城市污水流动与换热及污垢增长特性研究

论文摘要

能源与环境问题的压力日趋严重,“节能减排”已成为世界各国发展的大政方针。城市原生污水以水温适中、数量巨大、分布广泛等特点,成为极佳的可再生绿色低位能源。但由于城市污水的水质很差、对换热设备污染严重等问题限制了城市污水低位冷热源的推广与应用。把握污染对流动换热的影响是污水冷热源应用的重要问题之一。该方向上研究成果的成熟程度目前还不足以指导工程应用。本文围绕污水对换热设备的污染问题,对城市原生污水的流动、换热特性、设备污垢对系统流动换热的影响、钛纳米聚合物涂料在换热管内的应用等进行了分析,旨在为污水冷热源的应用与推广提供依据。污水的流动与换热特性是污水冷热源系统分析与应用的基础。论文通过实验对污水的流变特性进行了测定,分析得出了污水流变本构方程。论文还对污水在圆管中的速度分布与温度分布进行了分析,推导了圆管中污水紊流流动的阻力系数计算式与换热准则关联式。并给出与清水相比,流动阻力增大与对流换热系数减小的幅度。如何把握与克服污水换热设备的污垢对系统流动换热的影响是应用的重点难题。论文通过对换热设备内污垢成分的分析,发现污染换热设备的主要为有机污垢。论文分析了其增长模型,并发现流速对污垢的沉积过程影响很大。论文通过实验数据总结出了多种常用换热管内污垢热阻的增长模型;结果表明其为随时间变化的渐近型函数。在污垢对流动阻力的影响方面,论文进行了换热器的整体实验,得到了简便实用的污垢压降模型。纳米涂料的应用是对污水换热器防、抗垢技术的新探索。论文依据污水及管内污垢的特性选择适当的纳米涂料,并对纳米涂料管内的污水流动、换热、污垢增长特性等进行了实验研究。通过经济技术参数的对比分析,获知采用适合的纳米涂料是抗垢的有效手段。本文对城市原生冷热源系统内污水对换热设备污染特性的研究与分析,为污水冷热源的工程设计、设备开发,系统管理与进一步的研究提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 能源与环境问题
• 1.1.2 城市污水作为冷热源的优点
• 1.1.3 城市污水作为冷热源的主要问题
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 非清洁水源热泵研究现状
• 1.2.2 污水的流动与换热特性研究现状
• 1.2.3 污水换热器内污垢特性的研究
• 1.2.4 除垢对策
• 1.2.5 自清洁纳米技术的开发与应用
• 1.3 国内外研究现状分析小结
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 实验系统及方法
• 2.1 实验系统
• 2.1.1 单管段实验系统
• 2.1.2 换热器实验系统
• 2.2 污垢增长的监测方法
• 2.2.1 热阻法
• 2.2.2 压降法
• 2.3 系统误差的检测与数据处理方法
• 2.3.1 实验系统误差的检测与分析
• 2.3.2 实验数据的处理方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 城市污水的流动与换热特性
• 3.1 城市污水的流变特性
• 3.1.1 相关理论
• 3.1.2 测试原理
• 3.1.3 实验结果与分析
• 3.2 污水在圆管中的流动特性
• 3.2.1 层流沿程阻力系数
• 3.2.2 紊流沿程阻力系数
• 3.2.3 圆管中紊流速度分布
• 3.2.4 污水与清水流动阻力系数的对比
• 3.3 污水在圆管中的换热特性
• 3.3.1 定热流紊流圆管温度场与换热准则关联式
• 3.3.2 紊流换热实验结果与分析
• 3.3.3 紊流换热的准则关联式
• 3.4 误差分析
• 3.4.1 流动阻力系数
• 3.4.2 对流换热系数
• 3.5 对污水使用牛顿流体模型的探讨
• 3.6 本章小结
• 第4章 污垢及其对流动换热的影响
• 4.1 污垢的成分及形态
• 4.1.1 烘干灼烧失重分析
• 4.1.2 电子探针能谱分析
• 4.1.3 污垢内生物扫描电镜分析
• 4.2 污垢增长的动态分析
• 4.2.1 有机物污垢的沉积模型
• 4.2.2 污垢沉积对传热的影响
• 4.2.3 污垢增长的压降预测模型
• 4.3 污垢对系统流动换热影响的实验研究
• 4.3.1 单管段实验
• 4.3.2 壳管式换热器实验
• 4.3.3 换热器内污垢对流动阻力的影响
• 4.4 误差分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 纳米涂料的抗垢效能
• 5.1 抗垢纳米材料的自清洁机理
• 5.1.1 纳米技术
• 5.1.2 自清洁原理
• 5.1.3 纳米涂层的超疏水性机理
• 5.1.4 钛纳米聚合物涂料的特点
• 5.2 纳米涂层管的应用实验及分析
• 5.2.1 污水在纳米涂层管内的流动特性
• 5.2.2 污水在纳米涂层管内的换热特性
• 5.2.3 纳米涂层管内的污垢增长特性
• 5.2.4 纳米防垢涂层的抗垢评价
• 5.3 采用纳米涂料管的技术经济分析
• 5.3.1 经济评价指标
• 5.3.2 主要计算参数
• 5.3.3 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历