長(zhǎng)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(shì)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(jié)構(gòu)的不合理性、保護(hù)環(huán)境的有效方式,是實(shí)現(xiàn)社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必由之路。相對(duì)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(duì)長(zhǎng)江重慶段江水水源概況進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)展長(zhǎng)江水源熱泵的技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。應(yīng)用湍流流動(dòng)理論、計(jì)算流體力學(xué)、兩相流和對(duì)流換熱理論,對(duì)長(zhǎng)江水源熱泵用換熱

2、器進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究方法、內(nèi)容和成果如下:以長(zhǎng)江重慶段江水為例,對(duì)江水溫度的日逐時(shí)變化、日平均變化和月平均變化進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)調(diào)研和分析,得出江水日波動(dòng)在0.5℃以內(nèi),與氣溫日波動(dòng)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(zhì)問題是泥沙含量和水中的懸浮物,長(zhǎng)江懸移質(zhì)泥沙主要為粉砂和粘土。三峽庫區(qū)的形成對(duì)重慶段江水夏季水位影響較小,因此江水水質(zhì)變化不大。通過對(duì)長(zhǎng)江水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)路線、節(jié)

3、能性和環(huán)保性分析,提出了適合發(fā)展長(zhǎng)江水源熱泵技術(shù)的開式直接系統(tǒng)。開式直接江水源熱泵可分別比冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t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(dòng)性,江水源熱泵系統(tǒng)可有效緩解城市熱島效應(yīng)。江水泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是兩相流研究的基礎(chǔ)。論文對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行詳細(xì)的分析討論,建立了三維顆粒運(yùn)動(dòng)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(zhì)量力作用時(shí)的沉降規(guī)律。對(duì)顆粒在流體中的阻力和

4、升力進(jìn)行了量級(jí)分析,得到在液體中的顆粒運(yùn)動(dòng),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(zhì)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(yīng)用大渦模擬和顆粒相直接模擬技術(shù)對(duì)顆粒在突擴(kuò)管內(nèi)的擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值分析,結(jié)果表明隨著St P數(shù)的增加,顆粒的擴(kuò)散度是減小的,也可以看出由于湍流的作用,流場(chǎng)對(duì)小粒徑顆粒的攜帶能力更強(qiáng)。對(duì)江水換熱引起的污垢熱阻,采用熱力學(xué)第一、二定律和熵產(chǎn)分析法,分析污

5、垢對(duì)管內(nèi)對(duì)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(shí)引起整個(gè)對(duì)流換熱過程的不可逆性的增加。在相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上,論文首先根據(jù)江水的水質(zhì)特點(diǎn)對(duì)適合于長(zhǎng)江水源熱泵的換熱器型式進(jìn)行了分析討論,分別提出了適合大型機(jī)組換熱器型式(專利申請(qǐng)?zhí)?00810069811.1)和中小型機(jī)組的單流道套管式換熱器。對(duì)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(dòng)、換熱以及兩相流進(jìn)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(duì)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(zhì)模型,對(duì)不同曲率折返管內(nèi)含沙江水兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到當(dāng)R/r在10～40的范圍內(nèi),泥沙分離出現(xiàn)極小值的結(jié)果。在以上分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)用套管換熱器,并采用數(shù)值方法對(duì)換熱器的換熱性能、阻力以及泥沙兩相流進(jìn)行了分析,換熱性能和阻力分析結(jié)果表明,采用計(jì)算流體力學(xué)分析方法可滿足工