熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)能效分析

高宏太，金蘇敏，陳 亮

(南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，江蘇 南京 211816)

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熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)能效分析

高宏太，金蘇敏，陳 亮

(南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，江蘇 南京 211816)

以濕空氣作為搬運(yùn)介質(zhì)、電驅(qū)動(dòng)熱泵為加熱熱源的熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)具有技術(shù)簡單可靠、可以結(jié)合低品位熱源等優(yōu)點(diǎn)。通過理論建模與試驗(yàn)研究的方法分析了操作參數(shù)對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。研究結(jié)果表明，存在最佳的廢水循環(huán)量使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最高，提高空氣循環(huán)量、增大蒸發(fā)結(jié)晶器與回?zé)崞鲹Q熱效率、降低蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度、提高蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度可以提升系統(tǒng)蒸發(fā)能效。

廢水處理；濕空氣；熱泵；蒸發(fā)能效；操作參數(shù)

電鍍技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、輕工、電子等行業(yè)。電鍍廢水中包含大量銅、鉛、鎘等重金屬元素，對環(huán)境影響巨大，直接影響人體健康安全[1]。傳統(tǒng)的電鍍廢水處理方法包括物理法、化學(xué)法、生物法等?；瘜W(xué)處理方法容易引進(jìn)新的污染源；生物法對操作環(huán)境有限制且無法處理高濃度廢水[2-3]；純物理法主要為蒸發(fā)法，是可以實(shí)現(xiàn)零液體排放的方法，但技術(shù)難度大、設(shè)備復(fù)雜、能耗較高。傳統(tǒng)的廢水處理方法都有各自的適用條件及局限性。

利用濕空氣作為搬運(yùn)介質(zhì)的HDH(humidification-dehumidification)技術(shù)由于具有技術(shù)難度低、設(shè)備簡單可靠、可與低品位熱源結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注，HDH技術(shù)目前主要應(yīng)用于太陽能海水淡化領(lǐng)域[4-5]。McGovern R K等[6]在文獻(xiàn)中提到可以將HDH蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于廢水處理，利用濕空氣作為搬運(yùn)介質(zhì)，所需蒸發(fā)溫度低，蒸發(fā)過程沒有劇烈的沸騰傳熱，過程較溫和，對設(shè)備的腐蝕性也較低。將電驅(qū)動(dòng)熱泵與HDH蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)后，系統(tǒng)變?yōu)闊岜眯碗婂儚U水處理系統(tǒng)。相對于太陽能海水淡化系統(tǒng)，新系統(tǒng)的物料循環(huán)方式有所變化，同時(shí)在增加熱泵后，熱泵性能與HDH設(shè)備的性能相互耦合，運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)能效水平的影響將有所改變。本文著眼于系統(tǒng)的能效水平變化情況，從理論與試驗(yàn)中分析了系統(tǒng)能效的影響因素。

1 熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)模型

1.1 熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)工作原理

圖1為熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)示意圖，主要由蒸發(fā)結(jié)晶器、空氣干燥器、壓縮機(jī)、熱泵冷凝器組成?？諝飧稍锲鞣譃?部分，從上至下分別為回?zé)崞?、熱泵蒸發(fā)器、空氣冷卻器。系統(tǒng)工作時(shí)利用濕空氣含濕量的變化來蒸發(fā)廢水。低溫的濕空氣與高溫的廢水在蒸發(fā)結(jié)晶器中進(jìn)行熱濕交換，吸收廢水中的水分；未蒸發(fā)的廢水進(jìn)入回?zé)崞髦信c蒸發(fā)結(jié)晶器出口處的空氣進(jìn)行熱交換，回?zé)崞骰厥諠窨諝獾睦淠凉摕嵊糜陬A(yù)熱廢水；熱泵繼續(xù)回收濕空氣的冷凝潛熱用于進(jìn)一步加熱廢水，加熱后的廢水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶器中進(jìn)行蒸發(fā)，完成循環(huán)?？諝饫鋮s器用于調(diào)節(jié)蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度并帶走系統(tǒng)余熱，維持熱平衡。熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)通過補(bǔ)充一定的電能，最終完成電鍍廢水的熱法脫鹽處理。

圖1中w1,w2,w3分別表示蒸發(fā)結(jié)晶器入口、出口、回?zé)崞鞒隹趶U水狀態(tài)；a1,a2,a3,a4分別表示蒸發(fā)結(jié)晶器入口、出口、熱泵蒸發(fā)器入口、出口空氣狀態(tài)； c1,c2分別表示冷卻水入口、出口狀態(tài)。

1.2 熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)模型

電驅(qū)動(dòng)熱泵一般由壓縮機(jī)、熱泵蒸發(fā)器、熱泵冷凝器、節(jié)流裝置組成，將熱泵整體看作是加熱熱源，則熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)可以看成由蒸發(fā)結(jié)晶器、回?zé)崞?、熱泵組成。從制冷循環(huán)的角度分析熱泵性能系數(shù)COP的變化，其只與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、制冷劑種類有關(guān)[7]。下面的計(jì)算模型將對系統(tǒng)的蒸發(fā)結(jié)晶器、回?zé)崞?、熱泵分別建模。

蒸發(fā)結(jié)晶器模型：

1—壓縮機(jī);2—熱泵冷凝器;3—膨脹閥;4—空氣干燥器;5—蒸發(fā)結(jié)晶器

mw1cptw1-mw2cptw2-mehe=mG(ha2-ha1)

(2)

回?zé)崞髂Ｐ停?/p>

mw1cp(tw3-tw2)+mL,rhL,r=mG(ha2-ha3)

(4)

式中：mw為廢水質(zhì)量流量,kg/s；me為結(jié)晶質(zhì)量,kg；mG為空氣質(zhì)量流量,kg/s；ω為濕空氣含濕量；h為濕空氣焓值,kJ/kg；cp為水的比熱容，取4.18kJ/kg;t為廢水或濕空氣的溫度，℃; mL，r為回?zé)崞髦嗅尫诺睦淠|(zhì)量,kg。

蒸發(fā)結(jié)晶器與回?zé)崞鞯膿Q熱效率采用文獻(xiàn)[8]的定義，定義為實(shí)際換熱量與最大理想換熱量之比,換熱效率的定義公式具體可參見文獻(xiàn)[8]。熱泵性能系數(shù)COP采用文獻(xiàn)[7]中理想制熱循環(huán)的制熱系數(shù)算法，計(jì)算時(shí)制冷劑選用R134a。

熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)的目的是盡可能多地蒸發(fā)廢水，為了表征系統(tǒng)的蒸發(fā)能效，定義單位輸入能量所蒸發(fā)出的水量E為系統(tǒng)蒸發(fā)能效?？諝庠谡舭l(fā)結(jié)晶器與空氣干燥器中封閉循環(huán)，蒸發(fā)出來的水分全部變?yōu)槔淠?，蒸發(fā)水量mL的單位為kg/h，壓縮機(jī)輸入功率W的單位為kW，蒸發(fā)能效E的單位為kg/(kW·h)，其計(jì)算式為：

2 計(jì)算結(jié)果分析

求解方程組時(shí)，調(diào)整廢水循環(huán)量mw1、蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水與空氣溫度tw1,ta1，得到不同參數(shù)下系統(tǒng)蒸發(fā)能效E的變化情況。將空氣循環(huán)質(zhì)量mG設(shè)置為單位1，則廢水循環(huán)量與空氣循環(huán)質(zhì)量的比值——水汽比，在數(shù)值上等于廢水循環(huán)量。

2.1 蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率的影響

圖2所示為回?zé)崞鲹Q熱效率為0.8，蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度為60℃、入口空氣溫度為30℃條件下蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率對系統(tǒng)能效的影響。在一定的換熱效率下，系統(tǒng)蒸發(fā)能效隨著水汽比的增加先增加后降低，且存在最佳的水汽比，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是濕空氣的焓值隨溫度的變化是非線性的，溫度越高，焓值增加越快。在小水汽比條件下，增加水汽比，可以明顯提高蒸發(fā)結(jié)晶器出口濕空氣溫度，繼續(xù)增加水汽比，濕空氣溫度的增加變緩，但蒸發(fā)結(jié)晶器出口廢水溫度卻快速增加，最終導(dǎo)致進(jìn)入回?zé)崞鞯膹U水溫度過高，回?zé)崞鳠崃炕厥招Ч儾睢Ｕ舭l(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度一定的情況下，熱泵蒸發(fā)冷凝溫度基本不變，熱泵COP基本不變，回?zé)崞鳠崃炕厥招Ч儾顚?dǎo)致系統(tǒng)總蒸發(fā)能效降低。蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率的增加，使系統(tǒng)的蒸發(fā)能效隨之增加，越高的換熱效率意味著蒸發(fā)結(jié)晶器出口的空氣溫度越高，廢水溫度越低，回?zé)釛l件變好，系統(tǒng)的蒸發(fā)能效也越高。

圖2 蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

2.2 回?zé)崞鲹Q熱效率的影響

圖3所示為蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率為0.8，蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度為60℃、入口空氣溫度為30℃條件下回?zé)崞鲹Q熱效率對系統(tǒng)能效的影響。與蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率的影響類似，不同回?zé)崞鲹Q熱效率條件下也存在最佳的水汽比。蒸發(fā)能效隨著回?zé)崞餍实奶嵘嵘?，并且回?zé)崞餍实奶嵘龑ο到y(tǒng)蒸發(fā)能效的影響是非線性的，回?zé)崞鲹Q熱效率越高，系統(tǒng)蒸發(fā)能效的提升效果越明顯。

2.3 蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水的影響

圖4所示為蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率與回?zé)崞鲹Q熱效率為0.8、蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度為30℃條件下，蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。較高的入口廢水溫度導(dǎo)致系統(tǒng)能效的降低，系統(tǒng)熱源為熱泵，廢水的加熱溫度越高，熱泵冷凝溫度越高，其COP越低，系統(tǒng)整體蒸發(fā)能效越低。不同的蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度下最佳水汽比也不一樣，廢水溫度越高，最佳水汽比越大。

圖3 回?zé)崞鲹Q熱效率對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

圖4 蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

2.4 蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣的影響

圖5所示為蒸發(fā)結(jié)晶器換熱效率與回?zé)崞鲹Q熱效率都為0.8、蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度60℃條件下，蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。與入口廢水溫度的影響類似，越高的填料塔入口空氣溫度代表所需要的蒸發(fā)溫度越高，熱泵COP得到提升，系統(tǒng)整體蒸發(fā)能效增加。最佳水汽比也隨著濕空氣溫度的增加而增加。

3 試驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)以上分析結(jié)果，搭建了熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。由于是考察系統(tǒng)蒸發(fā)能效的變化情況，為避免金屬鹽溶液結(jié)晶的干擾，采用清水作為試驗(yàn)材料，壓縮機(jī)為1HP壓縮機(jī)，蒸發(fā)結(jié)晶器選用50mm塑料鮑爾環(huán)散裝填料塔，空氣干燥器為翅片管換熱器。蒸發(fā)水量的計(jì)量采用稱重法，即稱量單位時(shí)間內(nèi)收集到的冷凝水質(zhì)量。通過改變蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度、廢水流量、空氣流量等參數(shù)，研究系統(tǒng)蒸發(fā)能效的變化情況。

圖5 蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

圖6所示為不同空氣循環(huán)量下廢水循環(huán)量對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響。由試驗(yàn)結(jié)果可知，存在最佳的廢水循環(huán)量使系統(tǒng)的蒸發(fā)能效最大，并且空氣循環(huán)量越大，最佳的廢水循環(huán)量也越大。試驗(yàn)結(jié)果符合前文的分析，即存在最佳水汽比使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最大。同時(shí)，越大的空氣循環(huán)量，系統(tǒng)的蒸發(fā)能效也越高。造成這一現(xiàn)象的原因是，換熱器熱阻主要集中在空氣側(cè)，隨著空氣循環(huán)量的增加，蒸發(fā)結(jié)晶器與空氣干燥器中的風(fēng)速增大，換熱條件變好，回?zé)崞髋c熱泵蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)都在提高，換熱效率提高，從而使系統(tǒng)的蒸發(fā)能效增加。

圖6 不同空氣循環(huán)量下廢水循環(huán)量對系統(tǒng)蒸發(fā)能效的影響

圖7所示為空氣循環(huán)量為152kg/h、不同蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度條件下系統(tǒng)蒸發(fā)能效隨廢水循環(huán)量的變化情況。系統(tǒng)蒸發(fā)能效隨填料塔入口空氣溫度的變化情況較復(fù)雜。試驗(yàn)時(shí)，熱泵的性能雖然會(huì)隨著工況的改變而改變，但變化相對較小，提高蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度后，也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)結(jié)晶器的入口廢水溫度升高。系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)不能將蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度與入口廢水溫度作為兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行控制。熱泵的蒸發(fā)溫度與冷凝溫度會(huì)隨著蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度的提高而同時(shí)升高，對系統(tǒng)整體的影響就更為復(fù)雜。但最佳廢水循環(huán)量的變化可以由試驗(yàn)得出，最佳的廢水循環(huán)量會(huì)隨著蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度的升高而增加，與前文計(jì)算分析一致。

圖7 不同填料塔入口空氣溫度下系統(tǒng)蒸發(fā)能效

4 結(jié)論

本文對熱泵型電鍍廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行理論建模，并對部分分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)系統(tǒng)在不同操作參數(shù)下存在最佳水汽比，使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最大。

2)理論計(jì)算表明，提高蒸發(fā)結(jié)晶器與回?zé)崞餍?、提高蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度、降低蒸發(fā)結(jié)晶器入口廢水溫度可以提升系統(tǒng)蒸發(fā)能效。

3)實(shí)際運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為存在最佳廢水循環(huán)量使系統(tǒng)蒸發(fā)能效最高，最佳廢水循環(huán)量隨著空氣循環(huán)量的增加而增加，隨著蒸發(fā)結(jié)晶器入口空氣溫度的升高而增加。

[1] 梅光泉. 重金屬廢水的危害及治理[J]. 微量元素與健康研究, 2004,21(4):54-56.

[2] 孫建民, 于麗青, 孫漢文. 重金屬廢水處理技術(shù)進(jìn)展[J]. 河北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2004,24(4):438-443.

[3] 劉有才, 鐘宏, 劉洪萍. 重金屬廢水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 廣東化工, 2005,18(4):36-39.

[5] Narayan G P, Chehayeb K M, McGovern R K, et al. Thermodynamic balancing of the humidification dehumidification desalination system by mass extraction and injection[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013,57(2):756-770.

[6] McGovern R K, Thiel G P, Prakash Narayan G, et al. Performance limits of zero and single extraction humidification-dehumidification desalination systems[J]. Applied Energy, 2013,102:1081-1090.

[7] 陳汝東. 制冷技術(shù)與應(yīng)用[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006:11-20.

[8] Mistry K H, Lienhard J H, Zubair S M. Effect of entropy generation on the performance of humidification-dehumidification desalination cycles[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2010,49(9):1837-1847.

Energy analysis of evaporation crystallization electroplating wastewater treatment system coupled with heat pump

GAO Hongtai, JIN Sumin, CHEN Liang

(College of Energy, Nanjing Technology University, Jiangsu Nanjing, 211816, China)

The evaporation crystallization electroplating wastewater coupled with heat pump air drying treatment system has the advantages of simple and reliable technique, combined with low grade heat source, which uses the moist air as evaporation transportation medium and electric driven heat pump as heat source. It presents the operation characteristics on evaporation energy efficiency in theoretical analysis and experimental study. Results show that there is an optimal water mass flow rate for maximum system evaporation energy efficiency. The higher system evaporation energy efficiency is related to higher air mass flow rate and higher heat exchanger efficiency, lower operation temperature difference.

wastewater treatment; moist air; heat pump; evaporation energy consumption; operation characteristics

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.018

2015-06-01

高宏太(1990—)，男，安徽滁州人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊岜霉I(yè)應(yīng)用。

TK09

A

2095-509X(2015)09-0070-04