第22卷第13期中國給水排水Vol 22 No. 132006年7月CHINA WATER WaSTeWateRJul.2006污水源熱泵處理低溫污水的模擬分析姚楊,宋艷,那威(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090摘要:城市污水是一個優(yōu)良的低溫余熱源,為保證低溫污水生物處理的順利進(jìn)行,可考慮回收處理出水中的熱能并用其加熱原水以提高水溫,為此提出了以處理出水為熱源,以原水為熱匯的熱泵系統(tǒng),并根據(jù)污水水質(zhì)的特殊性和大溫差換熱的特點(diǎn),使用了多級淋激式冷凝器。建立了各部件的模型,并模擬計算了三級淋激式換熱器及整個熱泵系統(tǒng)的性能,分析了污水流量和進(jìn)口污水溫度等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。模擬計算結(jié)果顯示,在設(shè)定的工況下出口污水溫度為29.569℃,能夠滿足生物處理的要求,說明系統(tǒng)具有可行性;同時其能效比為4.177,又具有節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞:污水源熱泵;淋激式換熱器;性能模擬;生物處理中圖分類號:X706文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C文章編號:1000-4602(2006)13-0070-04Simulation and Analysis of Sewage-source Heat Pump for LowTemperature Wastewater TreatmentYAO Yang, SONG Yan, NA WeiSchool of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of TechnologyAbstract: Sewage in urban areas can be a source of a low temperature heat energy due to the largeheat capacity. A sewage-source heat pump system using treated sewage as a heat source to heat raw sew-age was presented in order to ensure successful biological sewage treatment at a low temperature. Thehree-stage spray heat exchanger was introduced as the condenser in the heat pump. The performance ofthe system was simulated and analyzed with the change of environment parameters, such as the sewageflow quantity and the sewage temperature at the entrance of heat exchangers. The results show that thisnovel system can be utilized in biological wastewater treatment in cold climates because of its energy-saving and high efficient characteristics. Under the given condition, sewage temperature can be enhancedfrom 15C to 29. 569C, and the Energy Efficiency Ratio (EER)of the system can reach to 4.177Key words: sewage-source heat pump; spray heat exchanger; performance simulation; bio-logical treatment新系統(tǒng)的提出出用熱泵系統(tǒng)回收二級處理出水中的熱能并將其回目前,我國大多數(shù)污水處理廠所采用的工藝均用于處理前的污水(15℃),使水溫提高到30℃左為活性污泥法,其最適宜的溫度范圍是25~右,從而保證曝氣池中生化反應(yīng)的正常進(jìn)行2。該30℃。為保證低溫下污水處理過程的順利進(jìn)行,提熱泵系統(tǒng)的工作原理見圖1。第13期姚楊,等:污水源熱泵處理低溫污水的模擬分析第22卷預(yù)處理1模:采用系統(tǒng)辨識法和 DataFit數(shù)據(jù)分析軟件建立螺桿式壓縮機(jī)的模型;采用分區(qū)集中參數(shù)法建立三級淋激式冷凝器的模型;采用集中參數(shù)法建立電子膨約30℃脹閥和三級殼管式蒸發(fā)器的模型。然后以質(zhì)量守二級處理出水恒、能量守恒、動量守恒為約束條件,將各部件的模的10℃排型結(jié)合起來(不考慮系統(tǒng)循環(huán)各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)隨時間的變化)構(gòu)成整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型3。最后根據(jù)L淋激式冷凝器2節(jié)流機(jī)構(gòu)3殼管式蒸發(fā)器4壓縮機(jī)5污水泵6曝氣池計算機(jī)仿真原理,編制程序?qū)ο到y(tǒng)模型進(jìn)行求解2系統(tǒng)在設(shè)定工況下的模擬計算結(jié)果圖1污水源熱泵系統(tǒng)的原理簡圖在蒸發(fā)器出口過熱度(△t)和冷凝器出口過冷Fig. 1 Principle chart of sewage-Bource heat pump度(△a)一定的情況下,影響污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行由于污水水質(zhì)的特殊性及結(jié)垢問題采用了淋工況的參數(shù)有污水的質(zhì)量流量(m,)、冷凝器進(jìn)口污激式換熱器作為冷凝器。根據(jù)工藝要求大溫差(15水溫度(t)、蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度()和污垢℃左右)換熱的特點(diǎn),采用了多級換熱的方式。熱阻(R1)等。所設(shè)定的工況如表1所示,該工況下首先對該污水源熱泵系統(tǒng)的四大部件各自建的模擬計算結(jié)果見表2。表1污水源熱泵模擬設(shè)定工況Tab. 1 Given condition of sewage-gource heat pump for simulation項(xiàng)目△M/m,(k44/R/(0·m,KW數(shù)值表2設(shè)定工況下的模擬計算結(jié)果Tab. 2 Simulated results of system under given condition名稱模擬計算結(jié)果壓縮機(jī)|壓縮比28#氣溫度:.80:排氣壓力11408縮人功率:17089W,人口制冷劑比4089級冷凝器出口污水溫度:19856℃;二級冷凝器出口污水溫度:24.713℃;三級冷凝器出口污水溫度:29569℃;冷凝器總換熱量:713.872kW;過熱區(qū)換熱系數(shù):389769W/(m2·℃);兩相區(qū)換熱系數(shù):95.81W/(m2冷凝器·℃);過冷區(qū)換熱系數(shù):464.245w/(m2·℃);-級過熱區(qū)長1.834m;級兩相區(qū)長:14.184m;一級過冷區(qū)長:1.522m;二級過熱區(qū)長:2399m;二級兩相區(qū)長:21.132m;二級過冷區(qū)長:1.708m;三級過熱區(qū)長:3.190;三級兩相區(qū)長:38.145m;三級過冷區(qū)長:10.564m膨脹網(wǎng)開啟面積:1.16103m2;進(jìn)出口壓差:72328P蒸發(fā)器一級蒸發(fā)器出口污水溫度:567℃二級蒸發(fā)器出口污水源度:1231℃:三級蒸發(fā)器出口污水溫度:682℃;換熱系數(shù):1045.368W/(m2℃);蒸發(fā)器總換熱量:57929 kW系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量:6ks:蒸發(fā)溫度4171℃冷凝溫度:3.858℃:;系統(tǒng)能效比:4177建立該熱泵系統(tǒng)的目的是加熱污水以滿足生物即處理對溫度的要求,若提升后的出口污水溫度>25r=m/(2m)℃,則說明系統(tǒng)能滿足使用要求;若出口污水溫度>式中m,—污水流量kg/h30℃,則說明系統(tǒng)使用效果良好。由表2可見,污m—管列數(shù)水順序通過三級冷疑器后其溫度不斷升高,每級提l單管管長,m升量為4~5℃,最終的出口污水溫度為29569℃,噴淋密度隨污水流量的增加而呈線性增大。當(dāng)系統(tǒng)能效比為4.177,能較好地滿足使用要求。r<250kg/(m·h)時,淋激式冷凝器下部的換熱管3環(huán)境參數(shù)對系統(tǒng)的彩響不能被充分潤濕5,對應(yīng)于該最小噴淋密度的最小3.1污水流量對系統(tǒng)性能的影響污水流量為30000kg/h。污水通過噴淋裝置后以淋激式冷凝器的噴淋密度r[kg/(m·h)]是水膜狀態(tài)沿管壁流向下一層換熱管,可以計算出滿指在單位時間內(nèi),通過每米管長每邊流下的水量,足層流條件[Re=4/≤2100,為污水在10~30第13期中國給水排水第22卷℃時的動力粘度,其值取466~2.85kg/(m·h)]由圖3可見,當(dāng)污水流量增大時系統(tǒng)制熱量增的最大污水流量為300000kg加,而功率變化不大,所以EER增大。但當(dāng)水流量換熱系數(shù)的計算公式為:增大到一定程度時,流量的增大對EER的影響則大an=40cr04/d06大減小。式中c,水的比熱容kJ/(kg·℃)32冷凝器進(jìn)口污水溫度的影響d。換熱管外徑,m圖4是冷凝器進(jìn)口污水溫度為8~22℃時系統(tǒng)a管外污水側(cè)換熱系數(shù),W/(m2℃)部分性能參數(shù)的變化情況。污水流量增大則噴淋密度也增大,從而使換熱40系數(shù)增大,換熱器的換熱量有所增加。35圖2是兩個換熱器出口污水溫度隨污水流量的變化?！淠髡舭l(fā)器冷凝器魯蒸發(fā)器10121416182022冷凝器進(jìn)口污水溫度/C冷凝器進(jìn)口水溫對出口溫度的影響715150云污水流量/(10kgh2)圖2出口污水溫度隨污水流量的變化系統(tǒng)制熱量Fig 2 Variation of sewage temperature of two exchangers一壓縮機(jī)輸入功率1012141618冷凝器換熱量的增大,必然使其出口污水溫度冷凝器進(jìn)口污水溫度℃降低。由圖2可知,在其他參數(shù)為設(shè)定值的條件下,b.冷凝器進(jìn)口水溫對制熱量的影響當(dāng)污水流量<41900kg/h時,該套系統(tǒng)可以將污水加熱到30℃以上,使用效果良好;當(dāng)污水流量>6.063500kg/h時,冷凝器出口污水溫度<25℃,該設(shè)5.55.0備不能滿足使用要求,此時應(yīng)調(diào)小污水流量、改變其他參數(shù)或增大換熱器容量。4.0圖3為系統(tǒng)能效比(FER)隨污水流量的變化情況。50冷凝器進(jìn)口污水溫度心℃Cc.冷凝器進(jìn)口水溫對EER的影響4.6圖4熱泵系統(tǒng)性能隨冷凝器進(jìn)口污水溫度的變化Fig 4 Variation of performance of heat pump system wit由圖4可見,冷凝器進(jìn)口污水溫度的升高可使其出口污水溫度升高,從而使冷凝溫度升高。而蒸污水流量/0Mkgh)發(fā)器出口溫度的變化則相對較小。當(dāng)冷凝器進(jìn)口污水溫度<9.9℃時,冷凝器出口污水溫度<25℃,圖3系統(tǒng)能效比隨污水流量的變化Fig 3 Variation of energy efficiency ratio of system說明該系統(tǒng)可使用的最小進(jìn)口水溫為9.9℃;當(dāng)冷th sewage flow quantit凝器進(jìn)口污水溫度>15.1℃時,出口污水溫度>30第13期姚楊,等:污水源熱泵處理低溫污水的模擬分析第22卷℃,說明系統(tǒng)使用效果良好。從圖4(b)、(c)可見,器不利故應(yīng)保證蒸發(fā)溫度>2℃,計算得此時蒸發(fā)冷凝器進(jìn)口污水溫度升高,加熱污水所需的熱量減器進(jìn)口污水溫度>16.4℃。從圖5(c)可見,蒸發(fā)少,而冷凝溫度的升髙則使壓縮機(jī)功率增大,從而使器進(jìn)口污水溫度升高,系統(tǒng)能效比明顯增大,所以提系統(tǒng)能效比減小高蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度是提高系統(tǒng)能效比的主要途3.3蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度的影響徑,因此在污水處理工藝中應(yīng)注意保溫,在如初沉池圖5為蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度為15~25℃時系頂部加蓋,對地面以上的曝氣池池壁采用發(fā)泡保溫統(tǒng)部分性能參數(shù)的變化情況。板保溫并外砌磚圍護(hù)結(jié)構(gòu)等4結(jié)論①在低溫條件下采用以處理后的污水為熱一蒸發(fā)器源,以原水為熱匯的熱泵系統(tǒng)提升水溫具有可行性,冷凝器設(shè)定工況下的性能模擬值與預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)吻合較好,壓縮機(jī)輸入功率為170.899kW,可將污水溫度由15℃提升到29.569℃,系統(tǒng)能效比達(dá)4.177。②該熱泵系統(tǒng)存在對應(yīng)于最小噴淋密度的最蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度小污水流量和滿足層流條件的最大污水流量。污水a(chǎn).蒸發(fā)器進(jìn)口水溫對出口水溫的影響流量增大會使冷凝器出口的污水溫度降低,當(dāng)污水流量>63500kg/h時,冷凝器出口污水溫度<2576℃,該設(shè)備不能滿足使用要求;污水流量增大則系統(tǒng)174能效比也增大,但增幅逐漸減小。③冷凝器進(jìn)口污水溫度增大則其出口污水溫170解度和冷凝溫度均增加,系統(tǒng)能效比減小。當(dāng)冷凝器系統(tǒng)制熱量進(jìn)口污水溫度<9.9℃時,出口污水溫度<25℃壓縮機(jī)輸入功率系統(tǒng)不能滿足使用要求,此時應(yīng)調(diào)整設(shè)備容量或改蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度rC變其他參數(shù)。b.蒸發(fā)器進(jìn)口水溫對制熱量的影響④蒸發(fā)器進(jìn)口污水溫度增大則其出口污水溫度和蒸發(fā)溫度增加,系統(tǒng)能效比增大。為保證寒冷環(huán)境中蒸發(fā)器的安全運(yùn)行,其進(jìn)口溫度應(yīng)高于16.4℃。參考文獻(xiàn)[1]張統(tǒng).污水處理工藝及工程方案設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,200[2] 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