逆流型廢液與非飽和空氣的熱質交換性能研究

楊丁丁，柳建華，徐小進，張 良

（1. 上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200093；2. 中國船舶重工集團公司 第七〇四研究所，上海 200031）

廢液的徹底處理一直是一個世界性的難題，目前廢液的處理方法主要有物理法[1]、化學法[2]和生物法[3-5]這3種。其中，化學法處理廢水的流程復雜，生物法處理廢水占地面積大，受自然因素影響大，物理法處理廢水不會殘留化學有害物質。為了研究出可高效回收處理廢液的方式，國內外學者在這方面開展了大量的研究工作。Chen等[6]采用過氧化鈣預氧化和化學絮凝的方法增強廢活性污泥的脫水性能，研究發現，活性污泥過濾性能最佳的過氧化鈣用量為20 mg/g總懸浮固體，化學絮凝（聚氯化鋁、氯化鐵和聚丙烯酰胺）使得絮體結構進行了重構，污泥的脫水性能也明顯增強；鄭忠環等[7]采用單株菌和混合菌對含部分水解聚苯稀酰胺的污水進行厭氧水解酸化生物處理，結果發現，最佳的降解條件為降解9 d，連續活化3次，溫度35～40 ℃，初始pH為7.5；Huang等[8]采用聚乙烯基吡咯烷酮-聚偏氟乙烯(PVP-PVDF)超濾膜處理含油廢水，結果表明，PVP-PVDF對含油廢水的分離效果比PVDF明顯，并且用質量分數為3%的NaOH水溶液清洗超濾膜，PVP-PVDF的通量恢復率超過90%，比PVDF好得多。

廢液再生熱質交換器有平板降膜和填料兩種方式。平板降膜是一個傳統的再生模型[9-10]，換質系數小。填料塔是在一個相對小的空間內提供一個很大的接觸面積來提高廢液和空氣的質量交換，已經被很多學者研究過[11-12]。一般來說，在材料體積相同的情況下，填料形式要比平板降膜形式的換質能力強。

廢液與空氣通過媒介直接接觸進行傳熱傳質，傳統的形式有順流、逆流和叉流，目前對叉流[13-14]和順流[15-16]形式的傳熱傳質過程進行了深入的理論研究和數值模擬。Wang等[17]對在絕熱填料塔中很高含濕量的空氣與除濕廢液以逆流形式進行熱質交換的過程進行了研究，結果顯示，與低含濕量的空氣相比，廢液和空氣的流速對除濕影響很大，廢液濃度和溫度對除濕的影響很小；Lu等[18]對逆流熱源塔的熱質交換特性進行了數值研究，在這個數值模型中，考慮到路易斯數Le的變化，研究了進口空氣干球溫度、含濕量、空氣流速、進口廢液的溫度和流速對熱源塔熱性能的影響。之前很多學者是通過理論計算和數值模擬的方法研究溶液和空氣的換熱換質，采用實驗驗證的方法較少，對熱質交換系數的研究也不足。

本文提出了一種新型的逆流形式的填料塔廢水處理實驗裝置，采用制冷裝置的冷凝器對廢水進行加熱，蒸發器對濕空氣進行除濕，對廢水的再生性能進行了實驗研究。通過傳質單元數-路易斯數（NTUm-Le）模型計算廢液和空氣的出口狀態參數，通過路易斯數-換質系數（Le-αm）分離測量法計算熱質交換系數和Le，進行了一系列不同工況的實驗。研究分析了逆流形式下不同空氣流量、廢液流量、廢液溫度等參數對熱質交換系數和Le的影響，為廢水處理提供了一種新思路，對未來廢水處理的進一步研究提供理論依據。

1 填料塔廢液再生實驗裝置

填料塔廢液實驗裝置如圖1所示（見下頁），在該裝置上對廢液再生過程進行實驗研究，該裝置所需的測控系統在圖中沒有表示出來。

裝置共有3個循環，分別是制冷循環、廢液循環、空氣循環。廢液箱中廢液經變頻廢液泵加壓進入制冷系統中的板殼式換熱器（鈦合金材質）加熱，通過布液器由上而下噴淋到不銹鋼絲網波紋填料上，與由下而上的濕冷空氣直接接觸，呈逆流形式進行熱質交換，再通過重力的作用返回廢液箱。濕冷空氣由下而上經過填料塔的熱質交換后，加熱為熱濕空氣，通過不銹鋼蒸發器降溫去濕，在變頻風機（玻璃鋼材質）加壓的作用下，返回到填料塔循環。

裝置采用變頻風機和變頻廢液泵，通過改變風機和水泵的頻率來調節風量和廢液流量。合理布置各個測點的位置，待實驗工況穩定后，用數據采集儀采集進出填料塔的空氣和廢液的狀態參數，主要包括空氣進出口溫度、空氣進出口濕度和廢液進出口溫度。選用的溫度傳感器、濕度傳感器和數據采集儀的規格如表1所示（見下頁）。通過一系列不同工況的實驗，得到每個穩定工況下的實驗數據，進而對裝置中廢液再生的傳熱傳質性能進行計算和分析。

圖1 填料塔廢水實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the waste liqiud experimental device in packed tower

表1 溫度傳感器、濕度傳感器和數據采集儀的規格Tab.1 Specifications of temperature sensors， humidity sensors and data acquisition instruments

2 廢液再生過程傳熱傳質模型

裝置的逆流再生器熱質交換如圖2所示。對再生過程建立數學模型，進行如下簡化假設：

a. 廢液與空氣的熱質交換過程是穩態的，物性參數為常數；

b. 廢液與環境之間不存在熱質交換，為絕熱的再生過程；c. 廢液均勻地分布在填料上，傳熱傳質界面相同；d. 在熱質交換的控制單元內，廢液和空氣的狀態參數不變；

e. 傳熱阻力集中在空氣側；

圖2 逆流再生器熱質交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of the heat and mass transfer in counter flow regenerator

f. 不考慮軸向的熱質交換。

將填料塔作為一個控制體考慮，廢液與空氣的熱質交換遵守質量守恒定律和能量守恒定律，溶質也遵守質量守恒定律，其關系式分別為

空氣側的質量傳遞方程與能量傳遞方程為式（4）和式（5）。

為了求解逆流流型下廢液與空氣熱質交換過程中的參數，式（4）和式（5）可以變化為式（6）和式（7）。

傳質單元數NTUm和Le可以表示為

根據上述控制方程，加上廢液和空氣的進口條件，即可求得逆流形式下廢液與空氣熱質交換過程中的參數變化情況，該模型稱為NTUm-Le模型。

3 耦合傳熱傳質系數的測量方法

在填料塔內廢液與空氣進行熱質交換，由于廢液溫度高于濕空氣溫度，在溫度差的作用下進行對流傳熱；同時，廢液表面的等效表面蒸汽壓大于濕空氣的表面蒸汽壓，在表面蒸汽壓力差的作用下進行水分的遷移。一方面溫度的變化會引起表面蒸氣壓的變化，進而影響傳質過程；另一方面，水分由廢液遷移到濕空氣中會伴隨氣化潛熱的吸收，引起廢液和空氣的溫度變化，進而影響傳熱過程。因此，傳熱過程和傳質過程有極強的耦合特性。到目前為止，還沒有統一的數學公式可以準確求解熱質交換系數，本文采用實驗的方法求解。參考文獻[19]可以用Le-αm分離測量法測量Le和傳質系數αm。

Le-αm分離測量法計算步驟如下：

a. 由實驗獲取再生廢液和空氣的進口狀態參數，空氣出口干球溫度ta,out，空氣出口含濕量ωa,out。假設空氣出口含濕量的允許精度誤差為?ωa，Le=2，起始傳質系數為αm1；

b. 據NTUm-Le模型計算出出口空氣含濕量ωa,1，如果 ωa,1＞?ωa+ωa,out，則傳質系數 αm2=1.2αm1；反之，αm2=0.8αm1。將 αm2代入 NTUm-Le模型，計算出出口空氣含濕量 ωa,2，如果 ωa,2＞?ωa+ωa,out，利用牛頓迭代法得出αm3，如圖3（a）所示；

c. 將αm3代入NTUm-Le模型，得到ωa,3。如果ωa,3＞?ωa+ωa,out，則 αm1=αm2，αm2=αm3，重復步驟 b，直到 ωa,3-ωa,out≤?ωa，認為得到傳質系數；

d. 根據NTUm-Le模型、傳質系數以及入口參數計算出空氣出口干球溫度ta,1。假設空氣出口干球溫度的允許精度誤差為?ta，Le1=0.1，如果 ta,out＜?ta+ta,1，則 Le為Le2=1.2Le1；反之，Le2=0.8Le1，將 Le2代入NTUm-Le模型，計算出空氣出口干球溫度ta,2，若ta,out＜?ta+ta,1，則利用牛頓迭代法得出Le3，如圖 3（b）所示；

e. 將Le3代入NTUm-Le模型，得到ta,3，如果ta,out＜?ta+ta,3， 則 Le1=Le2，Le2=Le3，重復步 驟 d，直到 ta,out＞?ta+ta,3，認為得到 Le數；

f. 通過式（10）計算出傳熱系數。

與類似，當和分別等于零時，式(12)中的P、Lv和Mv分別為0，可得其交點軸線T-Map的3維空間域邊界方程分別為：

圖3 耦合傳熱傳質過程Le-αm分離測量法圖解Fig.3 Calculating procedure by the Le-αm separation method

4 實驗結果

通過廢液與空氣的耦合傳熱傳質過程進行不同工況的研究，獲得不同運行工況下廢液和空氣的進出口狀態參數，然后基于NTUm-Le模型使用Le-αm分離測量法對實驗數據進行處理，獲得該過程的傳質系數αm和Le，通過公式計算出傳熱系數α，最終得到運行參數對傳熱傳質系數和Le的影響結果。本文實驗的廢液是含水率為94%的金屬切削液。

4.1 空氣流量對熱質交換系數和Le的影響

表2為改變空氣流量的實驗測試工況。

表2 改變空氣流量實驗測試工況Tab.2 Experimental test condition with the changing of air flow rate

圖4為空氣流量對換質系數和Le的影響，由圖可知，換質系數隨著空氣流量的增大而增大，當空氣流量由0.233 m3/s變化到0.389 m3/s時，傳質系數由 1.32 g/（m2·s）增大到 1.51 g/（m2·s）。這主要是因為，雖然空氣流量增大加劇了廢液的溫降，降低了其等效含濕量，但是，空氣中含濕量的增加量卻顯著減小，使廢液與空氣的傳質勢增大，進而水分遷移量增大；另外，空氣流量增大即空氣流速增大，使廢液表面波動性增強，增大了水分傳遞的接觸面積。Le隨著空氣流量的增大有增大的趨勢，從0.97變化到0.99，但總體變化不大，平均值約為0.98。

圖5為空氣流量對換熱系數的影響，圖中數據表明，換熱系數也隨著空氣流量的增大而增大，當空氣流量由0.233 m3/s變化到0.389 m3/s時，傳熱系數由 5.4 W/（m2·K）增大到 6.3 W/（m2·K），主要是因為換熱系數與空氣流速呈正相關的關系。

4.2 廢液流量對熱質交換系數和Le的影響

表3為改變廢液流量的實驗測試工況。圖6為廢液流量對換質系數和Le的影響，由圖可知，換質系數隨著廢液流量的增大而增大。當廢液流量由0.5 kg/s變化到0.833 kg/s時，傳質系數由0.84 g/（m2·s）增大到1.32 g/（m2·s），主要是因為廢液流量增大時，水分遷移過程中廢液的溫降減小，導致廢液的等效含濕量減少較小，平均傳質勢相對較大，增大了水分遷移量；Le隨廢液流量的增大而有小幅度的增大，從0.96增大到0.99。

圖4 空氣流量對換質系數和Le的影響Fig.4 Effects of air flow rate on the mass transfer coefficient and Le

圖5 空氣流量對換熱系數的影響Fig.5 Effects of air flow rate on the heat transfer coefficient

表3 改變廢液流量實驗測試工況Tab.3 Experimental test condition with the changing of waste liquid flow rate

圖6 廢液流量對換質系數和Le數的影響Fig.6 Effects of waste liquid flow rate on the mass transfer coefficient and Le

圖7為廢液流量對換熱系數的影響，圖中數據表明，換熱系數也隨著廢液流量的增大而增大，當廢液流量由0.5 kg/s變化到0.833 kg/s時，傳熱系數由 3.4 W/（m2·K）增大到 5.5 W/（m2·K），主要是因為廢液流量增大，其效果等效于增大了廢液與空氣之間的相對速度，其換熱系數與流量呈正相關的關系。

圖7 廢液流量對換熱系數的影響Fig.7 Effects of waste liquid flow rate on the heat transfer coefficient

4.3 廢液溫度對熱質交換系數和Le的影響

表4為改變廢液溫度的實驗測試工況。

表4 改變廢液溫度實驗測試工況Tab.4 Experimental test condition with the changing of waste liquid temperature

圖8為廢液溫度對換質系數和Le的影響，由圖可知，換質系數隨著廢液溫度的增大而增大，當廢液溫度由44.4 ℃變化到55.5 ℃時，傳質系數由 0.77 g/（m2·s）增大到 2.17 g/（m2·s）。這主要是因為廢液溫度越高，其表面等效水蒸氣分壓力越大，與空氣的表面水蒸氣分壓力差越大，水分遷移的驅動力就越大，水分遷移量就越大；Le隨著廢液溫度的增大而減小，當廢液溫度由44.4℃變化到55.5℃時，Le由1.3減小到0.71，說明廢液溫度的變化對Le的影響較大。

圖9為廢液溫度對換熱系數的影響，圖中數據表明，換熱系數也隨著廢液溫度的增大而增大，當廢液溫度由44.4 ℃變化到55.5 ℃時，傳熱系數由 4.2 W/（m2·K）增大到 6.6 W/（m2·K），主要是因為溫度越高，貼壁處法線方向上的廢液溫度變化率越大，換熱系數就越大。

圖8 廢液溫度對換質系數和Le數的影響Fig.8 Effects of waste liquid temperature on the mass transfer coefficient and Le

圖9 廢液溫度對換熱系數的影響Fig.9 Effects of waste liquid temperature on the heat transfer coefficient

5 結 論

在提出的填料塔廢液再生實驗裝置的基礎上，對廢液與空氣的耦合傳熱傳質過程進行了不同工況的研究，得到結論：

a. 基于NTUm-Le模型使用Le-αm分離測量法對實驗數據進行處理，可以計算得到傳熱傳質過程的傳質系數和Le，進而計算得到該過程的傳熱系數；

b. 空氣流量、廢液流量和廢液溫度都對傳質系數和傳熱系數有顯著的影響，且隨著空氣流量、廢液流量和廢液溫度的增大，傳質傳熱系數均增加，其中，空氣流量對熱質系數的影響最小；

c. 空氣流量和廢液流量對Le的影響很小，Le的變化范圍為0.96～0.99，并且都是隨著空氣流量和廢液流量的增大而有小幅度的增加；廢液溫度對Le有顯著的影響，隨著廢液溫度的增大，Le明顯減小，從1.3降低到0.71。

符號表

A 熱質交換面積 γ 氣化潛熱

C 溶質質量分數 t 溫度

cp比定壓熱容 V 體積流量

h 焓值 α 換熱系數

H 填料高度 αm換質系數

Le 路易斯數 ω 含濕量

m 質量流量 x x軸變量

NTUm傳質單元數

下標

a 空氣 out 出口

e 廢液等效空氣 s 廢液

in 進口