和污水流速下的換熱管內(nèi)制冷劑的壓力、空泡率、比焓以及溫度分布進(jìn)行了模擬。對(duì)比分析了除污前后兩側(cè)流體的溫度分布以及制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的變化。模擬研究了污垢的形成過程對(duì)污水換熱器換熱特性的影響。確定了最小污水流量、最優(yōu)污水流量以及最佳除污污垢熱阻。
　　本課題研究是“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“水源地源熱泵高效應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2006BAJ01A06)的一部分。本文工作對(duì)深入