污水源热泵污水换热塔内空气流场模拟

1 概述

矿井水通常指煤炭开采过程中渗入井下采掘空间的水，分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、含特殊污染物矿井水。利用热泵从矿井水中回收热量，具有显著的经济环保效益。

回收矿井水余热的热泵属于污水源热泵，许多学者对污水源热泵开展了研究。Shen等人

综述了我国污水源热泵的研究和应用现状。Baek等人

在2005年研究了污水源热泵系统的设计。吴荣华等人

研究了污水源热泵系统换热管的污垢特性。Shen等人

研究了以洗浴废水为热源的污水源热泵性能。Shen等人

还通过实验，比较了两种不同类型蒸发器的性能，这两类蒸发器均可用于污水源热泵。

矿井水的水质一般悬浮物和含盐量均比较高，长期运行易导致换热器的换热效率严重下降甚至引起热泵机组停机。为此，研究人员对换热器污垢清洗技术开展了研究。宋艳

提出的喷淋式换热器可避免由于污垢造成的堵塞，但体积大，需要额外的手工清洗。管内带有尼龙刷的换热器

的缺点：当水流方向改变时，一些刷子很容易锁在管内，导致系统性能突然发生变化。Xiao等人

提出了一种具有清洗功能的强水洗换热器，但功耗很高。具有污垢流化去除技术的换热器结构复杂，清洗效率低

。尽管上述污水换热器具有清洗功能，但清洗效果和运行可靠性均不理想。

回到房间，苏婷婷对杰克：我早跟你说了，这不是华盛顿，这是中国！你不要动不动就人权啊隐私啊！杰克倔强地：中国怎么了？中国就不讲人权了吗？中国人就该侵犯别人隐私吗？中国不是和世界接轨了吗？中国难道不是世界的一部分？苏婷婷忙换了个角度：我不是说这个意思，我是说在中国大的事情是要讲人权，可小的事情呢，要讲感情，比方说妈今天给你洗了内裤，说明咱妈喜欢你这个洋女婿，对你这个上门女婿很有感情！杰克摇摇头：N O N O，我不能对咱妈有感情，我爱的是你，不是咱妈！

本文以抑垢型污水源热泵(以空气作为污水与蒸发器之间的传热介质)采用的污水换热塔(空气与污水逆流传质传热的场所)作为研究对象，对污水换热塔内空气流场进行模拟，分析折流板数量、折流板间距对污水换热塔内空气压力降的影响。

2 抑垢型污水源热泵实验系统

抑垢型污水源热泵实验系统见图1。低温热源侧，以闭式空气循环代替传统的污水循环，由污水换热塔实现循环空气与污水的传质传热。污水箱中的污水由污水泵送至污水换热塔。在蒸发器放热后的低温低湿空气，在风机作用下与喷淋污水进行传质传热，成为高温高湿空气。最后，高温高湿空气在蒸发器中放热。如此循环。蒸发器表面产生凝结水，经凝结水管排出。与低温低湿空气换热后的污水回到污水池后，由电加热器加热升温。实验系统中，由冷水箱模拟冷凝器负荷，温度、相对湿度、压力、风速测点见图1。

污水换热塔结构见图2，图中数值单位为mm。污水换热塔的壳体内直径为400 mm，进气口到污水喷淋装置的高度为1 800 mm。污水换热塔上半部安装10块折流板，间距为80 mm。污水从污水换热塔顶部沿着折流板向下流动，空气沿折流板向上流动。在塔内空气与污水的逆流接触过程中，空气湿度增加，温度升高。

污水换热塔是抑垢型污水源热泵系统的核心部件，塔的内部结构决定了空气阻力、空气与污水之间的接触时间以及换热效果，进而影响热泵系统性能。因此，有必要对污水换热塔的内部气流流场进行研究。

3 污水换热塔模型

3.1 模型简化

知识与技能目标如下：（1）了解电阻器的外观、分类、特性和应用。（2）掌握色环电阻的识读和测量。（3）会正确使用万用表测电阻。（4）会查阅有关技术资料和工具书。

3.2 模拟方法与模型

1.理念先行，提高风险防范意识。开展风险管理审计，要求企业管理层转变观念，正确处理风险与效益的关系，增强对风险的敏锐度，将风险意识纳入企业的经营管理之中，把风险管理理念渗透到每个部门、每个岗位和每个环节，并内化为员工的职业态度和工作习惯。与此同时审计人员也要更新理念，从传统的内部财务审计扩展至参与企业的价值创造，当好企业风险管理的参与者、协调者、监督者，真正置身于企业的公司治理和风险管理过程之中。

进口风量为500 m

/h时，污水换热塔内气流的速度分布云图见图6。由图6可知，在折流板段，空气保持较高流速，可增强气水之间的传热传质。

② 边界条件

在COMSOL Multiphysics软件中对模型进行自由四面体网格划分，并在折流板缺口处进行网格加密。自由四面体网格属于非结构化网格，对于流场边界比较复杂的情况有很好的适应性。几何模型的网格划分见图4。

将污水换热塔的几何模型简化为圆柱体(见图3，图中数值单位为m)，高度为2 m，直径为0.4 m。模型上半部分对称布置10块折流板，折流板厚度为2 mm，间距为80 mm。最上端折流板距塔顶的距离为160 mm。空气进口中心线位于距底面高度0.2 m处，进口直径为0.2 m。圆柱体顶面为气流出口，出口直径为0.4 m。

将空气入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。其余几何表面均使用标准壁面函数计算。空气流动为连续过程，污水换热塔内部各点物理状态不随时间发生变化，使用

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湍流模型模拟气流。进口空气的温度为25 ℃，相对湿度为50%。

进入二十一世纪以来，我国社会经济发展十分迅速，社会大众收入不断增加，人们更加追求生活质量的提高，这在很大程度上促进了旅游行业的发展。同时随着互联网经济的发展，旅游行业对旅游专业人才提出了更高的要求。而在旅游新常态背景下，我国高职院校的旅游人才培养模式已经无法满足当前旅游行业的实际发展需要，因此，高职院校必须对当前的旅游人才培养模式进行革新。

进口风量为500 m

/h时，污水换热塔内部的压力分布云图见图7。由图7可知，压力损失主要发生在折流板段，空气每经过1片折流板即出现1次明显的压力下降。由模拟结果可知，进口风量为500 m

/h时，进口空气的平均压力为100 542 Pa，出口空气的平均压力为100 000 Pa。由此可得到，进口风量为500 m

/h时，空气压力降为542 Pa。根据进口风量分别为300、350、400、450、500 m

/h的模拟结果，空气压力降随进口风量的变化见图8。由图8可知，空气压力降随进口风量的增大而增大。

综合考虑计算速度和计算精度，最终选择网格数为281 930 个。

作为课程管理者，学校仅仅开设许多拓展性课程是不够的，后续的课程评价也要跟上，没有评价的课程是不完整的课程。在教师自由实施拓展性课程的同时，一定不能忘记“测速限载”，即需要适当的评价。只有通过进行课程评价，教师才能明确目前正在实施的拓展性课程是否达成了当初预定的课程目标。

4 模拟结果与分析

4.1 流速

进口风量为500 m

/h时，污水换热塔内的速度流线见图5。由图5可知，空气从入口进入污水换热塔后，在进口与底面间形成涡流。在流经折流板时，空气均匀扩散充满整个折流板间的空隙，可充分与污水进行逆流热质交换。

污水与空气在污水换热塔中的传热传质过程属于非满管多相流模型，比较复杂。为考核污水对空气压力降的影响，笔者在实验阶段测试了进口风量为400 m

/h，污水进口流量分别为0、1.28、1.55、1.77 m

/h时的空气压力降(见表1)。由表1可知，污水流量的变化对空气压力降的影响非常小。分析原因为：污水在塔内以分散水滴状存在，对空气阻力比较小。因此，为简化问题，模型仅考虑空气流场，不考虑流动过程中的传质传热。

① 几何模型与网格划分

4.2 压力降

③ 网格独立性验证

4.3 污水换热塔参数对空气压力降的影响

由实验结果可知，在进口风量从300 m

/h增大到500 m

/h的过程中，热泵机组制热性能系数随着风量的增加先增大后减小，最大值出现在进口风量350 m

/h。主要原因为：随着进口风量的增加，空气与污水的传热传热得到加强，有助于提高热泵机组制热性能系数。但进口风量的增加，也导致风机功耗增加最终拉低热泵机组制热性能系数。由以上分析可知，空气压力降主要发生在折流板段。因此，笔者研究折流板数量、折流板间距对空气压力降的影响。

采用数值模拟软件COMSOL Multiphysics，在结合实验数据的情况下，对污水换热塔内部空气流场进行数值模拟研究。

① 折流板数量

保持其他结构参数不变，模拟研究折流板数量(取4～9)对空气压力降的影响。进口风量为500 m

/h、折流板数量为9时，

面空气压力等值面见图9。由图9可知，空气压力等值面出现在每片折流板缺口至上1片折流板的上升段，空气经过每1片折流板的压力降均为56 Pa。其他折流板数量也具有相同规律。

塑料打包带(绳)具有质轻、牢固、易获取等特点，广泛应用于日常生活中。在各类案件现场中塑料打包带(绳)出现频率逐步提高：在入室盗窃案件中，犯罪人员常用塑料打包带(绳)捆绑钱财和物品；在绑架案件中，塑料打包带(绳)常被用于限制被害人的活动。进行塑料打包带(绳)成分的分析比对，对缩小侦查范围、有效打击犯罪起着重要作用。

进口风量为500 m

/h时，空气压力降随折流板数量的变化见图10。由图10可知，当进口风量、折流板间距一定时，空气压力降随折流板数量的增加而增大。

高校教师三大任务的说法本身就是一个需要厘清的观点，它是源于高等学校三大职能的一个简单推论。《中华人民共和国高等教育法》第三十一条规定：“高等学校应当以培养人才为中心，开展教学、科学研究和社会服务，保证教育教学质量达到国家规定的标准。”这是对高等学校整体职能的界定，而且规定教学、科学研究和社会服务活动的开展要以培养人才为中心。高等学校的整体职能并不就是每个高校教师的具体任务，更不能直接分解为对每个高校教师量化考核的三项指标。不分高等学校的类型和层次，不顾高校教师的学科特点和专业发展阶段，笼统强调三大任务的并驾齐驱，必定误导高等学校及其教师的发展。

② 折流板间距

保持其他结构参数不变，模拟研究折流板间距(分别取90、100、110、120 mm)对空气压力降的影响。由模拟结果可知，折流板间距为90、100、110、120 mm时，空气经过每1片折流板的压力降分别为50、46、43、41 Pa。进口风量为500 m

/h时，空气压力降随折流板间距的变化见图11。由图11可知，当进口风量、折流板数量一定时，空气压力降随折流板间距的增大而减小。

5 结论

① 空气从进口进入污水换热塔后，在进口与底面间形成涡流。在流经折流板时，空气均匀扩散充满整个折流板间的空隙，可充分与污水进行逆流热质交换。在折流板段，空气保持较高流速，可增强气水之间的传热传质。

② 压力降主要发生在折流板段，空气压力降随进口风量的增大而增大。

由于地域文化差异和社会发展水平的不同，外来订单影响了广彩的色彩倾向，逐渐成为热烈华丽的釉上彩。十八世纪的广彩受到欧洲古典画派的影响，迎合当时盛行的洛可可风格，表达出温馨、欢快的情调。1784年，美国的“中国皇后”号抵达广州港，开始大批量的贸易活动，至此美国也成为外销瓷的主要市场。此后的广彩瓷愈加浓烈奔放，以红、绿、金、蓝等色彩为主，描绘出一幅幅热闹的景象，特点鲜明并影响至今。

③ 当进口风量、折流板间距一定时，空气压力降随折流板数量的增加而增大。

④ 当进口风量、折流板数量一定时，空气压力降随折流板间距的增大而减小。

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