热泵型电镀废水处理系统性能的试验研究

热泵型电镀废水处理系统性能的试验研究

2015年第43卷第10期流体机械7文章编号：1005—0329(2015)10—0007—04热泵型电镀废水处理系统性能的试验研究高宏太。金苏敏，陈亮(南京工业大学，江苏南京211816)摘要：基于热泵与增湿去湿蒸发技术，介绍了一种用于电镀废水处理领域的热泵型废水处理系统。为了考察系统的蒸发能效水平，并分析物料循环量对系统能效的影响，搭建了系统试验台。测试结果表明，相对于热驱动系统，热泵型系统的能效水平有了较大的提高，最大达到11．1kg／(kW．h)。运行过程中存在最佳废水循环量使系统蒸发能效最大。关键词：废水处理；热泵；湿空气；蒸发能效中图分类号：TH3；TQo81．3文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1005—0329．2015．010．002ExperimentalInvestigationonthePerformanceofHeatPumpEvaporationCrystallizationElectroplatingWastewaterTreatmentSystemGAOHong—tai，JINSu—min，CHENLiang(NanjingTechnologyUniversity，Nanjing211816，China)Abstract：Withtheheatpumptechnologycombinedwjtllhumidification-dehumi~fieafiontechnology，anewheatpumpelectro—platingwastewatertreatmentsystemisintroduced．Thetestbedforthesystemisestablishedtostudytheperformanceofevapora·tionenergyefficiency．Theresultsshowthat，acombinationofheatpumpsystemhasmoreenergyeficiencythanheatdrivensys-tern．evaporationenergyeficiencypeakedat11．1kg／(kW·h)．Thereisanoptimalcirculatingwatermassflowratioformaxi—mumsystemevaporationenergyeficiencyinoperations．Keywords：wastewatertreatment；heatpump；moistair；evaporationenergyeficiency1前言分离，增湿去湿技术可以较好地回收冷凝潜热。同时，利用湿空气作为蒸发介质，蒸发温度低，蒸电镀技术广泛应用于机器制造、轻工、电子等发过程没有剧烈的沸腾传热，过程较温和，对设备行业。电镀废水是其主要污染物，大多包括重金腐蚀性较低。热泵作为一种高效节能设备，可以属盐、铅、砷等有毒物质。传统的电镀废水处理方提高蒸发操作的能效水平。基于热泵与增湿去湿法包括物理法、化学法、生物法等。物理方法能耗蒸发技术，本文介绍一种热泵型电镀废水处理系偏高，设备较复杂，化学处理容易引进新的污染统，搭建系统试验台，考察系统能效水平，分析物源，生物法对操作环境有限制且无法处理高浓度料循环量对系统能效的影响，为系统的优化与深废水⋯。传统的废水处理方法都存在局限性。入研究打下基础。蒸发结晶法是唯一可以达到零液体排放的处理技术，同时可以回收结晶产物与冷凝水。但蒸2系统试验台发操作耗能大，蒸发过程腐蚀严重，对设备工艺与技术要求很高。利用湿空气作为蒸发介质的增湿热泵型电镀废水处理系统主要由蒸发结晶去湿技术，来源于太阳能海水淡化领域，麻省器、空气干燥器、压缩机、热泵冷凝器、风机、废水理工的RonanKMcGovem等提到该技术在废水泵、补水箱组成。空气干燥器中有4股流体换热，处理上的巨大潜力。由于将蒸发与冷凝过程可分为三部分，从上到下分别为回热器、热泵蒸发收稿日期：2015—05—28修稿日期：2015—06一o9n8FLUIDMACHINERYVo1．43，No．10，2015器、空气冷却器。m，空气冷却器为1．2m。温度计为PT100铂电图1为系统试验台。蒸发结晶器作为废水蒸阻温度计，精度0．15FS，水路的流量测量为转子发场所，低温空气与高温废水在这里直接接触进流量计，精度1．5FS，空气流量测量由体积流量转行热质交换，空气被加热加湿，随后高温高湿空气换为质量流量，体积流量由风速仪测量计算得到，进入空气干燥器中冷凝。未蒸发的低温废水与补精度4％FS。给废水混合后在间壁式回热器中换热，湿空气被3．2试验原理预冷，废水被预热。热泵的作用是吸收回热器出整个系统的热量回收由两部分完成，第一部口的湿空气余热，进一步加热废水，最后将高温废分为温差驱动的被动回收过程，在回热器中完成。水送入蒸发结晶器中。冷却水用于维持系统热平第二部分的热量回收则通过电驱动热泵来完成。衡。湿空气在蒸发结晶器与空气干燥器中不断循分析二者的热量回收情况对于提高系统总的能效环，完成蒸发与冷凝过程。系统通过补充一定量水平具有指导意义。的高品位电能，最终在蒸发结晶器中得到金属盐热泵蒸发器的吸热量Q为热泵冷凝器放热晶体，在空气干燥器中得到蒸馏水，完成废水的量减去压缩机输入功：处理。Q。=mCp(tl—f3)一W(1)式中m——废水循环量，kg／s热泵冷凝器膨胀阀c口——废水比热容，kJ／(kg·)，取c：4．18kJ／(kg·℃)t训——热泵冷凝器出口水温，℃，同时也是蒸发结晶器入口水温￡以——热泵冷凝器人口水温，℃，也是回热器出口水温压缩机输入功，kW回热器的回收热量Q为：Q=mc(t们一t)(2)式中——回热器人口水温，一一一．制冷剂⋯一⋯⋯-湿空气系统的目标是蒸发更多的废水，目标产物为一，一·一一废水冷却水蒸发水量。为了表征系统的蒸发能效水平，定义图1系统试验台单位输入能量所蒸发出的水量E为系统蒸发能金属盐的结晶涉及晶体动力学，结晶盐的生效。E越大，输入相同的能量，蒸发的废水越多，成与分离都涉及具体的工艺技术，同时不同物质系统越节能。由于是封闭式的空气循环，所以蒸的浓缩结晶热有所不同。本文关注于系统发出来的水分全部变为冷凝水，冷凝水量等于蒸的蒸发过程能效水平，为了避免不同废水成分对发水量。系统造成的影响，试验时采用清水作为试验工质。E=W／mL(3)式中E——蒸发能效，ks／(kW·h)3试验装置与原理m——冷凝水量，kg／h3．1设备参数4结果分析试验压缩机为旋转式压缩机，制冷剂R134a，标况下输入功率为750W，制热COP为3．78。热4．1各点温度的变化泵冷凝器为1．5P套管换热器。为了增大空气与图2为空气循环量为152kg／h，蒸发结晶器废水接触面积，蒸发结晶器采用填料塔，填料采用入口空气温度3O℃条件下，系统各点温度与废水50mm塑料鲍尔环，填料层高2m，塔径0．3m。空循环量的关系。随着废水循环量的增大，热泵冷气干燥器中为亲水波纹翅片管换热器，其中回热凝器出口水温逐步降低，由58．5~C降低到53℃。器空气侧换热面积为211TI，热泵蒸发器为2．8同时由于空气循环量与入口空气温度保持不变，n2015年第43卷第10期流体机械9蒸发结晶器出口水温逐步提升。蒸发结晶器出口由图3可知，随着废水循环量的加大，热泵冷空气温度所受影响比较复杂。一方面如果蒸发结凝器的出口水温由58．5℃降低到53℃。这代表晶器人口水温保持不变，随着废水循环量增大，出着热泵冷凝温度的降低，热泵制热工况条件改善，口空气温度势必会增大。但系统实际运行时，由热泵蒸发器吸热量由2．89kW升高到3．54kW，变于热泵制热能力的限制，随着废水流量的增大，蒸化了22．5％。同时，较大的空气循环量代表热泵发结晶器入口水温在不断降低，而人口水温的降蒸发端空气流速较大，热泵蒸发端传热条件较好，低又会导致出口空气温度的降低。实际运行时发吸热量也随之上升。生蒸发结晶器出口空气温度随废水循环量先增大图4为不同空气循环量下，废水循环量对回后降低的现象，在废水循环量为420kg／h时达到热器回收热量的影响。回热器回收热量随着废水最大值。在回热器中发生的换热过程是蒸发结晶循环量的升高先增大后降低，随着空气循环量增器出口空气与回热器入口废水逆流换热，回热器大而增大。空气循环量增大后，回热器的传热热出口水温变化与蒸发结晶器出口空气温度变化较阻会减小，传热效率提高，换热量增大。由图2可一致，随着废水循环量的增大先增大后减小。知，在废水循环量小于420kg／h时，随着废水循环量的增大，回热器人口空气温度在升高，增大换热量，回热器回收热量提高。在废水循环量大于420kg／h后，回热器人口空气温度开始降低，回热60．0器回收的热量也开始降低。一4．2一47．5赠3．435．0240420600废水循环量(kg／h)2．8图2废水循环量对各点温度的影响4．2物料循环量对热泵与回热器回收热量的废水循环量(kg／h)影响图4物料循环量对回热器回收热量的影响系统的潜热回收由回热器与热泵蒸发器完在空气循环量为95kg／h时，使回热器回收热成。二者的热量回收能力直接决定了系统的能效量最大的废水循环量出现在360kg／h处，其值为水平，有必要对其进行分析，找出影响其热量回收3．6kW。空气循环量为124kg／h时，最佳废水循能力的因素。环量出现在420kg／h处，其值为3．75kW。空气循图3为不同空气循环量下，废水循环量对热环量为152kg／h时，最佳的废水循环量出现在泵蒸发器吸热量的影响。420至480kg／h之间，其值为4．1kW左右。最佳废水循环量会随着空气循环量的增加而增加。这一结论符合NarayanG．P等在文献[11，12]中的观点，即水与湿空气热质交换过程中，当相对热容率HCR为1时，热质交换过程的熵产最小。而相删3．0对热容率与物料的质量流量比直接相关。蕞图5为空气循环量152kg／h条件下，热泵蒸发器与回热器的热量分布图。从数量级上来说，2．2二者能量回收的能力相当，差别不大。但回热器300425550的换热量变化更为剧烈，如废水循环量由240kg／废水循环量(kg／h)h变化到420kg／h，回热器换热量增加了32．2％．图3物料循环量对热泵蒸发器吸热量的影响而热泵换热量只变化了10．3％。这导致系统总nl0FLUIDMACHINERYVo1．43，No．10，2015的热量回收情况与回热器回收量变化相一致，随输入功会随着试验工况的改变而改变，但在试验着废水循环量的增加先增加后降低。但热泵蒸发条件下，压缩机的最小输入功为970kW，最大的器的换热量一直在增加，使系统总体的回收热量输入功为1065kW，变化在10％以内，变化较小，最大值出现在4808kg／一h处，啊4而蕞非420k0g／h处。回而回收的热量的变化较大。此时如果／昌忽略《压温缩糕机197热器的性能变化对系统影响更为明显。输入功变化的影响，则总回收热量越大，用于废水蒸发的能量也就越多，系统的蒸发能效也就越大。同时，使得总回收热量最大的废水循环量也会使系统蒸发能效最大。5结论(1)系统整体工作温度范围低，可以在60240425600以内完成废水的蒸发操作。相对于热驱动设备，废水循环量(kg／h)该系统的能效水平有较大的提高，最大达到11．1图5热泵蒸发器与回热器的热量分布kg／(kW·h)；4．3系统蒸发能效的变化情况(2)由于热泵制热量的限制，蒸发结晶器出口作为系统最关键的指标之一，系统蒸发能效空气温度会随废水循环量先增大后降低。这也导可以从宏观上反应系统的能量利用程度。图6致了回热器回收热量随废水循环量先增大后降低；(a)为系统蒸发能效随废水循环量的变化，图6(3)增大热泵蒸发器吸热量与回热器回收热(b)为总回收热量与废水循环量的关系，二者非量均可增大总回收热量，提高系统蒸发能效。但常接近。试验过程中的最大蒸发能效出现在空气物料循环量对二者的影响不一。回热器性能的变循环量152kg／h，废水循环量为480kg／h处，最大化对系统蒸发能效的影响更为明显；11．1kg／(kW·h)，约为文献[13]中热驱动装置(4)存在最佳的废水循环量使系统蒸发能效试验结果的3倍。最大，并且最佳废水循环量会随着空气循环量的增大而增大。参考文献[1]白雁冰，王天骄，赵晓玉．重金属废水处理技术研究进展[J]．污染防治技术，2013，26(3)：36-40．[2]ChehayebKM，PrakashNarayanG，ZubairSM，eta1．Useofmuhipleextractionsandinjectionstothermody—namieallybalancethehumidificationdehumidification废水循环量(kg／h)(a)desalinationsystem[J]．InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2014，68：422-434．[3]GhalavandY，HatamipourMS，RahimiA．Humidifica—tioncompressiondesalination[J]．Desalination，2014，一341：120—125．—一[4]ThielGP，MillerJA，ZubairSM，eta1．Effectofmass面嘶extractionsandiniectionsontheperformanceofa．匡fixed．．sizehumidification．dehumidificationdesalination啦system[J]．Desalination，2013，314：50—58．[5]A1一MutazIS，WazeerI．Developmentofasteady—state废水循环量(kg／h)(b)mathematicalmodelforMEE—TVCdesalinationplants图6总回收热量与蒸发能效的关系[J]．Desalination，2014，351：9—18．本试验的加热热源为电驱动热泵，压缩机的(下转第36页)n36FLUIDMACHINERYVo1．43，No．10，2015通过对不同间隙下的不同流量系数模型级分[7]张元兴，楚武利．用CFD研究离心压缩机叶顶间隙析，可对今后产品设计提供一定的参考意见，控制对内部流场的影响[J]．风机技术，2007，(2)：15一l7．好间隙大小，可改善产品的性能，提高产品的使[8]王晋华，同利平，赵珊珊．离心压缩机组管道优化布用性。置及应力分析计算[J]．化工设备与管道，2014，51参考文献(4)：50-52，58．[9]林祺，娄晨．基于差压式孔板流量计的缩经管段流SenooY，IshidaM．PressureLossDuetotheTip场数值研究[J]．压力容器，2014，31(2)：29-37．ClearanceofImpellerBladesinCentrifugalandAxial[1O]韩罗峰，郭敬彬，乔社宁，等．离心压缩机水压仿真Blowers[J]．ASMEJofEngineeringforGasTurbine及试验研究[J]．流体机械，2014，42(7)：5-9．andPower，1986，108：32-37．[11]王鹏亮，董帆，贾海乐，等．全可控涡分布对离心压[2]IshidaM．UekiH．SenooY．EfiectofBladeTipCon．缩机三元叶片性能影响研究[J]．流体机械，2013，figurationonTipClearanceLossofaCentrifugalIm—41(6)：27-32．peller[J]．ASMEJofTurbomachinery，1990，112：[12]刘正先，陈丽英．半开式离心叶轮变工况间隙流动1418．特征[J]．工程热物理学报，2012，(3)：415．418．[3]YamadaK，TamagawaFH，FurukawaIS。eta1．[13]刘振先，鲁寅，陈丽英．叶顶间隙对离心叶轮气动性ComparativeStudyonTipClearanceFlowFieldsin能的影响规律[J]．工程热物理学报，2014，4TwoTypesofTransonicCentrifugalCompressorImpel-(35)：673-677．lerWithSplitterBlades[R]．ASMEPaper2010．GT一[14]贺利生，刘宝军，雷明洋．叶顶间隙形态对离心压缩23345，2010．机整级气动性能的影响[J]．流体机械，2011，39，[4]DambachR，HodsonHP，HunstmanI．Anexperi—(5)：20-25．mentalStudyofTipClearanceFlowinaRadialInflowTurbine[R]．ASMEPaper98-GT-467，1998．[5]楚武利，刘志伟．半开式离心叶轮间隙流动的实验研究[J]．流体机械，1998，26(10)；3-6．作者简介：李振华(1982一)，男，硕士，工程师，研究方向为：[6]张楚华，王宝潼，栾辉宝，等．叶顶间隙对离心叶轮离心压缩机气动性能分析、离心压缩机产品的设计与开发、燃压气动性能影响研究[J]．流体机械，2006，34(12)：机组成套技术的设计与开发，通讯地址：110869辽宁沈阳市经济技术开发区开发大路l6号甲沈阳鼓风机集团有限公司研究院。】3—16．(上接第1O页)cmiondesalinationcycles『J1．DesalinationandWater[6]McGovernRK，ThielGP，PrakashNarayanG，eta1．Treatment，2010，16(1-3)：339-353．Performancelimitsofzeroandsingleextractionhumid-[12]NarayanGP，ChehayebKM，McGovernRK，eta1．ificationdehumidificationdesalinationsystems『J1．Thermodynamicbalancingofthehumidificationdehu—AppliedEnergy，2013，102：1081—1090．midificationdesalinationsystembymassextractionand[7]胡效东，田强，戚振，等．基于滑移网格的反应釜内injection[J]．InternationalJournalofHeatandMass部流体动力学特性研究[J]．压力容器，2013，30Transfer，2013，57(2)：756-770．(7)：33_41．[13]PrakashNarayanG，JohnMGSt，ZubairSM，eta1．[8]刘家棋．分离过程与技术[M]．天津：天津大学出版Thermaldesignofthehumidificationdehumidification社，2001．desalinationsystem：Anexperimentalinvestigation[J]．[9]张琦，阚琛，吴华，等．沉降离心机流场分析与结构InternationalJournalofHeatandMassTransfer．2013．改进[J]．流体机械，2013，41(8)：60-64．58(1-2)：740—748．[1O]陶杰，陈志，李建明，等．离心机柱锥形转鼓连接边缘处应力的有限元分析[J]．流体机械，2014，42(7)：53-57．作者简介：高宏太(1990一)，男，硕士研究生，主要从事热泵[11]NarayanGP，SharqawyMH，LienhardVJH，eta1．工业化应用、污水脱盐处理等方面的研究，通讯地址：211816江Thermodynamicanalysisofhumidificationdehumidifi-苏南京市浦口区浦珠南路3O号南京工业大学能源学院。