污水源热泵处理低温污水的模拟分析

第22卷第13期中国给水排水Vol. 22 No. 132006年7月CHINA WATER & WASTEWATERJul. 2006污水源热泵处理低温污水的模拟分析姚杨，宋艳，那威(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)摘要:城市污水是一个优良的低温余热源,为保证低温污水生物处理的顺利进行,可考虑回收处理出水中的热能并用其加热原水以提高水温,为此提出了以处理出水为热源,以原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的特点,使用了多级淋激式冷凝器。建立了各部件的模型,并模拟计算了三级淋激式换热器及整个热泵系统的性能,分析了污水流量和进口污水温度等参数对系统性能的影响。模拟计算结果显示,在设定的工况下出口污水温度为29. 569 C,能够满足生物处理的要求,说明系统具有可行性;同时其能效比为4.177,又具有节能性和经济性。关键词:污水源热泵;淋激式换热器; 性能模拟;生物处理中图分类号: X706文献标识码: C文章编号: 1000 -4602(2006)13 -0070 -04Simulation and Analysis of Sewage- source Heat Pump for LowTemperature Wastewater TreatmentYAO Yang，SONG Yan，NA Wei( School of Municipal and Enwironmental Engineering , Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China)Abstract: 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. Thethree-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-sav-ing and high eficient characteristics. Under the given condition, sewage temperature can be enhancedfrom 15 C to 29. 569 C, and the Energy Efficiency Ratio( EER)of the system can reach to 4.177.Key words: sewage -source heat pump; spray heat exchanger; performance simulation; bio-logical treatment1新系统的提出.出用热泵系统回收二级处理出水中的热能并将其回目前，我国大多数污水处理厂所采用的工艺均用于中国煤化工k温提高到30 C左为活性污泥法",其最适宜的温度范围是25 ~右，MHCNMHG的正常进行2。该30 C。为保证低温下污水处理过程的顺利进行,提热泵系统的工作原理见图1。●70●.第13期姚杨,等:污水源热泵处理低温污水的模拟分析第22卷模:采用系统辨识法和DataFit 数据分析软件建立螺杆式压缩机的模型;采用分区集中参数法建立三级预处理淋激式冷凝器的模型;采用集中参数法建立电子膨胀阀和三级壳管式蒸发器的模型。然后以质量守.67二级处理出水恒能量守恒、动量守恒为约束条件,将各部件的模型结合起来(不考虑系统循环各点状态参数随时间西10工楼的变化)构成整个系统的稳态模型3.4。最后根据1.淋激式冷凝器2.节流机构3.壳管式蒸发器4.压缩机5.污水泵6.曝气池计算机仿真原理,编制程序对系统模型进行求解。2系统在设定工况下的模拟计算结果图1污水源热泵 系统的原理简图在蒸发器出口过热度(Atyb)和冷凝器出口过冷Fig.1 Principle chart of Bewage -Bource bheat pump度(O1.1)-定的情况下,影响污水源热泵系统运行由于污水水质的特殊性及结垢问题,采用了淋工况的参数有污水的质量流量(m、)、冷凝器进口污激式换热器作为冷凝器。根据工艺要求大温差(15水温度(t..)、蒸发器进口污水温度(.,)和污垢C左右)换热的特点,采用了多级换热的方式。热阻(R)等。所设定的工况如表1所示，该工况下首先对该污水源热泵系统的四大部件各自建的模拟计算结果见表2。表1污水源热泵模拟设定工况Tab.1 Given condition of sewage-source heat pump for simulation项目Qt./C，Otg/C .m./(kg.h+)t.:/CR/(10-*m2.K.w-I)]数值542 0015205.28表2设定工况 下的模拟计算结果Tab.2 Simulated reults of system under given condition名称模拟计算结果压缩机压缩比:2. 288 ;排气温度:47.830 C ;排气压力:1 284. 973 kPa;输人功率:170.899 kW ;入口制冷剂比焓:410.89kJ/kg;出口制冷剂比焓:429. 87 kJ/kg-级冷凝器出口污水温度:19.856C;二级冷凝器出口污水温度:24.713C;三级冷凝器出口污水温度:29.569C ;玲凝器总换热量:713.872 kW ;过热区换热系数:389. 769 w/(m2●C);两相区换热系数:955.581 W/(m2冷凝器●C) ;过冷区换热系数:464.245 W/(m2 . C);一级过热区长:1.834 m;一级两相区长:14.184 m;-级过冷区长:1 522 m;二级过热区长:2. 399 m;二级两相区长:21.132 m;二级过冷区长:1. 708 m;三级过热区长:3.190m;三级两相区长:38. 145 m;三级过冷区长:10.564 m膨胀阀开启面积:1.116 x10-5 m2 ;进出口压差:723 328 Pa蒸发器一级蒸发 器出口污水温度:15.617 C ;二级蒸发器出口污水温度:11.235 C ;三级蒸发器出口污水温度:6.852C ;换热系数:1 045. 368 W/(m2●C);蒸发器总换热量:579.829 kW系统制冷剂质量流量:3.669 kg/s;蒸发温度:4.761 C ;冷凝温度:33.858 C ;系统能效比:4.177建立该热泵系统的目的是加热污水以满足生物即:处理对温度的要求,若提升后的出口污水温度>25r =m./(2ml)C ,则说明系统能满足使用要求;若出口污水温度>式中 m,- 污水流量,kg/h30 C ,则说明系统使用效果良好。由表2可见,污m-- 管列数水顺序通过三级冷疑器后其温度不断升高,每级提l一单管管长,m升量为4~5 C ,最终的出口污水温度为29.569 C ,喷淋密度随污水流量的增加而呈线性增大。当系统能效比为4.177 ,能较好地满足使用要求。「<250 kg/( m. h)时,淋激式冷凝器下部的换热管3环境参数对 系统的影响不能中国煤化工小喷淋密度的最小3.1污水流 对系统性能的影响污水通过喷淋装置后以淋激式冷凝器的喷淋密度T[kg/(m●h)]是MH.CNMHG水膜认态佰百空沈问r一层伙热管,可以计算出满指在单位时间内，通过每米管长每边流下的水量,足层流条件[ Re =4T/μ≤2 100,μ 为污水在10 ~ 30.71●第13期中国给水排水第22卷C时的动力粘度,其值取4.66~2.85 kg/(m●h)]由图3可见,当污水流量增大时系统制热量增的最大污水流量为300 000 kg/h。加,而功率变化不大,所以EER增大。但当水流量换热系数的计算公式为:增大到一定程度时,流量的增大对EER的影响则大a。=40cqr0.*/d。大减小。式中e,一 -水的比热容,kJ/(kg. C)3.2冷凝器进口污水温度的影响d.-换热管外径 ,m图4是冷凝器进口污水温度为8 ~22 C时系统- 管外污水侧换热系数, W/(m2 . C)部分性能参数的变化情况。污水流量增大则喷淋密度也增大,从而使换热40，35系数增大,换热器的换热量有所增加。30图2是两个换热器出口污水温度随污水流量的电25+冷凝器:变化。毋蒸发器15|0日10}35十冷凝器蒸发器0 12) 22冷凝器进口污水温度/Ca冷凝器进口水温对出口温度的影响12500叶720200 生10715污水流量/(10* kg.h")710H 100图2出口污水温度随污水流量 的变化+系统制热量Fig.2 Variation of sewage temperature of two exchangers705毋压缩机输人功率50 出outlets with sewage flow quantity7001012141618 2022冷凝器换热量的增大,必然使其出口污水温度冷凝器进口污水温度FCb.冷凝器进口水温对制热量的影响降低。由图2可知,在其他参数为设定值的条件下，7.04当污水流量<41900kg/h时,该套系统可以将污水6.5-加热到30C以上,使用效果良好;当污水流量>.6.0↑63 500 kg/h时,冷凝器出口污水温度<25 C ,该设5.5-的5.0备不能满足使用要求,此时应调小污水流量、改变其4.5他参数或增大换热器容量。4.03.5图3为系统能效比(EER)随污水流量的变化情况。3.010 1214161820225.0外4.c.冷凝器进口水温对EER的影响图4 热泵系统性能随冷凝器进口污水温度的变化4.4Fig. 4 Variation of performance of heat pump system withsewage temperature of condenser inlet4.0-由图4可见,冷凝器进口污水温度的升高可使3.8-3.6 51015202530其出口污水温度升高,从而使冷凝温度升高。而蒸污水流量/(10 kg-h7)发器中国煤化工。当冷凝器进口污水温E污水温度<25 C,图3系统能效比随污水流量 t的变化说明0HCNMH泳温为9.9 C;当冷Fig3 Variation of energy eficiency ratio of systemwith sewage flow quantity凝器进口污水温度>15.1 C时,出口污水温度>30.●72●第13期姚杨,等:污水源 热泵处理低温污水的模拟分析第22卷C ,说明系统使用效果良好。从图4(b)、(c)可见,器不利,故应保证蒸发温度>2 C ,计算得此时蒸发冷凝器进口污水温度升高,加热污水所需的热量减器进口污水温度>16.4 C。从图5(c)可见,蒸发少,而冷凝温度的升高则使压缩机功率增大,从而使器进口污水温度升高,系统能效比明显增大,所以提系统能效比减小。高蒸发器进口污水温度是提高系统能效比的主要途3.3 蒸发器进口污水温度的影响径,因此在污水处理工艺中应注意保温,在如初沉池图5为蒸发器进口污水温度为15 ~25 C时系顶部加盖,对地面以上的曝气池池壁采用发泡保温统部分性能参数的变化情况。板保温并外砌砖围护结构等。s5 卜4结论。①在低温条件下采用以处理后的污水为热25毋蒸发器源，以原水为热汇的热泵系统提升水温具有可行性,要20+冷凝器设定工况下的性能模拟值与预期的设计目标吻合较更15-好,压缩机输人功率为170. 899 kW,可将污水温度的105_由15C提升到29.569C,系统能效比达4.177。②该热泵系统存在对应于最小喷淋密度的最9151923蒸发器进口污水温度/心小污水流量和满足层流条件的最大污水流量。污水a蒸发器进口水温对出口水温的影响流量增大会使冷凝器出口的污水温度降低,当污水900-178流量>63500kg/h时，冷凝器出口污水温度<25800C,该设备不能满足使用要求;污水流量增大则系统1174能效比也增大,但增幅逐渐减小。啪700-72方③冷凝器进口污水温 度增大则其出口污水温600170善度和冷凝温度均增加，系统能效比减小。当冷凝器+16850. 系统制热量66进口污水温度<9.9 C时,出口污水温度<25 C,毋压缩机输人功率系统不能满足使用要求,此时应调整设备容量或改400[5212ζ64蒸发器进口污水温度/C变其他参数。b.蒸发器进口水温对制热量的影响④蒸发器进口污水温度增大则其出口污水温度和蒸发温度增加,系统能效比增大。为保证寒冷环4.6|境中蒸发器的安全运行,其进口温度应高于16.4 C。4.4昏42参考文献:[1] 张统.污水处理工艺及工程方案设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.3.8F2] Funamizu N, lida M Sakakura Y ,et al. Reuse of heat en-3.6.51923 25ergy in wastewater: implementation examples in Japan[J]. Water Sei Technol ,2001 ,43( 10) :277 - 285.c.蒸发器进口水温对EER的影响[3] 丁国良,张春路.制冷空调装置智能仿真[M].北京:圈5热泵系统性能随蒸 发器进口污水温度的变化科学出版社,2002.[4] Koury R N,Machado L, Ismail K A. Numerical simulationFig.5 Variation of performance of heat pump system withof a variable speed rfrigration system[J]. Int J Refrig-sewage temperature of evaporator inleterat,2001 ,24(2) :192 - 200.由图5可见,蒸发器进口污水温度升高可使其[5] 靳明聪，程尚模,赵永湘.换热器[M].重庆:重庆大出口污水温度增加,从而使蒸发温度升高。而冷凝学出版社, 1990.器出口水温的变化则相对较小。当进口污水温度为中国煤化工15~25C时,冷凝器出口污水温度>25C,均能满CNMHG足使用要求。但应注意到当蒸发器进口污水温度过- man : yangya01y0w 103. com低时,蒸发温度将趋于零,这对在寒冷地区使用蒸发收稿日期:2006 -02-23●73●