長(zhǎng)江上游地區(qū)地表水水質(zhì)對(duì)江水源熱泵運(yùn)行特性的影響研究.pdf

1、在國(guó)家大力促進(jìn)節(jié)能減排的背景下，發(fā)展可再生能源是積極應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和氣候變化，提高能源的利用率，推進(jìn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要措施，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。
　　作為一種可再生能源的利用方式，江水源熱泵利用江河水作為熱泵冷熱源，溫度比空氣溫度更為穩(wěn)定，夏季比室外氣溫低，冬季比室外氣溫高，能夠獲得更高的性能系數(shù)。論文在對(duì)重慶段兩江江水水源概況進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究及調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)展江水源熱泵的應(yīng)用形式及關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究

2、，并通過實(shí)驗(yàn)提出了長(zhǎng)江上游地區(qū)特定水源條件下的水質(zhì)適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用污垢理論、兩相流及對(duì)流換熱理論對(duì)直接式江水源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組換熱器污垢形成機(jī)理、對(duì)流動(dòng)換熱特性及其管內(nèi)流動(dòng)與換熱進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，并取得了以下相關(guān)結(jié)論：
　　以重慶段長(zhǎng)江、嘉陵江江水為例，對(duì)江水溫度橫斷面分布規(guī)律、隨時(shí)間的變化及其穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)調(diào)研與分析，得出江水溫度在整個(gè)過流斷面上分布均勻并無明顯分層現(xiàn)象，夏季保持在25℃左右，冬季保持在12℃左右，是一

3、種穩(wěn)定的冷熱源；江水作為冷熱源時(shí)必須解決的主要水質(zhì)問題是含沙量與濁度過高；江水懸移質(zhì)泥沙主要為粉砂和粘土；三峽庫(kù)區(qū)蓄水對(duì)重慶段江水水位與水溫影響不大，但泥沙粒徑會(huì)不斷細(xì)化。
　　通過對(duì)江水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用形式、能效利用以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)的分析，提出適宜發(fā)展江水源熱泵技術(shù)的開式直接式系統(tǒng)，全年運(yùn)行能耗比冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)及間接式江水源熱泵系統(tǒng)分別節(jié)約22％和15.8%，污染物排放量也大大減少，并有效促進(jìn)了城市熱島效應(yīng)的緩解。

4、　　搭建了高效節(jié)能水源熱泵機(jī)組水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)在不同水質(zhì)（含沙量、濁度）條件下的江水進(jìn)入熱泵機(jī)組時(shí)機(jī)組性能變化等情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究以及傳熱特性分析，提出當(dāng)水質(zhì)條件為含沙量≤100 g/m3，濁度≤100 NTU時(shí)可作為江水源熱泵合適的冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)指標(biāo)中含沙量的建議值，增大了水質(zhì)指標(biāo)中濁度的建議值。
　　設(shè)計(jì)研發(fā)了具有專利技術(shù)的水流旋轉(zhuǎn)除渣防堵裝置以及濁水過濾自動(dòng)排渣器，對(duì)不同水質(zhì)條件下的江水進(jìn)入高效水

5、源熱泵機(jī)組時(shí)防堵除渣效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用絲網(wǎng)過濾及活性炭層吸附的方法，對(duì)江水中的泥沙顆粒及懸浮物進(jìn)行自動(dòng)過濾分離，能夠解決長(zhǎng)江中上游地區(qū)進(jìn)入熱泵機(jī)組的江水清污、防堵、防腐等關(guān)鍵問題，使得直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的江水水質(zhì)滿足推薦標(biāo)準(zhǔn)。
　　對(duì)影響江水源熱泵換熱器結(jié)垢因素分析可知，其關(guān)鍵因素為含沙量與濁度，并不包括藻類的作用。采用污垢熱阻監(jiān)測(cè)法研究了江水源熱泵系統(tǒng)換熱器管內(nèi)污垢在不同江水水質(zhì)條件下（含沙量、濁度）采用不同流速時(shí)隨時(shí)間的生

6、長(zhǎng)特性以及變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)江水的含沙量>700.2 g/m3，濁度>252.2NTU時(shí)，污垢的形成將會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)期；誘導(dǎo)期與流速成正比關(guān)系，而穩(wěn)定污垢熱阻值與流速成反比關(guān)系，在不同水質(zhì)（含沙量、濁度）條件下，換熱管內(nèi)穩(wěn)定污垢熱阻值最大可達(dá)1.80×10-4（m2·K)/W，而最小為0.40×10-4（m2·K)/W；除誘導(dǎo)期外，隨時(shí)間成波浪形上升的污垢熱阻值大體形狀接近指數(shù)函數(shù)曲線趨勢(shì)，并最終達(dá)到穩(wěn)定污垢熱阻。
　　根據(jù)工程經(jīng)

7、驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)研究，得出江水源熱泵換熱管污垢預(yù)測(cè)模型符合漸近增長(zhǎng)模型，忽略污垢誘導(dǎo)期，根據(jù)本文第四章針對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)地表水水源提出的江水源熱泵合適的冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)在含沙量≤100 g/m3，濁度≤100 NTU的水質(zhì)條件下建立換熱管污垢預(yù)測(cè)模型，并對(duì)所提出的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　應(yīng)用顆粒動(dòng)力方程對(duì)泥沙顆粒在江水中的受力情況進(jìn)行了分析，并以顆粒動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)采用雙流體模型對(duì)含泥沙江水在換熱器管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬研究，可知兩

8、相流中固體顆粒相在水平方向體積分?jǐn)?shù)分布呈對(duì)稱狀態(tài)，而在管道軸向橫截面上沿豎直徑向方向呈梯度分布，管道頂部顆粒相濃度很低，底部顆粒相濃度較高。固體顆粒相與液相的速度分布水平方向上呈對(duì)稱狀態(tài)，而在垂直方向上不再呈對(duì)稱狀態(tài)，速度最大值出現(xiàn)于管道橫截面中心稍偏向上部區(qū)域。通過對(duì)流動(dòng)過程中不同類型作用力對(duì)兩相間動(dòng)量傳遞過程的影響分析，得到在含沙江水管內(nèi)湍流流動(dòng)中曳力及湍流擴(kuò)散力是兩相間動(dòng)量傳遞的主要影響因素，直接影響顆粒相的濃度場(chǎng)分布。而附加質(zhì)量

9、力、Basset力、Magnuns升力及Saffman升力等對(duì)流動(dòng)過程影響較弱。
　　通過對(duì)含沙江水管內(nèi)換熱的模擬研究發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒相體積分?jǐn)?shù)恒定時(shí)，換熱量隨江水流速的增加而增加，而江水流速恒定時(shí)，管內(nèi)換熱量隨泥沙顆粒相體積分?jǐn)?shù)也是逐漸增加的，當(dāng)泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，最大變化幅度為25.8%。管內(nèi)平均對(duì)流換熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)Re的增加而不斷增加，這種趨勢(shì)隨著雷諾數(shù)Re的增大而更加明顯，在江水流速V=1.5m/s，泥沙顆粒體積分