1、 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 Eng
2、ineering 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
3、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
4、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
5、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
6、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 ex
7、penditure” 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
8、 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.A
9、s 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
10、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
11、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 s
12、ystem. 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 t
13、he 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 calcu
14、lation 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 h
15、eat 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
16、 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 we
17、re 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
18、 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 d
19、ata-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 operatio
20、n.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 horiz
21、ontal 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
22、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
23、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
24、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
25、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VIII1 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
26、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
27、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6.8 1017KJ，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
28、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，
29、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
30、，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 10 25，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
31、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
32、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。21 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飞速发展，社会生活的城市化扩张，城市生活污水排放量逐年增多，污水热利用具有越来越重要的意义，污水热利用
33、的技术也逐渐得到了相关部门的重视。污水源热泵是城市污水热利用的重要技术之一。相较于国内，国外的污水源热泵技术起步较早，发展较成熟，研究较早的一些国家有瑞典、挪威及日本等国家9101112。牛津努菲尔德于 1954年制造污水源热泵设备13141516挪威奥斯陆 1980年建立了将原生污水作为热源的区域供热系统；瑞典 1981在塞勒建立了污水热利用的区域供热热泵站，于 1983年扩建到 9个；日本东京从 1987年开始进行污水热利用的项目研究，现今已有 11个在运行。20世纪 90年代以后，国外对于污水源热泵的研究主要集中在换热设备上，对换热换热设备的污垢形成、物质组成和污垢对换热的影响等方面进行
34、研究，在污水热利用技术上，在国外起步早，大型的城市污水源热泵已历时二十多年，形成了一套较为成熟完善的系统。相对于国内外的污水源热泵系统起步较晚，发展很快，全国各地纷纷对可再生能源城市污水热能进行利用，推广应用了较多的污水源热泵系统项目。各地的污水源热泵系统运行结果纷纷显示，污水源热泵系统在我国已经完全具备了充分发展的技术和经验。部分国内污水源热泵研究经验及项目工程如表 1. 1。，表 1. 1 国内典型污水源热泵系统工程实例Table1. 1 Engineering exampCes of the typical sewage heat pump systems in domestic投入使用
35、时 换热器类序号 项目 冷热源 供应面积及功能间 型北京高碑店污水处理厂1 二级污水 900m2空调 2001 浸泡式北京密云潭州污水处理厂234原生污水原生污水二级污水1万 m2空调15000m2空调4000m2空调200320032011壳管式浸泡式板式大庆 恒茂 商城沈阳沈水湾污水处理厂天津纪庄子 污水场山西国瑞大厦呼和浩特温馨家园小区二级污水原生污水5448m2空调 20061986壳管式壳管式56 3.13万 m2空调原生污水原生污水23.82m2空调 20082009壳管式壳管式78 山西烟草公司太原市 9.5万 m2空调、3重庆大学硕士学位论文投入使用时 换热器类序号 项目 冷热
36、源 供应面积及功能间 型分公司办公楼 供暖、热水7.5万空调、供暖、热水9 重庆市秀山人民医院北京某居住小区原生污水二级污水20142013直接式直接式10 12.8万综上所述，根据论文前期调研，污水源热泵系统的使用响应了国家的节能减排政策。但是污水的特殊性质，导致常用的间接式污水源热泵系统污水侧换热器存在有易堵塞、易腐蚀、易囤积换热污垢等问题，在运行中常有换热效率降低的现象出现。1.3.2城市污水源热泵换热器污水换热器是现今污水源热泵系统规模化应用的瓶颈。污水源热泵系统是污水热利用的重要技术之一，污水源热泵系统根据污水是否直接进入机组而分为直接式和间接式，由于城市污水中含有较多的杂质和污垢容
37、易堵塞和腐蚀机组，现今采用的较多的是间接式换热系统。间接式换热系统是通过换热器与城市污水进行换热，冬季提取污水中的热量，夏季将热量输送到城市污水中，保证了机组运行的可靠性。因此污水换热器是污水源热泵系统组成的重要部分，也是关键设备。换热器的换热效率，寿命，清洗等成为间接式换热系统的重要影响因素。现有的换热器有板式换热器，壳管式换热器，浸泡式换热器等，这些换热器在工程中均有广泛的应用，但是由于污水性质，这些换热器存在着一定的局限性。目前对于污水换热器的研究，曲云霞 17等人通过对污水源热泵系统换热器材质的选择来改善换热器的腐蚀和堵塞问题，岳玉亮 18 等人基于换热问题对新型污水换热装置进行了研究
38、，日本19针对堵塞问题研发了自动毛刷清洗装置，这些研究基本都是针对现有换热器进行改造和优化，改进效果有提高，但是尚未完全解决问题。首先，对于壳管式换热器，从表 1.1可以看出壳管式换热器在工程应用中是比较常见的。日本 12套污水源热泵系统19，北京密云潭州污水处理厂等污水源热泵系统采用的均为壳管式换热器，壳管式换热器至今已经形成了完善的理论体系，较多的工程借鉴经验，广泛应用于实际工程中，效果显示运行可靠，结构坚固，适应性强，易于制造及成本较低。同时通过工程实践发现壳管式换热器在换热效果上不佳，换热系数低。为了改善传热系数，在管外空间装设折流板，使管内流体曲折流动很多次，但是如此流动，使得流体有
39、停留空间，非常容易发生积垢、堵塞、壳侧不容易清洗，同时壳管式换热器还体积庞大。尽管日本针对壳管式换热器的管内粘泥附着问题，开发了自动毛刷清洗装置，解决了粘泥热阻带来的传41 绪 论热下降问题，但依然有自动筛滤器每日 56 次水力反冲洗问题，其他学者也纷纷对换热器的堵塞问题进行了研究和尝试，但是效果不甚明显。其次，板式换热器是近几十年来得到广泛发展和应用的高效、紧凑型换热器。沈阳沈水湾污水处理厂20、奥运村二级污水源热泵系统等工程采用了板式换热器，板式换热器总传热系数高，可达到 40007000W/ .K（水-水），约为同流速下的壳管式换热器传热系数的 35倍；占地面积小，约为壳管式换热器的 1
40、/5；对数平均温差大；末端温差小；使用非常方便，只要卸下压紧螺栓，就可以取出板片，因此清洗、维修增加或者较少板片，都非常方便。但是，同样对于污水水质，极易堵塞、积垢及腐蚀，因此使用寿命不长。最后，浸泡式换热器虽没有壳管式板式换热器应用年限长，但是近年已开始大幅度的采用，北京高碑店，大庆 恒茂 商城等污水源热泵系统均采用浸泡式换热器进行污水热利用的枢纽。浸泡式系统形式适宜于小型工程，无自动筛滤器，工艺简单，将复杂频繁的日清洗维护过程积累到两年左右后的一次性清理，包括换热池中污杂物清掏及管外侧的粘泥清刷，清理工作量很大。由于液槽内液体体积大，流速低，因为管外液体中的换热主要以自然对流进行。整个液体
41、的内部温度一般等于或者接近于液体的最终温度，因此传热温差小，体积大。它具有塑料管材价格便宜、寿命长、由于表面张力的作用具有自洁效果，基本不用除垢等优势，但是由于塑料管的导热系数相对于金属管极低，导致浸泡式换热器换热系数低，管材耗损量大，浸泡在水中不易清洗。综上所述，节能的污水源热泵系统换热器有着传热系数小、换热面积不足、运行较为不可靠等缺陷。这些缺陷都会引起热泵主机的工况恶化，出力不足，效率低下。但是城市污水中蕴含丰富的热能，污水中的热能利用对于缓解能源危机，改善环境等具有深刻的意义。中介水与污水进行热交换的换热器在污水源热泵系统中有着举足轻重的地位。而现有的换热器由于堵塞，换热温差小，效率不
42、高等原因无法将城市污水大规模的应用。为了促进城市污水热利用的发展，提高换热器效率，降低运行维护难度，寻找研发高效、可靠的新型污水换热器成为污水源热泵系统中首要解决的关键问题之一。1.4本课题主要研究内容及技术路线1.4.1主要研究内容相变换热的热管设备成熟应用于航空技术、电脑散热、钢铁及有色金属工业节能行业阳能、高温锅炉烟气余热回收中，已经形成一套完善的理论基础和丰富的工程经验。基于热管设备成功应用在余热回收工程中，本文通过将热管应用于污水热利用中，力求寻找到一种高效清洁换热器，为污水热利用提供更为广阔的空间和有效的途径。论文的主要研究内容有：5重庆大学硕士学位论文对污水源热泵 系统夏季制冷工
43、况，根据冷凝器出口额定温度及污水温度工况，对热管的工质、管壳、端盖进行设计，并从热管工质充液量、热管运行倾斜角度、蒸发段及冷凝段长度对热管换热器的换热效果的影响进行分析，寻求换热效果更加的优化的设计思路。根据前文理论设计，基于 污水热利用夏季工况， 结合实验室现有条件，制作热管，并在污水源热泵系统额定温度工况下进行物理实验，对改设计条件下的热管于夏季污水源热泵系统额定温度工况下的可行性实验，并根据实验分析热管的传热性能。探索基于污 水热利用的水 -水式热管换热器冷凝段管外流体流动方向对换热效果的影响。旨在污水换热 器工程应 用，结合前述物理实验结 果，详细在热管换热器管间距设计方面，提出一种较
44、为可靠实用的热管换热器管间距设计方法；根据设计制作一个热管换热器模型，并搭建实验模型，用实验的方法探索热管换热器冷凝段管外流体冲刷管束方式对换热效果的影响。1.4.2技术路线收集相关文献，已有资料和熟悉相关理论研究分析研究已有污水源热泵系统换热器的优劣，寻求研发新型换热器的意义和必要性，既而提出热管换热器，并设计制作适用于污水的热管元件，并提出一些优化设计思路。理论分析热管换热器的换热影响因素，并对换热器换热效果的影响因素进行优化设计。搭建实验平台，对提出的换热器换热效果影响因素进行实验测试;并通过CFD模拟对热管换热器管间距设计提出优化思路。根据实验结果进行分析，通过换热器换热效果的对比，进
45、而提出优化设计思路论文结论图 1. 1 论文的技术路线Fig.1.1 Technique method of the task61 绪 论1.5本章小结本章主要通过对现当今社会的能源形式的概况了解，对可再生清洁能源热利用的意义分析， 对可再生能源城市污水利用在国内外的应用现状分析， 总结了现有污水源热泵系统换热器的优劣。针对污水源热泵系统现有换热器存在的不足之处，提出间接式污水源热泵系统开发研究新型污水换热器有着非常重要的意义，进而安排设计基于污水热利用热管式换热器提出设计、制作、优化技术路线即本文的重点研究内容。7重庆大学硕士学位论文82 污水热利用重力式热管基本理论2 污水热利用重力式热管
46、基本理论2.1重力式热管运行机理热管作为高效传热元件之一，具有其独特的优势，因优越的传热性能热管不仅在余热回收、节能方面得到了广泛的应用，同时在航天技术和散热元件等高科技领域也取得了显著的效果。热管根据结构形式分为重力式（两相闭式热虹吸管）热管、分离式热管、回转式、毛细泵式、可变导等形式。重力式热管元件由于制造方便、价格低廉、应用方便等优势，地上传热设备均采用普通的重力式热管，毛细管、分离式等较多用于航天科技。在本次课题中选用重力式热管。重力式热管管内没有吸液芯，其液体工质的回流主要依靠管内工质的重力作用，因此称为重力式热管。重力式热管是一种在小温差下传递较大能量的高效传热元件，在实际工程中重
47、力式热管的有效热传导率大约为铜的 200-500倍21。重力式热管在结构上由三部分组成，冷凝段、绝热段和蒸发段。重力式热管和普通热管不同的是内部没有吸液芯，工质循环工作的主要动力是工质本身的重力作用。重力式热管内部没有吸液芯所以工作时具有方向性，蒸发段必须放置于冷凝段下方，工质在蒸发段通过吸收热量由液态变为气态，气态上升至冷凝段遇冷放热冷凝为液态，液态工质通过自身重力作用沿管内壁又流至蒸发段，蒸发段吸热由液态转变为气态，冷凝段冷凝放热由气态转变为液态，如此反复循环工作，实现热量的传递。其工作原理如图 2.1所示。由重力式热管的结构特征可以看出，重力式热管和普通热管相比不仅制造方便，价格低廉，结
48、构简单，而且传热性能好，工作运行可靠，所以在余热回收，节能改造中得到了广泛的应用。9重庆大学硕士学位论文图 2.1重力式热管工作原理图Fig2.1 Principle sketch of a gravity heat pipe2.2重力式热管设计理论基础重力式热管的设计包括工作温度下工质的选取，承压状况管壳、端盖的设计，工质与壳体材料的相容性匹配，这不仅影响到热管运行的传热性能同时对换热器运行寿命有决定的影响，热管的管径、工质充液率、倾斜角度、热管长度及蒸发段冷凝段长度比的设计对传热效果的影响显著。2.2.1工质的选择重力式热管主要依靠工作液体的相变来传递热量，因此工作液体的各种热物理性质对于
49、重力式热管的工作特性具有非常重要的影响。主要考虑以下几个原则：工作液体的物理性质参数熔点、沸点、临界点等要适应重力式热管的工作温度区。热管的工作温度指热管工作时工质的蒸汽温度。饱和蒸汽压越小，启动温度要求越大，启动温度过大则会导致热管在工作温度区内不能正常启动工作。热管工作温度范围应该在工质凝固点和临界点之间，但又不能过于接近凝固点和临界点。工作温度靠近临界点时，热管内工作压力上升，给热管制作带来难度，同时工质的品质因素 N 急剧下降；反之，当工作温度 过于接近凝固点时，热管内工作饱和压力过低、蒸汽速度大、密度小，产生很大的蒸汽压降，从而导致冷凝段与蒸发段温差较大，同时蒸汽压力过低，会导致热管内残留的不凝性气体增多，凝结段工作长度减小，热管传热性能变差。一般在热管设计时，换热条件已经明确，冷热源温度也确定，因此可以通过以下公式计算热管的工作温度：Te TvReTv TcRcQ （2.1）102 污水热利用重力式热管基本理论Tv 12 (Tc Te)
