,2,2

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 上海 200093；3 中國船舶重工集團公司第七○四研究所 上海 200031)

熱泵驅動廢液濃縮裝置性能

汪 行1柳建華1,2趙永杰3張 良1,2

(1上海理工大學能源與動力工程學院上海200093；2上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室上海200093；3中國船舶重工集團公司第七○四研究所上海200031)

本文針對工業(yè)廢水排放，設計并研發(fā)了一套廢水濃縮處理裝置，以低溫蒸發(fā)技術為依據(jù)，以熱泵作為裝置的主要驅動能源，空氣作為循環(huán)介質，對含水率為95%的銅管清洗液進行濃縮處理。介紹了裝置的主要原理部件，建立了填料室的傳質傳熱模型，通過Matlab編程確定填料尺寸為300 mm×400 mm×500 mm，搭建了實驗臺進行實驗測試與能效分析。結果表明：裝置能夠穩(wěn)定運行，凝結水量達到15 L/h，此時熱泵功率為5.46 kW，裝置能效比達到4.54，裝置內(nèi)循環(huán)空氣溫度變化為31～43 ℃，相對濕度達到94.6%，裝置持續(xù)運行一段時間后達到最大濃縮程度，體積為原溶液的3/4左右，且出水程度較好，減少了工業(yè)廢水處理的成本。

低溫蒸發(fā)；熱泵；濃縮；性能研究

針對不同類別的工業(yè)固廢，處理方法的不同導致工業(yè)固廢處理成本增加。對于一些中、小型企業(yè)，經(jīng)廢水處理廠處理的成本較高，占生產(chǎn)成本的比重較大。所以采用合適的方法，有效減少廢水處理量及降低廢水處理的成本，使企業(yè)在接受環(huán)保意識的同時免受資金困擾，具有重要的研究價值和社會意義。針對廢水處理問題，本文以低溫蒸發(fā)和冷卻除濕為理論依據(jù)設計了一套以熱泵作為驅動熱源的廢液濃縮處理裝置。

低溫蒸發(fā)的理論在液體除濕空調(diào)中得到了廣泛的應用，自1955年G.O.G. Lof[1]首先提出液體除濕空調(diào)的思想并進行實驗研究至今，國內(nèi)外很多學者進行了大量的理論與實驗研究工作，為液體除濕空調(diào)技術的推廣提供了較為成熟的平臺。H. M. Factor等[2-8]分別對不同類型的除濕劑做了一定的研究和比較，確定了低溫蒸發(fā)技術的可行性，簡棄非等[9]對波紋填料間傳熱特性進行了數(shù)值模擬和實驗研究，給出了填料室內(nèi)氣液流量變化的規(guī)律，安守超等[10]對液體除濕空調(diào)系統(tǒng)液體夾帶和壓降問題進行了理論和實驗研究；高文忠等[11-14]分別對逆流和叉流形式液體除濕空調(diào)裝置的再生性能進行實驗研究，并對理論和實驗研究差異性進行分析，進一步為填料塔式除濕器各方面性能奠定了良好的理論和實驗基礎，從而為本文中的廢液濃縮主要裝置——填料塔，搭建了很好的理論和實驗依據(jù)。

在能源選擇方面，唐前進等[15]對采用90 ℃熱水作為新型液體除濕空調(diào)機組的驅動熱源，并進行了實驗分析，L. Zhang等[16]研究了采用“冷、熱、電”三聯(lián)供廢熱作為驅動熱源的液體除濕空調(diào)，但前者能耗較大，經(jīng)濟性差，后者能源波動不穩(wěn)定，不利于裝置穩(wěn)定，故本次設計選用熱泵作為驅動能源，減少能耗的同時也簡化了裝置本身，有利于市場化推廣。

1 熱泵驅動廢液濃縮實驗臺設計

1.1系統(tǒng)介紹

圖1所示為以熱泵作為驅動熱源的廢液濃縮處理裝置系統(tǒng)簡圖，表1為實驗臺具體設計參數(shù)。其中空氣流量是根據(jù)設計中所要求的除水量和空氣進出口參數(shù)計算得到，溶液流量則是先通過裝置的熱平衡計算出傳熱量，再根據(jù)所設計的溶液進出口狀態(tài)從而計算得到?？紤]到廢液處理過程中與空氣接觸，存在一定的污染，故該裝置空氣回路設置為全封閉回路，最大程度上減少污染環(huán)境的可能性。該裝置由空氣循環(huán)處理流程、工業(yè)危廢濃縮處理流程和熱泵循環(huán)流程三部分組成，熱泵是作為裝置能源的供給和使空氣能循環(huán)利用的設備，空氣在低溫蒸發(fā)段5中，水蒸氣分壓小于被加熱后固廢液體的表面水蒸氣分壓，在傳質動力驅使下，固廢液體中的水分向裝置內(nèi)循環(huán)空氣遷移，達到液體固廢低溫蒸發(fā)效果。飽含水蒸氣的循環(huán)空氣與蒸發(fā)器表面接觸，循環(huán)空氣得到冷卻，當降至空氣的露點溫度以下時，空氣將所含的水分析出，達到氣體回收效果。冷卻回收的程度由冷卻溫度控制。析出水分后處于低溫的空氣，重新通過填料塔進行循環(huán)利用。

1.2填料室設計

本次設計的理論依據(jù)是低溫蒸發(fā)和冷卻除濕，其中低溫蒸發(fā)是該系統(tǒng)設計的核心部分，即實現(xiàn)空氣與廢液進行熱質交換的場所——填料室。

依據(jù)降膜理論，降膜熱質交換性能中逆流最好，叉流次之，順流最差，故以降膜熱質交換為核心的填料室，熱質交換器也呈現(xiàn)類似關系，對逆流填料塔的研究一直是該領域的研究重點，但考慮到本裝置的實際應用效益，逆流裝置不能合理有效利用空間，故選用叉流裝置。叉流裝置使風道的布置更容易、占用空間小，多個裝置較易結合起來，形成多級除濕/再生系統(tǒng)，可進一步提高熱質交換能力。圖2所示為該裝置中填料室的結構。

1廢液進液泵；2廢液存儲箱；3廢液排液泵；4廢液循環(huán)泵；5空氣/廢液濃縮處理器；6廢液/制冷劑換熱器(冷凝器)；7壓縮機；8散熱器；9熱力膨脹閥；10空氣/制冷劑換熱器(蒸發(fā)器)；11風機。圖1 系統(tǒng)裝置簡圖Fig.1 System schematic

表1 系統(tǒng)設計參數(shù)Tab.1 Design parameters of the system

圖2 填料室結構Fig.2 The structure of packed tower

1.2熱泵系統(tǒng)及循環(huán)風機

熱泵系統(tǒng)是整個系統(tǒng)驅動的主要能源，風機是實現(xiàn)裝置內(nèi)空氣循環(huán)流動的必要設備?？諝庋h(huán)處于一個封閉系統(tǒng)內(nèi)，熱泵系統(tǒng)通過冷凝器端提供的熱量去加熱待濃縮的廢液，使其達到低溫蒸發(fā)所需要的溫度后進入填料室與空氣進行熱質傳輸，廢液與空氣間的溫差是傳熱的驅動勢，水蒸氣分壓差是傳質的驅動勢，待空氣吸收廢液中的熱量和水分后在風機壓差的驅動下流經(jīng)熱泵蒸發(fā)器端，經(jīng)冷凝降溫，析出凝結水后重復進入填料室，如此循環(huán)。對裝置整體能量進行熱平衡計算可知，整個裝置同時利用了熱泵蒸發(fā)端和冷凝端兩部分熱量，但為使能量平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需利用散熱器排出多余熱量即壓縮機及風機提供的熱量。圖3所示為循環(huán)空氣處理流程，填料室中進行的是A-B過程，蒸發(fā)器端過程為降溫除濕B-C-A。

圖3 循環(huán)空氣處理流程Fig.3 Processing flow of circulating air

2 熱質交換原理

從熱力學角度來分析，填料表面進行的熱質交換是氣液間同時發(fā)生流動、傳熱、傳質的過程，遵循能量守恒及質量守恒定律。

2.1模型的建立

圖4所示為叉流填料室中微元體氣液間熱質傳遞過程簡圖。在dV微元體中，溶液與空氣進行叉流熱質交換，遵循能量和質量守恒關系式。為便于填料室數(shù)值模型建立和求解，需對填料室做如下假定：1)填料室是絕熱的；2)傳熱傳質阻力主要取決于氣相，忽略液相阻力；3)填料室內(nèi)填充物填充均勻，溶液噴淋均勻。

圖4 微元體氣液間熱質傳遞過程Fig.4 Heat and mass transfer process between gas and liquid of the element

能量守恒：

madha=d(mshs)=msdhs+hsdms

(1)

水分質量守恒：

dms=madwa

(2)

溶質質量守恒：

dmso=d(msX)=0

(3)

濕空氣側熱量守恒：

madha=hcae(ts-ta)dV+γtsmadωa

(4)

濕空氣側質量輸運方程為：

madwa=hdaedV(wai,ts-wa)

(5)

路易斯數(shù)和熱質交換單元數(shù)為：

(6)

(7)

相應的邊界條件如下：

溶液進口參數(shù)x=0時,ts=ts,i,X=Xi。

空氣進口參數(shù)z=0時，ta=ta,i,wa=wa,i,ha=ha,i。

聯(lián)立以上方程與氣液物性的關系式以及邊界條件進行求解，可以得到空氣以及流出微元體的溶液的狀態(tài)參數(shù)。

圖5 填料室的模擬結果Fig.5 Simulation results of packing chamber

2.2結果與分析

對式(1)～(7)組成方程組進行迭代計算，以表1中設定的參數(shù)為基準，填料選用BX500不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料，具有防腐、壓損小、比表面積大、持液量低、易形成穩(wěn)定液膜等優(yōu)點。對填料室的尺寸進行多次調(diào)節(jié)，觀察結果是否能滿足表1中所需要的值，從而確定填料室的最終尺寸。迭代計算的結果如圖5所示。圖5所示的模擬云圖中，橫坐標為填料室的厚度，縱坐標為填料室的高度，從最終的計算云圖可以看出，此時填料厚度為500 mm，高度為400 mm時，空氣溫度、含濕量，溶液溫度、濃度是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，能滿足設計需求。填料室的尺寸見表2，理論上填料室迎風面尺寸300 mm×400 mm，厚度方向500 mm能滿足設計要求。在實際裝置運行時因難以精準的達到表1所設計的準確參數(shù)，存在一定的工程誤差，故可以此模擬結果作為參照，適當放大填料室的厚度，使熱值傳輸充分從而滿足工程誤差用于實際推廣。

表2 填料塔最終設計尺寸Tab.2 Final design dimensions of packed tower

3 裝置運行性能分析

現(xiàn)有的待濃縮廢液為銅管清洗廢液，主要成分為：脂肪酸甲酯乙氧基化物，脂肪酸甲酯，丙二醇等。沸點均高于水的沸點，故采用低溫蒸發(fā)濃縮其中水分的方法可行。以設計參數(shù)為參照對系統(tǒng)的各個部件進行設備選型，依據(jù)裝置所需的制冷量，熱泵壓縮機選用比澤爾7匹的壓縮機，滿足設計要求，為便于裝置進行實驗研究與測試，溶液泵與風機型號均在原有的型號大小上進行放大，電機均使用變頻電機，易于對風量和溶液流量進行調(diào)節(jié)，并最終完成實驗臺的搭建，該熱泵驅動的廢液濃縮處理裝置如圖6所示。對裝置運行性能分析，主要考慮以下三個方面的影響：1)裝置能效；2)空氣狀態(tài)變化；3)裝置濃縮效率。

圖6 熱泵驅動的廢液濃縮處理裝置Fig.6 Waste liquid concentrating device driving by heat pump

3.1裝置的能效

考慮到本裝置中熱泵冷凝器端加熱溶液，蒸發(fā)段吸收空氣中的熱量，即同時利用了蒸發(fā)熱與冷凝熱，從整個熱泵系統(tǒng)來看，需要排出冷凝器端多出的熱量，而所需排出的熱量即為壓縮機的功率，故定義該系統(tǒng)的熱力能效比EER為：

(8)

式中:Q0為熱泵的制冷量，kW；P風為風機輸入功率，kW；P泵為溶液泵輸入功率，kW；P壓為壓縮機輸入功率，kW。

裝置的制冷系數(shù)COP為：

(9)

圖7所示為冷凝溫度為60 ℃時裝置的熱力能效比隨著蒸發(fā)溫度變化的曲線，隨著蒸發(fā)溫度的升高，能效比不斷增大，考慮到制冷劑與空氣換熱時的傳熱溫差不宜過小，對裝置進行調(diào)試，蒸發(fā)溫度控制在10 ℃時，裝置能穩(wěn)定運行，故取EER為4.54能滿足裝置運行要求。此時壓縮機的功率為5.46 kW，風機功率為0.75 kW，溶液泵功率為0.25 kW。

圖7 裝置熱力能效比EERFig.7 Energy efficiency ratio(EER) of the equipment

3.2空氣狀態(tài)變化

裝置運行過程中，需對裝置內(nèi)空氣進行測試，測點主要分布在兩個位置，填料室出口到蒸發(fā)器入口部分為測點1，蒸發(fā)器出口到填料室的入口部分為測點2，對空氣狀態(tài)進行測試主要考察空氣溫度變化和濕度變化，故在測點1和測點2位置分別布置溫濕度傳感器，對裝置運行時的空氣狀態(tài)參數(shù)進行讀取。圖8和圖9所示分別為裝置從啟動到正常運行的過程中測點1和測點2的溫度和相對濕度變化曲線。分析圖8，裝置開啟后30 min左右，測試點1和2的溫度逐漸升高直至趨于穩(wěn)定，此時測試點1的溫度約為43 ℃，測試點2溫度約為31 ℃，可知此時裝置達到穩(wěn)定運行。分析圖9，兩個測試點相對濕度幾乎同步增加，最終趨于穩(wěn)定，這是由于在裝置運行中，空氣與溶液在填料室充分接觸，空氣出填料室時，基本已達到飽和狀態(tài)。由焓濕圖可知，此時的飽和空氣與蒸發(fā)器翅片接觸時，隨著空氣溫度降低，將會有冷凝水從空氣中析出，而水蒸氣的潛熱值遠大于空氣比熱，故此時蒸發(fā)端吸取的熱量基本來源于水蒸氣冷凝的液化潛熱值，而顯熱值所占的比例較小。因此當裝置穩(wěn)定運行時，填料室水蒸氣分壓力所產(chǎn)生的傳熱傳質驅動勢效果減弱，此時占主導作用的為溶液與空氣間的溫差，故在裝置運行過程中必須保證溶液的溫度高于空氣的溫度才能使裝置穩(wěn)定運行。由圖9可知，裝置穩(wěn)定運行時，空氣相對濕度達到94.6%左右。

圖8 測試點溫度變化Fig.8 Temperature change of test point

圖9 測試點相對濕度變化Fig.9 Relative humidity change of test point

3.3裝置的濃縮效率

對含水量95%的銅管清洗廢液進行實驗，對其濃縮過程每小時的濃縮量和最終能濃縮的程度進行實驗測試。

圖10所示為裝置在運行的過程中，凝結水體積逐時測量結果，由圖可知，裝置穩(wěn)定運行5 h內(nèi)，凝結水量達到15 L/h，隨著裝置繼續(xù)運行，凝結水量開始出現(xiàn)降低的趨勢，裝置繼續(xù)運行時會出現(xiàn)熱泵端低壓報警現(xiàn)象，經(jīng)分析和測試可知，隨著濃縮進行一定時間后，噴淋溶液濃度加大，廢液表面水蒸氣分壓力減小，廢液表面等效含濕量降低，傳質驅動力降低，進入空氣中的水分逐漸減少，直至最終溶液達到濃縮極點。隨著進入空氣中的水分減少，難以帶走蒸發(fā)端的冷量，導致蒸發(fā)溫度低于0 ℃以下，發(fā)生低溫報警現(xiàn)象，對此時溶液箱內(nèi)的溶液進行測量，溶液體積為原溶液量的1/4，經(jīng)計算，含水量由95%降到了80%。圖11所示為銅管清洗廢液原液與經(jīng)蒸發(fā)冷卻后從空氣中析出的水的參照圖，以及與純水的比較，可以更好的說明，該裝置具有較好的濃縮效果，排出的凝結水對環(huán)境基本無污染。

圖10 凝結水體積逐時測量結果Fig.10 Hourly measurement results of condensation water′s volume

圖11 原液、凝結水與純水的對比Fig.11 The comparison of the original solution, condensed water and pure water

4 結論

本文采用低溫表面蒸發(fā)技術，利用高沸點廢水表面水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力的不同，實現(xiàn)高沸點工業(yè)廢水的濃縮處理。以熱泵作為驅動能源，有效減少能耗的同時亦能滿足低溫表面蒸發(fā)汽化所要求達到的處理溫度，對廢水進行加熱從而利于濃縮。以空氣作為濃縮循環(huán)介質，并對空氣處理過程進行封閉式設計，避免廢氣排出污染環(huán)境。利用熱泵冷量，對循環(huán)空氣進行冷凝除濕，便于空氣再循環(huán)，同時亦可對凝結水進行回收利用。

經(jīng)實驗熱泵驅動濃縮處理裝置具有很強的實用性。對于生產(chǎn)加工有色金屬的企業(yè)，每年都會產(chǎn)生成百上千噸的液體廢液，經(jīng)過本裝置的預處理，不但可以降低處理清洗液的成本，而且可以回收液體固廢中70%的水，同時能耗較小，每濃縮出15 L的水，只需消耗不到6 kW的能耗，但受現(xiàn)有條件的影響，只對銅管清洗廢液做了如下測試，對其他種類的廢液是否也有較好的濃縮效果則關系到各廢液本身物性參數(shù)。

本文受上海市科委建設項目(13DZ2260900)資助。(The project was supported by Shanghai Municipal Science and Technology Commission Construction Projects(No.13DZ2260900).)

符號說明

m——質量流量，kg/s

w——含濕量，kg/kg干空氣

ae——有效潤濕面積，m2/m3

z——填料高度，m

hd——傳質系數(shù)，kg/(m2·s)

cp——比熱容，kJ/(kg·℃)

Le——路易斯數(shù)

h——比焓，kJ/kg

hc——傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)

s——填料塔截面積，m2

t——溫度，℃

c——溶液濃度，kg/kg

g——汽化潛熱，kJ/kg

NTU——傳質單元數(shù)

下標

a ——空氣 s ——溶液

i ——進口 o ——出口

v ——水蒸氣

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Aboutthecorrespondingauthor

Liu Jianhua, male, professor, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail:lwnlwn_liu@163.com. Research fields:optimization in refrigeration system, application in refrigeration test equipment.

PerformanceofWasteLiquidConcentratingDeviceDrivenbyHeatPump

Wang Xing1Liu Jianhua1,2Zhao Yongjie3Zhang Liang1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer of Power Engineering, Shanghai, 200093, China; 3. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai, 200031, China)

The discharge of industrial wastewater has been a difficult problem for various enterprises. Aiming to solve this problem, we designed and developed a set of concentrated wastewater treatment devices. These devices are based on low-temperature evaporation technology, in which a heat pump is used as the driving energy source, and air is the circulation medium. We carried out a concentration experiment of a copper-tube waste washing liquid with water content of 95% using this device. The main components of the device are presented in this paper, a heat and mass transfer model of the packing chamber was established using Matlab, and the packing size was determined to be 300 mm×400 mm×500 mm with the model, and an experimental bench was set up. An experimental test and energy efficiency analysis were carried out with the experimental bench. The following conclusions were drawn:the device can run stably; the condensation of water reaches up to 15 L/h; when the pump power is 5.46 kW, the energy efficiency ratio of the device reaches up to 4.54; the air circulating in the device is changed from 31 ℃ to 43 ℃, and the relative humidity is 94.6%. After operating for a certain period of time to reach the maximum concentration, the volume reached about 3/4 of the original, and the water was clear, which will greatly reduce the cost of industrial wastewater treatment.

low temperature evaporation; heat pump; concentrate; performance study

0253- 4339(2017) 04- 0067- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.067

2016年9月20日

TB61+1； TQ051.5

： A

柳建華，男，教授，上海理工大學，13817757889， E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向:制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，制冷測試設備的應用。