1、利用污水源熱泵系統(tǒng)(WastewaterSourceHeatPump,WWSHP)對污水廢熱進行回收具有重要的節(jié)能環(huán)保意義。由于污水水質較差,在廢熱回收過程中污水換熱器表面會形成一層污垢,從而導致熱泵系統(tǒng)運行性能下降,因此需要周期性除污來保證換熱設備的正常運行。目前常見的方法有兩種:一種是人工拆卸清洗,另一種是設計大尺寸或高流速的換熱器來抵消污垢的影響。前者浪費人工既臟又累,后者則未能從根本上克服污垢,增加成本和運行費用。針對污水換熱器

2、結垢問題,本文對污垢堆積特性進行了機理研究來尋求有效的抑垢除垢方法;針對洗浴廢水這類水質的污水搭建了廢熱回收實驗臺,來研究污垢對實際熱回收系統(tǒng)的影響以及系統(tǒng)運行特性;提出了一種適用于污水源熱泵系統(tǒng)的具有除污功能的殼管式污水蒸發(fā)器來保證污水廢熱回收系統(tǒng)的高效性和可靠性。本文的主要研究內容如下:
　　本文首先從機理上分析了污垢堆積過程,搭建了污垢堆積特性測試實驗臺,研究了污水換熱過程中各因素對污垢形成的影響。實驗結果表明,污水中直徑較

3、小的粒子是形成污垢的主要成分。污水流速越大,漸近污垢熱阻越小,沉積在換熱器表面的粒子平均直徑也越小。污水低流速運行時,在污垢形成初期,污垢反而增強換熱,此時的污垢熱阻定義為“負污垢熱阻”。但污水在高流速運行時,這種現象并不出現。當污水換熱器安裝在污水泵吸入口時,形成的漸近污垢熱阻以及沉積粒子的平均直徑比安裝在污水泵出口時要高。污垢成分分析測試結果表明,污垢中主要成分為無機物。
　　為了研究實際工程中污垢對污水換熱器的影響,在某洗浴

4、中心搭建了利用浸泡式蒸發(fā)器(ImmersedEvaporator,IE)進行洗浴廢水廢熱回收的熱泵系統(tǒng)。研究了洗浴廢水這類水質的污水中形成的污垢對系統(tǒng)的影響,以尋求合適的污垢去除方法。本文對不同運行工況下的現場實測數據進行了分析。結果表明,應用水泵使浸泡式蒸發(fā)器內污水上下循環(huán)流動可減弱甚至消除溫度在垂直方向的不均勻分布現象,并能改善污水源熱泵的性能和壓縮機的吸氣壓力。通過對污水源熱泵系統(tǒng)一個月的性能監(jiān)測發(fā)現,由于換熱器表面污垢的生長,系

5、統(tǒng)COP逐漸減小,因此對污水換熱器進行定期清洗是十分必要的。同時,污垢生長導致污水管道的最大運輸能力下降,且第一個月下降程度最大,在隨后的四個月下降不明顯。與幾種傳統(tǒng)熱水加熱系統(tǒng)的成本以及運行費用的對比結果表明,該廢熱回收熱水系統(tǒng)具有明顯的經濟性。
　　針對換熱器污垢問題,提出了WWSHP系統(tǒng)的關鍵部件——具有除污功能的干式殼管式污水蒸發(fā)器(Dry-ExpansionShell-and-TubeEvaporator,DESTE)。

6、在該洗浴中心搭建了利用DESTE換熱器進行廢熱回收的WWSHP系統(tǒng)實驗臺,對DESTE的運行特性進行了實驗研究。連續(xù)一個月的測試數據表明,一個月后系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)器換熱能力、系統(tǒng)COP均因受到換熱器表面污垢的影響而降低。一個月后利用DESTE換熱器的除污裝置對換熱器進行了除污,并對除污前后的系統(tǒng)性能參數進行了測試和對比分析。對比結果表明,除污后制冷劑的平均蒸發(fā)溫度、換熱能力、COP在很大程度上有了提高,基本恢復到潔凈時的運行狀態(tài)。這些

7、測試結果表明該換熱器具有高效的除污功能。
　　將傳統(tǒng)的IE換熱器和本文提出的DESTE換熱器在WWSHP系統(tǒng)(IE-WWSHP和DESTE-WWSHP)中的運行和換熱特性進行了對比分析,包括不同的熱水設定溫度、污水排放流量和形式,熱水排放模式(連續(xù)/間斷)等。并從初投資、運行費和環(huán)保方面對兩種換熱器進行分析。結果表明,DESTE換熱器可以取代傳統(tǒng)IE換熱器。DESTE-WWSHP系統(tǒng)中的污水儲水箱內污水溫度分布比IE-WWSHP系

8、統(tǒng)均勻;DESTE-WWSHP系統(tǒng)的熱水加熱能力比傳統(tǒng)IE-WWSHP系統(tǒng)高;DESTE換熱器污水側換熱系數、DESTE緊湊度均比IE換熱器的高,因此體積比IE換熱器小很多。分析表明,在除污方面,DESTE-WWSHP較IE-WWSHP系統(tǒng)節(jié)省勞動力和電能,同時避免難聞氣體的泄漏造成的空氣污染。
　　為進一步了解DESTE換熱過程,對其流動與換熱機理進行了分析,根據質量守恒、動量守恒和能量守恒,建立了該干式殼管式污水蒸發(fā)器的換熱模

9、型。在驗證了模型的有效性后,利用該模型對不同制冷劑和污水流速下的換熱管內制冷劑的壓力、空泡率、比焓以及溫度分布進行了模擬。對比分析了除污前后兩側流體的溫度分布以及制冷劑側換熱系數的變化。模擬研究了污垢的形成過程對污水換熱器換熱特性的影響。確定了最小污水流量、最優(yōu)污水流量以及最佳除污污垢熱阻。
　　本課題研究是“十一五”國家科技支撐計劃項目“水源地源熱泵高效應用關鍵技術研究與示范”(2006BAJ01A06)的一部分。本文工作對深入