淋激式换热器取热表面降膜特性的研究

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1.1 课题研究背景

相关资料显示,2009 年全年,我国共计消费了 22.5 亿吨油当量(约折合 32.2亿吨标准煤),比美国多出了 0.8 亿吨油当量(约折合 1.15 亿吨标准煤)1。这也说明中国已经成为世界上最大的能源消费国和二氧化碳排放国。2012 年我国一次能源消费量为 36.2 亿吨标准煤,消耗全世界 20%的能源(消费煤炭占全世界总消耗量的 50%)。单位国内生产总值(GDP)能耗方面,我国明显高于同为发展中国家的巴西、墨西哥等国,并且是世界平均单位 GDP 的 2.5倍,与美、日等发达国家相比更是有很大差距。有数据显示:中国每消耗 1 吨标准煤的能源仅能创造 1.4 万元人民币的 GDP,而全球平均水平是消耗 1 吨标准煤创造 2.5 万元人民币的 GDP,美国则是 3.1 万元人民币,日本则高达 5 万元人民币2。由此可见,中国单位能耗所创造的 GDP,即耗能量与能源利用效率都远不如西方发达国家,因此我国已处在能源形式十分严峻的阶段,环境问题也亟待解决。可见,改变我国现有的用能状况从而改善生态环境已迫在眉睫。本文所研究的淋激式换热器就是一种可以将污水废热变废为宝的供热空调系统。城市污水中蕴含着丰富低位热能的可再生能源3-11。污水源热泵空调技术则是以城市污水为建筑的供热源和排热汇、为建筑提供冬季供热、夏季空调和全年热水供应的重要技术3-5,12-15。目前在我国、日本及部分欧洲国家(尤其以北欧地区为主)已经得到普遍的应用3-7,10-16。能源对一个国家、一个地区来说,是推动社会经济发展的重要源动力,节能减排是全世界共同面对的主题,也是必须执行的任务。在这种情况下,不少发达国家已经制定了完善的法律法规来推行节能减排的相关政策,并且能源效率已经逐渐成为了能源政策的基本执行工具17。高能低效、单位国内生产总值能耗分别是美国的 4.3 倍、德国与法国的 7.7 倍、日本的 11.5 倍18,这些事实和数据显示,我国的能源形势不容乐观19,20。淋激式换热器是污水源热泵换热的重要部件,设计开发该类设备的基础就是污水在水平管段外壁面的降膜换热理论。

1.2 淋激式换热器特点

目前常见的污水换热器有以下几种:浸泡式换热器、壳管式换热器、板式换热器和淋激式换热器。下面详细介绍一下各种换热器的优缺点。浸泡式换热器:优点:结构简单,便于运行和维护。缺点:污水流动速度低、换热系数小、工况适应性较差、对放置位置较为苛刻。在国内首先提出淋激式换热器概念的是哈尔滨工业大学马最良、姚杨教授等人,他们不仅仅从理论角度上对淋激式换热器进行了研究,同时还模拟了水平管降膜流动特性、换热特性以及稳定特性,为新型淋激式换热器在污水源热泵系统中的使用提供了理论基础。降膜蒸发器应用较广,应用行业有制冷、海水淡化、热能工程、石油冶炼、纸浆干燥、牛奶加工和医药等。21 世纪以来,多个有关污水热能回收的热泵研究项目或工程项目已在我国陆续开展,尤其是在我国北方寒冷地区。位于河北省以及天津市的两个工程项目便是很有代表性的案例。其中河北秦皇岛海港区污水处理厂的日平均污水处理量为 12 万吨,并且采用二级出水的温差作为输入能,供该厂区内的集中空调系统使用。较冷水机组相比,每年可节约运行费用 60%左右。而位于天津的天津公馆,利用污水源热泵回收原生污水的热能用于空调系统,实现了该工程 A 座建筑0.88 万平方米(1-5 层)的空调供冷和供热、3.48 万平方米(6-26 层)的采暖供热以及 450 户的生活热水供应。对整个系统的模拟分析有姚杨、宋艳、邵奕文等人,其中针对空气源热泵中螺杆式压缩机的特性的神经网络模拟已由姚杨教授等人完成,他们运用的是误差反向传播算法对网络的连接权值进行学习和调整,取得了满意的效果。

第 2 章 实验设备及工作原理

2.1 主实验台

如图 2-1 和图 2-2 所示,主实验台主要由 1.冷源、2.冷水箱、3.冷水循环水泵、4.过滤装置、5.冷水阀、6.电磁流量计、

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