污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程流化除垢與強(qiáng)化換熱方法.pdf

1、城市污水、江河水、湖水、地下水、海水等是理想的低位冷熱源，這些水體以城市污水水質(zhì)最差，污水源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際工程遇到的問題最為突出，主要表現(xiàn)在污物堵塞換熱設(shè)備、污垢嚴(yán)重與換熱性能低下等方面。本文針對污水中小尺度污物所引起的污垢等問題開展研究，首先探討污水取水換熱過程中污垢的形成機(jī)理，進(jìn)而將流化床換熱技術(shù)引入污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程的防、除垢應(yīng)用中，理論分析與實(shí)驗(yàn)研究均表明流化床換熱技術(shù)可有效解決污水中小尺度污物所引起的污垢等問題，其在污

2、水源熱泵系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景，本文主要工作及結(jié)論如下： (1) 針對污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程中的污垢特征，將污垢的形成過程分為五個(gè)部分，將污垢的附著機(jī)制分為物理．化學(xué)機(jī)制與微生物機(jī)制；將污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱中的污垢分為緊貼壁面的黏膜層與黏膜生長增厚層；基于污垢在緊貼壁面的黏膜層與黏膜生長增厚層中受力不同的特點(diǎn)，考慮到城市污水中微生物自身的生理特性，采用Kem-Seaton模型探討了污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱中污垢的形成機(jī)理，

3、解釋了增大流速可以抑制污垢與高流速條件下污垢仍然存在的原因，指出了徹底解決污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱中污垢問題的關(guān)鍵在于形成剝離力大于附著力的狀態(tài)。 (2) 探討了污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程中垢層的力學(xué)性能，緊貼換熱壁面的污垢所能承受的最大破壞應(yīng)力超過 100Pa。在污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱中對流化固體粒子防、除垢機(jī)理起主要作用的是液固兩相流對垢層的剪應(yīng)力與固體粒子對垢層的碰撞應(yīng)力，考慮碰撞應(yīng)力以接觸面中心成對稱分布的特點(diǎn)，修正了已有

4、碰撞應(yīng)力模型，對剪應(yīng)力與碰撞應(yīng)力進(jìn)行分析表明剪應(yīng)力隨著循環(huán)流速與固體粒子的體積分率增大而增大，固體粒子對垢層的碰撞應(yīng)力隨著固體粒子徑向速度和密度的增大而增大，液固兩相流對垢層的剪應(yīng)力的數(shù)量級是帕，而固體粒子對垢層的碰撞應(yīng)力數(shù)量級在千帕以上，單靠剪應(yīng)力的增大無法達(dá)到垢層的最大破壞應(yīng)力。固體粒子對垢層的隨機(jī)碰撞可視為垢層受到的碰撞應(yīng)力是交變出現(xiàn)，具有疲勞特征，引入疲勞理論解釋了流化床技術(shù)防、除垢的機(jī)理。初步探討了固體粒子的強(qiáng)化換熱機(jī)理，其主

5、要表現(xiàn)在減輕或者徹底清除污垢熱阻與提高污水的對流換熱系數(shù)。 (3) 總結(jié)出液固循環(huán)流化床防、除垢主要作用機(jī)制：污垢層較稀松的物質(zhì)隨著液固流化床壁面剪應(yīng)力的增大而被帶走；污垢層粘附比較緊密的物質(zhì)在液固流化床中固體粒子的碰撞應(yīng)力作用下，變的比較疏松，進(jìn)而在剪應(yīng)力的帶動(dòng)下脫離污垢層；緊貼壁面黏著十分牢靠的污垢，在固體粒子的隨機(jī)碰撞下，污垢層受到周期性的碰撞應(yīng)力作用，在疲勞機(jī)制下，垢層上逐漸產(chǎn)生裂紋，直至脫落進(jìn)入主流中；固體粒子對垢層的

6、隨機(jī)碰撞，阻止污垢物質(zhì)沉積到壁面以及污垢物質(zhì)在壁面上的生長。 (4) 目前流化床換熱技術(shù)中的固液分離器需采用動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行固液分離，需消耗額外的動(dòng)力，本文開發(fā)了一種流化床換熱器的固液分離裝置，在流化床換熱設(shè)備的水源出口上安裝無動(dòng)力的重力沉降式固液分離器，在不增加額外能耗的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了完全將固體粒子從液體中分離出來進(jìn)入換熱設(shè)備循環(huán)使用。 (5) 搭建單管式液固流化床換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于 Delphi 編程語言自主開發(fā)了測試

7、分析軟件，進(jìn)行了液固流化床換熱器的流動(dòng)特性、防、除垢特性及換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入粒子后無論是清水還是污水的壓降均出現(xiàn)不同程度的增加，并且加入鋼球后的壓降明顯大于加入沙子和無粒子的壓降，液固流化床換熱器可有效抑制污垢的增長并實(shí)現(xiàn)在線清洗，有著明顯的強(qiáng)化換熱功效。 (6) 對流化除垢與強(qiáng)化換熱式污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，開發(fā)了旋轉(zhuǎn)板式和旋轉(zhuǎn)筒式過濾取水裝置，采用自動(dòng)反洗裝置將大型污物去除，從而保證系統(tǒng)流量充足穩(wěn)定，