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【6h】

基于间断式洗浴废水余热利用系统污水池性能优化研究

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1 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 研究存在问题

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

1.5 本章小结

2 间断式余热利用系统性能实验

2.1 实验测试方法

2.1.1 测试关键参数

2.1.2 测试仪器及测试方法

2.1.3 主要参数计算方法

2.2 实验装置

2.2.1 实验设备

2.2.2 实验系统

2.2.3 实验系统调试

2.3 实验系统误差分析

2.3.1 实验系统流量平衡检验

2.3.2 实验系统热平衡检验

2.3.3 实验误差分析

2.4 实验系统性能研究

2.4.1 实验系统流量测试结果

2.4.2 实验系统温度测试结果

2.4.3 实验设备功率与COP测试结果

2.4.4 间断式余热利用系统存在问题

2.5 本章小结

3 污水池内废水换热过程模拟及分析

3.1 洗浴废水余热回收的物理数学模型

3.1.1 物理模型

3.1.2 假设条件

3.1.3 数值求解控制方程

3.2 数值研究方法

3.2.1 前处理器及求解器

3.2.2 控制方程的离散方法和离散格式

3.2.3 求解方法

3.3 模拟计算方法的验证

3.3.1 网格划分

3.3.2 初始条件及边界条件设定

3.3.3 网格无关性检验

3.3.4 模拟方法正确性检验

3.4 废水换热过程模拟结果及分析

3.4.1 模拟与实验对比分析

3.4.2 不同进出口条件下污水池换热温度场研究

3.4.3 不同进出口条件下污水池换热速度场研究

3.5 本章小结

4 间断式洗浴废水余热利用系统TRNSYS仿真模拟

4.1 设备数学模型建立及验证

4.1.1 热泵机组数学模型

4.1.2 各水泵的数学模型

4.2 系统模型建立及验证

4.2.1 系统模型的建立

4.2.2 系统模型的验证

4.3 优化后系统性能模拟

4.3.1 制备热水温度提升情况

4.3.2 设备功率及热泵COP提升情况

4.4 本章小结

5 优化后洗浴废水余热利用系统性能分析

5.1 污水池改造

5.2 优化后系统性能测试结果

5.2.1 系统流量测试结果

5.2.2 系统温度测试结果

5.2.3 系统设备功率与COP测试结果

5.3 优化前后系统性能对比分析

5.3.1 系统流量改进前后对比结果

5.3.2 系统温度改进前后对比结果

5.3.3 系统功率与COP改进前后对比结果

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与科研工作

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书

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摘要

随着全球气候变化问题的日益突出,建筑能耗占全国能耗的比重会越来越大,而空调与热水系统又是建筑能耗中的耗能大户,所以应更加重视低碳能源的使用率。中国废水排放量巨大、热能资源丰富,废水余热利用具有环保、高效节能等优点。但日常生活中小型、分散、间断的洗浴方式导致洗浴废水不能充分利用而直接排放,不仅浪费能源,还会造成环境污染等问题。本文以某工厂浴室改造为工程背景,采用实验与理论研究相结合的方式,测试并优化了间断式洗浴废水余热利用系统的运行性能。 本文首先搭建了间断式洗浴废水余热利用系统实验平台,包括热水制备与供应系统、污水换热系统、数据采集及控制系统。在对实验系统调试并校验测试误差后测试了系统 的运行性能,发现本系统存在污水池内污水温降过快、系统制备热水温度和COP波动较大且逐渐降低等问题。实验结果显示,各水泵功率较为稳定,污水换热泵流量随污水池温度降低而逐渐减少,制备的热水温度最高为54.4℃,但工作约5个小时后制备热水的温度下降了10℃。污水池内顶部污水最高达到25.1℃,但中部和底部污水温度增长分别约为1.4℃和0.8℃,且顶部污水温度降低速度较快,在下午机组停止工作前降低至10℃,说明目前污水池内污水流动情况导致污水池整体温度环境较差,废水余热流失较多,机组无法长时间制备温度较高的热水。如何减缓污水池内温度降低速率是提高机组性能的关键。 其次,以改善污水池内污水温度环境为目标,建立了污水池的三维非稳态数学模型,并对模拟条件进行了合理假设后,利用FLUENT软件对五种不同进出口位置的污水池模型换热过程进行了模拟。通过对比分析五个模型不同深度不同时间温度环境,选出了换热过程温度环境最好的模型。通过第一次实验数据回归得出各设备的数学模型,建立间断式余热利用系统的TRNSYS仿真平台,并模拟改进前的运行情况。对比模拟与实验结果验证了仿真平台的可靠性,并将改进后的污水温度模拟结果输入仿真系统后,模拟得出改进后系统制热量比改进前增加了14.77%,热泵机组的COP平均值提升14.46%。 最后,依照模拟得出最优污水池模型对污水池进出口位置进行了改造,并对改造后系统运行情况进行了测试。改造后在各水泵流量几乎不变的情况下,热泵机组制备的热水温度比改进前更高,污水池顶部温度在洗浴时基本相同,但在非洗浴时段,改进后顶部温度降低速率明显减小。改进后中部污水温度比改进前明显提高,且能为顶部污水换热提供热量。改进后虽然各设备的功率小幅度增大,但热泵机组和系统COP比改进前提高0.3~0.6。

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