城市污水流变与换热特性研究

【摘要】：城市污水源热泵技术能够充分利用城市原生污水中的废热为建筑物供热或供冷。这种方式不仅节省了化石能源的消耗,而且与常规的空调系统及其他的水源热泵系统相比,在初投资及运行费用方面也具有明显的优势。因此,可以说城市原生污水是一种优良的清洁能源。 利用城市污水作为热泵系统的冷热源是近几年才被广泛关注的课题,在工程应用领域有广泛的发展前途。考虑到城市污水未来将成为水源热泵系统中最重要的流动工质之一,从基础理论角度深入地研究其流动与换热特性既有理论意义,又有实用价值。 相对于常规的水源热泵系统应用的普遍水,城市原生污水可被视为一种新的流动工质。由于缺乏关于城市污水的基础资料,所以在设计城市污水源热泵系统时,设计人员一般采用按照清水的物性参数对污水进行估算,并加系数修正的办法。由于尚未确切地把握污水的流动与换热特性,使得管道、水泵以及换热设备的设计出现偏差。另外,正确描述污水的流变特性和换热特性还是研究污水换热器污垢生长特性的依据。 总之,无论是污水源热泵系统的设计,还是系统的合理匹配、节能运行都需要人们准确地掌握城市原生污水的流动与换热特性,这就构成了城市污水作为热泵系统冷热源能够可靠应用的一个基础理论问题。 论文分别采用水平管式流变仪法和旋转平板式流变仪法测定了城市原生污水的剪切速率和剪应力的关系,并对两种方法的优点以及弊端进行了分析,发现城市污水在流变特性上显示出一定的非牛顿流体特征。通过对两种方法得到的结果进行的不确定度分析,确定了城市原生污水为剪切稀化流体,得出了其本构方程。 论文设计并搭建了城市原生污水流动及换热特性研究的实验台,实验研究了城市原生污水在圆管层流、紊流两种流动状态下的速度分布情况,并给出了污水在圆管中流动时的流量、阻力、压降等一系列计算公式。论文研究了城市污水圆管层流和紊流状态下的换热特性,得到了相应的温度分布规律,并给出了换热系数的准则关联式。论文还对城市污水在圆管层流入口段流态下的流场进行了数值模拟,得到了入口段的特征规律。这些研究成果很大程度上填补了城市污水在流动及换热特性方面的基础理论空白,为进一步开发和应用城市污水提供了理论基础方面的参考。 这些经验公式的形式都较复杂,考虑到工程实用的需要,论文最后讨论了城市污水的非牛顿性状与常规的牛顿流体的差别问题。认为在较大的流速变化范围内将其看作是定粘度的牛顿流体是不准确的,但在工程应用的流速范围内,也可以给出基于当量粘度概念,牛顿流体形式的简化公式,在设计中这些公式的计算结果与精确公式相比误差不大,大大地方便了设计者使用。 通过本文的研究工作,对城市原生污水的流动及换热特性加深了了解和认识,为进一步开展城市污水源热泵技术提供了理论依据和保障。