熱泵驅(qū)動(dòng)小型廢液濃縮處理裝置研制

張慧晨, 柳建華,2, 徐小進(jìn), 張 良, 李陽(yáng)陽(yáng), 張嘉文

(1. 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 上海 200093；2. 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200093；3. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所, 上海 200031)

油水混合廢液廣泛存在于機(jī)械加工企業(yè),其處理過程復(fù)雜,需要送至專業(yè)廢液回收處理單位進(jìn)行處理[1]。由于處理量大,故其處理費(fèi)用較高。汪行[2]、廖裕愷[3]、周先鋒[4]等人的研究表明,利用填料塔可對(duì)機(jī)械切削廢液進(jìn)行濃縮預(yù)處理,且處理效率高,處理成本低。通過對(duì)油水混合廢液物性進(jìn)行分析,其含水率高達(dá)94.6%。

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃是面向高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一[5]。全面開展大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是進(jìn)一步提高本科教學(xué)質(zhì)量和大學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的重要手段[6-7]。該項(xiàng)目一方面可以促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的改革,另一方面可以促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變[8-10]。上海理工大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃開展方面具有多年經(jīng)驗(yàn),并形成了科學(xué)研究與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃相結(jié)合的項(xiàng)目開展特色[11-12]。本文以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃為平臺(tái),以解決機(jī)械加工企業(yè)廢液處理量為出發(fā)點(diǎn),以學(xué)生專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ),以科學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)，研制了熱泵驅(qū)動(dòng)小型廢液濃縮處理裝置。

1 裝置設(shè)計(jì)

圖1為熱泵驅(qū)動(dòng)小型廢液濃縮處理裝置工作流程圖,裝置實(shí)物見圖2,表1為實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù),表2為實(shí)驗(yàn)裝置各部件以及測(cè)量?jī)x表選型結(jié)果。

圖1 熱泵驅(qū)動(dòng)小型廢液濃縮處理裝置工作流程圖

圖2 裝置實(shí)物圖

參數(shù)名稱數(shù)值參數(shù)名稱數(shù)值廢液噴淋溫度/℃52熱泵蒸發(fā)溫度/℃5處理器空氣進(jìn)口溫度/℃38.7廢液循環(huán)流量/(m3·h-1)0.168處理器空氣進(jìn)口相對(duì)濕度/%95空氣循環(huán)流量/(m3·h-1)70處理器空氣出口溫度/℃50液氣質(zhì)量流量比2.0處理器空氣出口相對(duì)濕度/%60設(shè)計(jì)濃縮處理量/(kg·h-1)0.514熱泵冷凝溫度/℃60制冷量/W650

表2 裝置各部件以及測(cè)量?jī)x表選型

該裝置由能源供給系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、廢液濃縮處理系統(tǒng)、熱泵循環(huán)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5部分組成。能源供給系統(tǒng)包括太陽(yáng)能熱水、風(fēng)力發(fā)電以及電能補(bǔ)給。空氣處理系統(tǒng)包括循環(huán)風(fēng)機(jī)、廢液濃縮處理器、凝水回收器(蒸發(fā)器)。廢液濃縮處理系統(tǒng)包括循環(huán)水泵、熱水/廢液熱交換器、廢液/制冷劑熱回收器、廢液濃縮處理器。熱泵循環(huán)處理系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、凝水回收器(蒸發(fā)器)、廢液/制冷劑熱回收器(冷凝器1)、空冷換熱器、節(jié)流閥等。控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu),上位機(jī)是命令發(fā)送與報(bào)警反饋的觸摸屏系統(tǒng),下位機(jī)通過PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的無極調(diào)節(jié)。

該裝置核心部件為廢液濃縮處理器，是空氣與廢液進(jìn)行直接傳熱傳質(zhì)的場(chǎng)所。該部件主要利用低溫表面蒸發(fā)原理,將傳熱傳質(zhì)場(chǎng)所控制在處理器芯體——填料表面而不會(huì)發(fā)生劇烈沸騰、引起空氣中溶質(zhì)的大量夾帶。吸收熱泵余熱后的廢液表面水蒸氣分壓力高于空氣中的水蒸氣分壓力,水分將由廢液遷移至空氣,實(shí)現(xiàn)廢液濃縮處理。廢液濃縮處理器結(jié)構(gòu)類似化工行業(yè)填料塔,本裝置中選用BX550型塑料絲網(wǎng)波紋填料為氣液接觸介質(zhì)。

2 裝置性能測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成裝置制作安裝后,對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試,以確保裝置運(yùn)行性能最優(yōu),調(diào)試過程包括:(1)檢查所有管路與設(shè)備連接的密封性,試運(yùn)行所有設(shè)備、儀表以及控制軟件；(2)檢測(cè)熱泵回收余熱量是否滿足廢液噴淋溫度要求,是否需要額外補(bǔ)充熱量；(3)改變循環(huán)空氣流量、廢液循環(huán)流量,初步檢測(cè)裝置的實(shí)際處理量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

裝置穩(wěn)定運(yùn)行后,廢液處理器中的傳熱傳質(zhì)過程以及凝水回收器中的冷凝除濕過程連續(xù)運(yùn)行,且處理器蒸發(fā)傳質(zhì)量與冷凝回收量相等。此外,裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性對(duì)于裝置實(shí)際應(yīng)用和推廣具有重要影響,經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在廢液濃縮量與裝置運(yùn)行能效之間的關(guān)系。本文從以下4個(gè)方面對(duì)裝置的運(yùn)行性能進(jìn)行分析。

2.1 廢液循環(huán)流量對(duì)濃縮處理量的影響

由圖3可知,在空氣循環(huán)流量為70 m3/h、廢液噴淋溫度為50 ℃時(shí),裝置濃縮處理量隨著廢液循環(huán)流量的增加而增加,當(dāng)噴淋流量達(dá)到0.17 m3/h以上(液氣質(zhì)量流量比超過2.0)時(shí),裝置的濃縮處理量隨流量變化不大。原因在于隨著廢液循環(huán)流量的增加,廢液濃縮處理器中填料表面有效潤(rùn)濕面積增加,氣液傳質(zhì)有效接觸面積增加,濃縮處理量隨之增加；但當(dāng)廢液循環(huán)流量進(jìn)一步增加時(shí),即液氣質(zhì)量流量比超過2.0以后,氣液傳質(zhì)有效接觸面積隨廢液循環(huán)流量增加趨勢(shì)變緩,濃縮處理量增加不明顯。

圖3 廢液循環(huán)流量對(duì)濃縮處理量影響關(guān)系

2.2 空氣循環(huán)流量對(duì)濃縮處理量的影響

由圖4可知,在廢液循環(huán)流量為0.17 m3/h、廢液噴淋溫度為50 ℃時(shí),裝置濃縮處理量隨空氣流量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。原因在于:(1)當(dāng)空氣流量為30 m3/h時(shí),液氣質(zhì)量流量比達(dá)4.72,這時(shí)空氣流速較低,空氣與廢液有效接觸時(shí)間長(zhǎng),即有效傳質(zhì)時(shí)間長(zhǎng),單位空氣吸濕能力好,但是整體吸濕量少,濃縮處理量低；(2)當(dāng)空氣流量為70 m3/h時(shí),液氣質(zhì)量流量比為2.0,空氣流速適中,單位空氣吸濕能力較好,整體吸濕量最大,濃縮處理量最大；(3)當(dāng)空氣流量為90 m3/h時(shí),液氣質(zhì)量流量比為1.57,這時(shí)空氣流速較高,空氣與廢液有效接觸時(shí)間短,尤其是在考慮空氣入口效應(yīng)時(shí),空氣與廢液有效接觸時(shí)間更短,即有效傳質(zhì)時(shí)間更短,單位空氣吸濕能力變差,整體吸濕量少,濃縮處理量降低。

圖4 空氣循環(huán)流量對(duì)濃縮處理量影響關(guān)系

2.3 廢液噴淋溫度對(duì)濃縮處理量的影響

由圖5可知,在廢液循環(huán)流量為0.17 m3/h、空氣循環(huán)流量為70 m3/h時(shí),裝置濃縮處理量隨廢液噴淋溫度的增加而增加。原因在于:(1)隨著噴淋溫度的增加,廢液表面水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力差增加,即傳質(zhì)勢(shì)差增加,傳質(zhì)能力增加,濃縮處理量增加；(2)隨著噴淋溫度的增加,廢液表面水分汽化吸熱占據(jù)廢液熱容比重減小,廢液處理器中廢液溫度變化量減小,廢液表面水蒸氣分壓力維持在較高水平,平均傳質(zhì)勢(shì)差增加,傳質(zhì)能力增加,濃縮處理量增加。

圖5 廢液噴淋溫度對(duì)濃縮處理量影響關(guān)系

2.4 裝置經(jīng)濟(jì)性

裝置運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器的冷量用來冷凝、回收空氣中的水分，并回收熱泵冷凝熱加熱廢液,即同時(shí)利用了熱泵的蒸發(fā)熱與冷凝熱。定義裝置的熱力能效比(HEER)為

(1)

式中,Q0為熱泵的制冷量,W；Qk為熱泵的制熱量,W；P壓為壓縮機(jī)輸入功率,W；P風(fēng)為風(fēng)機(jī)功率,W；P泵為水泵功率,W。

定義裝置運(yùn)行濃縮量與耗電量經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)(NEER)為

(2)

式中：qm為裝置的濃縮量,kg/h；a為處理1 kg廢水所需成本,元/kg；b為消耗1 kW·h(度)所需成本,元。

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)可知,當(dāng)水泵流量為0.17 m3/h、風(fēng)機(jī)風(fēng)量為70 m3/h時(shí)裝置運(yùn)行狀態(tài)最佳,此時(shí)壓縮機(jī)的功率為247 W,有效制冷量為600 W,水泵功率為25 W,風(fēng)機(jī)功率為15 W,系統(tǒng)的HEER為4.18。

假設(shè)a=b,裝置NEER為1.52(a與廢液種類有關(guān),危廢液的處理成本遠(yuǎn)高于一般廢液處理成本,b與區(qū)域電價(jià)有關(guān),實(shí)際廢水處理中a均大于b,故NEER最小值為1.52),故運(yùn)用本裝置對(duì)企業(yè)廢液進(jìn)行預(yù)處理可以明顯降低企業(yè)廢液處理成本。

3 結(jié)論

本文以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃為平臺(tái),結(jié)合學(xué)生專業(yè)知識(shí)并綜合幾屆學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目成果,完成熱泵驅(qū)動(dòng)小型廢液濃縮處理裝置的設(shè)計(jì)與搭建。該裝置運(yùn)行效果:(1)濃縮處理量隨廢液循環(huán)量以及廢液噴淋溫度的增加而增加；(2)濃縮處理量隨循環(huán)空氣流量先增加后減少；(3)裝置溫度運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)熱力能效比可達(dá)4.18,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可達(dá)1.52以上。運(yùn)用本裝置對(duì)企業(yè)廢液進(jìn)行預(yù)處理可以明顯降低廢液處理成本。

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