高效防堵除污型污水换热器研制及换热特性研究

论文摘要

针对现有污水源热泵系统中污水对换热设备的阻塞、除污难以及换热效率低等问题,在分析污水的特性对污水换热器阻塞、污染及对污水换热器防堵除污技术研究的基础上,提出了新型的污水源热泵系统用自除污壳管式换热器的设想,设计了污水-水换热器、污水-制冷剂换热器（干式壳管式换热器）等两种形式的污水换热器,得到一系列污水-水换热器、污水-制冷剂换热器在不同换热量下的结构尺寸,并研制了污水-水换热器的小尺寸模型,进一步验证了换热器的易加工性和可行性。对比两类换热器结果表明:干式壳管式换热器（污水-制冷剂换热器）比污水-水换热器的换热效率提高很多。基于能量守恒方程、换热关联式,分别建立了污水-水换热器、污水-制冷剂换热冷凝器以及污水-制冷剂换热蒸发器的分布参数数学模型。针对多个管程、多个壳程相互耦合的复杂的传热过程,提出新的求解思想,即把空间位置各点逐次求解的思路扩展到时间顺序领域,先假设时间初始状态点,反复互推迭代直至稳定状态,便得到要求的解。基于该求解方法,对换热器的换热特性进行了模拟研究,得到了污水及制冷剂沿管程及壳程的温度分布及污水特性对换热特性的影响,结果表明:换热器结构设计偏大时会出现“热量反交换”现象,并指出了容易出现这种现象的空间位置,为换热器的优化提供了参考;随着污水流量的增加,换热器的换热特性大大提高,但其作为蒸发器和冷凝器时的换热器的影响有所区别。本文对污水换热器的防堵、除污技术进行了大胆设想和探索性研究,其成果对污水对换热设备的阻塞、除污难以及换热效率低等问题解决有着重要意义,并为小型干式壳管式污水源热泵机组开发奠定了坚实的基础。本课题是“十一五”国家科技支撑计划重大项目——“水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范”（2006BAJ01A06）内容的一部分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本课题的研究背景与意义
• 1.2.1 我国的能源资源现状与未来
• 1.2.2 我国的环境污染状况
• 1.2.3 城市污水的排放与处理现状
• 1.2.4 城市污水的特点
• 1.2.5 污水回收再利用的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外应用技术现状
• 1.3.2 国内应用技术现状
• 1.3.3 技术与研究的不足
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 污水-水壳管式换热器的设计
• 2.1 自动除污型壳管式换热器的研制
• 2.2 污水-水换热器的设计要求
• 2.3 污水-水换热器的设计依据
• 2.3.1 能量守恒关系式
• 2.3.2 两侧流体的换热温差
• 2.3.3 传热系数的计算
• 2.3.4 壳管式换热器的结构尺寸
• 2.3.5 压降的设计
• 2.4 冬季工况下污水-水换热器的设计
• 2.4.1 冬季工况下的设计参数
• 2.4.2 冬季污水-水换热器的设计结果
• 2.5 夏季工况下污水-水换热器的设计
• 2.5.1 夏季工况下的设计参数
• 2.5.2 夏季污水-水换热器的设计结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 污水-制冷剂干式壳管式换热器的设计
• 3.1 自动除污型干式壳管式换热器的研制
• 3.2 冬夏两季热泵机组换热情况的分析
• 3.2.1 冬夏两季系统图与参数
• 3.2.2 冬夏两季运行工况的分析
• 3.3 干式壳管式污水换热器的设计依据
• 3.3.1 传热系数的计算
• 3.3.2 传热温差的计算
• 3.3.3 制冷剂的质量流速
• 3.3.4 压力降的计算
• 3.3.5 结构尺寸公式
• 3.4 污水-制冷剂冷凝器的设计结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 污水-水壳管式换热器换热模型及求解
• 4.1 壳管式换热器的结构
• 4.2 壳管式换热器（夏季工况）数学模型
• 4.2.1 建模思路
• 4.2.2 微元内模型方程
• 4.3 模型求解
• 4.3.1 求解方法
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 干式壳管式换热器（冷凝器）模型及求解
• 5.1 干式壳管式换热器的结构
• 5.2 干式壳管式换热器（冷凝器）的数学模型
• 5.2.1 建模思路
• 5.2.2 微元内模型方程
• 5.3 模型求解
• 5.3.1 求解方法
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 干式壳管式换热器（蒸发器）模型及求解
• 6.1 干式壳管式换热器作为蒸发器的数学模型
• 6.1.1 模型假设
• 6.1.2 模型的建立
• 6.2 模型的求解
• 6.2.1 求解方法
• 6.2.2 结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢