高宏太，金蘇敏，陳 亮

(南京工業(yè)大學能源學院，江蘇 南京 211816)

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熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)能效分析

高宏太，金蘇敏，陳 亮

(南京工業(yè)大學能源學院，江蘇 南京 211816)

以濕空氣作為搬運介質(zhì)、電驅(qū)動熱泵為加熱熱源的熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)具有技術簡單可靠、可以結合低品位熱源等優(yōu)點。通過理論建模與試驗研究的方法分析了操作參數(shù)對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。研究結果表明，存在最佳的廢水循環(huán)量使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最高，提高空氣循環(huán)量、增大蒸發(fā)結晶器與回熱器換熱效率、降低蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度、提高蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度可以提升系統(tǒng)蒸發(fā)能效。

廢水處理；濕空氣；熱泵；蒸發(fā)能效；操作參數(shù)

電鍍技術廣泛應用于機械、輕工、電子等行業(yè)。電鍍廢水中包含大量銅、鉛、鎘等重金屬元素，對環(huán)境影響巨大，直接影響人體健康安全[1]。傳統(tǒng)的電鍍廢水處理方法包括物理法、化學法、生物法等。化學處理方法容易引進新的污染源；生物法對操作環(huán)境有限制且無法處理高濃度廢水[2-3]；純物理法主要為蒸發(fā)法，是可以實現(xiàn)零液體排放的方法，但技術難度大、設備復雜、能耗較高。傳統(tǒng)的廢水處理方法都有各自的適用條件及局限性。

利用濕空氣作為搬運介質(zhì)的HDH(humidification-dehumidification)技術由于具有技術難度低、設備簡單可靠、可與低品位熱源結合的優(yōu)點，近年來受到了廣泛的關注，HDH技術目前主要應用于太陽能海水淡化領域[4-5]。McGovern R K等[6]在文獻中提到可以將HDH蒸發(fā)技術應用于廢水處理，利用濕空氣作為搬運介質(zhì)，所需蒸發(fā)溫度低，蒸發(fā)過程沒有劇烈的沸騰傳熱，過程較溫和，對設備的腐蝕性也較低。將電驅(qū)動熱泵與HDH蒸發(fā)技術相結合，應用于廢水處理系統(tǒng)后，系統(tǒng)變?yōu)闊岜眯碗婂儚U水處理系統(tǒng)。相對于太陽能海水淡化系統(tǒng)，新系統(tǒng)的物料循環(huán)方式有所變化，同時在增加熱泵后，熱泵性能與HDH設備的性能相互耦合，運行參數(shù)對系統(tǒng)能效水平的影響將有所改變。本文著眼于系統(tǒng)的能效水平變化情況，從理論與試驗中分析了系統(tǒng)能效的影響因素。

1 熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)模型

1.1 熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)工作原理

圖1為熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)示意圖，主要由蒸發(fā)結晶器、空氣干燥器、壓縮機、熱泵冷凝器組成?？諝飧稍锲鞣譃?部分，從上至下分別為回熱器、熱泵蒸發(fā)器、空氣冷卻器。系統(tǒng)工作時利用濕空氣含濕量的變化來蒸發(fā)廢水。低溫的濕空氣與高溫的廢水在蒸發(fā)結晶器中進行熱濕交換，吸收廢水中的水分；未蒸發(fā)的廢水進入回熱器中與蒸發(fā)結晶器出口處的空氣進行熱交換，回熱器回收濕空氣的冷凝潛熱用于預熱廢水；熱泵繼續(xù)回收濕空氣的冷凝潛熱用于進一步加熱廢水，加熱后的廢水進入蒸發(fā)結晶器中進行蒸發(fā)，完成循環(huán)。空氣冷卻器用于調(diào)節(jié)蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度并帶走系統(tǒng)余熱，維持熱平衡。熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)通過補充一定的電能，最終完成電鍍廢水的熱法脫鹽處理。

圖1中w1,w2,w3分別表示蒸發(fā)結晶器入口、出口、回熱器出口廢水狀態(tài)；a1,a2,a3,a4分別表示蒸發(fā)結晶器入口、出口、熱泵蒸發(fā)器入口、出口空氣狀態(tài)； c1,c2分別表示冷卻水入口、出口狀態(tài)。

1.2 熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)模型

電驅(qū)動熱泵一般由壓縮機、熱泵蒸發(fā)器、熱泵冷凝器、節(jié)流裝置組成，將熱泵整體看作是加熱熱源，則熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)可以看成由蒸發(fā)結晶器、回熱器、熱泵組成。從制冷循環(huán)的角度分析熱泵性能系數(shù)COP的變化，其只與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、制冷劑種類有關[7]。下面的計算模型將對系統(tǒng)的蒸發(fā)結晶器、回熱器、熱泵分別建模。

蒸發(fā)結晶器模型：

1—壓縮機;2—熱泵冷凝器;3—膨脹閥;4—空氣干燥器;5—蒸發(fā)結晶器

mw1cptw1-mw2cptw2-mehe=mG(ha2-ha1)

(2)

回熱器模型：

mw1cp(tw3-tw2)+mL,rhL,r=mG(ha2-ha3)

(4)

式中：mw為廢水質(zhì)量流量,kg/s；me為結晶質(zhì)量,kg；mG為空氣質(zhì)量流量,kg/s；ω為濕空氣含濕量；h為濕空氣焓值,kJ/kg；cp為水的比熱容，取4.18kJ/kg;t為廢水或濕空氣的溫度，℃; mL，r為回熱器中釋放的冷凝水質(zhì)量,kg。

蒸發(fā)結晶器與回熱器的換熱效率采用文獻[8]的定義，定義為實際換熱量與最大理想換熱量之比,換熱效率的定義公式具體可參見文獻[8]。熱泵性能系數(shù)COP采用文獻[7]中理想制熱循環(huán)的制熱系數(shù)算法，計算時制冷劑選用R134a。

熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)的目的是盡可能多地蒸發(fā)廢水，為了表征系統(tǒng)的蒸發(fā)能效，定義單位輸入能量所蒸發(fā)出的水量E為系統(tǒng)蒸發(fā)能效?？諝庠谡舭l(fā)結晶器與空氣干燥器中封閉循環(huán)，蒸發(fā)出來的水分全部變?yōu)槔淠?，蒸發(fā)水量mL的單位為kg/h，壓縮機輸入功率W的單位為kW，蒸發(fā)能效E的單位為kg/(kW·h)，其計算式為：

2 計算結果分析

求解方程組時，調(diào)整廢水循環(huán)量mw1、蒸發(fā)結晶器入口廢水與空氣溫度tw1,ta1，得到不同參數(shù)下系統(tǒng)蒸發(fā)能效E的變化情況。將空氣循環(huán)質(zhì)量mG設置為單位1，則廢水循環(huán)量與空氣循環(huán)質(zhì)量的比值——水汽比，在數(shù)值上等于廢水循環(huán)量。

2.1 蒸發(fā)結晶器換熱效率的影響

圖2所示為回熱器換熱效率為0.8，蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度為60℃、入口空氣溫度為30℃條件下蒸發(fā)結晶器換熱效率對系統(tǒng)能效的影響。在一定的換熱效率下，系統(tǒng)蒸發(fā)能效隨著水汽比的增加先增加后降低，且存在最佳的水汽比，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是濕空氣的焓值隨溫度的變化是非線性的，溫度越高，焓值增加越快。在小水汽比條件下，增加水汽比，可以明顯提高蒸發(fā)結晶器出口濕空氣溫度，繼續(xù)增加水汽比，濕空氣溫度的增加變緩，但蒸發(fā)結晶器出口廢水溫度卻快速增加，最終導致進入回熱器的廢水溫度過高，回熱器熱量回收效果變差。蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度一定的情況下，熱泵蒸發(fā)冷凝溫度基本不變，熱泵COP基本不變，回熱器熱量回收效果變差導致系統(tǒng)總蒸發(fā)能效降低。蒸發(fā)結晶器換熱效率的增加，使系統(tǒng)的蒸發(fā)能效隨之增加，越高的換熱效率意味著蒸發(fā)結晶器出口的空氣溫度越高，廢水溫度越低，回熱條件變好，系統(tǒng)的蒸發(fā)能效也越高。

圖2 蒸發(fā)結晶器換熱效率對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

2.2 回熱器換熱效率的影響

圖3所示為蒸發(fā)結晶器換熱效率為0.8，蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度為60℃、入口空氣溫度為30℃條件下回熱器換熱效率對系統(tǒng)能效的影響。與蒸發(fā)結晶器換熱效率的影響類似，不同回熱器換熱效率條件下也存在最佳的水汽比。蒸發(fā)能效隨著回熱器效率的提升而提升，并且回熱器效率的提升對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響是非線性的，回熱器換熱效率越高，系統(tǒng)蒸發(fā)能效的提升效果越明顯。

2.3 蒸發(fā)結晶器入口廢水的影響

圖4所示為蒸發(fā)結晶器換熱效率與回熱器換熱效率為0.8、蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度為30℃條件下，蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。較高的入口廢水溫度導致系統(tǒng)能效的降低，系統(tǒng)熱源為熱泵，廢水的加熱溫度越高，熱泵冷凝溫度越高，其COP越低，系統(tǒng)整體蒸發(fā)能效越低。不同的蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度下最佳水汽比也不一樣，廢水溫度越高，最佳水汽比越大。

圖3 回熱器換熱效率對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

圖4 蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

2.4 蒸發(fā)結晶器入口空氣的影響

圖5所示為蒸發(fā)結晶器換熱效率與回熱器換熱效率都為0.8、蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度60℃條件下，蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。與入口廢水溫度的影響類似，越高的填料塔入口空氣溫度代表所需要的蒸發(fā)溫度越高，熱泵COP得到提升，系統(tǒng)整體蒸發(fā)能效增加。最佳水汽比也隨著濕空氣溫度的增加而增加。

3 試驗結果對比

根據(jù)以上分析結果，搭建了熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)試驗臺。由于是考察系統(tǒng)蒸發(fā)能效的變化情況，為避免金屬鹽溶液結晶的干擾，采用清水作為試驗材料，壓縮機為1HP壓縮機，蒸發(fā)結晶器選用50mm塑料鮑爾環(huán)散裝填料塔，空氣干燥器為翅片管換熱器。蒸發(fā)水量的計量采用稱重法，即稱量單位時間內(nèi)收集到的冷凝水質(zhì)量。通過改變蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度、廢水流量、空氣流量等參數(shù)，研究系統(tǒng)蒸發(fā)能效的變化情況。

圖5 蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

圖6所示為不同空氣循環(huán)量下廢水循環(huán)量對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。由試驗結果可知，存在最佳的廢水循環(huán)量使系統(tǒng)的蒸發(fā)能效最大，并且空氣循環(huán)量越大，最佳的廢水循環(huán)量也越大。試驗結果符合前文的分析，即存在最佳水汽比使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最大。同時，越大的空氣循環(huán)量，系統(tǒng)的蒸發(fā)能效也越高。造成這一現(xiàn)象的原因是，換熱器熱阻主要集中在空氣側，隨著空氣循環(huán)量的增加，蒸發(fā)結晶器與空氣干燥器中的風速增大，換熱條件變好，回熱器與熱泵蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)都在提高，換熱效率提高，從而使系統(tǒng)的蒸發(fā)能效增加。

圖6 不同空氣循環(huán)量下廢水循環(huán)量對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

圖7所示為空氣循環(huán)量為152kg/h、不同蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度條件下系統(tǒng)蒸發(fā)能效隨廢水循環(huán)量的變化情況。系統(tǒng)蒸發(fā)能效隨填料塔入口空氣溫度的變化情況較復雜。試驗時，熱泵的性能雖然會隨著工況的改變而改變，但變化相對較小，提高蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度后，也會導致蒸發(fā)結晶器的入口廢水溫度升高。系統(tǒng)試驗臺不能將蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度與入口廢水溫度作為兩個獨立參數(shù)進行控制。熱泵的蒸發(fā)溫度與冷凝溫度會隨著蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度的提高而同時升高，對系統(tǒng)整體的影響就更為復雜。但最佳廢水循環(huán)量的變化可以由試驗得出，最佳的廢水循環(huán)量會隨著蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度的升高而增加，與前文計算分析一致。

圖7 不同填料塔入口空氣溫度下系統(tǒng)蒸發(fā)能效

4 結論

本文對熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)進行理論建模，并對部分分析結果進行試驗驗證，得到以下結論：

1)系統(tǒng)在不同操作參數(shù)下存在最佳水汽比，使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最大。

2)理論計算表明，提高蒸發(fā)結晶器與回熱器效率、提高蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度、降低蒸發(fā)結晶器入口廢水溫度可以提升系統(tǒng)蒸發(fā)能效。

3)實際運行時表現(xiàn)為存在最佳廢水循環(huán)量使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最高，最佳廢水循環(huán)量隨著空氣循環(huán)量的增加而增加，隨著蒸發(fā)結晶器入口空氣溫度的升高而增加。

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[2] 孫建民, 于麗青, 孫漢文. 重金屬廢水處理技術進展[J]. 河北大學學報：自然科學版， 2004,24(4):438-443.

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Energy analysis of evaporation crystallization electroplating wastewater treatment system coupled with heat pump

GAO Hongtai, JIN Sumin, CHEN Liang

(College of Energy, Nanjing Technology University, Jiangsu Nanjing, 211816, China)

The evaporation crystallization electroplating wastewater coupled with heat pump air drying treatment system has the advantages of simple and reliable technique, combined with low grade heat source, which uses the moist air as evaporation transportation medium and electric driven heat pump as heat source. It presents the operation characteristics on evaporation energy efficiency in theoretical analysis and experimental study. Results show that there is an optimal water mass flow rate for maximum system evaporation energy efficiency. The higher system evaporation energy efficiency is related to higher air mass flow rate and higher heat exchanger efficiency, lower operation temperature difference.

wastewater treatment; moist air; heat pump; evaporation energy consumption; operation characteristics

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.018

2015-06-01

高宏太(1990—)，男，安徽滁州人，南京工業(yè)大學碩士研究生，主要研究方向為熱泵工業(yè)應用。

TK09

A

2095-509X(2015)09-0070-04