長江水源熱泵換熱器研究.pdf

1、在國家大力提倡節(jié)能減排的形勢下,發(fā)展可再生能源是緩解我國能源短缺局面、調(diào)整我國能源結構的不合理性、保護環(huán)境的有效方式,是實現(xiàn)社會和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必由之路。相對于空氣溫度而言,江河水水溫度更為穩(wěn)定,冬季比室外氣溫高,夏季比室外氣溫低,是一種較好的建筑用冷熱源。論文在對長江重慶段江水水源概況進行詳細實驗調(diào)研的基礎上,對發(fā)展長江水源熱泵的技術路線和關鍵技術展開了研究。應用湍流流動理論、計算流體力學、兩相流和對流換熱理論,對長江水源熱泵用換熱

2、器進行理論和實驗研究。研究方法、內(nèi)容和成果如下:以長江重慶段江水為例,對江水溫度的日逐時變化、日平均變化和月平均變化進行了詳細實驗調(diào)研和分析,得出江水日波動在0.5℃以內(nèi),與氣溫日波動10幾℃相比,是一種穩(wěn)定的冷熱源;江水的橫斷面水溫分布均勻;江水做水源熱泵的冷熱源的主要水質問題是泥沙含量和水中的懸浮物,長江懸移質泥沙主要為粉砂和粘土。三峽庫區(qū)的形成對重慶段江水夏季水位影響較小,因此江水水質變化不大。通過對長江水源熱泵系統(tǒng)的技術路線、節(jié)

3、能性和環(huán)保性分析,提出了適合發(fā)展長江水源熱泵技術的開式直接系統(tǒng)。開式直接江水源熱泵可分別比冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能減排33％和40%。由于江水的流動性,江水源熱泵系統(tǒng)可有效緩解城市熱島效應。江水泥沙顆粒的運動規(guī)律是兩相流研究的基礎。論文對顆粒運動微分方程進行詳細的分析討論,建立了三維顆粒運動微分方程的直接模擬數(shù)值方法。分析了顆粒在液體中受到非線性曳力、Basset力以及虛擬質量力作用時的沉降規(guī)律。對顆粒在流體中的阻力和

4、升力進行了量級分析,得到在液體中的顆粒運動,除了考慮慣性力、曳力、壓力梯度力和重力外,需要考慮Basset力以及虛擬質量力,而Saffman升力和Magnus升力則主要在靠近壁面的附近起作用。應用大渦模擬和顆粒相直接模擬技術對顆粒在突擴管內(nèi)的擴散進行了數(shù)值分析,結果表明隨著St P數(shù)的增加,顆粒的擴散度是減小的,也可以看出由于湍流的作用,流場對小粒徑顆粒的攜帶能力更強。對江水換熱引起的污垢熱阻,采用熱力學第一、二定律和熵產(chǎn)分析法,分析污

5、垢對管內(nèi)對流換熱過程性能的影響。從污垢的形成過程看,熵增率是逐漸增加的,同時引起整個對流換熱過程的不可逆性的增加。在相關理論研究的基礎上,論文首先根據(jù)江水的水質特點對適合于長江水源熱泵的換熱器型式進行了分析討論,分別提出了適合大型機組換熱器型式(專利申請?zhí)?00810069811.1)和中小型機組的單流道套管式換熱器。對影響套管式換熱器泥沙分離的半圓環(huán)形折返管內(nèi)流動、換熱以及兩相流進行了數(shù)值模擬,得出折返管內(nèi)存在明顯的二次流現(xiàn)象,并且由

6、于二次流的作用,使得換熱管的對流換熱性能較直管有一定的增加。而含沙江水兩相流采用兩流體連續(xù)介質模型,對不同曲率折返管內(nèi)含沙江水兩相流進行了數(shù)值模擬,得到當R/r在10～40的范圍內(nèi),泥沙分離出現(xiàn)極小值的結果。在以上分析的基礎上設計內(nèi)壁采用光滑,外壁帶有螺旋槽的換熱內(nèi)管,折返管彎曲度為R/r=12的實驗用套管換熱器,并采用數(shù)值方法對換熱器的換熱性能、阻力以及泥沙兩相流進行了分析,換熱性能和阻力分析結果表明,采用計算流體力學分析方法可滿足工