淋激式换热器取热表面降膜特性的研究

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1.1 课题研究背景

相关资料显示,2009 年全年,我国共计消费了 22.5 亿吨油当量(约折合 32.2亿吨标准煤),比美国多出了 0.8 亿吨油当量(约折合 1.15 亿吨标准煤)1。这也说明中国已经成为世界上最大的能源消费国和二氧化碳排放国。2012 年我国一次能源消费量为 36.2 亿吨标准煤,消耗全世界 20%的能源(消费煤炭占全世界总消耗量的 50%)。单位国内生产总值(GDP)能耗方面,我国明显高于同为发展中国家的巴西、墨西哥等国,并且是世界平均单位 GDP 的 2.5倍,与美、日等发达国家相比更是有很大差距。有数据显示:中国每消耗 1 吨标准煤的能源仅能创造 1.4 万元人民币的 GDP,而全球平均水平是消耗 1 吨标准煤创造 2.5 万元人民币的 GDP,美国则是 3.1 万元人民币,日本则高达 5 万元人民币2。由此可见,中国单位能耗所创造的 GDP,即耗能量与能源利用效率都远不如西方发达国家,因此我国已处在能源形式十分严峻的阶段,环境问题也亟待解决。可见,改变我国现有的用能状况从而改善生态环境已迫在眉睫。本文所研究的淋激式换热器就是一种可以将污水废热变废为宝的供热空调系统。城市污水中蕴含着丰富低位热能的可再生能源3-11。污水源热泵空调技术则是以城市污水为建筑的供热源和排热汇、为建筑提供冬季供热、夏季空调和全年热水供应的重要技术3-5,12-15。目前在我国、日本及部分欧洲国家(尤其以北欧地区为主)已经得到普遍的应用3-7,10-16。能源对一个国家、一个地区来说,是推动社会经济发展的重要源动力,节能减排是全世界共同面对的主题,也是必须执行的任务。在这种情况下,不少发达国家已经制定了完善的法律法规来推行节能减排的相关政策,并且能源效率已经逐渐成为了能源政策的基本执行工具17。高能低效、单位国内生产总值能耗分别是美国的 4.3 倍、德国与法国的 7.7 倍、日本的 11.5 倍18,这些事实和数据显示,我国的能源形势不容乐观19,20。淋激式换热器是污水源热泵换热的重要部件,设计开发该类设备的基础就是污水在水平管段外壁面的降膜换热理论。

1.2 淋激式换热器特点

目前常见的污水换热器有以下几种:浸泡式换热器、壳管式换热器、板式换热器和淋激式换热器。下面详细介绍一下各种换热器的优缺点。浸泡式换热器:优点:结构简单,便于运行和维护。缺点:污水流动速度低、换热系数小、工况适应性较差、对放置位置较为苛刻。在国内首先提出淋激式换热器概念的是哈尔滨工业大学马最良、姚杨教授等人,他们不仅仅从理论角度上对淋激式换热器进行了研究,同时还模拟了水平管降膜流动特性、换热特性以及稳定特性,为新型淋激式换热器在污水源热泵系统中的使用提供了理论基础。降膜蒸发器应用较广,应用行业有制冷、海水淡化、热能工程、石油冶炼、纸浆干燥、牛奶加工和医药等。21 世纪以来,多个有关污水热能回收的热泵研究项目:请记住我站域名或工程项目已在我国陆续开展,尤其是在我国北方寒冷地区。位于河北省以及天津市的两个工程项目便是很有代表性的案例。其中河北秦皇岛海港区污水处理厂的日平均污水处理量为 12 万吨,并且采用二级出水的温差作为输入能,供该厂区内的集中空调系统使用。较冷水机组相比,每年可节约运行费用 60%左右。而位于天津的天津公馆,利用污水源热泵回收原生污水的热能用于空调系统,实现了该工程 A 座建筑0.88 万平方米(1-5 层)的空调供冷和供热、3.48 万平方米(6-26 层)的采暖供热以及 450 户的生活热水供应。对整个系统的模拟分析有姚杨、宋艳、邵奕文等人,其中针对空气源热泵中螺杆式压缩机的特性的神经网络模拟已由姚杨教授等人完成,他们运用的是误差反向传播算法对网络的连接权值进行学习和调整,取得了满意的效果。

第 2 章 实验设备及工作原理

2.1 主实验台

如图 2-1 和图 2-2 所示,主实验台主要由 1.冷源、2.冷水箱、3.冷水循环水泵、4.过滤装置、5.冷水阀、6.电磁流量计、7.蓄水箱、8.加热器、9.热水阀、10.热水循环水泵、11.布液器、12.换热管及 13.热水箱等设备组成。当开启热水循环水泵开关时,热水循环水泵将底部蓄水箱中的水抽送至顶部的热水箱中,当热水箱中的水位高于布液器导流管所在的高度时,热水箱中的水会经布液器导管流至下方的布液器中。若此时热水循环水泵送至热水箱的水流量大于布液器中流出水的流量,则热水箱中的水位继续上升,为保证热水箱中的水不溢出,我们在热水箱的另一侧、布液器导流管水平面以上约 10cm 处设有溢流管,故一旦热水箱中的水位达到该高度时,则会自动经溢流管流至下方的蓄水箱中,不会造成外溢现象。当开启冷水循环水泵时,冷水箱中的冷水被送至三根换热管中,从而换热管中的冷水与布液器留下的热水进行热交换,从而实现对换热管中冷水的加热。如图 2-3 所示,系统上方的热水箱中装有两个点加热棒,功率分别为 12kW和 4kW,可以通过控制柜根据不同的实验工况对热水箱中的水温进行调节,升温速度快,调节较为简便。

2.2 控制柜

控制柜如图 2-4 所示,其中控制柜的控制界面采用了台湾威纶通生产的触摸式控制屏幕,并内置了 Easy Builder 8000 人机交互软件。并通过该软件对操作界面进行设置。并与 PLC 模块和模拟量输入模块相交互。该触摸控制界面还支持设备故障报警、历史数据保存等功能,可将数据保存至 SD 卡中,也可根据实验要求通过触摸屏幕对各个参数进行单独设置。实验用水为清水,直接来自实验室自来水。在学校实验室建设实验台,对于生活污水取水而言,取水距离较长导致取水不变。由于本文主要介绍淋激式的流动特性和换热特性,故本文采取先以清水作为实验工质来观测淋激式换热器的换热特性。该套电控滑轨系统及布液器如图 2-7 所示,全套设备均由不锈钢制成,主要由横轴、竖轴和转轴三部分组成。其中横轴滑轨长度为米,其中测量区域长度约为 1000mm。竖轴可移动长度约为 200mm,可分别测量实验台上中下三根实验管段。转轴的理论可转动角度为-22.5°—22.5°(实际测量范围或略小于理论值),可分别对同一管段的不同周向角度的液膜厚度进行测量。

第 3 章 水平管外壁面液膜厚度研究....17

3.1 实验背景..........17

3.2 不同喷淋密度及管间距对液膜的影响..........17

3.3 管外不同周向角度对液膜的影响..........41

3.4 本章小结..........49

第 4 章 水平管外壁面液膜厚度对换热效果的影响分析....52

4.1 实验前的理论分析及资料查阅......52

4.1.1 国内降膜传热理论模型的相关研究进展....52 4.1.2 国外降膜传热理论模型的相关研究进展....53

4.2 实验背景..........57

4.3 实验要求..........57

4.4 管外液膜厚度与换热效果的研究..........58

4.4.1 同种液膜流态、不同管间距工况下的水平管段换热效果 .......58

4.4.2 同种管间距、不同液膜流态工况下的水平管段换热效果 .......64

4.5 本章小结..........66

第 5 章 论文结论........... 68

  5.1 论文结论..........68

第 4 章 水平管外壁面液膜厚度对换热效果的影响分析

4.1 实验前的理论分析及资料查阅

哈尔滨工业大学宋艳的模型:该模型不区分绕流区和喷流区,忽略液膜内压力梯度和曲率影响,假设液膜表面无波动,无破裂,为壁面完全润湿的稳定层流,以每根管的入口温度为污水物性的定性温度,区分液滴、液柱、液膜等不同流态分别求取初速度,边界条件为定热流式。模型的求解过程中,先进性变量变换和无量纲化使方程的求解域更加规则的矩形求解域,进而将方程和边界条件都无量纲化。接下来将控制方程进行离散,基于有限差分法建立离散方程,把物体分隔为有限数目的网格单元,把原来在空间、时间上连续的物理量的场转变为有限个离散的网格单元节点,针对各个节点采用泰勒级数展开法或热平衡法建立离散方程。整理成适于计算机求解的迭代形式,以 Matlab 为平台实现计算机求解,并结合控制方程,用高斯-赛德尔法(G-S迭代法)使其收敛和加速计算。求解得出了污水液膜沿圆管的液膜厚度分布,速度 u 和速度 v 的分布,以及液膜内各点温度分布。从而还可以进一步得到平均液膜厚度、液膜各点沿切向和纵向的平均速度、液膜在圆周上的平均速度。上海交通大学刘振华模型:该模型先分析饱和液体,改变边界条件后得到过冷液体的模型,饱和液体气液分界面处温度取饱和温度,过冷液体气液分界面处为绝热边界条件。忽略气液分界面的切应力和供液高度,液膜的物性选用窄缝出口液体温度对应的物性。液膜绕流圆周的流动可划分为顶部喷流区和液膜绕流区。顶部喷流区分停滞区和平板区。

结论

首先,由衷的感谢北京市供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室和北京建筑大学城乡建设与管理产学研联合研究生培养项目(cxy2012018)的支持,以及北京市自然科学基金(13C20060)和北京市教委科技发展计划面上项目(KM201310016009)的共同资助。对污水源热泵系统中与污水直接接触污水换热器的换热方式和结构形式进行了广泛、深入的研究。通过搭建相关实验台,对淋激式换热器中换热管段降膜的流动特热性及换热特性进行实验分析与研究。本文得出以下结论:

(1)设计搭建并模拟了污水源热泵淋激式换热器实验台,保证了淋激式换热器中水平管段降膜换热可以合理的运行,通过对喷淋装置进一步设计和改进,保证水平测试管段外表面能够形成良好的液膜效果,尽量使液膜能够均匀的分布在整个水平管段,并保证在较大喷淋密度是基本保证无“干斑”存在。

(2)本文研究分析了管间距分别为 0.23D、0.56D 以及 1.20D 时、液膜流态分别为滴状流态、柱状流态和膜状流态时的液膜成膜情况,以及完成了对不同液膜厚度的测量,并且通过实验初步得出了水平管间流态之间的临界 Re 数。

(3)本文的液膜厚度实验中选取了影响水平管段流动状态的两个因素:喷淋密度(液膜流态)和管间距,通过相关实验分析得出了这两个因素对液膜成膜情况以及液膜厚度的影响。即液膜厚度随管间距的增大而减小,随喷淋密度的增大而增大。还通过实验初步分析得出了管间液体飞溅对水平管段的液膜成膜效果具有一定影响,并且可以通过在水平管间设置塑料导流薄板来缓解这一影响。

(4)本文还对水平管段的换热效果进行了相关实验研究。通过对不同的管间距和喷淋密度(即液膜流态)的实验分析得出了水平管段的换热效果与管间距和喷淋密度有直接关系。管间距越大,水平管间的换热效果越差;喷淋密度越大,水平管间的换热效果则越好。