污水源热泵系统污水换热器强化传热数值模拟与实验研究

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1、分类号:TU831.410710-2015229029专业硕士学位论文污水源热泵系统污水换热器强化传热数值模拟与实验研究王沂萌导师姓名职称谷雅秀副教授殷元生教授级高级工程师专业学位类别工程硕士申请学位类别硕士及领域名称建筑与土木工工程论文提交日期2018年5月9日论文答辩日期2018年6月7日学位授予单位长安大学ExperimentalResearchandNumericalSimulationofHeatTransferEnhancementforWastewaterHeatExchangerinWas

2、tewaterSourceHeatPumpAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangYimengSupervisor：AssociateProf.GuYaxiuS.E.YinYuanshengChang’anUniversity,Xi’an,China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含

3、任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：2018年05月08日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。（涉密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：2018年05月08日导师签名：2018年05月08日4摘要热泵技术可以提升低品位能源品质，挖掘出介质中贮存的

4、低温余热，可有效实现节能，而污水温度全年小幅变化，热能特征及稳定性均较好，且水量丰富，若利用热泵提取污水中贮存的能量，既回收了城市排放的热能，又减少了传统能源的消耗，可满足我国的发展要求，是一种有益于全球可持续发展的新型污水处理策略。污水换热器是污水源热泵系统的关键，它能提取污水中的热能，再由热泵技术提升热能的位态。污水换热器不仅需要具有传热效率高的特点，而且还应兼具预防换热器结垢的能力。而传统换热器，污水流通后，换热管不仅易发生结垢现象，还会因此额外引起换热效率降低的问题，因此改进污水换热器结构从而推动

5、污水源热泵市场化发展具有重要意义。本课题对污水换热器的结构进行改良，在原有换热管的基础上，分别插入单螺旋线以及双螺旋线。通过螺旋线的转动加强管内流体扰动，打破管内流体原有运动规律，流体由无掺混的层状流动变为螺旋状流动，提高了换热效率，且增强了流体对管壁的冲刷作用，有很强的防、除垢效果。本文首先分析了强化传热的机理，得出可旋转式螺旋线可有效增强换热的结论。因螺旋线贴近管壁，可有效改变流体流动结构，破坏对传热有阻碍作用的边界层，并加强螺旋线圈内、外流体的掺混，且有效减小温度场与速度场之间的夹角，在流体物性、流

6、速及管径不变的条件下提高了换热效率。为了进一步研究螺旋线强化传热的效果，本课题搭建了单管换热实验平台，对两种内插可旋转式螺旋线的水平管及传统换热管的传热效果进行实验测量，同时利用FLUENT模拟软件进行数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比验证。本课题除分析螺旋线的强化传热效果外，并从影响换热特性的螺距和转速两方面进行螺旋线强化传热规律的分析。结果表明：（1）内插可旋转式螺旋线换热管壁面附近流体流向发生明显改变，流体的切向运动更加剧烈，中心流体与管壁附近流体互相掺混，流体呈有规律的螺旋状流动的流动特性；

7、（2）本文所设计的强化换热管具有管内流动边界层温度梯度大、温度变化区域向换热管中心扩展，主流区等温面积减小的温度分布特性；（3）在相同条件下，内插可旋转式单螺旋线换热管与内插可旋转式双螺旋线换热管的换热效率均优于传统换热管；对于螺距及转速的影响，内插可旋转式单螺旋线换热管与内插可旋转式双螺旋线换热管的传热系数变化趋势相同；同一转速或i同一螺距条件下，两种强化换热管的传热系数相近，同时强化换热管的传热系数随转速的增大而增大，随螺距的增大而减小；（4）实际工程中可采用经济转速10rad/s，螺距为10mm的单

8、螺旋线即可达到强化换热效果。关键词：污水源热泵，污水换热器，强化传热，数值模拟，实验研究iiAbstractHeatpumptechnologycanimprovethequalityoflow-gradeenergysourcesandexcavatethelow-temperaturewasteheatstoredinthemedium,whichcaneffectivelysaveenergy.Thewastewater