基于污水热利用的热管换热器研究.doc

基于污水热利用的热管换热器研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：蒋晏平指导教师：康侍民副教授林真国副教授专业：供热、供燃气、通风及空调工程学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二 O一四年五月 The Research of Heat Pipe Heat Exchanger Based on The Sewage Thermal Utilization A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Masters Degree of Engineering ByJiang YanPingSupervised by Prof.Kang ShiMingProf.Lin ZhenGuoSpecialty: Architecture and Civil EngineeringCollege of Material Science and Engineering of Chongqing University ,Chongqing, China. May,2014 中文摘要摘要污水是优质的可再生清洁资源，在广泛践行节能减排的当今社会进程中已成为建筑节能领域“开源节流”的重要对象。污水源热泵系统是污水热利用的重要技术。对于较为常用的间接式污水源热泵系统而言，缓解污水侧换热器低效率、易堵塞等瓶颈制约已经成为污水源热泵系统中急需解决的关键性问题。热管具有传热效果优良、传热极限较高等优势，热管至今尚未应用于污水热泵领域。本文将热管应用于污水源热泵系统中作为污水侧换热器主要构件，研发新型的高效污水换热器。论文通过理论分析和物理实验的方法，验证热管换热器应用于污水源热泵系统中的可行性和优化其传热效果，结合对实验结果的分析，探索将热管换热器应用于实际污水热利用工程的设计方法。论文从理论及实验两方面开展了深入的研究工作，研究结果对热管换热器应用于实际污水源热泵工程具有参考价值，对推动城市污水冷热资源建筑应用具有积极意义。理论方面主要从热管的结构设计、传热性能分析、换热器热力计算、换热器管间距优化设计等四个不同的层次开展工作：以污水源热泵系统额定温度工况对热管进行理论设计，主要包括热管工质的选择、管壳及端盖设计、充液量的计算及热管结构尺寸的设计；从理论角度分析热管换热器蒸发段及冷凝段各自传热性能，提出重力式热管在运行过程中传热极限的计算公式，分析蒸发段及冷凝段管内工质汽液界面热阻计算公式，为论文后续进行提供理论依据；根据热管换热器的传热原理，分析热管换热器的传热系数、传热温差及传热面积计算公式，为后续换热器设计、制作及实验奠定理论基础；综合理论分析，本文在满足热管制作工艺的前提下，本着优化传热及减少阻力损失的目的，通过 fluent模拟方法，提出热管换热器管间距设计方法。实验方面主要开展了三个实验，即基于污水源热泵额定温度工况的可行性验证实验、单根热管冷凝段管外流体流向对换热效果的优化实验、热管换热器冷凝段管外流体流动方式对换热效果的优化实验。主要从以下三个步骤进行实验：设计、制作污水热管式换热器模型，搭建污水源热泵系统试验平台模型；设计污水源热泵额定温度工况下热管的启动可行性实验、单根热管冷凝段流体流向传热效果优化实验、热管换热器传热效果优化实验；开展各实验工况的设计，进行定量的实验测试，分析和探讨实验数据。通过理论推导和实验分析发现：热管应用于污水源热泵系统中是可行的。相对于传统换热器具有换热效率高、不易堵塞、运行阻力小、便于清洗管理等优I 重庆大学硕士学位论文势。热管在换热过程中，冷凝段管外流体流向逆流相对于顺流对换热效果有优化作用。热管换热器在运行过程中，冷凝段管外流体 180横掠管束相对于流体90横掠管束和纵掠管束对热管换热器的换热效果有优化作用。关键词：城市污水，热管换热器，优化传热II 英文摘要ABSTRACT Sewage which is a kind of renewable and clean resources with high quality hasbecome a key object of the “increase income and reduce expenditure” in the field ofbuilding energy efficiency when the policy of energy conservation and emissionreduction was practiced widely in todays society. Sewage source heat pump system isan important technology in the utilization of sewage heat. The solution of inefficiencyand jam in the sewage heat exchangers has become the key problem in sewage sourceheat pump system for indirect sewage source heat pump system which was commonlyused. A new type of sewage heat pipe exchanger which was researched by sewage heatexchangers in indirect sewage source heat pump system was introduced in this paper.As a phase- change heat transfer component, heat pipe has become one of the mostefficient in known areas of heat transfer components, with its excellent heat transfer,higher heat transfer limit and other advantages. But it cannot be widely used in the fieldof renewable energy use until now. In order to promote the wider use of sewage sourceheat pump technology, the heat pipe, as a heat transfer component in sewage heatexchangers, is suggested to be used in sewage source heat pump system in this paper.Internal heat pipe which conduct heat by the phase change of working mediuminvolving two-phase flow boiling condensation and some other heat transfer mechanism,is a complex flow and heat transfer systems. Theoretical analysis and experimentalphysics methods was designed to validate the feasibility and optimize the heat transfereffect of heat pipe exchanger applied in sewage source heat pump system. The researchresults were analyzed to explore the design method of heat pipe exchanger applied insewage source heat pump system.In this paper, an in-depth study was made from theoretical and experimentalaspects which were based on the research and development of phase change heatexchanger in the utilization of sewage heat. The theory was studied at three differentlevels: The theoretical design of heat pipe which was based on rated temperatureconditions in sewage source heat pump system mainly includes the choice of the heatpipe working medium, the design of shell and end cover, the calculation of quantity ofliquid and the design of the heat pipe structure size. The heat transfer performance ofevaporator section and condensation section in heat pipe exchanger was analyzed fromtheoretical aspects to find the formula of the heat transfer limit during operation inIII 重庆大学硕士学位论文gravity heat pipe. And this can provide theoretical basis for the subsequent papers. The heat transfer coefficient, temperature difference and the heat transfer area of heatexchanger pipe were analyzed which were based on heat transfer theory to lay thetheoretical foundation for the subsequent heat exchanger design, production andexperiments. After the comprehensive theoretical analysis, the heat pipe exchangertube spacing design was suggested by using fluent ,under the premise that theproduction process of heat pipe can be met, to optimize heat transfer and reduce theresistance loss.The experiments were carried out experiments in three different types: Sewageheat pipe exchanger model was designed. And a sewage source heat pump system testplatform model was built. The start feasibility experiments, a single heat pipecondenser section to optimize heat transfer fluid flow experiments and the effect of heatpipe heat exchanger optimization experiments under rated temperature conditions insewage source heat pump were designed. A series of experiments related work-design of the experimental under different conditions, quantitative experimental test andanalysis and discussion of the experimental data-was conducted.Through theoretical analysis and experimental analysis, it is founded that:Theutilization of heat pipe in sewage source heat pump system is feasible. Heat pipe has theadvantages that high heat transfer efficiency, not easy jam, small resistance, and easycleaning management operation.The heat exchanger effect is better when the fluidoutside heat pipe is contranatant than it is downstream in heat pipe within the process ofheat transfer.The heat exchanger effect is better when the fluid outside heat pipe whenthe heat pipes are 180 horizontal sweep bundles than there are 90 horizontal sweepbundles or vertical sweep bundles in heat pipe exchanger during operation.Key words: municipal sewage, heat pipe exchanger, optimization heat transferIV 目录目录中文摘要.I英文摘要. III1 绪 论. 11.1 能源形势. 11.2 城市污水热利用意义. 21.3 城市污水热利用现状. 31.3.1 城市污水热利用工程. 31.3.2 城市污水源热泵换热器 . 41.4 本课题主要研究内容及技术路线 . 51.4.1 主要研究内容. 51.4.2 技术路线. 61.5 本章小结. 72 污水热利用重力式热管基本理论 . 92.1 重力式热管运行机理. 92.2 重力式热管设计理论基础. 102.2.1 工质的选择. 102.2.2 管径设计. 112.2.3 壳体和端盖设计. 122.2.4热管长度及倾斜角度影响 . 142.3 重力式热管传热特性. 152.3.1 重力式热管冷凝段传热分析 . 152.3.2 重力式热管蒸发段传热分析 . 172.3.3 重力式热管传热热阻. 172.3.4 传热极限理论. 192.4 污水热利用热管换热器. 202.4.1热管式污水源热泵系统工作原理 . 202.4.2 热管换热器应用意义. 212.5本章小结 . 223 实验台设计及搭建 . 253.1 重力式热管的设计. 253.2 重力式热管的制作. 27V 重庆大学硕士学位论文3.2.1 热管制作过程. 283.2.2 热管质量的检验. 303.3 热管传热基本原理. 313.3.1 热力计算. 313.3.2 流动计算. 373.4 热管换热器优化设计. 373.4.1 管束排列方式. 383.4.2 管间距设计. 393.4.3 冷凝段管外流体流动方式. 503.4.4 热管换热器设计图. 503.5实验台搭建 . 523.5.1 可行性实验台搭建. 523.5.2 单根热管优化实验台搭建. 543.5.3 热管换热器优化实验台搭建. 573.6 本章小结. 624 实验过程及数据处理分析. 634.1 实验设计. 634.1.1 污水源热泵额定温度下热管启动的可行性验证实验 . 634.1.2 单根热管换热效果优化实验. 634.1.3 热管换热器换热效果优化实验. 644.2 实验误差分析. 654.3 污水热物性数据. 684.3.1 污水温度特性. 684.4.2 污水密度. 684.4.3 污水黏度. 704.4.4 污水导热系数. 714.4 可行性实验数据处理及分析. 724.4.1 不锈钢-乙醇 1号热管 . 724.4.2 紫铜-乙醇 2号热管 . 754.5 单管优化实验数据处理及分析. 804.5.1 蒸发段进口温度变化热管换热规律. 804.5.2 冷凝段水流量改变热管换热规律探索. 824.5.3 管内热阻计算. 854.6 热管换热器优化实验数据处理及分析. 88VI 目 录4.7本章小结 . 915 结论与展望. 935.1 结论. 935.2 创新点. 945.3展望 . 95致 谢. 97参考文献. 99附 录. 103A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 103VII 重庆大学硕士学位论文VIII 1 绪 论1 绪论1.1能源形势能源短缺是当今世界普遍存在的问题，也是迄今为止人类面临生存问题迫切需要解决的困境之一。煤矿丰富、石油短缺、天然气少、新型能源开发欠完善，这些都是我国目前的现实能源背景。据专家科学估计，我国的石油剩余可采量约为 23 亿吨，仅仅能够供给国内开采 14 年；我国的煤矿可开采量约为 900 亿吨，在不计未来对新型能源的探明条件下，可以供给国内开采百年；天然气的储存量约为 6310 亿 m，可供开采不超过 32 年1。存在能源短缺问题的同时，能源利用效率较低的问题也不容忽视，初步统计，1997 年我国能源加工、转换、输送和终端利用的效率为 31.2，比国际先进水平约低 10个百分点234。煤炭的生产和消费所占比重较高，近五年来煤炭年产量占能源总产量的比重呈现逐年递增趋势，2006 年这一比重上升至 76.74，而煤炭等化石能源属于不可再生能源，对其大幅度的无序开采终将造成能源枯竭；对于我国能源现状，由于石油的产量低并消耗多，供不应求，短缺的部分必须依赖进口满足。与此相反，石油在能源总的产生量中所占的比重逐年较少，2006年的比重仅为 11.9%，而消费量却占到了 20%，同时能源利用总量中，对于新型能源的利用率达不到 10%。能源消耗中建筑能耗占据了相当一大部分比例。专家预计，世界能耗于 2025年将达到6.81017KJ，在总能耗中建筑能耗占据了相当大的一部分，发达国家建筑能耗约占总能耗的 30%40%，而国内城市建筑面积的逐渐增加和生活水平的提高，城市建筑用能迅速增长，大大超过了同期的能源供应速度，预计到 2025年我国建筑能耗约占总能耗 27.8%，而我国的寒冷地区基本 30%40%的能耗都是建筑能耗4。国家发改委能源所预测 2020年我国的城乡建筑面积将增加 300亿 m2，每年建筑用能的消耗量约为 1.2万亿 KWh电能和 4.1 亿顿煤，到时建筑能耗约为总能耗的 35%5，这将为我国经济和社会的可持续发展带来严重影响。能源问题显然已经成为我国当前重要的发展战略问题，受到了中央政府的高度重视，“节能减排”成为我国当前重要的时代主题。中国共产党第十七次全国代表大会对中华人民共和国节约能源法做了修订，在此对建筑节能方面做了非常明确的要求，鼓励在建筑中积极应用可再生能源和节能技术。综上所述，降低建筑能耗成为当今社会的重要研究课题，发展建筑节能研究刻不容缓。1 重庆大学硕士学位论文1.2城市污水热利用意义城市污水是一种尚未开发的优良低温余热可再生能源之一。作为污水热利用关键技术之一的污水源热泵系统，其能量输入与输出之比最低 1:4，即输入 1KWh 的电能，能够得到至少 4KWh 的热量，节能 30%75%6。伴随着经济的繁荣，地球蕴藏的一次能源日益枯竭，可再生能源成为当下一季势在必行的能源趋势。城市污水排放量大，全国城市污水排放量将近 600 亿吨/年7；排放地点集中，城市污水由集中的污水处理厂进行处理统一由市政渠道排放，便于取热排放。城市污水相对于室外空气具有冬暖夏凉的特点，且冬夏季水温变化幅度小。在华北地区66，城市污水的温度分布在 1025，根据北京高碑店污水处理厂的测试，冬季污水温度 13.516.5，夏季 2225。对东北地区66，文献8测试了哈尔滨全年空气温度变化和污水温度变化，可见空气温度变化在-1426的变化情况下污水温度变化稳定在 1024.6，南方城市全年污水温度变化在 10左右。这些温度特性给城市污水通过热泵回收和利用热能提供了优势。城市污水热能的开发利用具有节能减排的意义。首先在节能方面城市污水可利用量大，效率高。国家根据现有情况制定了“十五能源发展战略规划”，要求对余热资源充分利用，对环境全力保护，需要对中低品味余热资源利用的热泵技术全力开发，以此达到调整能源结构，减少燃烧煤矿对环境的污染。其次在减排方面能够缓解环境压力。近年来由于过分追求经济的发展而引发了多重环境问题，如温室效应、臭氧层空洞、冰川融化海平面上升等世界性的难题，都和能源的过渡消耗存在一定的关系。中国由于环境污染近年来较为严重是雾霾，同时十大雾霾城市，基本都处于北方。雾霾的主要成分有二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物，其中二氧化硫和氮氧化物是气态污染物，而可吸入颗粒物则是加重雾霾的最主要原因，煤矿，石油等不可再生能源的燃烧利用则是带来二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒的罪魁祸首。2013年 1月 15日中国科协组织召开的“科学家与媒体面对面”活动上，中国科学院大气物理研究所研究员王庚辰说，此次导致雾霾的最根本原因是污染排放的增加，然后则是大气自净能力衰减。我国的能源主要来自化石燃料煤、石油和天然气，其中煤炭几乎占到 70左右，石油占到 20左右。煤炭的使用，使 C02、SO2、NOX 等有害气体大量排入空气中，而二氧化碳是温室效应的元凶，SO2、NOX等对环境造成了污染。综上所述，减少一次能源的使用有利于环境的改善，城市污水作为一种可再生能源开发技术具有重要的环保意义。2 1 绪 论1.3城市污水热利用现状1.3.1城市污水热利用工程随着社会经济的