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城市污水热能采集套管输送换热法

作　者: 李桂涛
导　师: 孙德兴
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 污水冷热源热能采集套管输送换热
分类号: X703.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文为国家发明专利“城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法”提供了理论与实验依据,并对其进行了优化设计与经济性分析,为该方法在实际工程中的应用奠定了坚实的基础。论文论述了污水热能采集套管输送换热法的优点。通过实际工程中测量的污垢粗糙高度k_s ,拟合出了污水管道沿程阻力系数公式。通过对实验数据的数值模拟,拟合得到环空间的摩擦系数公式与努赛尔数,分析了采用当量直径计算时的不准确性。并讨论了管径比对环空间阻力以及对流换热的影响。根据实际工程测试得到的水源工况参数,反推出不同流速下的污水对流换热系数h_w及变化规律。通过数值计算,将实测数据拟合成套管总传热系数K的公式。同时得到考虑内管壁软垢热阻影响时的附加换热面积。采用ε- NTU法得到了单、双程套管换热逆流和顺流的换热效率公式。分析比较了套管换热两种形式的换热效能大小,得出采用顺流形式更有利于换热的非常规结论。分析得到了套管实际可换热的最大有效长度。计算出了套管换热法最大、最小的套管间距,为套管设计提供参考。对套管换热法进行整体优化,得出不同工况下的最佳换热面积和最理想换热效率;对其局部优化,确定了STDTH系统技术可行的流量比和流速比范围。并给出了经济流量比和流速比的确定方法和性质。指出双程STDTH系统的换热损失系数β的范围。并给出了最佳的最小距离负荷比DLR值。对套管换热法进行了经济性分析,与管壳式换热器的换热与流动特性进行了对比。通过阻力分析,建立了泵耗表达式,得出套管换热法总泵耗要增大2倍左右。分析比较了套管换热法与普通换热器的耗材多少。经过市场价格调研,建立了与滤面水力连续再生系统的经济比较关系式,经过数值计算得出负荷距离比LDR >12.6时,采用套管换热系统要更加经济。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
物理名称及符号表  7-12
第1章绪论  12-27
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  12-18
    1.1.1 我国的能源现状  12-13
    1.1.2 污水的热能特征与回收意义  13-16
    1.1.3 污水热能利用亟待解决的问题  16-18
  1.2 套管输送换热法的简介  18-24
    1.2.1 污水热能利用两大创新  18-19
    1.2.2 套管输送换热系统简介  19-21
    1.2.3 套管换热法的基本结构  21-23
    1.2.4 套管输送换热技术的特点  23-24
  1.3 套管流动换热的研究现状  24-25
  1.4 课题的主要研究内容  25-27
    1.4.1 本文的主要研究内容  25-26
    1.4.2 论文的逻辑框架  26-27
第2章套管中流体的流动与换热特性  27-54
  2.1 污水流动的阻力特性  27-31
    2.1.1 实验拟合阻力系数计算式  27-30
    2.1.2 拟合误差的分析  30-31
    2.1.3 内管污水流动阻力的计算  31
  2.2 污水侧的对流换热系数  31-33
  2.3 环空间清水流动的阻力特性  33-39
    2.3.1 环空间阻力系数计算式  33-37
    2.3.2 环空间清水流动阻力的计算  37-38
    2.3.3 管径比β对流动阻力的影响  38-39
  2.4 环空间中介水的换热特性  39-47
    2.4.1 环空间内、外表面的努赛尔数  39-43
    2.4.2 环空间中介水的对流换热系数  43-46
    2.4.3 管径比α对环空间对流换热的影响  46-47
  2.5 套管的总传热系数  47-53
    2.5.1 工程中的实测数据  47
    2.5.2 污水换热系数的计算结果  47-49
    2.5.3 软垢热阻对总传热系数K 的影响  49-51
    2.5.4 套管总传热系数K 的拟合式  51-52
    2.5.5 套管内管的富余面积  52-53
  2.6 本章小节  53-54
第3章套管输送换热法的结构设计  54-74
  3.1 单程套管的换热效率  55-59
    3.1.1 顺、逆流两种形式的ε表达式  56-58
    3.1.2 单程套管的布置方式  58-59
  3.2 双程套管的换热效率  59-65
    3.2.1 套管逆流形式的换热效率  59-62
    3.2.2 套管顺流形式的换热效率  62-65
  3.3 套管输送换热法的流向布置  65-67
  3.4 套管间距的设计  67-73
    3.4.1 套管可利用的有效换热长度  68-70
    3.4.2 套管间距的设计范围  70-73
  3.5 本章小结  73-74
第4章套管输送换热法的优化设计  74-94
  4.1 优化模型的建立  74-77
    4.1.1 优化分析  74-76
    4.1.2 套管最佳换热面积的确定  76-77
  4.2 套管的优化计算实例  77-84
    4.2.1 给定冷流体、热流体热容量以及它们的进口温度  77-78
    4.2.2 给定冷流体流量和它进、出口温度以及热流体进口温度  78-84
  4.3 套管的可行性流量比与流速比  84-86
    4.3.1 阻力比Hr模型的建立  84-85
    4.3.2 技术可行性变量的确定  85-86
  4.4 套管换热的经济流量比与流速比  86-90
    4.4.1 STDTH系统年总费用模型的建立  86-88
    4.4.2 经济流量比与流速比的确定  88-90
  4.5 技术经济最小DLR值  90-93
    4.5.1 距离负荷比DLR的提出  90-91
    4.5.2 最小DLR值的确定  91-93
  4.6 本章小结  93-94
第5章套管输送换热系统的经济性分析  94-111
  5.1 污水侧的对流换热系数  94-97
    5.1.1 粗糙管内的换热系数  94-96
    5.1.2 光滑管内的换热系数  96-97
  5.2 换热效率ε的对比分析  97-100
    5.2.1 逆流换热形式  97-98
    5.2.2 顺流换热形式  98-99
    5.2.3 最佳换热形式  99-100
  5.3 系统的泵耗分析  100-106
    5.3.1 长度管径比的建立  100-101
    5.3.2 套管内中介水与污水的泵耗  101-103
    5.3.3 泵耗的对比分析  103-105
    5.3.4 耗材的对比分析  105-106
  5.4 系统的造价分析  106-109
  5.5 本章小结  109-111
结论  111-113
参考文献  113-117
附表  117-120
攻读学位期间发表的学术论文  120-122
致谢  122

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