水产品解冻冷能回收用换热器开发研制

作     者：杨俊威 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金涛

授予年度：2015年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：解冻水用换热器 冷能回收 数值模拟 抗腐蚀 防污垢 

摘      要：目前针对海水用换热器主要存在价格昂贵、易腐蚀、易结垢以及微生物滋生等问题。相比于海水用换热器,解冻水专用换热器还未见相关报道。水产品解冻水冷能回收具有重要的意义。每吨解冻水蕴含着3.87×105KJ冷能,将其用于工业上可以有效降低耗能,节约107.5度电。解冻水含盐,蛋白和微生物,在解决生物蛋白,微生物和防止水混串等问题上,比海水换热设备有着更高要求。本文根据解冻水的特性,开发研制了一种专门用于解冻水的换热器。通过比较各种换热器结构,确定解冻水采用板式结构较佳。根据进出口介质参数进行换热器结构设计,利用CFD软件,进行结构模拟和流场分析,确定了换热器流道结构为人字形波纹板型。通过数值模拟找到了较好的设计参数,通过实验测试板式换热器有着较高换热效率。对换热器的腐蚀和结垢情况进行观察,通过观察知：板片没有出现严重的腐蚀,有一些微生物污垢附着。可以采取加入药剂的方法或者接种钢的微生物来降低腐蚀速率,通过实验验证该结构能够防止解冻水混串。实验验证了理论计算和模拟的结果具有一致性。总体来说,取得了预期的效果。本文的主要工作如下：1)通过解冻水特性对比各类换热器,包括优缺点、换热效率及经济效益等方面进行综合考察,最终选取了板式换热器。介绍了板式换热器腐蚀原理、污垢原理及微生物滋生的条件。针对腐蚀、结垢,微生物滋生问题,提出了解决方法。2)针对特定工况下的板式换热器进行了初步设计,确定换热器材料为304。对板片的局部结构进行了改进设计。对零部件结构的强度和刚度进行校核。3)通过模拟,建立了波纹倾角β、波纹高度h、波纹间距λ这3个参数与压力降△p、努赛尔数Nu之间的关系,得到了换热效果好、阻力压降小的一组参数。此时换热器具有较佳的综合换热性能。较佳综合换热性能参数为：波纹倾角β≈60°、波纹高度h=4mm或者h=5mm、波纹间距λ=10mm或者λ=11mm。4)通过换热实验,将实验结果同模拟结果从两方面对比;第一：从冷、热流体的入口流量与出口温度来进行对比;第二：从冷、热流体的入口流量与压力降来进行对比。通过对比,出口温度、压力降都随体积流量的增加而增大。实验结果与模拟结果具有一致性。对实验数据进行处理,换热效率为83.7%,换热系数为2494.5W/(m2·K),表明换热器具有较好的换热效果。5)通过腐蚀和污垢实验,得到了污垢热阻随时间的变化情况,污垢热阻为5.5×10-5W/(m2·K)。观察换热板片的腐蚀和污垢情况。通过宏观观察发现,没有较严重的腐蚀,60天后其腐蚀量为0.04mm,腐蚀速率为0.000665mm/天。有一些微生物污垢附着,对实验后解冻水中微生物测量,微生物数量为10cfu/ml。为实验前的0.1倍。可知加药剂取得了较好的效果。本文综合考虑结构,成本,效率,能耗等因素,通过模拟得到一组较好的参数,使换热器取得较好的换热效率。同时,具有一定的防腐蚀和防污垢能力的解冻水专用换热器。总体上达到了预期的目标。