污水源热泵系统取水换热过程中流化除垢与强化换热研究

热泵技术是目前我国建筑节能一项重要的实用技术，海水、湖水、江河水以及城市污水等地表水均可作为热泵的低位冷热源，但这些水体以城市污水水质最差，污水源热泵系统在实际工程遇到的问题最为突出，污水中的杂质会在换热器或蒸发器（冷凝器）内部形成污垢，主要表现在污物堵塞换热设备、污垢严重与换热性能低下等方面，严重影响了污水源热泵系统的节能性，因此去除污垢与强化换热是提高污水源热泵利用效率的重要方面。本课题针对污水源热泵换热系统存在的问题，拟采用流化除垢技术来达到降低换热设备内污垢热阻与强化传热过程的目的。本课题根据污垢形成的机理，分析除垢机理；研究流化除垢换热技术的主要指标，测试分析流化床换热器的流化除垢和强化换热性能，研究它们与流体流速、固体粒子体积分率及粒子种类等参数的关系，得到最佳运行参数。本研究成果能为污水源热泵系统（或冷却系统）的可靠运行提供技术保证。

热泵技术是目前最实用的一种暖通空调节能方式。尽管城市污水、江河水、湖水、海水等是理想的低位冷热源，但其水质极不稳定，不能满足换热设备运行要求，取水换热过程是利用这些水源的关键。这些水源以城市污水水质最差，污水源热泵系统在实际工程遇到的问题最为突出。本项目针对污水中小尺度污物所引起的污垢等问题开展研究，首先探讨污水取水换热过程中污垢的形成机理，进而将流化床换热技术引入污水源热泵系统取水换热过程的防、除垢应用中。.本项目针对污水源热泵系统取水换热过程中的污垢特征，将污垢的形成过程分为五个部分，将污垢的附着机制分为物理-化学机制与微生物机制；采用Kern-Seaton模型探讨了污水源热泵系统取水换热中污垢的形成机理，解释了增大流速可以抑制污垢与高流速条件下污垢仍然存在的原因，指出了彻底解决污水源热泵系统取水换热中污垢问题的关键在于形成剥离力大于附着力的状态。污水源热泵取水换热中水速高与水温低的特点决定了对流化固体粒子防、除垢机理起主要作用的是液固两相流剪应力与固体粒子对垢层的碰撞应力，本项目考虑碰撞应力以接触面中心成对称分布的特点，修正了已有碰撞应力模型。本项目提出采用过滤后未参与换热的污水直接对自动除污装置的过滤面进行反冲洗，彻底解决污水冷热源利用中因混水导致换热设备性能下降问题；采用大管径管防止毛发类污物堵塞换热管；采用循环流化床换热技术，降低换热器内污垢热阻，强化传热过程。.对本项目所提出的自动除污装置与大管径换热装置的性能进行了实验测试，实验表明采用过滤后未参与换热的污水直接对自动除污装置的过滤面进行反冲洗，有效解决了因混水导致换热设备性能下降问题；大管径壳管式流化床污水换热装置有效解决了毛发堵塞问题，大大提高了换热设备的性能，达到了预期效果。本项目的研究成果将有助于同时彻底解决污水源热泵系统污水侧存在的瓶颈问题，提高系统的能源利用效率，为污水源热泵系统（或冷却系统）的可靠运行提供技术保证。