換熱器在運(yùn)行過程中普遍面臨著一個(gè)問題換熱表面結(jié)垢，嚴(yán)重影響了設(shè)備的換熱效率、安全性能和使用壽命。本書針對(duì)換熱器表面污垢的生長機(jī)理、污垢熱阻預(yù)測模型以及污垢抑制技術(shù)，進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹�；趯�(duì)污垢生長特性的認(rèn)識(shí)，探索了抑垢和除垢方法，提出了具有除污和抑垢功能的換熱器。同時(shí)聚焦廣泛應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的強(qiáng)化換熱管，揭示了其在長期運(yùn)行過程中混合污垢的生長機(jī)理，建立了多參數(shù)污垢預(yù)測模型，用于指導(dǎo)換熱器設(shè)計(jì)與開發(fā)，提出了抑制污垢生長的相關(guān)策略。
本書可供土木工程（暖通空調(diào)）、動(dòng)力工程及工程熱物理相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者及工業(yè)界技術(shù)人員使用，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的教材或參考書。
換熱器是能量交換的重要部件，在諸多行業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，涉及建筑、交通、市政、化工等30多個(gè)領(lǐng)域，并相互交織形成一系列產(chǎn)業(yè)鏈條。全球工業(yè)化和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了換熱器市場的發(fā)展。同時(shí)，在碳中和的大背景下，為了降低化石能源消耗，減輕環(huán)境污染，開發(fā)和利用可再生能源已成為必然趨勢。本書的研究工作在這方面做出了有益的探索。
換熱器是能量交換的重要部件，在諸多行業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，涉及建筑、交通、市政、化工等 30 多個(gè)領(lǐng)域，并相互交織形成一系列產(chǎn)業(yè)鏈條。全球工業(yè)化和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了換熱器市場的發(fā)展。同時(shí)，在碳中和的大背景下，為了降低化石能源消耗，減輕環(huán)境污染，開發(fā)和利用可再生能源已成為必然趨勢。通過換熱器對(duì)低品位再生能源的持續(xù)提取和高效利用具有長遠(yuǎn)和現(xiàn)實(shí)的意義，這也帶動(dòng)了換熱器市場的擴(kuò)展。
換熱器在運(yùn)行過程中面臨著一個(gè)普遍的問題：換熱表面結(jié)垢（包括霜垢）。這嚴(yán)重影響了設(shè)備的換熱效率、安全性能和使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，換熱器及相關(guān)設(shè)備所消耗的維護(hù)成本占工業(yè)維護(hù)成本的 15%，其中近 50%是由污垢問題引起的。污垢問題對(duì)環(huán)境中碳排放的影響已經(jīng)達(dá)到了污垢造成的額外成本對(duì)國民生產(chǎn)總值影響的 10 倍。如今，換熱表面的污垢問題已成為世界性難題，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源消耗。因此，進(jìn)一步開發(fā)和完善除垢和抑垢技術(shù)已成為我們當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。
本書針對(duì)城市污水換熱過程，研究污垢生長機(jī)制，分析污垢對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，積極尋求有效的除垢和抑垢方法，改進(jìn)并提出適用于污水換熱的專用換熱器，來保證污水廢熱回收的高效性和可靠性。本書通過實(shí)驗(yàn)手段研究不規(guī)則換熱表面混合污垢的生長過程，分析不同種類污垢之間的相互作用規(guī)律，確定混合污垢生長過程中的關(guān)鍵行為參數(shù)的計(jì)算式。通過模擬手段研究速度場、溫度場、濃度場及換熱表面微觀幾何尺寸對(duì)污垢形成的影響機(jī)制，從而建立強(qiáng)化換熱表面混合污垢預(yù)測模型，形成污垢抑制理論。
本書基于實(shí)驗(yàn)研究了粉塵對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜特性以及熱泵機(jī)組性能的影響規(guī)律，并繪制了粉塵污垢影響下的結(jié)霜評(píng)估圖譜。探索了空氣污染對(duì)結(jié)霜速率的影響規(guī)律，指出空氣中的顆粒物可以加速結(jié)霜進(jìn)程，并研究了顆粒物對(duì)結(jié)霜成核過程的作用機(jī)制。通過一系列定性及定量分析，為建立空氣污染工況下室外機(jī)除霜控制策略提供支持，從而緩解或解決由于污垢引起的空氣源熱泵室外機(jī)誤除霜問題。
本書第 1 章由沈朝和王源編寫，第 2～4 章由沈朝和姚楊編寫，第 5 章由沈朝和王源編寫，第 6～8 章由王源和高榕編寫，第 9 章由王源編寫，全書由王源統(tǒng)稿。在本書編寫過程中，研究生萬志豪、蒲積宏、高慶梅、王墨紅、雷卓宇和閆旭等為本書成稿做了大量輔助性工作。
由于作者水平有限，書中難免存在疏漏和不當(dāng)之處，懇請(qǐng)專家學(xué)者和廣大讀者給予批評(píng)指正。
沈朝，男，1984年生，副教授（準(zhǔn)聘），博士生導(dǎo)師，就職于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，任院長學(xué)術(shù)助理。 2015年入選哈爾濱工業(yè)大學(xué)海外招聘青年拔尖人才計(jì)劃，2019年入選黑龍江省頭雁計(jì)劃骨干成員，2020年黑龍江省優(yōu)秀青年基金獲得者，國際期刊Renewable Energy客座主編。主要研究方向?yàn)榱闾冀ㄖc新型熱泵技術(shù)、流動(dòng)與清潔強(qiáng)化換熱技術(shù)。主持國家或省部級(jí)研究課題8項(xiàng)，海外（美國）研究課題1項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中SCI論文50余篇。申請(qǐng)中國專利13項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)。
前 言
物理量名稱及符號(hào)表
第1章 污垢問題及危害········ 1
1.1 城市污水廢熱回收利用及污垢·········· 1
1.1.1 廢熱利用的可行性及潛力 ·········· 2
1.1.2 熱泵回收污水廢熱項(xiàng)目介紹 ·········3
1.1.3 污水換熱的污垢問題 ············5
1.2 空調(diào)冷卻水強(qiáng)化換熱及污垢··········6
1.2.1 冷卻水換熱器常用換熱管 ·········6
1.2.2 冷卻水側(cè)的污垢問題 ············13
1.3 污垢研究的歷史與現(xiàn)狀············14
1.3.1 污垢研究的歷史 ·············14
1.3.2 顆粒污垢的研究現(xiàn)狀 ············17
1.3.3 析晶污垢的研究現(xiàn)狀 ············18
1.3.4 長期污垢實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀 ···········22
1.3.5 污垢研究的總結(jié) ········23
第2章 城市污水廢熱利用研究···········25
2.1 污水源熱泵的研究現(xiàn)狀··········25
2.1.1 中國的污水源熱泵研究報(bào)道 ············25
2.1.2 國外的污水源熱泵研究報(bào)道 ············27
2.1.3 污水源熱泵在其他特殊領(lǐng)域的應(yīng)用研究 ·········28
2.1.4 污水源熱泵的經(jīng)濟(jì)效益 ············28
2.2 污水源熱泵系統(tǒng)的性能預(yù)測·········31
2.2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ·············31
2.2.2 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模 ·········35
2.2.3 訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ··········36
2.2.4 污水源熱泵系統(tǒng)的性能預(yù)測 ············38
2.3 污水物性分析··········42
2.3.1 城市污水的物理成分（組分） ·········42
2.3.2 污水的流動(dòng)與傳熱特性 ············45
2.3.3 污水特性 ·············45
2.4 污水廢熱回收專用設(shè)備··········49
2.4.1 污水取水裝置 ·············49
2.4.2 污水換熱器 ··········53
第3章 污水中污垢特性及除污型換熱器研發(fā) ·············58
3.1 污水換熱器表面的污垢特性·········58
3.1.1 實(shí)驗(yàn)介紹 ·············58
3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ·············61
3.1.3 結(jié)果分析 ·············67
3.2 除污型干式殼管式污水蒸發(fā)器············74
3.2.1 除污型干式污水蒸發(fā)器的提出與實(shí)驗(yàn)研究 ············74
3.2.2 殼管式與浸泡式污水蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析 ·········85
3.2.3 除污型蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究 ·············95
3.3 枕板式換熱器的設(shè)計(jì)··········· 112
3.3.1 污水源熱泵系統(tǒng)原理 ············· 112
3.3.2 枕板式污水換熱器及其系統(tǒng)的性能分析 ············· 114
3.3.3 枕板式換熱器的數(shù)值分析 ············· 121
本章小結(jié)········· 128
第4章 以空氣為媒介的抑垢型污水源熱泵系統(tǒng) ·········· 131
4.1 折流板式污水塔污水源熱泵············· 131
4.1.1 污水廢熱回收折流板式換熱器的提出 ·········· 131
4.1.2 高效抑垢型污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性研究 ·········· 134
4.1.3 抑垢型污水源熱泵系統(tǒng)的抑垢特性 ·········· 144
4.1.4 污水換熱塔內(nèi)部氣流流場數(shù)值模擬 ·········· 155
4.2 導(dǎo)流板式污水塔污水源熱泵············· 165
4.2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建 ········ 165
4.2.2 污水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響 ·········· 167
4.2.3 氣液體積流量比對(duì)系統(tǒng)性能的影響 ·········· 168
4.2.4 導(dǎo)流板式全熱換熱器與折流板式換熱器的性能對(duì)比 ············ 169
4.2.5 導(dǎo)流板式全熱換熱器的節(jié)能分析 ············ 171
本章小結(jié)········· 174
第5章 空調(diào)系統(tǒng)中的污垢特性及在線監(jiān)測與測試技術(shù) ········· 176
5.1 空調(diào)系統(tǒng)的污垢概述··········· 176
5.2 水側(cè)污垢在線監(jiān)測與測試技術(shù)·········· 177
5.2.1 水側(cè)污垢（非加速）在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹 ············· 177
5.2.2 在線污垢（加速工況）監(jiān)測平臺(tái) ············· 192
5.3 水側(cè)污垢分析方法········ 201
5.3.1 數(shù)據(jù)處理的理論基礎(chǔ) ············· 201
5.3.2 誤差分析的理論基礎(chǔ) ············· 202
5.3.3 基于給定測試管長度的誤差分析 ········· 203
5.3.4 運(yùn)行參數(shù)對(duì)污垢熱阻誤差的影響 ········· 206
5.3.5 污垢熱阻計(jì)算修正公式 ·········· 210
5.4 空氣側(cè)污垢在線監(jiān)測平臺(tái)·········· 220
5.4.1 系統(tǒng)簡介 ··········· 220
5.4.2 空氣側(cè)污垢分析方法 ············· 222
5.4.3 空調(diào)室外機(jī)結(jié)霜圖譜分析 ············· 225
本章小結(jié)········· 235
第6章 空調(diào)系統(tǒng)冷卻水中污垢的特性 ·········· 236
6.1 污垢沉積的影響因素（非加速實(shí)驗(yàn)）········· 236
6.1.1 測試管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)污垢生長過程的影響 ············· 237
6.1.2 水質(zhì)對(duì)污垢生長過程的影響 ········· 242
6.1.3 流速對(duì)污垢生長過程的影響 ········· 246
6.2 二元混合污垢相互影響機(jī)制（加速實(shí)驗(yàn)）············· 250
6.2.1 污垢生長曲線 ··········· 251
6.2.2 污垢生長的誘導(dǎo)期 ·········· 254
6.2.3 污垢熱阻變化規(guī)律的相似性：加速實(shí)驗(yàn)對(duì)比長期實(shí)驗(yàn) ········· 255
6.3 疏水涂層對(duì)污垢沉積的影響············· 258
6.3.1 涂層強(qiáng)化管的加工 ·········· 258
6.3.2 涂層強(qiáng)化管的特性 ·········· 260
6.3.3 涂層表面污垢生長過程 ·········· 264
本章小結(jié)········· 267
第7章 結(jié)垢預(yù)測及模型構(gòu)建············ 269
7.1 污垢模型概述········ 269
7.1.1 Kern-Seaton 污垢模型 ············ 269
7.1.2 污垢模型參數(shù)計(jì)算 ·········· 270
7.2 附著概率與黏合強(qiáng)度的測試············· 272
7.2.1 實(shí)際（非加速）污垢測試結(jié)果 ············ 272
7.2.2 加速測試結(jié)果 ··········· 274
7.2.3 二元污垢交互作用 ·········· 277
7.2.4 抑垢涂料表面特性對(duì)污垢沉積的影響 ········ 281
7.3 附著概率與黏合強(qiáng)度計(jì)算關(guān)聯(lián)式的建立·········· 285
7.3.1 附著概率計(jì)算關(guān)聯(lián)式 ············· 285
7.3.2 黏合強(qiáng)度計(jì)算關(guān)聯(lián)式 ············· 287
7.4 漸近污垢預(yù)測模型········ 288
7.4.1 粒子沉積系數(shù)比 ··········· 289
7.4.2 壁面剪切應(yīng)力比 ··········· 290
7.4.3 漸近污垢熱阻比 ··········· 290
7.5 三元變量模型········ 291
7.5.1 現(xiàn)有污垢模型 ··········· 292
7.5.2 污垢熱阻優(yōu)化模型的建立 ············· 295
7.5.3 優(yōu)化模型的驗(yàn)證與對(duì)比 ·········· 297
7.6 多變量污垢預(yù)測模型··········· 299
7.6.1 漸近污垢熱阻比值關(guān)聯(lián)式的發(fā)展 ·········· 299
7.6.2 漸近污垢熱阻關(guān)聯(lián)式的發(fā)展 ········ 301
7.6.3 污垢預(yù)測模型的驗(yàn)證 ············· 303
7.6.4 多變量污垢預(yù)測模型的應(yīng)用 ········ 305
本章小結(jié)········· 306
第8章 強(qiáng)化換熱管的流動(dòng)換熱及結(jié)垢特性影響機(jī)制 ·········· 307
8.1 歐拉-拉格朗日法·········· 307
8.1.1 數(shù)學(xué)模型 ··········· 307
8.1.2 控制方程 ··········· 308
8.1.3 物理模型 ··········· 310
8.1.4 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證 ·········· 310
8.1.5 數(shù)值求解方法 ··········· 312
8.1.6 邊界條件 ··········· 313
8.1.7 污垢模型驗(yàn)證 ··········· 314
8.2 歐拉-歐拉法·········· 316
8.2.1 數(shù)學(xué)模型 ··········· 316
8.2.2 控制方程 ··········· 317
8.2.3 污垢模型 ··········· 318
8.2.4 物理模型 ··········· 320
8.2.5 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證 ·········· 321
8.2.6 數(shù)值求解方法 ··········· 322
8.2.7 邊界條件 ··········· 322
8.2.8 污垢模型驗(yàn)證 ··········· 323
8.3 應(yīng)用模擬技術(shù)分析流動(dòng)換熱與結(jié)垢特性·········· 324
8.3.1 歐拉-拉格朗日法案例分析 ············ 324
8.3.2 歐拉法案例分析 ··········· 328
本章小結(jié)········· 341
第9章 空調(diào)室外機(jī)污垢············ 344
9.1 空氣側(cè)顆粒垢臟堵 ··········· 344
9.1.1 空氣側(cè)換熱器表面顆粒污垢的形成過程 ············· 344
9.1.2 空氣側(cè)換熱器表面顆粒污垢的分布規(guī)律 ············· 345
9.1.3 污垢對(duì)換熱器性能的影響規(guī)律 ········ 346
9.2 空氣側(cè)析晶垢霜 ··········· 349
9.2.1 空氣側(cè)換熱器表面霜的形成過程 ············· 350
9.2.2 空氣側(cè)換熱器表面霜層空間分布規(guī)律 ········· 351
9.2.3 結(jié)霜的抑制方式 ··········· 354
9.3 空氣側(cè)混合污垢生長特性·········· 362
9.3.1 空氣中懸浮顆粒物對(duì)結(jié)霜過程的干預(yù)作用 ·········· 363
9.3.2 PM2.5 對(duì)空氣側(cè)換熱表面器結(jié)霜過程影響機(jī)制 ············ 365
9.4 既有顆粒污垢工況下的結(jié)霜特征············· 370
9.4.1 既有污垢對(duì)結(jié)霜特性的影響機(jī)制 ············ 371
9.4.2 霜、垢共存對(duì)換熱器造成的聯(lián)合影響 ············· 375
本章小結(jié)········· 377
參考文獻(xiàn)········· 379
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