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1、污水源热泵系统在寒冷地区污水处理场合中的应用与模拟分析摘 要：城市污水是一个优良的引人注目的低温余热源，为保证寒冷地区、寒冷月份污水生物处理的顺利进行，回收处理后污水中的热能回用于处理前污水以提高污水水温，提出以处理后污水为热源，待处理污水为热汇的热泵系统，并根据污水水质的特殊性和大温差换热地特点，使用多级淋激式冷凝器。建立各部件模型，根据哈尔滨某制药厂的实际情况，模拟了三级淋激式换热器及整个热泵系统的性能。计算结果显示污水最终出口温度29.569，能够满足生物处理要求，系统具有可行性，且系统能效比4.177，节能性能好。关键词：污水源热泵；污水处理；淋激式换热器；性能模拟1 新系统的提出我国
2、目前大多数污水处理厂最常使用的污水处理方法是传统的配合鼓风曝气工艺的活性污泥法。活性污泥法是生物处理法的一种，其原理是利用生长在水中的活性污泥絮状物和游离细菌等微生物对污水中的污染物质氧化分解，使污水得到净化，同时使微生物本身获得生长所需的营养继续繁殖。污水水温是影响污水生物处理的最重要因素。研究表明生物法处理污水最适宜的温度范围是25301，所以在寒冷地区、寒冷月份或特殊场合的污水处理过程面临挑战。现行的解决办法非常有限，在我国部分北方城市常用的措施有：(1)曝气池、二沉池等池壁采用发泡保温板保温，外砌砖围护结构，代替一般的池边堆土保温方式；(2)鼓风机一侧设空气预热室，将冬季-25-30的
3、冷空气预热到58；(3)适当加热污泥，包括回流污泥；(4)用热蒸汽给进入曝气池的污水加热。现行的这些办法使污水处理成本高的问题进一步加剧。而经生物处理过后的污水含有一定的热量，却未被加以利用而直接排放掉，这就使得污水处理过程中存在一个明显的能耗矛盾：一方面浪费掉大量处理过污水中的热能，一方面又需要大量热量来加热处理前污水或加热曝气或污泥以保证处理效果。故我们提出用热泵系统回收二级处理后污水中的热能2,3，回用于处理前污水(15)，以提高污水温度到30，以保证曝气池中生物反应的正常进行。该热泵系统在污水处理过程中起到“热量搬家”的作用，具有经济效益和环保效益，根据哈尔滨某制药厂的实际情况，设计了
4、该种污水源热泵系统，其原理简图见图1。由于污水水质的特殊性及结垢问题，在系统中采用淋激式换热器（作为冷凝器）。根据污水处理工艺要求大温差（15）换热的特点，采用三级换热。1-淋激式换热器；2-节流机构；3-壳管式换热器；4-压缩机； 5-污水泵； 6-曝气池图1污水源热泵系统的原理简图2 系统模型的建立对组成该污水源热泵系统的主要部件建立模型，再以质量守恒、能量守恒、动量守恒为约束条件将各部件模型有机结合起来，不考虑系统循环各点状态参数随时间的变化，就构成了整个系统的稳态模型4。2.1 三级淋激式冷凝器模型采用分区集中参数法建立淋激式冷凝器的模型，各级相同，每级按管内制冷剂状态将冷凝器分为过热
5、区，两相区和过冷区。（1）换热温差。先计算对数平均温差，而制冷剂和污水的相对流动更接近于叉流，因此在对数平均温差上进行修正（修正系数）5。图2为冷凝器制冷剂和污水温度分布示意图。过热区：两相区：过冷区： 图2 淋激式冷凝器温度分布示意图（2）换热系数。（a）管外污水换热系数6： 式中：为喷淋密度，是指在单位时间内，通过换热器每米管长且每边流下的水流量。式中：mw为污水流量，kg/h；m为管列数；l为单管管长，m。（b）管内制冷剂换热系数7：过热区： 过冷区： 两相区： 式中：为饱和压力与临界压力的比值；x为干度，沿管长呈线性分布，用算术平均值代入；导热系数，W/(mK)；Re和Pr为雷诺数和普
6、朗特数；di为管内径，m。(3)以外表面为基准的总换热系数8：式中：Ro,f为管外污垢热阻，对污水取5.2810-4m2K/W；Ri,f管内污垢热阻，对氟里昂可以忽略；为管壁导热系数，对铜管取393W/(mK)；为管壁厚度，m；为管外，管内及管内外平均面积，m2。冷凝器由制冷剂侧流动换热和水侧流动换热两个环节组成，分别求取三区的换热温差和换热系数后，各区再分别应用能量方程9：（1）制冷剂换热量： （2）污水换热量： （3）制冷剂与污水传热方程： 式中：mr为制冷剂质量流量，kg/s；Ac为冷凝器换热面积，m2；hr,c,i和hr,c,o为制冷剂进出口焓值，kJ/(kgK)；tw,c,i和tw,
7、c,o为污水进出口温度，。2.2 压缩机模型压缩机选用烟台冰轮集团生产的CB系列螺杆式压缩机，其型号为KF16CB（R22）。其模型根据厂家样本中给出的性能数据，通过DataFit数据分析软件进行拟合。拟合后压缩机特性方程如下：制冷量（）特性方程：轴功率（N）特性方程：考虑到电机的能量损失，压缩机的输入功率Nin：压缩机排气温度、出口焓值和质量流量可用下列关系式计算10：式中：te为蒸发温度；tc为冷凝温度；为电机效率；Tcom,i、Tcom,o为制冷剂在压缩机进出口处温度，K；Pcom,i、Pcom,o为制冷剂在压缩机进出口处压力，kPa；hcom,i、vcom,i为制冷剂在压缩机进口处焓值
8、和比容；V为压缩容积；k为压缩指数；为容积效率，可用下式计算。2.3 三级壳管式蒸发器模型采用全集中参数法建立每级干式壳管蒸发器的数学模型，各级相同。（1）制冷剂换热量： （2）污水换热量： （3）制冷剂与污水传热方程：式中：c为蒸发器换热面积，m2；为换热温差e为总换热系数实际上蒸发器换热也分为过热区和两相区，这里采用全集中参数法计算的结果要比实际偏大，我们将Ke乘上一个小于1的修正系数可提高计算准确度，即：式中：为管外污水换热系数，为管内制冷剂换热系数11式中：di、do为管内外径，m；为水的导热系数，W/(mK)；为热流密度，W/m2；为制冷剂在管内的质量流速，kg/(m2s)；B为系数
9、式中：为换热管根数；为管程数；为管内流道面积，m2。2.4 电子膨胀阀模型电子膨胀阀制冷剂质量流量计算式：由上式可得膨胀阀开启面积：其中Cthr是流量系数，采用D.D.Wile提出的如下经验公式进行计算：制冷剂在电子膨胀阀中的膨胀过程为等焓过程，故电子膨胀阀的能量方程为：式中：为制冷剂进口密度，kg/m3；pi、po为制冷剂进、出口压力，Pa；hi、ho为制冷剂进、出口焓值制冷剂出口压力，kJ/(kgK)；为出口制冷剂的比容，m3/kg。3 系统在设定工况下的模拟计算结果在蒸发器出口过热度和冷凝器出口过冷度一定的情况下，决定污水源热泵系统运行工况的设定参数还有污水流量，冷凝器侧污水进口温度tw
10、,c,i，蒸发器侧污水进口温度tw,e,i和污垢热阻等环境参数。我们根据哈尔滨某制药厂的实际情况设定如下工况，见表1，根据计算机仿真原理，由上诉模型方程，编制程序从而对系统模型进行求解，得到系统在该设定工况下的模拟结果见表2。当然系统并不完全按照设定工况运行，由于环境参数的变化，如待处理污水流量，换热器污水进口温度，污垢的生长和剥落等。这些变化都将引起系统工况和性能的变化。我们将利用该模型和程序后续考察这些环境参数变化对系统性能的影响，从而得到系统在大范围变化工况下的各种稳态性能12，这些对改进污水源热泵系统设计及预测和指导系统运行都有重要意义。表1污水源热泵模拟设定工况()()(kg/h)t
11、w,c,i()tw,e,i()(m2K/W)554200015205.2810-4表2设定工况下的模拟计算结果压缩机模拟结果压缩比排气温度()排气压力(kPa)输入功率(kW)2.28847.8301284.973170.899入口制冷剂焓值kJ/(kgK)出口制冷剂焓值kJ/(kgK)410.89429.87冷凝器模拟结果一级冷凝器污水出口温度()二级冷凝器污水出口温度()三级冷凝器污水出口温度()总制热量(kW)19.85624.71329.569713.872过热区传热系数W(m2K)-1两相区传热系数W(m2K)-1过冷区传热系数W(m2K)-1389.769955.581464.24
12、5一级过热区长(m)一级两相区长(m)一级过冷区长(m)1.83414.1841.522二级过热区长(m)二级两相区长(m)二级过冷区长(m)2.39921.1321.708三级过热区长(m)三级两相区长(m)三级过冷区长(m)3.19038.14510.564膨胀阀结果开启面积(m2)进出口压差(Pa)1.11610-5蒸发器模拟结果一级蒸发器污水出口温度()二级蒸发器污水出口温度()三级蒸发器污水出口温度()15.61711.2356.852传热系数W(m2K)-1总换热量(kW)1045.368579.829系统结果质量流量(kg/s)蒸发温度()冷凝温度()能效比EER3.6694.7
13、6133.8584.177该热泵系统的使用目的是提高冷凝器侧污水温度以满足污水处理的要求，所以冷凝器侧污水温度是评价该套设备使用效果的重要标准。提升后的污水出口温度高于25，则说明系统能满足使用要求；污水出口温度高于30，则说明系统使用效果好。故我们对污水在三级淋激式冷凝器中的温度变化作详细模拟。设每级换热器每区内污水温度沿管长线性变化，图3给出设定工况下三级淋激式冷凝器内污水温度的变化情况。由下到上的三条曲线分别对应一、二、三级冷凝器。每条曲线上由左到右的三段，即冷凝器的三区：过热区、两相区和过冷区。由此可见污水顺序通过三级换热器，温度不断升高，每级提升45，污水最终出口温度29.569，系
14、统能效比4.177，较好地满足了使用要求并具有节能性。图3 三级淋激式冷凝器内污水温度沿管长变化图采用该污水源热泵，由于污水在淋激换热管的过程中，可去除污水固体颗粒表面的有机物，且污水以较高的温度与空气充分接触，可以起到预曝气的作用，故可以在一定程度上节省曝气量。污水温度提高，进而提高了污水处理的效率，处理效果好，并能防止由于低温而引起的污泥膨胀等现象的发生，并且回收了二级污水中的热能供给待处理污水，合理设计系统，还可以回收部分该热能满足采暖房和伴热管线的热负荷，因此具有明显的节能经济性。回收污水热能是继污泥回用，而首先可以尝试满足污水处理厂内部的需热。4 结论（1）针对寒冷地区污水处理水温低
15、的问题，并考虑污水处理的能耗矛盾，首次提出以处理后污水为热源，以待处理污水为热汇的热泵系统应用于污水生物处理场合中，具有节能性和环保性。（2）由于污水水质的特殊性和大温差换热地工艺要求，首次在污水源热泵系统中采用三级淋激式换热器作为冷凝器。（3）用分区集中参数法建立三级淋激式冷凝器模型，用系统辨识法和数据拟合软件建立压缩机模型，用全集中参数法建立三级壳管式蒸发器模型，从而组成系统模型。（4）根据哈尔滨某制药厂的实际情况设定工况，设定工况下的性能模拟值与预期目标吻合较好，压缩机输入功率170.899kW，将污水由15提升到29.569，系统能效比EER达4.177，能够满足污水生物处理的要求。5
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污水源热泵系统在寒冷地区污水处理场合中的应用与模拟分析
