非清洁水冷热源换热管内振荡流动与换热的数值模拟与实验研究

【摘要】：开发利用低品位可再生性清洁能源前景广阔,是当今能源、建筑和环境可持续发展的必然趋势。其中,污水源热泵系统可以利用污水中的低品位热能为建筑物供暖空调并提供生活热水,具有高效节能和环保效益显著的特点。但是,污水中含有各种杂物,在换热过程中会形成污垢热阻,使系统换热效率大幅下降。本文通过对热泵换热器振荡流动与换热进行数值模拟与实验研究,提出一种新的热泵换热器在线防除垢技术,以改善系统的换热性能。首先建立了圆管内湍流振荡流动与换热的物理数学模型,对圆管内湍流振荡流动与换热进行了数值模拟,采用CFD软件对管内流速呈正弦规律变化的流体流动与换热过程进行了数值模拟,对湍流流动状况、壁面平均对流换热系数和壁面剪切力进行了分析,研究了流体入口速度、振幅、频率对壁面平均对流换热系数和壁面剪切力的影响。研究结果表明:当流体为牛顿流体时,振荡流对圆管湍流换热无影响;当流体为非牛顿流体时流体振荡可以强化换热,并且可以大幅提高最大壁面平均剪切力的数值,起到一定的防除垢效果。然后开发了一种非清洁水热泵换热器在线防除垢装置,该装置利用电动回转换向阀内阀板的周期性转动实现进入两个换热器内流体流量的周期性变化,产生振荡流体。并且以青岛某实际工程为基础搭建了热泵换热器振荡流动与换热实验平台,实验研究了振荡流动对系统换热效果的影响。在实验工况条件下,振荡流动对管内对流换热系数影响很小,但是振荡流动可以造成部分污垢沉积物的脱落,起到了一定的除垢作用,使换热器传热系数增加了22.2%。流体振荡不仅可以抑制换热器内污垢的形成,而且可以清除换热器内已形成的污垢,使换热器一直保持在高效换热状态。 【关键词】：污水源热泵 振荡流动 在线防除垢 换热 剪切力
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TU83
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 引言7-20
• 0.1 课题研究背景和意义7-9
• 0.1.1 暖通空调带来的能源与环境问题7
• 0.1.2 污水利用的潜力7-8
• 0.1.3 污水利用存在的问题8-9
• 0.2 国内外发展现状9-18
• 0.2.1 污水源热泵系统的应用发展状况9-11
• 0.2.2 污水源热泵换热器污垢研究现状11-13
• 0.2.3 污水源热泵换热器防除垢研究现状13-15
• 0.2.4 强化传热技术研究现状15
• 0.2.5 振荡流传热研究现状15-18
• 0.2.6 现有研究存在的问题18
• 0.3 主要研究内容及解决的主要问题18-20
• 0.3.1 主要研究内容18-19
• 0.3.2 解决的主要问题19-20
• 第1章 管内流体振荡流动与换热的物理数学模型20-30
• 1.1 物理模型的建立与网格生成20-21
• 1.1.1 物理模型的建立20
• 1.1.2 网格的生成20-21
• 1.2 相关假设21
• 1.3 数学模型21-26
• 1.3.1 控制方程21-22
• 1.3.2 非牛顿流体幂率修正22-25
• 1.3.3 边界条件25-26
• 1.4 FLUENT数值计算26-29
• 1.4.1 选用合适的解算器27
• 1.4.2 输入网格并检查网格27
• 1.4.3 定义解的格式27
• 1.4.4 流体物性的设定27-28
• 1.4.5 边界条件的设定28
• 1.4.6 控制方程的离散28-29
• 1.4.7 流场初始化29
• 1.4.8 迭代计算29
• 1.5 本章小结29-30
• 第2章 管内流体振荡流动数值计算结果与分析30-45
• 2.1 模拟结果可靠性验证30
• 2.2 流体振荡对换热的影响30-37
• 2.3 流体振荡对壁面剪切力的影响37-42
• 2.4 速度矢量分布42-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第3章 回转式振荡发生装置实现工艺45-50
• 3.1 污水源热泵除垢技术分析45
• 3.2 回转式振荡发生装置防除垢工艺的设计45-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第4章 热泵换热器振荡流动与换热实验研究50-59
• 4.1 实验系统50-54
• 4.1.1 疏导式污水换热器51-52
• 4.1.2 回转式振荡发生装置52-53
• 4.1.3 实验测量仪器53-54
• 4.2 实验原理54-55
• 4.3 实验过程55-56
• 4.4 实验结果分析56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读学位期间的研究成果65-66
• 附录66-67
• 致谢67-68

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