污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程流化除垢與強化換熱方法.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)在污物堵塞換熱設備、污垢嚴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理，進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、除垢應用中，理論分析與實驗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部分，將污垢的附著機制分為物理．化學機制與微生物機制；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，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性能，緊貼換熱壁面的污垢所能承受的最大破壞應力超過 100Pa。在污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱中對流化固體粒子防、除垢機理起主要作用的是液固兩相流對垢層的剪應力與固體粒子對垢層的碰撞應力，考慮碰撞應力以接觸面中心成對稱分布的特點，修正了已有

4、碰撞應力模型，對剪應力與碰撞應力進行分析表明剪應力隨著循環(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力的數(shù)量級是帕，而固體粒子對垢層的碰撞應力數(shù)量級在千帕以上，單靠剪應力的增大無法達到垢層的最大破壞應力。固體粒子對垢層的隨機碰撞可視為垢層受到的碰撞應力是交變出現(xiàn)，具有疲勞特征，引入疲勞理論解釋了流化床技術(shù)防、除垢的機理。初步探討了固體粒子的強化換熱機理，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、除垢主要作用機制：污垢層較稀松的物質(zhì)隨著液固流化床壁面剪應力的增大而被帶走；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力作用下，變的比較疏松，進而在剪應力的帶動下脫離污垢層；緊貼壁面黏著十分牢靠的污垢，在固體粒子的隨機碰撞下，污垢層受到周期性的碰撞應力作用，在疲勞機制下，垢層上逐漸產(chǎn)生裂紋，直至脫落進入主流中；固體粒子對垢層的

6、隨機碰撞，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力設備進行固液分離，需消耗額外的動力，本文開發(fā)了一種流化床換熱器的固液分離裝置，在流化床換熱設備的水源出口上安裝無動力的重力沉降式固液分離器，在不增加額外能耗的基礎上，實現(xiàn)了完全將固體粒子從液體中分離出來進入換熱設備循環(huán)使用。 (5) 搭建單管式液固流化床換熱器實驗系統(tǒng)，基于 Delphi 編程語言自主開發(fā)了測試

7、分析軟件，進行了液固流化床換熱器的流動特性、防、除垢特性及換熱特性的實驗研究。實驗結(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現(xiàn)在線清洗，有著明顯的強化換熱功效。 (6) 對流化除垢與強化換熱式污水源熱泵系統(tǒng)進行了初步研究，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，