城市污水源热泵工质的流动特性研究

论文摘要

城市污水是一种优良的低温余热源,污水源热泵能够充分利用城市污水的废热,相对于常规空调系统在初投资及运行方面具有明显优势,而且相对其它的热泵系统也有突出的优点,所以开展城市污水热能利用技术的研究具有节能和环保意义。目前,国内大量研究都侧重于污水源热泵系统的价值与前景方面,缺乏基础理论的指导。城市污水的流动特性是污水源热泵系统水力与换热工况设计计算的重要问题,是系统稳定运行的关键,由于对城市污水流动特性的研究严重缺乏,因此在管路与换热设备的设计方面缺少理论依据。目前由于水源热泵获得了大量推广应用,城市污水受到了很大关注,实际的应用趋势已超前于理论研究现状,加快这方面的理论研究具有重要实际意义。城市污水中含有大量污物,包括大小尺度泥沙类和悬浮纤维类,是一种固液两相、固相多组分流体,微观的流动机理和管内的速度分布是十分复杂的,尤其是污物的尺径分布广,不规则,很难建立精确描述的物理数学模型,考虑到污水冷热源系统需要的是污水宏观的流动与换热特性,因此将污水流动视为均质流,将固相污物存在的影响归结到流体粘度特性之中。所以本课题主要从单相非牛顿流体方向对城市污水进行流动特性的研究。本文首先从实验的角度出发,用流变仪直接测出了城市污水源热泵工质剪切速率和剪应力的关系,然后使用系统辨识的方法,确定了污水源热泵工质的流变特性,得出其本构方程。结果表明,该工质属于屈服-假塑性流体。在此基础上推导了污水源热泵工质管内层流流动的流速分布式、流量和压降的计算式,与实验结果吻合良好。总结了污水源热泵工质管内紊流流动的经验公式,用布拉修斯型经验公式作了对比验证。对比结果表明,在工程范围的管径内,经验公式的结果完全符合要求。最后,通过数值模拟的方法研究了污水换热管层流状态下入口段长度和管径的关系。这些都为污水换热管的阻力设计,污水泵的流量、扬程选择问题提供了设计依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及目的意义
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 城市污水类问题研究现状
• 1.3.2 非牛顿流体研究现状
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 非牛顿流体的基本理论
• 2.1 非牛顿流体的定义
• 2.2 非牛顿流体的分类
• 2.2.1 非时变性非牛顿流体
• 2.2.2 时变性非牛顿流体
• 2.3 非牛顿流体在管道中的流动
• 2.3.1 均匀流动方程式
• 2.3.2 牛顿流体的圆管层流
• 2.3.3 粘性流体的圆管层流
• 2.4 本章小结
• 第3章 城市污水源热泵工质的流变特性
• 3.1 非牛顿流体流变测量的特点
• 3.2 流变测量的基本原理
• 3.3 系统辨识
• 3.3.1 系统辨识的概述
• 3.3.2 系统辨识的定义及分类
• 3.3.3 系统辨识的步骤
• 3.4 城市污水源热泵工质本构方程的确定
• 3.5 本章小结
• 第4章 城市污水源热泵工质管内流动阻力特性
• 4.1 污水源热泵工质阻力特性实验
• 4.1.1 实验台构造
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 污水源热泵工质管内层流阻力特性
• 4.2.1 污水源热泵工质圆管层流流速分布
• 4.2.2 污水源热泵工质圆管层流流量
• 4.2.3 污水源热泵工质圆管层流压降
• 4.3 污水源热泵工质管内紊流阻力特性
• 4.3.1 经验公式总结
• 4.3.2 阻力经验公式的验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 污水源热泵工质管内层流流场数值模拟
• 5.1 Fluent对非牛顿流体粘度的定义
• 5.2 Fluent中非牛顿流体的模型
• 5.3 管内层流流场数值模拟
• 5.3.1 模型的建立
• 5.3.2 网格的划分
• 5.3.3 方程的离散及收敛标准确定
• 5.3.4 模拟流场的正确性验证
• 5.3.5 换热管层流入口段的数值模拟
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢