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℃,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 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处理前的污水(15℃),使水温提高到30℃左为活性污泥法,其最适宜的温度范围是25~右,从而保证曝气池中生化反应的正常进行2。该30℃。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。第13期姚杨,等:污水源热泵处理低温污水的模拟分析第22卷预处理1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淋激式冷凝器的模型;采用集中参数法建立电子膨约30℃胀阀和三级壳管式蒸发器的模型。然后以质量守二级处理出水恒、能量守恒、动量守恒为约束条件,将各部件的模的10℃排型结合起来(不考虑系统循环各点状态参数随时间的变化)构成整个系统的稳态模型3。最后根据L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(△t)和冷凝器出口过冷Fig. 1 Principle chart of sewage-Bource heat pump度(△a)一定的情况下,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℃左右)换热的特点,采用了多级换热的方式。热阻(R1)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-gource heat pump for simulation项目△M/m,(k44/R/(0·m,KW数值表2设定工况下的模拟计算结果Tab. 2 Simulated results of system under given condition名称模拟计算结果压缩机|压缩比28#气温度:.80:排气压力11408缩人功率:17089W,人口制冷剂比4089级冷凝器出口污水温度:19856℃;二级冷凝器出口污水温度:24.713℃;三级冷凝器出口污水温度:29569℃;冷凝器总换热量:713.872kW;过热区换热系数:389769W/(m2·℃);两相区换热系数:95.81W/(m2冷凝器·℃);过冷区换热系数:464.245w/(m2·℃);-级过热区长1.834m;级两相区长:14.184m;一级过冷区长:1.522m;二级过热区长:2399m;二级两相区长:21.132m;二级过冷区长:1.708m;三级过热区长:3.190;三级两相区长:38.145m;三级过冷区长:10.564m膨胀网开启面积:1.16103m2;进出口压差:72328P蒸发器一级蒸发器出口污水温度:567℃二级蒸发器出口污水源度:1231℃:三级蒸发器出口污水温度:682℃;换热系数:1045.368W/(m2℃);蒸发器总换热量:57929 kW系统制冷剂质量流量:6ks:蒸发温度4171℃冷凝温度:3.858℃:;系统能效比:4177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/(2m)℃,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℃,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单管管长,m升量为4~5℃,最终的出口污水温度为29569℃,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。r<250kg/(m·h)时,淋激式冷凝器下部的换热管3环境参数对系统的彩响不能被充分润湿5,对应于该最小喷淋密度的最小3.1污水流量对系统性能的影响污水流量为30000kg/h。污水通过喷淋装置后以淋激式冷凝器的喷淋密度r[kg/(m·h)]是水膜状态沿管壁流向下一层换热管,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=4/≤2100,为污水在10~30第13期中国给水排水第22卷℃时的动力粘度,其值取466~2.85kg/(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300000kg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an=40cr04/d06大减小。式中c,水的比热容kJ/(kg·℃)32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℃时系统a管外污水侧换热系数,W/(m2℃)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系数增大,换热器的换热量有所增加。35图2是两个换热器出口污水温度随污水流量的变化。→冷凝器蒸发器冷凝器鲁蒸发器10121416182022冷凝器进口污水温度/C冷凝器进口水温对出口温度的影响715150云污水流量/(10kgh2)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 exchangers一压缩机输入功率1012141618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℃降低。由图2可知,在其他参数为设定值的条件下,b.冷凝器进口水温对制热量的影响当污水流量<41900kg/h时,该套系统可以将污水加热到30℃以上,使用效果良好;当污水流量>6.063500kg/h时,冷凝器出口污水温度<25℃,该设5.55.0备不能满足使用要求,此时应调小污水流量、改变其他参数或增大换热器容量。4.0图3为系统能效比(FER)随污水流量的变化情况。50冷凝器进口污水温度心℃Cc.冷凝器进口水温对EER的影响4.6图4热泵系统性能随冷凝器进口污水温度的变化Fig 4 Variation of performance of heat pump system wit由图4可见,冷凝器进口污水温度的升高可使其出口污水温度升高,从而使冷凝温度升高。而蒸污水流量/0Mkgh)发器出口温度的变化则相对较小。当冷凝器进口污水温度<9.9℃时,冷凝器出口污水温度<25℃,图3系统能效比随污水流量的变化Fig 3 Variation of energy efficiency ratio of system说明该系统可使用的最小进口水温为9.9℃;当冷th sewage flow quantit凝器进口污水温度>15.1℃时,出口污水温度>30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℃,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℃,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℃。从图5(c)可见,蒸发少,而冷凝温度的升髙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℃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4结论①在低温条件下采用以处理后的污水为热一蒸发器源,以原水为热汇的热泵系统提升水温具有可行性,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好,压缩机输入功率为170.899kW,可将污水温度由15℃提升到29.569℃,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蒸发器进口污水温度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,当污水流量>63500kg/h时,冷凝器出口污水温度<2576℃,该设备不能满足使用要求;污水流量增大则系统174能效比也增大,但增幅逐渐减小。③冷凝器进口污水温度增大则其出口污水温170解度和冷凝温度均增加,系统能效比减小。当冷凝器系统制热量进口污水温度<9.9℃时,出口污水温度<25℃压缩机输入功率系统不能满足使用要求,此时应调整设备容量或改蒸发器进口污水温度rC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。为保证寒冷环境中蒸发器的安全运行,其进口温度应高于16.4℃。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,200[2] Funamizu N, lida M, Sakakura Y, et al. Reuse of heat en-21蒸发器进口污水温度[J]. Water Sci 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:图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,2002Fig 5 Variation of performance of heat pump system with[4 Koury R N, Machado L, Ismail K A. Numerical simulationsewage temperature of evaporator inletof a variable speed refrigeration system[J]. Int J Refrig-由图5可见,蒸发器进口污水温度升高可使其出口污水温度增加,从而使蒸发温度升高。而冷凝[5]靳明聪,程尚模赵永湘.换热器[M].重庆:重庆大学出版社,1990器出口水温的变化则相对较小。当进口污水温度为15~25℃时,冷凝器出口污水温度>25℃,均能满电话:(0451)86283123足使用要求。但应注意到当蒸发器进口污水温度过E-mail:yangyaol96@163.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