半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機水力特性數(shù)學模型及運行分析

劉志斌，馬良棟，張吉禮

（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機水力特性數(shù)學模型及運行分析

劉志斌，馬良棟，張吉禮

（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

針對污水源熱泵系統(tǒng)中過濾除污裝置流量穩(wěn)定性差、不易調(diào)節(jié)并影響換熱器效率的問題，介紹了新型半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機，研究了其工作原理，通過建立數(shù)學模型分析了污水中污雜物濃度、污水的液面高度、孔板的旋轉(zhuǎn)周期對其過流量、過濾負荷、濾面堵塞系數(shù)的影響。結(jié)果表明：污水液面高度、孔板旋轉(zhuǎn)周期一定的條件下，污水濃度增加將導致孔板過流量減小，濾面堵塞系數(shù)增加；通過調(diào)整液面高度和孔板旋轉(zhuǎn)周期可調(diào)節(jié)由于污水中污雜物濃度變化對孔板過流量的影響，且孔板旋轉(zhuǎn)周期調(diào)節(jié)效果優(yōu)于液面高度。

污水源熱泵；過流量；過濾負荷；堵塞系數(shù)

利用熱泵回收城市污水及地表水（江、河、湖、海水）中的低品位熱能節(jié)能環(huán)保意義重大［1－2］。城市原生污水具有流量穩(wěn)定、分布合理、取排簡便、熱容量大、換熱效率較高、冬夏溫度適宜的優(yōu)點，針對它的研究和應用正在快速發(fā)展［3－8］。城市原生污水含有各種尺度的污雜物，利用過程中為保證換熱設備不被堵塞，需采用合理的過濾除污技術，例如旋轉(zhuǎn)式篩分器［9］、多濾面水力反沖洗系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)式連續(xù)除污過濾器、自動清洗濾水裝置［10］等。上述過濾除污裝置采取機械刮剝、人工定期刷洗等方法來解決污水取水過程中污雜物過濾和清除問題，存在工作量大、運行工況不穩(wěn)定的缺點。在中國，基于濾面水力連續(xù)再生裝置的水力反沖洗技術在多個工程中得到了應用［11］。該裝置存在流量穩(wěn)定性較差、不易調(diào)節(jié)、取排水易混合而影響換熱器效率的問題［12］。文獻［13］針對開式取水機工作原理建立的數(shù)學模型，分析了其運行特性，但未準確給出過濾孔堵塞系數(shù)和孔板過流量的計算方法，從而無法分析取水機的調(diào)節(jié)和控制特性。因此，本文從便于設計和運行控制角度出發(fā)，介紹了半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水除污機工作原理，通過建立半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水除污機的數(shù)學模型來分析結(jié)構參數(shù)和運行參數(shù)對其設計和運行特性的影響。

1 工作原理

半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水除污機結(jié)構如圖1所示。該設備由箱體、雜質(zhì)分離腔、蓄水腔、排污腔、清洗腔、旋轉(zhuǎn)孔板、隔板、污水進出水管等組成?？装逵呻姍C通過皮帶傳動在箱體內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動?？装逵筛舭宸殖?部分，如圖1（d）所示。分區(qū)隔板將孔板分成2部分，I部分（過濾區(qū)）濾面浸沒在污水中，將水箱分成雜質(zhì)分離腔和蓄水腔2部分，污雜物被孔板阻擋在雜質(zhì)分離腔內(nèi)；II部分（清洗區(qū)）裸露在清洗腔內(nèi)，由清洗管將附著在旋轉(zhuǎn)孔板上的污雜物清洗掉使孔板恢復清潔狀態(tài)，清洗掉的污雜物將滑落在排污腔同污水一起排回污水取水點下游。為保證可利用污水流量穩(wěn)定，過濾區(qū)內(nèi)孔板的過濾面積應保持穩(wěn)定，通過電機帶動孔板旋轉(zhuǎn)，使孔板在過濾區(qū)和清洗區(qū)內(nèi)更替，保證污水取水換熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行［13］。

可以看到，處于過濾區(qū)內(nèi)的每一個過濾孔在過濾區(qū)內(nèi)始終處于一種“漸變的非完全堵塞狀態(tài)”，雖然每一點的濾面在不斷更換，但處于這一位置的濾面堵塞狀態(tài)是相同的。因此，半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機具有如下特點：1）過濾孔板被分成過濾區(qū)和清洗區(qū)2部分，其中過濾區(qū)淹沒于污水中；2）孔板連續(xù)旋轉(zhuǎn)，保證2部分孔板連續(xù)更替；3）過濾區(qū)孔板達到動態(tài)平衡，各位置的堵塞情況是穩(wěn)態(tài)的。

圖1 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機結(jié)構

2 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機的數(shù)學模型

2.1 關鍵變量的定義

半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機運行物理模型（圖1（d）），對半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機內(nèi)的關鍵變量作如下定義：

2.2 條件假設

數(shù)學模型建立過程中作了如下假設：

1）假設污水中各種尺度污雜物是均勻、連續(xù)分布的，取水機液面穩(wěn)定。

2）假設污水流經(jīng)孔板時，大于過濾孔直徑的污雜物全部被截流并覆蓋在孔板上，造成孔板堵塞［14］。

3）假設過濾孔的堵塞過程是一個連續(xù)的漸變過程，因此過濾孔的堵塞程度可以用堵塞系數(shù)來表達。

4）孔板很薄時，過濾孔過濾滿足孔口出流條件，只要孔板兩側(cè)的壓差不變，則過濾孔的流速u不隨堵塞情況而變。

2.3 動態(tài)數(shù)學模型

根據(jù)上述的假設和定義可知旋轉(zhuǎn)孔板上任意過濾孔進入過濾區(qū)到離開過濾區(qū)的時間為τ，網(wǎng)眼的污雜物密度σ可表示為

利用式（8）計算孔板的過流量需明確過濾孔在孔板的空間位置，因此本文給出了旋轉(zhuǎn)孔板針對位置的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。

2.4 穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型

針對位置的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型首先對過濾區(qū)孔板內(nèi)過濾孔進行如下劃分：

3 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機的運行特性

污水取水機投入運行后其結(jié)構參數(shù)已經(jīng)確定，運行過程中污水濃度是隨機變化的，如何根據(jù)污水濃度值的變化及時調(diào)整其它運行參數(shù)（例如液面高度、孔板旋轉(zhuǎn)周期）來保證取水除污機內(nèi)孔板過流量值穩(wěn)定，是取水除污機調(diào)節(jié)和控制的關鍵。

根據(jù)一實際應用的取水機的結(jié)果參數(shù)作為數(shù)值模擬的基礎數(shù)據(jù)，分析污水濃度、液面高度及孔板旋轉(zhuǎn)周期對其過流量、過濾負荷、孔板堵塞系數(shù)的影響。半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機的結(jié)構參數(shù)如表1所示。

表1 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機的結(jié)構參數(shù)

通常，城市污水中≥4 mm的污物溶度為C＝1.1 kg／m3，實 驗 測 得 的σm＝1.2 kg／m2［14］，令φ（m，1）＝0.95，計算得Tc＝5.45 s，取水機設計工況下孔板過流量24.9 m3／h，孔板過濾負荷27.42 kg／h，孔板平均堵塞系數(shù)0.817 5，過濾區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目2 331個。

3.1 污水濃度對孔板過流量、過濾負荷和堵塞系數(shù)的影響

污水濃度對孔板過流量的影響如圖2所示。隨著污水濃度的增大，固定轉(zhuǎn)動周期下，孔板過流量逐漸降低，污水濃度由1.1 kg／m3增加至1.3 kg／m3時，變化18%，孔板過流量降低14.6%，降低為21.24 m3／h。相同污水濃度條件下，不同旋轉(zhuǎn)周期的孔板過流量具有如下關系VT＝1.25Tc＜VT＝Tc＜VT＝0.75Tc。

圖2 污水濃度對孔板過流量的影響

污水濃度對孔板過流負荷的影響如圖3所示。污水濃度增加，孔板過濾負荷增加并趨于飽和。相同污水濃度條件下，不同旋轉(zhuǎn)周期的孔板過流量具有如下關系 MT＝1.25Tc＜ MT＝Tc＜ MT＝0.75Tc。

圖3 污水濃度對孔板過濾負荷的影響

污水濃度對平均堵塞系數(shù)的影響如圖4所示。隨著污水濃度增加孔板的平均堵塞系數(shù)呈上升趨勢，旋轉(zhuǎn)周期大，堵塞系數(shù)大。

圖4 污水濃度對孔板平均堵塞系數(shù)的影響

圖2～4說明，污水濃度對孔板過流量、過濾負荷和堵塞系數(shù)影響明顯；污水濃度對孔板性能的影響可通過調(diào)整孔板旋轉(zhuǎn)周期進行調(diào)節(jié)。

3.2 取水機液面高度對孔板過流量、過濾負荷和堵塞系數(shù)的調(diào)節(jié)作用

污水取水機的設計過程中，溢流板（見圖1）的高度決定了取水機的最大液面高度，如何確定溢流板的高度，應首先分析液面高度對孔板過流量的影響。由上節(jié)分析可知，污水濃度變化將影響孔板過流量，污水中污雜物濃度低于設計工況，孔板堵塞系數(shù)降低，過流量加大，液面高度將下降；污水中污雜物濃度高于設計工況，孔板堵塞系數(shù)升高，過流量減小，液面高度將上升。

取水機液面高度對孔板過流量的調(diào)節(jié)作用如圖5所示。當污水濃度由設計工況下1.1 kg／m3增加至1.3 kg／m3時，變化18%；污水液面高度由0.5r0增加至0.8r0時變化60%，可使孔板過流量流量達到設定值；同樣，當污水濃度由設計工況下1.1 kg／m3降低至0.9 kg／m3時，將污水液面高度由0.5r0降低至0可使流量達到設定值。

圖5 取水機液面高度對孔板過流量的影響

取水機液面高度對孔板過濾負荷的影響如圖6所示。液面高度增加，孔板過濾負荷增加。相同液面高度的情況下，不同污水濃度孔板過濾負荷變化不大。

圖6 取水機液面高度對孔板過濾負荷的影響

圖7 取水機液面高度對孔板平均堵塞系數(shù)的影響

取水機液面高度對孔板平均堵塞系數(shù)如圖7所示。液面高度增加，孔板平均堵塞系數(shù)先增加然后出現(xiàn)降低趨勢。根據(jù)式（2）和（5）可知，污水液面高度增加，過流孔流速增加，在額定轉(zhuǎn)速的情況下過流孔堵塞系數(shù)迅速增加；但根據(jù)取水機結(jié)構特點可知，污水液面升高，過流區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目也將增加，例如污水液面高度H0＝0時，過濾區(qū)過濾孔數(shù)目為1 932個，污水液面高度H0＝r0時，過濾區(qū)過濾孔數(shù)目為2 709個。當污水液面高度增加至一定高度時，過濾孔堵塞系數(shù)對孔板過流量影響低于過濾孔數(shù)目增加對孔板過流量的影響，孔板平均堵塞系數(shù)變呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5～7說明，取水機液面高度增加將提高過濾孔過流速度和過濾區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目，可用于調(diào)節(jié)孔板的過流量。

3.3 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板污水過濾量、過濾負荷、堵塞系數(shù)的調(diào)節(jié)作用

孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的影響如圖8所示。設計工況下，孔板過流量為24.9 m3／h；在相同旋轉(zhuǎn)周期的調(diào)節(jié)下，污水濃度變化18%增加至1.3 kg／m3時，孔板過流量為21.2 m3／h，降低14.8%；污水濃度降低18%降低至0.9 kg／m3時，孔板過流量為29.9 m3／h，增加20.0%。當旋轉(zhuǎn)周期由Tc調(diào)整至0.8 Tc時，即旋轉(zhuǎn)周期調(diào)整20%可以滿足由于濃度增加18%引起孔板過流量的影響。同樣，旋轉(zhuǎn)周期由Tc調(diào)整至1.2 Tc時，可以滿足由于污水濃度降低引起孔板過流量的變化。

圖8 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的影響

孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過濾負荷的影響如圖9所示。旋轉(zhuǎn)周期增加，過濾負荷降低，并趨于飽和，且污水濃度的變化對過濾負荷的影響降低。

圖9 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過濾負荷的影響

孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板平均堵塞系數(shù)的影響如圖10所示。旋轉(zhuǎn)周期增加，孔板堵塞系數(shù)增加，不同污水濃度條件下，堵塞系數(shù)的增加趨勢基本相同。

圖10 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板平均堵塞系數(shù)的影響

圖8～10說明，孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的調(diào)節(jié)作用優(yōu)于取水機污水液面高度。

4 結(jié) 論

1）建立了半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機過濾區(qū)過濾孔的動態(tài)數(shù)學模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。

3）取水機內(nèi)污水液面高度增加將提高過濾孔過流速度和過濾區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目，可用于調(diào)節(jié)孔板的過流量。

4）孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的調(diào)節(jié)作用優(yōu)于取水機污水液面高度。

［1］張吉禮，馬良棟.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)污水側(cè)取水、除污和換熱技術研究進展［J］.暖通空調(diào)，2009，39（7）：41-47.

Zhang J L，Ma L D.Study progress in intaking water，defouling and heat transfer in sewage water source heat pump air conditioning systems［J］.Heating Ventilating ＆Air Conditioning，2009，39（7）：41-47.

［2］楊靈艷，朱清宇，路賓，等.污水源熱泵中心能源站設計研究［J］.暖通空調(diào)，2012，42（4）：31-34.

Yang L Y，Zhu Q Y，Lu B，et al.Design of central energy station with sewage source heat pump ［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2012，42（4）：31-34.

［3］Lindstr?m H O.Experiences with a 3.3 MW heat pump using sewage water as heat source［J］.Journal of Heat Recovery Systems，1985，5（1）：33-38.

［4］Arashi N，Inaba A.Evaluation of energy use in district heating and cooling plant using sewage and one using air as heat source［J］.Journal of the Japan Institute of Energy，2000，79（5）：446-454.

［5］Cho Y，Yun R.A raw water source heat pump airconditioning system ［J］.Energy and Buildings，2011（43）：3068-3073.

［6］Liu L B，F(xiàn)u L，Jiang Y.Application of an exhaust heat recovery system for domestic hot water［J］.Energy，2010（35）：1476-1481.

［7］Baek C，Shin U C，Yoon J H.A study on the design and analysis of heat pump heating system using wastewater as a heat source［J］.Solar Energy，2005（78）：427-440.

［8］孫德興，張承虎，莊兆意.污水源熱泵供暖空調(diào)中的新概念與新名詞［J］.暖通空調(diào)，2010，40（6）：126-129.

Sun D X，Zhang C H，Zhuang Z Y.New conceptions and terms of sewage source heat pump technology［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2010，40（6）：126-129.

［9］Funamizu N，Iida M，Sakakura Y.Reuse of heat energy in waste water：implementation examples in Japan［J］.Water Science and Technology，2001，43（10）：277-286.

［10］劉志斌.雙級泵無外擋板污水采集裝置防阻塞特性的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

［11］趙璽靈，付林，張世鋼，等.城市原生污水源熱泵系統(tǒng)的應用［J］.太陽能學報，2010，31（11）：1458-1462.

Zhao X L，F(xiàn)u L，Zhang S G，et al.Application of urban untreated sewage source heat pump system ［J］.Acta Energy Solaris Sinica，2010，31（11）：1458-1462.

［12］張承虎，吳榮華，劉志斌，等.污水源熱泵系統(tǒng)雙級水泵運行特性研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39（10）：1601-1605.

Zhang C H，Wu R H，Liu Z B，et al.The operating characteristic research on sewage heat-pump system with tow-stage pumps［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39（10）：1601-1605.

［13］Qian J F. Operational analysis of open intake technology in untreated sewage source heat pump system.Mechanic automation and control engineering（MACE） ［C］／／ 2010 International Conference on Wuhan，June 26-28，2010.

［14］張吉禮.開式循環(huán)集成式污水取水機：中國［P］.200710012772.7.

［15］張承虎，吳榮華，莊兆意，等.城市污水固態(tài)成分相關概念定義與參數(shù)測定［J］.可再生能源，2006（4）：66-69.

Zhang C H，Wu R H，Zhuang Z Y，et al.Parameter definition and measuration of the solid contaminant in untreated urban sewage［J］.Renewable Energy，2006（4）：66-69.

［16］蔡增基.流體力學泵與風機［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

（編輯 薛婧媛）

Mathematical Model and Operation Analysis of Semi-submerged Rotary Orifice Sewage Source Heat Pump Intake Machine

Liu Zhibin，Ma Liangdong，Zhang Jili
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China）

To solve the flow instability and adjustment difficulty of filtering dirt-removing device in the sewage source heat pump system，which affect the efficiency of heat exchanger，semi-flooded rotary orifice sewage auto-strainer was generated.According to establishing the mathematical model，the effect is analysed of pollutant concentration and liquid level height of sewage and rotation period of orifice plate to filtered flow rate，filtered load and filtering surface block coefficient.The result shows that：in the certain condition of sewage liquid level height and orifice plate rotation period，the increase of sewage will decrease the filtered flow rate of orifice plate，and increase filtering surface block coefficient；The effect of pollutant concentration change in the sewage to orifice plate filtered flow rate could be adjusted by regulating the sewage liquid level height and orifice plate rotation period，and the moderating effect of orifice plate rotation period is better than that of sewage liquid level height.

sewage source heat pump；filtered flow rate；filtered load；blockage coefficient

TU831.6

A

1674-4764（2014）03-0123-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.020

2013-12-01

中央高?；究蒲袠I(yè)務費重大類研究型培育項目（DUT11ZD105）；新疆建設兵團科技局（2011AB025）；“十二五”國家科技支撐計劃（2011BAJ03B12-3）；江蘇省科技支撐計劃（BE2010645）。

劉志斌（1979- ），男，博士生，主要從事污水熱能資源化研究，（E-mail）zhibin01＠126.com。

張吉禮（通信作者），男，教授，博士生導師，（E-mail）zhangjili＠hit.edu.cn。