開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)取水運(yùn)行特性分析

錢(qián)劍峰，張吉禮，馬良棟，徐 瑩

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)取水運(yùn)行特性分析

錢(qián)劍峰1，張吉禮2，馬良棟2，徐 瑩1

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

高效的城市污水取水技術(shù)是原生污水源熱泵系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提。針對(duì)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的不足，提出了開(kāi)式集成污水取水技術(shù)。通過(guò)定義網(wǎng)眼阻塞系數(shù)、污物密度、截面系數(shù)等重要參數(shù)，建立了表征其取水特性的數(shù)學(xué)模型，并提出了臨界運(yùn)行工況的參數(shù)條件，考察了各臨界運(yùn)行參數(shù)及不同旋轉(zhuǎn)周期下網(wǎng)眼阻塞系數(shù)等的變化規(guī)律。

污水源熱泵系統(tǒng)；開(kāi)式取水；數(shù)學(xué)模型；運(yùn)行特性

日本及北歐國(guó)家的污水源熱泵系統(tǒng)常采取機(jī)械刮剝、人工刷洗等方法來(lái)解決污水取水過(guò)程中換熱設(shè)備的防堵塞問(wèn)題［5－7］，存在工作量大、運(yùn)行工況不穩(wěn)定的弊端。中國(guó)近年開(kāi)發(fā)了反沖洗污水取水裝置，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、連續(xù)取水，并在多個(gè)工程中得到了成功的應(yīng)用，然而該裝置仍存在著取水設(shè)備承壓高、取排水內(nèi)泄露嚴(yán)重、濾面過(guò)濾負(fù)荷大等不足［13－14］。因此，研究性能更加優(yōu)越的污水取水技術(shù)成為亟待解決的難點(diǎn)，故本文基于一種新提出的開(kāi)式集成污水取水技術(shù)建立了開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)，并將對(duì)系統(tǒng)取水的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性作深入分析。

1 開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)

開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)如圖1所示，其中開(kāi)式集成污水取水機(jī)（圖2）是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一［15］，其工作原理如下：

圖1 開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)原理圖

圖2 開(kāi)式集成污水取水機(jī)示意圖

1）箱體內(nèi)部的孔板隔板和溢流板把箱體分成雜質(zhì)分離腔、蓄水腔、排污腔和清洗腔等4個(gè)區(qū)域。

2）雜質(zhì)分離腔設(shè)置高低相間撞擊板，通過(guò)降低原生污水的流速，使密度大的大尺度污雜物在慣性作用下沉淀于底部，由排污管定期排出；而密度小的懸浮性污雜物則溢流到排污腔連續(xù)排出，這樣濾面所需過(guò)濾負(fù)荷大為降低。

3）利用清洗腔的自然作用壓頭使污水流過(guò)孔板的網(wǎng)眼蓄存于蓄水腔，故取水設(shè)備在開(kāi)式常壓下工作，設(shè)備無(wú)動(dòng)密封與泄漏等問(wèn)題存在。

4）旋轉(zhuǎn)孔板分為下側(cè)的過(guò)濾區(qū)和上側(cè)的再生區(qū)。孔板上有規(guī)律地布置著網(wǎng)眼，運(yùn)行過(guò)程網(wǎng)眼部分時(shí)間位于過(guò)濾區(qū)行使過(guò)濾功能向污水換熱器供應(yīng)合適的污水；而部分時(shí)間位于再生區(qū)經(jīng)污水換熱器換熱后的污水回水反洗得到再生。反洗水采用雙面噴嘴清洗技術(shù)，保證了濾面的清洗效果。

2 開(kāi)式取水?dāng)?shù)學(xué)模型

開(kāi)式污水取水機(jī)運(yùn)行物理模型如圖3所示。

圖3 開(kāi)式取水機(jī)運(yùn)行物理模型

建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：1）污水中各種尺度污雜物是均勻、連續(xù)分布的；2）旋轉(zhuǎn)孔板在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，污水出流滿足自由出流條件；3）每個(gè)網(wǎng)眼的瞬時(shí)堵塞系數(shù)與該時(shí)刻網(wǎng)眼中污雜物的積存量成正比；4）假設(shè)旋轉(zhuǎn)孔板上網(wǎng)眼分布規(guī)律如下：各網(wǎng)眼圍繞旋轉(zhuǎn)軸心按同心圓環(huán)排列，過(guò)濾區(qū)網(wǎng)眼位置可由其所處的環(huán)序數(shù)i和環(huán)上相對(duì)網(wǎng)眼序數(shù)j唯一表示，即網(wǎng)眼位置為（i，j），其中i＝［1，m］，i＝1表示最外側(cè)圓環(huán)；m（不超過(guò)值的最大正整數(shù)）為同心圓環(huán)數(shù)。同理，j＝ ［1，ni］，j＝1的定義如下，設(shè)τ＝0時(shí)刻，各環(huán)均有一網(wǎng)眼其中心位于污水的水平面，令該網(wǎng)眼即對(duì)應(yīng)j＝1，而ni（不超過(guò)值的最大正整數(shù)，θ 是位置（i，j＝1）i的網(wǎng)眼的中心與旋轉(zhuǎn)軸心連線與水平面的夾角）為第i環(huán)在過(guò)濾區(qū)網(wǎng)眼數(shù)，其中R是孔板半徑，m；r0是污水溢流面上沿距旋轉(zhuǎn)孔板中心的距離，m；lu，r、lu，c分別是相鄰網(wǎng)眼在徑向與環(huán)向間距，m。

近幾年，圖書(shū)館引進(jìn)了手機(jī)圖書(shū)館，微信賬號(hào)關(guān)注、增進(jìn)各種專題數(shù)據(jù)庫(kù)及改進(jìn)電子閱覽室及PC終端的使用，使用戶的數(shù)據(jù)急劇增加，這就需要圖書(shū)館將引進(jìn)新的服務(wù)技術(shù)。隨著云計(jì)算的介入，為大數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)構(gòu)架平臺(tái)，在一定程度上云計(jì)算可謂是這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)平臺(tái)和支撐技術(shù)[13]，因?yàn)樵朴?jì)算處理大數(shù)據(jù)有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而云計(jì)算側(cè)重點(diǎn)在于計(jì)算能力，大數(shù)據(jù)側(cè)重點(diǎn)在于計(jì)算對(duì)象，兩者相輔又互補(bǔ)[14]。

由以上假設(shè)，可知

式中：φ為網(wǎng)眼堵塞系數(shù)；W 為網(wǎng)眼污物密度，即網(wǎng)眼積存污物量的面積密度，kg／m2；WM為網(wǎng)眼完全阻塞時(shí)的污物密度，kg／m2；u為網(wǎng)眼出水流速，m／s；C為網(wǎng)眼截留濃度，即網(wǎng)眼截留較大尺度污雜物的濃度，kg／m3；τ為網(wǎng)眼進(jìn)入過(guò)濾區(qū)的時(shí)間，s。

對(duì)于位置（i，j＝1）處的網(wǎng)眼，不同時(shí)刻τ流向蓄水腔的污水流速為

上式描述了各網(wǎng)眼在過(guò)濾區(qū)阻塞系數(shù)的逐時(shí)變化。當(dāng)離開(kāi)過(guò)濾區(qū)時(shí)，各網(wǎng)眼阻塞系數(shù)均達(dá)到各自最大值，即

相鄰網(wǎng)眼間距與整個(gè)孔板的圓周相比可以忽略，因而，上述分析結(jié)果也可近似應(yīng)用于網(wǎng)眼的其它分布規(guī)律的情形（如三角形、正方形等分布）。當(dāng)一部分網(wǎng)眼離開(kāi)過(guò)濾區(qū)時(shí)，同時(shí)有一部分網(wǎng)眼再生后進(jìn)入，此過(guò)程循環(huán)往復(fù)、連續(xù)不斷，因此就整個(gè)過(guò)濾區(qū)域而言，可認(rèn)為孔板運(yùn)行過(guò)程，進(jìn)水流量近似不變。但以空間坐標(biāo)而言，各位置相應(yīng)網(wǎng)眼的阻塞系數(shù)是不一致的，離過(guò)濾區(qū)出口越近，阻塞系數(shù)越大。

綜上，可求出特定 WM、C、R、r0、s、T 下相對(duì)應(yīng)的φ、V和M 等運(yùn)行參數(shù)。若設(shè)計(jì)周期T′＝T′c或者T＝Tc，則此時(shí)開(kāi)式污水取水機(jī)的的各運(yùn)行參數(shù)稱為臨界運(yùn)行參數(shù)。

3 開(kāi)式取水運(yùn)行特性

圖4～7顯示了各臨界運(yùn)行參數(shù)隨不同孔板半徑R、截面系數(shù)s、網(wǎng)眼截留濃度C的變化關(guān)系，其中濾面完全阻塞時(shí)的濾面污物密度，根據(jù)哈爾濱某工程實(shí)例的測(cè)試數(shù)據(jù)本文均取為WM＝1.2 kg／m2。

圖4顯示了在s＝0.349（對(duì)應(yīng)du＝0.005 m、lu，r／du＝lu、c／du＝1.5）及C＝0.3 kg／m3下，臨界運(yùn)行參數(shù)隨孔板半徑R的變化。由圖4（a）、（b）可知，同一r0／R下，臨界孔板旋轉(zhuǎn)周期Tc與臨界過(guò)濾周期T′c均隨著R的增大而減少，而同一R下，Tc與T′c則均隨著r0／R（或r0）的增大而增大。由圖4（c）、（d）可知，同一r0／R下，濾面過(guò)水流量Vc與孔板過(guò)濾負(fù)荷Mc均隨著R的增大而增大，而同一R下，Vc與Mc則均隨著r0／R（或r0）的增大而減小。圖5顯示了在du＝0.005 m，R＝0.5 m，C＝0.3 kg／m3下，臨界運(yùn)行參數(shù)隨截面系數(shù)s的變化。由圖5（a）、（b）可知，同一r0／R下，臨界孔板旋轉(zhuǎn)周期Tc與臨界過(guò)濾周期T′c均隨著s的增大而減少，而同一s下，Tc與T′c則均隨著r0／R（或r0）的增大而增大。由圖5（c）、（d）可知，同一r0／R下，濾面過(guò)水流量Vc與孔板過(guò)濾負(fù)荷Mc均隨著s的增大而增大，而同一s下，Vc與Mc則均隨著r0／R（或r0）的增大而減小。

圖4 臨界運(yùn)行參數(shù)隨孔板半徑R的變化（d u＝0.005 m、l u，r／d u＝l u、c／d u＝1.5、s＝0.349、C＝0.3 kg／m3）

圖6顯示了在s＝0.349（對(duì)應(yīng)du＝0.005 m、lu，r／du＝lu，c／du＝1.5）及R＝0.5 m 下，臨界運(yùn)行參數(shù)隨網(wǎng)眼截留濃度C的變化。由圖6（a）、（b）可知，同一r0／R下，臨界孔板旋轉(zhuǎn)周期Tc與臨界過(guò)濾周期T′c均隨著C的增大而減少，而同一C下，Tc與T′c則均隨著r0／R（或r0）的增大而增大。由圖6（c）可知，濾面過(guò)水流量Vc與C無(wú)關(guān)，而隨著r0／R（或r0）的增大而減小；而由圖6（d）可知，同一r0／R 下，孔板過(guò)濾負(fù)荷Mc均隨著C的增大而增大，而同一C下，Mc則均隨著r0／R（或r0）的增大而減小。

圖7顯示了在s＝0.349（對(duì)應(yīng)du＝0.005 m、lu，r／du＝lu，c／du＝1.5），R＝0.5 m、C＝0.3 kg／m3下，同一r0／R下，濾面過(guò)水流量Vc與孔板過(guò)濾負(fù)荷Mc均隨著孔板旋轉(zhuǎn)周期T的增大而減小，而同一T下，Vc與Mc則均隨著r0／R（或r0）的增大而減小。

圖5 臨界運(yùn)行參數(shù)隨截面系數(shù)s的變化（d u＝0.005 m、R＝0.5 m、C＝0.3 kg／m3）

圖6 臨界運(yùn)行參數(shù)隨網(wǎng)眼截留濃度C的變化（d u＝0.005 m、l u，r／d u＝l u，c／d u＝1.5、s＝0.349、R＝0.5 m）

圖7 臨界運(yùn)行參數(shù)隨孔板旋轉(zhuǎn)周期T的變化（d u＝0.005 m、l u，r／d u＝l u，c／d u＝1.5、s＝0.349、R＝0.5 m、C＝0.3 kg／m3）

4 結(jié)論

分析了開(kāi)式原生污水源熱泵系統(tǒng)的取水運(yùn)行特性。通過(guò)定義網(wǎng)眼阻塞系數(shù)、濾面污物密度等運(yùn)行參數(shù)，得出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)建立臨界運(yùn)行的參數(shù)判別依據(jù)，考察了各臨界運(yùn)行參數(shù)的變化關(guān)系，得出如下結(jié)論：

1）過(guò)濾區(qū)孔板外側(cè)的網(wǎng)眼阻塞系數(shù)較內(nèi)側(cè)要大；出口段網(wǎng)眼阻塞系數(shù)較入口段大；且網(wǎng)眼阻塞系數(shù)隨孔板旋轉(zhuǎn)周期的減小而減小。

2）s及C 一定時(shí)，同一r0／R 下，Tc與T′c均隨R增大而減少，而同一R下，Tc與T′c則均隨r0／R增大而增大。同一r0／R下，Vc與Mc均隨R增大而增大，而同一R下，Vc與Mc則均隨著r0／R增大而減小。

3）du、R、C一定時(shí)，同一r0／R 下，Tc與T′c均隨s增大而減少，而同一s下，Tc與T′c則均隨r0／R的增大而增大。同一r0／R下，Vc與Mc均隨s的增大而增大，而同一s下，Vc與Mc則均隨r0／R的增大而減小。

4）s及R 一定時(shí)，同一r0／R 下，Tc與T′c均隨C增大而減少，而同一C下，Tc與T′c則均隨r0／R增大而增大。Vc與C無(wú)關(guān)，而隨r0／R增大而減小；同一r0／R下，Mc均隨C增大而增大，而同一C下，Mc則均隨r0／R增大而減小。

5）s，R，C 一定時(shí)，同一r0／R 下，Vc與 Mc均著T增大而減小，而同一T下，Vc與Mc則均隨r0／R增大而減小。

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（編輯 王秀玲）

Operational Analysis of Open Untreated Sewage Source Heat Pump System

Qian Jianfeng1，Zhang Jili2，Ma Liangdong2，Xu Yin1

（1.School of Energy ＆Civil Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150028，P.R.China；2.School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China）

The effective sewage intake technology is prerequisite for the untreated sewage source heat pump system to run steadily.In terms of the insufficiency of current sewage intake technologies，an open sewage intake integration technology is proposed.The mathematical model and the distinguish basis of critical state are established for the sewage intake characteristic by defining some important operating parameters，such as the blocking coefficient，the contamination density and the section coefficient.Furthermore，the change rule of each critical operation parameter is observed along with the various initial parameters.The result can provide the theoretical basis to design the open intake integration technology.

sewage source heat pump system；open intake；mathematical model；operational characteristics

TU831.6

A

1674-4764（2014）02-0062-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.010

2013-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（51208160）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（20100471447）；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才專項(xiàng)資金（2013RFQXJ129）

錢(qián)劍峰（1979-），男，博士（后），副教授，主要從事可再生能源與建筑節(jié)能研究，（E-mail）qianjianfeng2002＠163.com。