江水源热泵换热器污垢研究

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江水源热泵是一种可再生能源利用技术。由于受水质的影响,江水源热泵换热器可能产生污垢并由此导致系统能耗增加、制冷制热效果降低及设备使用寿命缩短等问题。因此对江水源热泵换热器污垢的研究对于水源热泵技术的应用与推广具有积极的意义。本研究针对引起江水源热泵换热器结垢的主要因素进行分析,根据对换热器污垢生长的影响程度判断水质优劣,实验分析水质指标对污垢生长的影响,并得出相应结论。从含沙量、浊度、泥沙粒径及其他指标四个方面分析了重庆地区长江、嘉陵江水质特征,可以看出两江含沙量和浊度季节性变化明显,且含沙量均不满足水源热泵系统的要求。在泥沙粒径方面,两江泥沙粒径很小,主要是以粘土性细颗粒为主。通过分析发现细小泥沙颗粒是影响江水源热泵污垢生长的关键因素,含沙量、浊度和泥沙粒径反应了江水中泥沙颗粒的情况。采用实验方法,配制50组不同含沙量和粒径的水样,通过对不同粒径的水样分组,分别得出浊度、含沙量、泥沙粒径三者之间的关系拟合曲线方程。结果表明:采用中值粒径d50作为颗粒平均直径建立的预测浊度-含沙量的方法能较准确的反映出浊度、含沙量和泥沙粒径三者的关系。根据现有规范及已有研究成果,通过比较各指标对换热器结垢的影响,分析确定了影响江水源热泵换热器结垢的5个水质指标(PH值、铁离子、含沙量、浊度、电导率)的评价标准,并提出了标准范围。以此为依据,采用模糊综合评价法,分析了在引起江水源热泵换热器结垢方面长江在不同时刻的水质类别。结果表明:从水质方面来看,长江作为江水源热泵的源水时,水质达不到标准的要求,需要经过水处理后方可进入机组。特别是在汛期时,由于含沙量和浊度特别大,若仍采用直接式系统,则需考虑特殊的水处理方式。提出了一个水质综合参数,从江水各指标对换热器结垢影响程度和相关研究及国家标准对各指标引起换热器结垢的指标临界值两个方面定义水质综合参数为水质结垢潜能值(WSP),根据已有数据分析得该公式,并明确了计算方法。搭建水源热泵系统实验台,实验配置3种不同泥沙粒径的水源,中值粒径d50分别为5.01μm、10.98μm和22.90μm。通过实验结果发现,水源中值粒径d50分别为5.01μm、10.98μm和22.90μm所对应的换热管污垢诱导期分别为17h、24h和32h,且相应的污垢热阻稳定值分别为1.4×10-4(m2k)/w、1.3×10-4(m2·k)/w和9×105(m2k)/w。可见水源中泥沙粒径的大小与诱导期成正比,与污垢热阻的稳定值成反比。当粒径越小时,诱导期越短,而污垢热阻的稳定值越大。可见泥沙粒径越小,越容易使换热管中形成污垢。将实验结果分别与污垢预测模型、江水原水实验及规范手册进行对比,并比较了实验系统污垢状态与清洁状态及实验水源泥沙粒径与现行水处理情况。结果表明:换热管内水源中值粒径分别为d50=5.01μm、d50=10.98μm、d50=22.9μm时,污垢缓慢增长期之后的污垢热阻随时间的变化规律与Zubair和Sheikh等提出的污垢渐进式增长特性相吻合;无论是江水原水实验还是配水实验,污垢的生长均符合渐进式增长的特性,且均存在诱导期;与TEMA推荐值、《换热器设计手册》推荐值和工业循环冷却水处理设计规范等规定相比,均小于河水最小污垢系数;对比本实验换热管污垢状态与清洁状态,通过计算发现传热系数和系统能效降低了20.3%;现行水处理在粒径方面对泥沙去除程度已满足实际工程需要,而应该更多的采取方法降低江水的含沙量。本研究深化了江水源热泵换热器污垢的研究,为工程应用和相关标准制定提供了参考依据。
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