熱泵驅(qū)動(dòng)廢液濃縮裝置性能

,2,2

(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 中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所 上海 200031)

熱泵驅(qū)動(dòng)廢液濃縮裝置性能

汪 行1柳建華1,2趙永杰3張 良1,2

(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中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所上海200031)

本文針對(duì)工業(yè)廢水排放，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套廢水濃縮處理裝置，以低溫蒸發(fā)技術(shù)為依據(jù)，以熱泵作為裝置的主要驅(qū)動(dòng)能源，空氣作為循環(huán)介質(zhì)，對(duì)含水率為95%的銅管清洗液進(jìn)行濃縮處理。介紹了裝置的主要原理部件，建立了填料室的傳質(zhì)傳熱模型，通過Matlab編程確定填料尺寸為300 mm×400 mm×500 mm，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與能效分析。結(jié)果表明：裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，凝結(jié)水量達(dá)到15 L/h，此時(shí)熱泵功率為5.46 kW，裝置能效比達(dá)到4.54，裝置內(nèi)循環(huán)空氣溫度變化為31～43 ℃，相對(duì)濕度達(dá)到94.6%，裝置持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后達(dá)到最大濃縮程度，體積為原溶液的3/4左右，且出水程度較好，減少了工業(yè)廢水處理的成本。

低溫蒸發(fā)；熱泵；濃縮；性能研究

針對(duì)不同類別的工業(yè)固廢，處理方法的不同導(dǎo)致工業(yè)固廢處理成本增加。對(duì)于一些中、小型企業(yè)，經(jīng)廢水處理廠處理的成本較高，占生產(chǎn)成本的比重較大。所以采用合適的方法，有效減少廢水處理量及降低廢水處理的成本，使企業(yè)在接受環(huán)保意識(shí)的同時(shí)免受資金困擾，具有重要的研究價(jià)值和社會(huì)意義。針對(duì)廢水處理問題，本文以低溫蒸發(fā)和冷卻除濕為理論依據(jù)設(shè)計(jì)了一套以熱泵作為驅(qū)動(dòng)熱源的廢液濃縮處理裝置。

低溫蒸發(fā)的理論在液體除濕空調(diào)中得到了廣泛的應(yīng)用，自1955年G.O.G. Lof[1]首先提出液體除濕空調(diào)的思想并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究至今，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，為液體除濕空調(diào)技術(shù)的推廣提供了較為成熟的平臺(tái)。H. M. Factor等[2-8]分別對(duì)不同類型的除濕劑做了一定的研究和比較，確定了低溫蒸發(fā)技術(shù)的可行性，簡棄非等[9]對(duì)波紋填料間傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，給出了填料室內(nèi)氣液流量變化的規(guī)律，安守超等[10]對(duì)液體除濕空調(diào)系統(tǒng)液體夾帶和壓降問題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究；高文忠等[11-14]分別對(duì)逆流和叉流形式液體除濕空調(diào)裝置的再生性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)研究差異性進(jìn)行分析，進(jìn)一步為填料塔式除濕器各方面性能奠定了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而為本文中的廢液濃縮主要裝置——填料塔，搭建了很好的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

在能源選擇方面，唐前進(jìn)等[15]對(duì)采用90 ℃熱水作為新型液體除濕空調(diào)機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，L. Zhang等[16]研究了采用“冷、熱、電”三聯(lián)供廢熱作為驅(qū)動(dòng)熱源的液體除濕空調(diào)，但前者能耗較大，經(jīng)濟(jì)性差，后者能源波動(dòng)不穩(wěn)定，不利于裝置穩(wěn)定，故本次設(shè)計(jì)選用熱泵作為驅(qū)動(dòng)能源，減少能耗的同時(shí)也簡化了裝置本身，有利于市場(chǎng)化推廣。

1 熱泵驅(qū)動(dòng)廢液濃縮實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)介紹

圖1所示為以熱泵作為驅(qū)動(dòng)熱源的廢液濃縮處理裝置系統(tǒng)簡圖，表1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體設(shè)計(jì)參數(shù)。其中空氣流量是根據(jù)設(shè)計(jì)中所要求的除水量和空氣進(jìn)出口參數(shù)計(jì)算得到，溶液流量則是先通過裝置的熱平衡計(jì)算出傳熱量，再根據(jù)所設(shè)計(jì)的溶液進(jìn)出口狀態(tài)從而計(jì)算得到?？紤]到廢液處理過程中與空氣接觸，存在一定的污染，故該裝置空氣回路設(shè)置為全封閉回路，最大程度上減少污染環(huán)境的可能性。該裝置由空氣循環(huán)處理流程、工業(yè)危廢濃縮處理流程和熱泵循環(huán)流程三部分組成，熱泵是作為裝置能源的供給和使空氣能循環(huán)利用的設(shè)備，空氣在低溫蒸發(fā)段5中，水蒸氣分壓小于被加熱后固廢液體的表面水蒸氣分壓，在傳質(zhì)動(dòng)力驅(qū)使下，固廢液體中的水分向裝置內(nèi)循環(huán)空氣遷移，達(dá)到液體固廢低溫蒸發(fā)效果。飽含水蒸氣的循環(huán)空氣與蒸發(fā)器表面接觸，循環(huán)空氣得到冷卻，當(dāng)降至空氣的露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣將所含的水分析出，達(dá)到氣體回收效果。冷卻回收的程度由冷卻溫度控制。析出水分后處于低溫的空氣，重新通過填料塔進(jìn)行循環(huán)利用。

1.2填料室設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是低溫蒸發(fā)和冷卻除濕，其中低溫蒸發(fā)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，即實(shí)現(xiàn)空氣與廢液進(jìn)行熱質(zhì)交換的場(chǎng)所——填料室。

依據(jù)降膜理論，降膜熱質(zhì)交換性能中逆流最好，叉流次之，順流最差，故以降膜熱質(zhì)交換為核心的填料室，熱質(zhì)交換器也呈現(xiàn)類似關(guān)系，對(duì)逆流填料塔的研究一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，但考慮到本裝置的實(shí)際應(yīng)用效益，逆流裝置不能合理有效利用空間，故選用叉流裝置。叉流裝置使風(fēng)道的布置更容易、占用空間小，多個(gè)裝置較易結(jié)合起來，形成多級(jí)除濕/再生系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高熱質(zhì)交換能力。圖2所示為該裝置中填料室的結(jié)構(gòu)。

1廢液進(jìn)液泵；2廢液存儲(chǔ)箱；3廢液排液泵；4廢液循環(huán)泵；5空氣/廢液濃縮處理器；6廢液/制冷劑換熱器(冷凝器)；7壓縮機(jī)；8散熱器；9熱力膨脹閥；10空氣/制冷劑換熱器(蒸發(fā)器)；11風(fēng)機(jī)。圖1 系統(tǒng)裝置簡圖Fig.1 System schematic

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the system

圖2 填料室結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of packed tower

1.2熱泵系統(tǒng)及循環(huán)風(fēng)機(jī)

熱泵系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的主要能源，風(fēng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)的必要設(shè)備?？諝庋h(huán)處于一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，熱泵系統(tǒng)通過冷凝器端提供的熱量去加熱待濃縮的廢液，使其達(dá)到低溫蒸發(fā)所需要的溫度后進(jìn)入填料室與空氣進(jìn)行熱質(zhì)傳輸，廢液與空氣間的溫差是傳熱的驅(qū)動(dòng)勢(shì)，水蒸氣分壓差是傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)勢(shì)，待空氣吸收廢液中的熱量和水分后在風(fēng)機(jī)壓差的驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)熱泵蒸發(fā)器端，經(jīng)冷凝降溫，析出凝結(jié)水后重復(fù)進(jìn)入填料室，如此循環(huán)。對(duì)裝置整體能量進(jìn)行熱平衡計(jì)算可知，整個(gè)裝置同時(shí)利用了熱泵蒸發(fā)端和冷凝端兩部分熱量，但為使能量平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需利用散熱器排出多余熱量即壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)提供的熱量。圖3所示為循環(huán)空氣處理流程，填料室中進(jìn)行的是A-B過程，蒸發(fā)器端過程為降溫除濕B-C-A。

圖3 循環(huán)空氣處理流程Fig.3 Processing flow of circulating air

2 熱質(zhì)交換原理

從熱力學(xué)角度來分析，填料表面進(jìn)行的熱質(zhì)交換是氣液間同時(shí)發(fā)生流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的過程，遵循能量守恒及質(zhì)量守恒定律。

2.1模型的建立

圖4所示為叉流填料室中微元體氣液間熱質(zhì)傳遞過程簡圖。在dV微元體中，溶液與空氣進(jìn)行叉流熱質(zhì)交換，遵循能量和質(zhì)量守恒關(guān)系式。為便于填料室數(shù)值模型建立和求解，需對(duì)填料室做如下假定：1)填料室是絕熱的；2)傳熱傳質(zhì)阻力主要取決于氣相，忽略液相阻力；3)填料室內(nèi)填充物填充均勻，溶液噴淋均勻。

圖4 微元體氣液間熱質(zhì)傳遞過程Fig.4 Heat and mass transfer process between gas and liquid of the element

能量守恒：

madha=d(mshs)=msdhs+hsdms

(1)

水分質(zhì)量守恒：

dms=madwa

(2)

溶質(zhì)質(zhì)量守恒：

dmso=d(msX)=0

(3)

濕空氣側(cè)熱量守恒：

madha=hcae(ts-ta)dV+γtsmadωa

(4)

濕空氣側(cè)質(zhì)量輸運(yùn)方程為：

madwa=hdaedV(wai,ts-wa)

(5)

路易斯數(shù)和熱質(zhì)交換單元數(shù)為：

(6)

(7)

相應(yīng)的邊界條件如下：

溶液進(jìn)口參數(shù)x=0時(shí),ts=ts,i,X=Xi。

空氣進(jìn)口參數(shù)z=0時(shí)，ta=ta,i,wa=wa,i,ha=ha,i。

聯(lián)立以上方程與氣液物性的關(guān)系式以及邊界條件進(jìn)行求解，可以得到空氣以及流出微元體的溶液的狀態(tài)參數(shù)。

圖5 填料室的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of packing chamber

2.2結(jié)果與分析

對(duì)式(1)～(7)組成方程組進(jìn)行迭代計(jì)算，以表1中設(shè)定的參數(shù)為基準(zhǔn)，填料選用BX500不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料，具有防腐、壓損小、比表面積大、持液量低、易形成穩(wěn)定液膜等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)填料室的尺寸進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，觀察結(jié)果是否能滿足表1中所需要的值，從而確定填料室的最終尺寸。迭代計(jì)算的結(jié)果如圖5所示。圖5所示的模擬云圖中，橫坐標(biāo)為填料室的厚度，縱坐標(biāo)為填料室的高度，從最終的計(jì)算云圖可以看出，此時(shí)填料厚度為500 mm，高度為400 mm時(shí)，空氣溫度、含濕量，溶液溫度、濃度是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，能滿足設(shè)計(jì)需求。填料室的尺寸見表2，理論上填料室迎風(fēng)面尺寸300 mm×400 mm，厚度方向500 mm能滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際裝置運(yùn)行時(shí)因難以精準(zhǔn)的達(dá)到表1所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確參數(shù)，存在一定的工程誤差，故可以此模擬結(jié)果作為參照，適當(dāng)放大填料室的厚度，使熱值傳輸充分從而滿足工程誤差用于實(shí)際推廣。

表2 填料塔最終設(shè)計(jì)尺寸Tab.2 Final design dimensions of packed tower

3 裝置運(yùn)行性能分析

現(xiàn)有的待濃縮廢液為銅管清洗廢液，主要成分為：脂肪酸甲酯乙氧基化物，脂肪酸甲酯，丙二醇等。沸點(diǎn)均高于水的沸點(diǎn)，故采用低溫蒸發(fā)濃縮其中水分的方法可行。以設(shè)計(jì)參數(shù)為參照對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行設(shè)備選型，依據(jù)裝置所需的制冷量，熱泵壓縮機(jī)選用比澤爾7匹的壓縮機(jī)，滿足設(shè)計(jì)要求，為便于裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與測(cè)試，溶液泵與風(fēng)機(jī)型號(hào)均在原有的型號(hào)大小上進(jìn)行放大，電機(jī)均使用變頻電機(jī)，易于對(duì)風(fēng)量和溶液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并最終完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，該熱泵驅(qū)動(dòng)的廢液濃縮處理裝置如圖6所示。對(duì)裝置運(yùn)行性能分析，主要考慮以下三個(gè)方面的影響：1)裝置能效；2)空氣狀態(tài)變化；3)裝置濃縮效率。

圖6 熱泵驅(qū)動(dòng)的廢液濃縮處理裝置Fig.6 Waste liquid concentrating device driving by heat pump

3.1裝置的能效

考慮到本裝置中熱泵冷凝器端加熱溶液，蒸發(fā)段吸收空氣中的熱量，即同時(shí)利用了蒸發(fā)熱與冷凝熱，從整個(gè)熱泵系統(tǒng)來看，需要排出冷凝器端多出的熱量，而所需排出的熱量即為壓縮機(jī)的功率，故定義該系統(tǒng)的熱力能效比EER為：

(8)

式中:Q0為熱泵的制冷量，kW；P風(fēng)為風(fēng)機(jī)輸入功率，kW；P泵為溶液泵輸入功率，kW；P壓為壓縮機(jī)輸入功率，kW。

裝置的制冷系數(shù)COP為：

(9)

圖7所示為冷凝溫度為60 ℃時(shí)裝置的熱力能效比隨著蒸發(fā)溫度變化的曲線，隨著蒸發(fā)溫度的升高，能效比不斷增大，考慮到制冷劑與空氣換熱時(shí)的傳熱溫差不宜過小，對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試，蒸發(fā)溫度控制在10 ℃時(shí)，裝置能穩(wěn)定運(yùn)行，故取EER為4.54能滿足裝置運(yùn)行要求。此時(shí)壓縮機(jī)的功率為5.46 kW，風(fēng)機(jī)功率為0.75 kW，溶液泵功率為0.25 kW。

圖7 裝置熱力能效比EERFig.7 Energy efficiency ratio(EER) of the equipment

3.2空氣狀態(tài)變化

裝置運(yùn)行過程中，需對(duì)裝置內(nèi)空氣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)主要分布在兩個(gè)位置，填料室出口到蒸發(fā)器入口部分為測(cè)點(diǎn)1，蒸發(fā)器出口到填料室的入口部分為測(cè)點(diǎn)2，對(duì)空氣狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試主要考察空氣溫度變化和濕度變化，故在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2位置分別布置溫濕度傳感器，對(duì)裝置運(yùn)行時(shí)的空氣狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行讀取。圖8和圖9所示分別為裝置從啟動(dòng)到正常運(yùn)行的過程中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的溫度和相對(duì)濕度變化曲線。分析圖8，裝置開啟后30 min左右，測(cè)試點(diǎn)1和2的溫度逐漸升高直至趨于穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)試點(diǎn)1的溫度約為43 ℃，測(cè)試點(diǎn)2溫度約為31 ℃，可知此時(shí)裝置達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。分析圖9，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)相對(duì)濕度幾乎同步增加，最終趨于穩(wěn)定，這是由于在裝置運(yùn)行中，空氣與溶液在填料室充分接觸，空氣出填料室時(shí)，基本已達(dá)到飽和狀態(tài)。由焓濕圖可知，此時(shí)的飽和空氣與蒸發(fā)器翅片接觸時(shí)，隨著空氣溫度降低，將會(huì)有冷凝水從空氣中析出，而水蒸氣的潛熱值遠(yuǎn)大于空氣比熱，故此時(shí)蒸發(fā)端吸取的熱量基本來源于水蒸氣冷凝的液化潛熱值，而顯熱值所占的比例較小。因此當(dāng)裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，填料室水蒸氣分壓力所產(chǎn)生的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)效果減弱，此時(shí)占主導(dǎo)作用的為溶液與空氣間的溫差，故在裝置運(yùn)行過程中必須保證溶液的溫度高于空氣的溫度才能使裝置穩(wěn)定運(yùn)行。由圖9可知，裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，空氣相對(duì)濕度達(dá)到94.6%左右。

圖8 測(cè)試點(diǎn)溫度變化Fig.8 Temperature change of test point

圖9 測(cè)試點(diǎn)相對(duì)濕度變化Fig.9 Relative humidity change of test point

3.3裝置的濃縮效率

對(duì)含水量95%的銅管清洗廢液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其濃縮過程每小時(shí)的濃縮量和最終能濃縮的程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖10所示為裝置在運(yùn)行的過程中，凝結(jié)水體積逐時(shí)測(cè)量結(jié)果，由圖可知，裝置穩(wěn)定運(yùn)行5 h內(nèi)，凝結(jié)水量達(dá)到15 L/h，隨著裝置繼續(xù)運(yùn)行，凝結(jié)水量開始出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，裝置繼續(xù)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱泵端低壓報(bào)警現(xiàn)象，經(jīng)分析和測(cè)試可知，隨著濃縮進(jìn)行一定時(shí)間后，噴淋溶液濃度加大，廢液表面水蒸氣分壓力減小，廢液表面等效含濕量降低，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力降低，進(jìn)入空氣中的水分逐漸減少，直至最終溶液達(dá)到濃縮極點(diǎn)。隨著進(jìn)入空氣中的水分減少，難以帶走蒸發(fā)端的冷量，導(dǎo)致蒸發(fā)溫度低于0 ℃以下，發(fā)生低溫報(bào)警現(xiàn)象，對(duì)此時(shí)溶液箱內(nèi)的溶液進(jìn)行測(cè)量，溶液體積為原溶液量的1/4，經(jīng)計(jì)算，含水量由95%降到了80%。圖11所示為銅管清洗廢液原液與經(jīng)蒸發(fā)冷卻后從空氣中析出的水的參照?qǐng)D，以及與純水的比較，可以更好的說明，該裝置具有較好的濃縮效果，排出的凝結(jié)水對(duì)環(huán)境基本無污染。

圖10 凝結(jié)水體積逐時(shí)測(cè)量結(jié)果Fig.10 Hourly measurement results of condensation water′s volume

圖11 原液、凝結(jié)水與純水的對(duì)比Fig.11 The comparison of the original solution, condensed water and pure water

4 結(jié)論

本文采用低溫表面蒸發(fā)技術(shù)，利用高沸點(diǎn)廢水表面水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力的不同，實(shí)現(xiàn)高沸點(diǎn)工業(yè)廢水的濃縮處理。以熱泵作為驅(qū)動(dòng)能源，有效減少能耗的同時(shí)亦能滿足低溫表面蒸發(fā)汽化所要求達(dá)到的處理溫度，對(duì)廢水進(jìn)行加熱從而利于濃縮。以空氣作為濃縮循環(huán)介質(zhì)，并對(duì)空氣處理過程進(jìn)行封閉式設(shè)計(jì)，避免廢氣排出污染環(huán)境。利用熱泵冷量，對(duì)循環(huán)空氣進(jìn)行冷凝除濕，便于空氣再循環(huán)，同時(shí)亦可對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行回收利用。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)熱泵驅(qū)動(dòng)濃縮處理裝置具有很強(qiáng)的實(shí)用性。對(duì)于生產(chǎn)加工有色金屬的企業(yè)，每年都會(huì)產(chǎn)生成百上千噸的液體廢液，經(jīng)過本裝置的預(yù)處理，不但可以降低處理清洗液的成本，而且可以回收液體固廢中70%的水，同時(shí)能耗較小，每濃縮出15 L的水，只需消耗不到6 kW的能耗，但受現(xiàn)有條件的影響，只對(duì)銅管清洗廢液做了如下測(cè)試，對(duì)其他種類的廢液是否也有較好的濃縮效果則關(guān)系到各廢液本身物性參數(shù)。

本文受上海市科委建設(shè)項(xiàng)目(13DZ2260900)資助。(The project was supported by Shanghai Municipal Science and Technology Commission Construction Projects(No.13DZ2260900).)

符號(hào)說明

m——質(zhì)量流量，kg/s

w——含濕量，kg/kg干空氣

ae——有效潤濕面積，m2/m3

z——填料高度，m

hd——傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)

cp——比熱容，kJ/(kg·℃)

Le——路易斯數(shù)

h——比焓，kJ/kg

hc——傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)

s——填料塔截面積，m2

t——溫度，℃

c——溶液濃度，kg/kg

g——汽化潛熱，kJ/kg

NTU——傳質(zhì)單元數(shù)

下標(biāo)

a ——空氣 s ——溶液

i ——進(jìn)口 o ——出口

v ——水蒸氣

[1] Lof G O G. Cooling with solar energy[C]//Proceedings of Congress on Solar Energy,Tucson,Arison,1955:171-189.

[2] Factor H M, Grossman G. A packed bed dehumidifier/regenerator for solar air conditioning with liquid desiccants[J]. Solar Energy, 1980, 24(6):541-550.

[3] Oberg V, Goswami D Y. Experimental study of the heat and mass transfer in a packed bed liquid desiccant air dehumidifie[J].Solar Energy Engineering, 1998,120(4):289-297.

[4] Martin V, Goswami D Y. Heat and mass transfer in packed bed liquid desiccant regenerators-an experimental investigation[J].Journal of Solar Energy Engineering, 1999, 121(3):162-170.

[5] 趙云. 太陽能液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的研究[D]. 南京：東南大學(xué), 2002. (ZHAO Yun. Study on solar liquid desiccant air conditioning system[D].Nanjing:Southeast University,2002.)

[6] 劉曉華, 江億, 曲凱陽,等. 叉流除濕器中溶液與空氣熱質(zhì)交換模型[J]. 暖通空調(diào), 2005, 35(1):115-119. (LIU Xiaohua, JIANG Yi, QU Kaiyang, et al. Heat and mass transfer model between air and liquid desiccant in cross-flow dehumidifiers[J].Journal of HV & AC,2005, 35(1):115-119.)

[7] 陳曉陽, 劉曉華, 李震,等. 溶液除濕/再生設(shè)備熱質(zhì)交換過程解析解法及其應(yīng)用[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2004, 25(4):509-514.(CHEN Xiaoyang, LIU Xiaohua, LI Zhen, et al. Analytic solution of heat and mass transfer in dehumidifier/regenerator of liquid desiccant equipment[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2004, 25(4):509-514.)

[8] 劉曉華, 張巖, 張偉榮,等. 溶液除濕過程熱質(zhì)交換規(guī)律分析[J]. 暖通空調(diào), 2005, 35(1):110-114.(LIU Xiaohua, ZHANG Yan, ZHANG Weirong, et al. Heat and mass transfer performance analysis on liquid desiccant dehumidification process[J]. Journal of HV & AC, 2005, 35(1):110-114.)

[9] 簡棄非, 戴晨影, 任勤,等. 波紋填料在蒸發(fā)式冷凝器中的流場(chǎng)與傳熱特征分析[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2014, 35(3):90-95.(JIAN Qifei, DAI Chenying, REN Qin, et al. Analysis on flow field and heat transfer of corrugated filler used in evaporative condenser[J]. Journal of Refrigeration, 2014, 35(3):90-95.)

[10] 安守超,王謹(jǐn),柳建華,等. 液體除濕填料塔液體夾帶和壓降問題研究[J]. 暖通空調(diào), 2007, 37(4):109-112. (AN Shouchao, WANG Jin, LIU Jianhua, et al. Research on carried solution and pressure fall in liquid desiccant packed towers[J]. Journal of HV & AC, 2007, 37(4):109-112.)

[11] 高文忠, 柳建華, 鄔志敏,等. 液體除濕空調(diào)再生傳質(zhì)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2008, 29(6):41-45.(GAO Wenzhong, LIU Jianhua, WU Zhimin, et al. Experimental study on mass transfer performance of liquid desiccant regeneration in air-conditioning system[J]. Journal of Refrigeration, 2008, 29(6):41-45.)

[12] 高文忠, 柳建華, 鄔志敏,等. 液體除濕再生性能的理論與實(shí)驗(yàn)差異性分析[J]. 暖通空調(diào), 2009, 39(7):85-89.(GAO Wenzhong, LIU Jianhua, WU Zhimin, et al. Difference analysis of theoretical and experimental results of the liquid desiccant regenerative performance[J]. Journal of HV & AC, 2009, 39(7):85-89.)

[13] 張海江, 柳建華, 張良,等. 叉流除濕器傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2010, 31(6):21-27.(ZHANG Haijiang, LIU Jianhua, ZHANG Liang, et al. Experiment on mass transfer performance of a cross-flow dehumidifier[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(6):21-27.)

[14] 張海江, 柳建華, 張良,等. 叉流再生器性能試驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào)(北京), 2011, 11(1):51-55.(ZHANG Haijiang, LIU Jianhua, ZHANG Liang, et al. Experimental study on performance of cross-flow regenerator[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2011, 11(1):51-55.)

[15] 唐前進(jìn), 柳建華, 宮曉彬,等. 一種新型液體除濕空調(diào)的應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào), 2008, 38(10):78-81. (TANG Qianjin,LIU Jianhua,GONG Xiaobin,et al. Application of a novel liquid desiccant air conditioning system[J]. Journal of HV & AC, 2008, 38(10):78-81.)

[16] Zhang L, Liu J H, Zhang H J, et al. Application research on waste heat driven liquid desiccant air-conditioning system[C]// Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference.Wuhan,2011:1-4.

Aboutthecorrespondingauthor

Liu Jianhua, male, professor, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail:lwnlwn_liu@163.com. Research fields:optimization in refrigeration system, application in refrigeration test equipment.

PerformanceofWasteLiquidConcentratingDeviceDrivenbyHeatPump

Wang Xing1Liu Jianhua1,2Zhao Yongjie3Zhang Liang1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer of Power Engineering, Shanghai, 200093, China; 3. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai, 200031, China)

The discharge of industrial wastewater has been a difficult problem for various enterprises. Aiming to solve this problem, we designed and developed a set of concentrated wastewater treatment devices. These devices are based on low-temperature evaporation technology, in which a heat pump is used as the driving energy source, and air is the circulation medium. We carried out a concentration experiment of a copper-tube waste washing liquid with water content of 95% using this device. The main components of the device are presented in this paper, a heat and mass transfer model of the packing chamber was established using Matlab, and the packing size was determined to be 300 mm×400 mm×500 mm with the model, and an experimental bench was set up. An experimental test and energy efficiency analysis were carried out with the experimental bench. The following conclusions were drawn:the device can run stably; the condensation of water reaches up to 15 L/h; when the pump power is 5.46 kW, the energy efficiency ratio of the device reaches up to 4.54; the air circulating in the device is changed from 31 ℃ to 43 ℃, and the relative humidity is 94.6%. After operating for a certain period of time to reach the maximum concentration, the volume reached about 3/4 of the original, and the water was clear, which will greatly reduce the cost of industrial wastewater treatment.

low temperature evaporation; heat pump; concentrate; performance study

0253- 4339(2017) 04- 0067- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.067

2016年9月20日

TB61+1； TQ051.5

： A

柳建華，男，教授，上海理工大學(xué)，13817757889， E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向:制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，制冷測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用。