沉降膜换热器基础研究及其复合源热泵系统应用分析

【摘要】：随着能源危机的日益加剧，各种类型的能源循环利用形式受到人们的关注，能源循环利用和余能回收已属于可再生能源的广义形式。沉降膜换热器（Gravity FilmExchanger（GFX））是废水余热回收的新型热交换器。沉降膜换热器通常置于排水立管中，提取工业或生活废水余热，由中心竖管和外部缠绕的螺旋形细管组成。目前的相关研究还比较少，因此开展相关研究工作，对推动沉降膜换热器技术的进展及其应用具有重大意义。 本文综合理论分析、实验验证、数值模拟计算方法对沉降膜换热器的流动和换热特性、理论效能、实际应用效能等展开了全面的研究。研究工作主要涉及以下几个方面，第一、沉降膜换热器中心管降膜流动特性及其换热关联关系研究；第二、竖直管内空气卷吸与水流汇聚降管过程的气液两相运动分析及其数值模拟；第三、沉降膜换热器外绕螺旋管的模型建立及流动特性分析；第四、沉降膜换热器效能分析模型的建立及效能分析；第五、基于沉降膜换热器的余热与太阳能复合源热泵系统性能分析。 针对沉降膜换热器中心圆管的降膜流动特性进行了实验研究和理论分析。本文自行设计制作了沉降膜换热器中心竖管沉降膜流动特性实验台，采用激光片光源-CCD高速摄像技术采集膜态特征，避免了对流场的干扰，有利于膜内微尺度变动特性的研究。实验侧重研究了中心管自由降膜流的流动特性、流体黏度及管径对流动的影响。研究表明竖管内流体的流动大体分为三个流动形态：附壁螺旋流、水膜流、水塞流；在完整液膜形成过程中，存在膜流形成的终限长度、终限厚度和终限流速，存在一个由附壁螺旋流向水膜流过渡的临界Re；下降液膜表面存在复杂的波动现象，其时空演化特性与Re及纵向距离的大小紧密相关，随着Re的增大，表面波的平均膜厚增大，波动幅度加强。同一Re下随着纵向距离的增大，波动逐渐加强。三种黏度液体的实验结果表明，随黏度增大，降膜厚度增大，表面波波动形态趋于规则。选取的两种管径降膜波动规律基本相同，小管径时由附壁螺旋流向水膜流过渡的临界Re小于大管径条件所对应的临界Re值。采用理论分析方法求解了终限长度、终限厚度和终限流速。针对沉降膜换热器中心管降膜流的流动与换热关联关系采用理论分析的方法进行了研究。分析表明，降膜的换热特性与流动特性紧密相关，换热的强弱受膜厚、波动性、大孤立波内的二次回流影响。降膜换热系数受层流导热和波动部分的对流换热影响。光滑层流的换热取决于层流膜厚；波动层流的换热取决于降膜基底层厚度和波动层的波动特性，均匀波动会减小基底膜厚度，促进换热；湍流流动的换热取决于基底膜厚度，波动的幅度和回流的强度，波动会减小基底膜厚，加强换热，但大幅的波动会产生孤立的大波，大波使局部膜厚增大，削弱换热，与此同时大波内产生二次回流，又对换热有强化作用，因此，大波的换热取决于波动幅度的大小和二次回流的强弱。 采用数值模拟计算方法对中心管降膜流动的影响因素进行了拓展研究。研究发现，降膜入口速度的增加能够加剧液膜的波动，同时能够消除降膜断裂现象；较小的气、液相速度差值能有效抑制液膜断裂；入口膜厚的增加可使降膜断裂位置向出口方向移动，但膜厚增加到一定值又使降膜断裂加剧。 采用数值模拟计算方法研究了外绕螺旋管道的流动特性。通过选择圆形、椭圆形、八边形三种典型截面螺旋管，研究了螺旋管的最大速度和速度场的移动特性，以及二次流问题。通过定义的无量纲参数“相对二次流速度”，衡量了面积平均二次流速度与面积平均主流速度之比，反映了二次流与主流的相对大小和强度。提出的二次流强度与几何截面的关联性，有利于指导沉降膜换热器外绕管的截面优化和界定。 通过建立理论模型对沉降膜换热器的效能进行了分析，并通过沉降膜换热器综合效能分析实验对理论分析结果进行了验证，验证了理论模型的正确性。研究表明，冷热流体的流量配比（R）、换热器内外管道尺寸直接影响沉降膜换热器效能，存在换热最佳流量配比、内外管道最佳尺寸、冷热流体不同的配比下存在外绕管最佳缠绕圈数。 对于集成太阳能集热器和沉降膜换热器的复合源热泵系统，采用Simulink仿真平台，对其性能进行综合分析。研究表明，采用沉降膜换热器对污水余热进行回收后，系统效能明显增大；余热回收方式对系统性能影响显著。该研究为实际应用沉降膜换热器，构建废水余热源热泵系统奠定了性能评价基础，同时为确定系统高效运行方案提供了可靠依据。 综合分析表明，沉降膜换热器的换热过程是复杂的、受诸多因素影响的综合传热过程。本文通过理论分析、实验研究、数值模拟的方法，对沉降膜换热器中心管及外绕管的流动及换热机理、综合换热效能及其在复合源热泵系统中的应用展开研究，得出了一些有用的结论。对进一步的研究工作和沉降膜换热器的推广应用具有指导意义。