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)大學市政環(huán)境工程學院，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,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 C,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文獻標識碼: 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 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中國煤化工k溫提高到30 C左為活性污泥法",其最適宜的溫度范圍是25 ~右，MHCNMHG的正常進行2。該30 C。為保證低溫下污水處理過程的順利進行,提熱泵系統(tǒng)的工作原理見圖1?！?0●.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的模型;采用分區(qū)集中參數(shù)法建立三級預處理淋激式冷凝器的模型;采用集中參數(shù)法建立電子膨脹閥和三級殼管式蒸發(fā)器的模型。然后以質(zhì)量守.67二級處理出水恒能量守恒、動量守恒為約束條件,將各部件的模型結(jié)合起來(不考慮系統(tǒng)循環(huán)各點狀態(tài)參數(shù)隨時間西10工樓的變化)構(gòu)成整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型3.4。最后根據(jù)1.淋激式冷凝器2.節(jié)流機構(gòu)3.殼管式蒸發(fā)器4.壓縮機5.污水泵6.曝氣池計算機仿真原理,編制程序?qū)ο到y(tǒng)模型進行求解。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(Atyb)和冷凝器出口過冷Fig.1 Principle chart of Bewage -Bource bheat pump度(O1.1)-定的情況下,影響污水源熱泵系統(tǒng)運行由于污水水質(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)器進口污水溫度(.,)和污垢C左右)換熱的特點,采用了多級換熱的方式。熱阻(R)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-source heat pump for simulation項目Qt./C，Otg/C .m./(kg.h+)t.:/CR/(10-*m2.K.w-I)]數(shù)值542 0015205.28表2設(shè)定工況 下的模擬計算結(jié)果Tab.2 Simulated reults of system under given condition名稱模擬計算結(jié)果壓縮機壓縮比:2. 288 ;排氣溫度:47.830 C ;排氣壓力:1 284. 973 kPa;輸人功率:170.899 kW ;入口制冷劑比焓:410.89kJ/kg;出口制冷劑比焓:429. 87 kJ/kg-級冷凝器出口污水溫度:19.856C;二級冷凝器出口污水溫度:24.713C;三級冷凝器出口污水溫度:29.569C ;玲凝器總換熱量:713.872 kW ;過熱區(qū)換熱系數(shù):389. 769 w/(m2●C);兩相區(qū)換熱系數(shù):955.581 W/(m2冷凝器●C) ;過冷區(qū)換熱系數(shù):464.245 W/(m2 . C);一級過熱區(qū)長:1.834 m;一級兩相區(qū)長:14.184 m;-級過冷區(qū)長:1 522 m;二級過熱區(qū)長:2. 399 m;二級兩相區(qū)長:21.132 m;二級過冷區(qū)長:1. 708 m;三級過熱區(qū)長:3.190m;三級兩相區(qū)長:38. 145 m;三級過冷區(qū)長:10.564 m膨脹閥開啟面積:1.116 x10-5 m2 ;進出口壓差:723 328 Pa蒸發(fā)器一級蒸發(fā) 器出口污水溫度:15.617 C ;二級蒸發(fā)器出口污水溫度:11.235 C ;三級蒸發(fā)器出口污水溫度:6.852C ;換熱系數(shù):1 045. 368 W/(m2●C);蒸發(fā)器總換熱量:579.829 kW系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量:3.669 kg/s;蒸發(fā)溫度:4.761 C ;冷凝溫度:33.858 C ;系統(tǒng)能效比:4.177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./(2ml)C ,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 C ,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一單管管長,m升量為4~5 C ,最終的出口污水溫度為29.569 C ,噴淋密度隨污水流量的增加而呈線性增大。當系統(tǒng)能效比為4.177 ,能較好地滿足使用要求?！?250 kg/( 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)的影響不能中國煤化工小噴淋密度的最小3.1污水流 對系統(tǒng)性能的影響污水通過噴淋裝置后以淋激式冷凝器的噴淋密度T[kg/(m●h)]是MH.CNMHG水膜認態(tài)佰百空沈問r一層伙熱管,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 =4T/μ≤2 100,μ 為污水在10 ~ 30.71●第13期中國給水排水第22卷C時的動力粘度,其值取4.66~2.85 kg/(m●h)]由圖3可見,當污水流量增大時系統(tǒng)制熱量增的最大污水流量為300 000 kg/h。加,而功率變化不大,所以EER增大。但當水流量換熱系數(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a。=40cqr0.*/d。大減小。式中e,一 -水的比熱容,kJ/(kg. C)3.2冷凝器進口污水溫度的影響d.-換熱管外徑 ,m圖4是冷凝器進口污水溫度為8 ~22 C時系統(tǒng)- 管外污水側(cè)換熱系數(shù), W/(m2 . C)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40，35系數(shù)增大,換熱器的換熱量有所增加。30圖2是兩個換熱器出口污水溫度隨污水流量的電25+冷凝器:變化。毋蒸發(fā)器15|0日10}35十冷凝器蒸發(fā)器0 12) 22冷凝器進口污水溫度/Ca冷凝器進口水溫對出口溫度的影響12500葉720200 生10715污水流量/(10* kg.h")710H 100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 exchangers705毋壓縮機輸人功率50 出outlets with sewage flow quantity7001012141618 2022冷凝器換熱量的增大,必然使其出口污水溫度冷凝器進口污水溫度FCb.冷凝器進口水溫對制熱量的影響降低。由圖2可知,在其他參數(shù)為設(shè)定值的條件下，7.04當污水流量<41900kg/h時,該套系統(tǒng)可以將污水6.5-加熱到30C以上,使用效果良好;當污水流量>.6.0↑63 500 kg/h時,冷凝器出口污水溫度<25 C ,該設(shè)5.5-的5.0備不能滿足使用要求,此時應調(diào)小污水流量、改變其4.5他參數(shù)或增大換熱器容量。4.03.5圖3為系統(tǒng)能效比(EER)隨污水流量的變化情況。3.010 1214161820225.0外4.c.冷凝器進口水溫對EER的影響圖4 熱泵系統(tǒng)性能隨冷凝器進口污水溫度的變化4.4Fig. 4 Variation of performance of heat pump system withsewage temperature of condenser inlet4.0-由圖4可見,冷凝器進口污水溫度的升高可使3.8-3.6 51015202530其出口污水溫度升高,從而使冷凝溫度升高。而蒸污水流量/(10 kg-h7)發(fā)器中國煤化工。當冷凝器進口污水溫E污水溫度<25 C,圖3系統(tǒng)能效比隨污水流量 t的變化說明0HCNMH泳溫為9.9 C;當冷Fig3 Variation of energy eficiency ratio of systemwith sewage flow quantity凝器進口污水溫度>15.1 C時,出口污水溫度>30.●72●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C ,說明系統(tǒng)使用效果良好。從圖4(b)、(c)可見,器不利,故應保證蒸發(fā)溫度>2 C ,計算得此時蒸發(fā)冷凝器進口污水溫度升高,加熱污水所需的熱量減器進口污水溫度>16.4 C。從圖5(c)可見,蒸發(fā)少,而冷凝溫度的升高則使壓縮機功率增大,從而使器進口污水溫度升高,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)器進口污水溫度的影響徑,因此在污水處理工藝中應注意保溫,在如初沉池圖5為蒸發(fā)器進口污水溫度為15 ~25 C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結(jié)構(gòu)等。s5 卜4結(jié)論。①在低溫條件下采用以處理后的污水為熱25毋蒸發(fā)器源，以原水為熱匯的熱泵系統(tǒng)提升水溫具有可行性,要20+冷凝器設(shè)定工況下的性能模擬值與預期的設(shè)計目標吻合較更15-好,壓縮機輸人功率為170. 899 kW,可將污水溫度的105_由15C提升到29.569C,系統(tǒng)能效比達4.177。②該熱泵系統(tǒng)存在對應于最小噴淋密度的最9151923蒸發(fā)器進口污水溫度/心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,當污水900-178流量>63500kg/h時，冷凝器出口污水溫度<25800C,該設(shè)備不能滿足使用要求;污水流量增大則系統(tǒng)1174能效比也增大,但增幅逐漸減小。啪700-72方③冷凝器進口污水溫 度增大則其出口污水溫600170善度和冷凝溫度均增加，系統(tǒng)能效比減小。當冷凝器+16850. 系統(tǒng)制熱量66進口污水溫度<9.9 C時,出口污水溫度<25 C,毋壓縮機輸人功率系統(tǒng)不能滿足使用要求,此時應調(diào)整設(shè)備容量或改400[5212ζ64蒸發(fā)器進口污水溫度/C變其他參數(shù)。b.蒸發(fā)器進口水溫對制熱量的影響④蒸發(fā)器進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)4.6|境中蒸發(fā)器的安全運行,其進口溫度應高于16.4 C。4.4昏42參考文獻:[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,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.蒸發(fā)器進口水溫對EER的影響[3] 丁國良,張春路.制冷空調(diào)裝置智能仿真[M].北京:圈5熱泵系統(tǒng)性能隨蒸 發(fā)器進口污水溫度的變化科學出版社,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.由圖5可見,蒸發(fā)器進口污水溫度升高可使其[5] 靳明聰，程尚模,趙永湘.換熱器[M].重慶:重慶大出口污水溫度增加,從而使蒸發(fā)溫度升高。而冷凝學出版社, 1990.器出口水溫的變化則相對較小。當進口污水溫度為中國煤化工15~25C時,冷凝器出口污水溫度>25C,均能滿CNMHG足使用要求。但應注意到當蒸發(fā)器進口污水溫度過- man : yangya01y0w 103. com低時,蒸發(fā)溫度將趨于零,這對在寒冷地區(qū)使用蒸發(fā)收稿日期:2006 -02-23●73●