长江水源热泵换热器研究

论文摘要

在国家大力提倡节能减排的形势下,发展可再生能源是缓解我国能源短缺局面、调整我国能源结构的不合理性、保护环境的有效方式,是实现社会和环境可持续发展的必由之路。相对于空气温度而言,江河水水温度更为稳定,冬季比室外气温高,夏季比室外气温低,是一种较好的建筑用冷热源。论文在对长江重庆段江水水源概况进行详细实验调研的基础上,对发展长江水源热泵的技术路线和关键技术展开了研究。应用湍流流动理论、计算流体力学、两相流和对流换热理论,对长江水源热泵用换热器进行理论和实验研究。研究方法、内容和成果如下:以长江重庆段江水为例,对江水温度的日逐时变化、日平均变化和月平均变化进行了详细实验调研和分析,得出江水日波动在0.5℃以内,与气温日波动10几℃相比,是一种稳定的冷热源;江水的横断面水温分布均匀;江水做水源热泵的冷热源的主要水质问题是泥沙含量和水中的悬浮物,长江悬移质泥沙主要为粉砂和粘土。三峡库区的形成对重庆段江水夏季水位影响较小,因此江水水质变化不大。通过对长江水源热泵系统的技术路线、节能性和环保性分析,提出了适合发展长江水源热泵技术的开式直接系统。开式直接江水源热泵可分别比冷水机组+燃气锅炉系统和空气源热泵系统节能减排33%和40%。由于江水的流动性,江水源热泵系统可有效缓解城市热岛效应。江水泥沙颗粒的运动规律是两相流研究的基础。论文对颗粒运动微分方程进行详细的分析讨论,建立了三维颗粒运动微分方程的直接模拟数值方法。分析了颗粒在液体中受到非线性曳力、Basset力以及虚拟质量力作用时的沉降规律。对颗粒在流体中的阻力和升力进行了量级分析,得到在液体中的颗粒运动,除了考虑惯性力、曳力、压力梯度力和重力外,需要考虑Basset力以及虚拟质量力,而Saffman升力和Magnus升力则主要在靠近壁面的附近起作用。应用大涡模拟和颗粒相直接模拟技术对颗粒在突扩管内的扩散进行了数值分析,结果表明随着St P数的增加,颗粒的扩散度是减小的,也可以看出由于湍流的作用,流场对小粒径颗粒的携带能力更强。对江水换热引起的污垢热阻,采用热力学第一、二定律和熵产分析法,分析污垢对管内对流换热过程性能的影响。从污垢的形成过程看,熵增率是逐渐增加的,同时引起整个对流换热过程的不可逆性的增加。在相关理论研究的基础上,论文首先根据江水的水质特点对适合于长江水源热泵的换热器型式进行了分析讨论,分别提出了适合大型机组换热器型式（专利申请号200810069811.1）和中小型机组的单流道套管式换热器。对影响套管式换热器泥沙分离的半圆环形折返管内流动、换热以及两相流进行了数值模拟,得出折返管内存在明显的二次流现象,并且由于二次流的作用,使得换热管的对流换热性能较直管有一定的增加。而含沙江水两相流采用两流体连续介质模型,对不同曲率折返管内含沙江水两相流进行了数值模拟,得到当R/r在10～40的范围内,泥沙分离出现极小值的结果。在以上分析的基础上设计内壁采用光滑,外壁带有螺旋槽的换热内管,折返管弯曲度为R/r=12的实验用套管换热器,并采用数值方法对换热器的换热性能、阻力以及泥沙两相流进行了分析,换热性能和阻力分析结果表明,采用计算流体力学分析方法可满足工程应用的要求,可作为工程辅助设计的参考,而泥沙两相流分析的结果表明换热器不会出现泥沙堵塞的现象。在换热器实验研究方面,为了验证数值模拟的结果,论文对换热器分离堵塞进行了实验研究,得到换热器在泥沙流动稳定后,不会出现由于泥沙的分离而产生堵塞现象。最后论文对所设计换热器进行了热泵机组的冬季实验和夏季实验研究,经过实际工况的分析,换热器没有出现堵塞现象,同时换热器性能良好,能够得到实际应用,有推广的价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 江水源热泵的研究
• 1.2.1 江水源热泵的研究
• 1.2.2 江水源热泵的特点和适应性
• 1.3 液固两相流研究进展
• 1.4 换热器两相流研究进展
• 1.5 课题研究内容和方法
• 2 长江重庆段水温水质及水位变化研究
• 2.1 长江水温度的测试
• 2.1.1 长江水温度的横断面分布
• 2.1.2 长江水温度的时间变化分析
• 2.2 长江水水质测试分析
• 2.2.1 水质测试
• 2.2.2 长江水泥沙粒径分析
• 2.3 长江重庆段水位变化分析
• 2.3.1 三峡水库156m 蓄水前水位变化分析
• 2.3.2 三峡水库156m 蓄水后175m 蓄水前水位变化分析
• 2.3.3 三峡水库175m 蓄水后水位变化分析
• 2.3.4 库区形成前后的水位变化对比分析
• 2.4 重庆以上长江流域大规模水电梯级开发对重庆段水温水质影响的趋势分析
• 2.5 本章小结
• 3 长江水源热泵工程技术路线分析
• 3.1 长江水源热泵系统利用方式分析
• 3.1.1 长江水源热泵开式系统和闭式系统分析
• 3.1.2 江水利用方式技术比较
• 3.2 长江水源热泵系统技术分析
• 3.2.1 长江水源热泵与常规空调系统的能耗比较
• 3.2.2 长江水源热泵与常规空调采暖系统的一次能源利用率比较
• 3.3 长江水源热泵系统的环保分析
• 3.3.1 热污染分析
• 3.3.2 有害气体排放量分析
• 3.4 长江水源热泵系统关键技术问题的提出
• 3.5 本章小结
• 4 长江水换热器流动传热的数学模型及其数值处理分析
• 4.1 长江水换热的湍流理论其数学描述分析
• 4.1.1 湍流理论的涡粘分析
• 4.1.2 湍流的数学描述
• 4.2 长江水换热器湍流模型的数值模拟方法
• 4.2.1 雷诺时均模型
• 4.2.2 大涡模拟
• 4.3 边界层处理方法
• 4.3.1 边界层理论基础
• 4.3.2 边界层数值模拟处理方法
• 4.4 湍流模型控制方程的离散
• 4.5 本章小结
• 5 长江水换热器液固两相流的模拟分析
• 5.1 长江水泥沙颗粒的受力分析
• 5.2 泥沙颗粒运动微分方程及其数值分析方法
• 5.2.1 颗粒运动微分方程
• 5.2.2 颗粒运动方程数学处理方法
• 5.3 泥沙颗粒沉降机理分析
• 5.3.1 线性非记忆方程
• 5.3.2 非线性非记忆方程
• 5.3.3 线性记忆方程
• 5.3.4 非线性记忆方程
• 5.4 泥沙颗粒受力量级分析
• 5.5 泥沙液固两相流湍流模拟
• 5.5.1 突扩管内湍流流场模拟
• 5.5.2 颗粒扩散的湍流模型
• 5.5.3 颗粒湍流扩散模拟
• 5.6 本章小结
• 6 长江水换热器污垢热阻形成及热力学分析
• 6.1 长江水污垢及其形成
• 6.1.1 污垢的分类
• 6.1.2 污垢的形成过程
• 6.2 长江水污垢对换热器管内对流换热影响的解析
• 6.2.1 未考虑污垢时管内对流换热过程的熵产和传热量
• 6.2.2 考虑污垢时管内对流换热过程的熵产和传热量
• 6.2.3 污垢对管内湍流换热影响的熵增率
• 6.3 长江水污垢对管内对流换热过程影响的数学分析
• 6.3.1 数值分析流程
• 6.3.2 长江水污垢对管内对流换热影响的熵产分析
• 6.3.3 长江水污垢对管内湍流换热影响的熵增率分析
• 6.4 本章小结
• 7 长江水源热泵用换热器方案研究
• 7.1 长江水源热泵用换热器方案讨论
• 7.2 换热管流动传热特性和长江水两相流的模拟分析
• 7.2.1 半圆环形折返管流动传热分析
• 7.2.2 半圆环形折返管液固两相流分析
• 7.3 长江水源热泵用换热器设计
• 7.3.1 长江水源热泵用换热器设计流动理论分析
• 7.3.2 换热器结构形式设计方案
• 7.3.3 实验用换热器设计
• 7.4 换热器传热与流动阻力数值模拟
• 7.4.1 CFD 数学模型及数值求解方案
• 7.4.2 模拟结果分析
• 7.5 换热器含沙江水两相流数值模拟
• 7.5.1 数值模型及边界条件设定
• 7.5.2 模拟结果分析
• 7.6 换热器泥沙分离堵塞实验研究
• 7.6.1 实验系统设计
• 7.6.2 实验步骤
• 7.6.3 实验结果及分析
• 7.7 长江水源热泵实验研究
• 7.7.1 实验目的及实验系统组成
• 7.7.2 实验数据及分析
• 7.8 本章小结
• 8 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录