熱泵驅(qū)動廢液濃縮處理裝置性能研究

張慧晨, 柳建華,2, 徐小進(jìn), 成 蕾, 張 良, 邱王璋

(1. 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 上海 200093；2. 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室, 上海 200093；3. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第七○四研究所, 上海 200031)

隨著“中國制造2025”的不斷推進(jìn),大飛機(jī)工程最引人矚目。大飛機(jī)是指起飛總重量超過100 t的運輸類飛機(jī),包括軍用、民用以及150座以上的干線客機(jī)[1-2]。鋁合金由于低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、易導(dǎo)熱、良好的可塑性以及加工性、低成本等一系列優(yōu)點而被廣泛用于航空領(lǐng)域[3-4]。然而,傳統(tǒng)鋁合金很難滿足不斷增長的技術(shù)需求,需將傳統(tǒng)鋁合金浸于鈍化清洗液中進(jìn)行鈍化處理,以提高其使用性能。鋁合金鈍化過程需使用大量鈍化清洗液,鈍化完成后產(chǎn)生大量鈍化清洗廢液。由于廢液中含有大量重金屬離子,需將廢液以危險廢棄液處理標(biāo)準(zhǔn)送至專業(yè)廢液處理機(jī)構(gòu),處理成本高。由于鈍化清洗廢液中含水率高達(dá)90%,如能在不對環(huán)境造成二次污染的前提下,對鈍化清洗廢液進(jìn)行預(yù)處理,實現(xiàn)溶劑水與重金屬溶質(zhì)等的分離,將大大減少廢水處理量,最大限度地降低處理成本。

本科畢業(yè)設(shè)計是本科教育階段的最后一個實踐教學(xué)環(huán)節(jié),擔(dān)當(dāng)畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量出口把關(guān)的重任[5-6]，畢業(yè)設(shè)計既是對學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐與研究能力的培養(yǎng)與鍛煉,又是對學(xué)生本科階段學(xué)習(xí)成果的檢驗[7-8]。本文以熱泵驅(qū)動小型廢液濃縮處理裝置性能測試與分析作為橋梁,將工程實際與本科畢業(yè)設(shè)計相聯(lián)系,并引導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的基礎(chǔ)上完成畢業(yè)設(shè)計論文。

1 測試裝置與測試方法

蒸發(fā)濃縮法是最常見的廢水濃縮處理方法。蒸發(fā)濃縮法是借助外部熱源使溶液中部分溶劑汽化,溶質(zhì)留在未蒸發(fā)的溶劑中,蒸汽收集后再經(jīng)冷凝,冷凝液中含有濃度極低的不揮發(fā)溶質(zhì),使廢水得以凈化[9]。低溫表面蒸發(fā)法是在常壓的范疇內(nèi)相對于高溫蒸發(fā)法以及沸騰蒸發(fā)法的一種蒸發(fā)方法[10-11]。該方法適用于低沸點溶質(zhì)的濃縮。采用低溫表面蒸發(fā)法處理含水率較高的低沸點危險廢液,不僅可以避免濃縮處理過程中低沸點污染物的夾帶以及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等問題,還可以避免高溫蒸發(fā)濃縮法對熱源溫度的要求。

塔器是最常用的蒸發(fā)濃縮設(shè)備,按照結(jié)構(gòu)不同,塔器主要分為板式塔和填料塔。前者結(jié)構(gòu)較為簡單,造價低廉,但分離效率較低,壓降大；后者具有較高的分離效率,壓降低等優(yōu)點[12]。為了獲得更高的濃縮效率,本文采用逆流型填料塔對廢液進(jìn)行濃縮處理,系統(tǒng)工作流程如圖1所示。廢液濃縮處理器的參數(shù)：迎風(fēng)面長0.85 m、寬0.6 m;填料高0.4 m，填料比表面積為550 m2/m3。系統(tǒng)主要部件及測量儀表見表1。

圖1 系統(tǒng)工作流程

名稱型號參數(shù)風(fēng)機(jī)2.8A-1.5kW-2P最大風(fēng)量2356m3/h廢液泵CM3-2最大流量4 m3/h空氣進(jìn)出口溫濕度測量VAISALA溫度:-40～+60 ℃相對濕度:0～100%廢液密度測量比重計精度:±1 kg/m3廢液溫度測量Pt100電阻精度:±0.1 ℃空氣流量測量皮托管直徑:φ6 mm廢液流量測量塑料浮子流量計精度:±0.01m3/h

由圖1可知,熱泵驅(qū)動小型廢液濃縮處理裝置主要由廢液濃縮處理系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)以及熱泵系統(tǒng)3部分組成。其中廢液濃縮處理系統(tǒng)由廢液濃縮處理器、廢液儲存箱、廢液泵、廢液冷凝器、風(fēng)冷冷凝器組成。廢液箱中廢液經(jīng)由廢液泵與廢液冷凝器進(jìn)行熱交換后噴淋至填料表面,在廢液濃縮處理器中,高溫廢液與循環(huán)空氣直接接觸后,廢液中水分遷移至空氣,去濕后的廢液再回流至廢液儲存箱中。

空氣循環(huán)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、廢液濃縮處理器、蒸發(fā)器組成。在空氣循環(huán)系統(tǒng)中,低溫高濕(高相對濕度,低含濕量)空氣經(jīng)廢液濃縮處理器后廢液中的水分遷移至空氣形成高溫高濕(高相對濕度,高含濕量)空氣，進(jìn)入蒸發(fā)器后部分水分凝結(jié)再形成低溫高濕空氣，供廢液濃縮處理器循環(huán)使用。本次實驗中,為穩(wěn)定實驗條件,實現(xiàn)對裝置處理效果準(zhǔn)確分析,需將凝結(jié)后的液態(tài)水直接循環(huán)至廢液儲存箱中,確保廢液濃度不變。

熱泵系統(tǒng)由壓縮機(jī)、廢液冷凝器、風(fēng)冷冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器等組成。熱泵系統(tǒng)既為廢液濃縮處理裝置提供冷量，又為該系統(tǒng)提供熱量,實現(xiàn)冷量與熱量的雙重利用[10-11]。

實驗中通過對蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣干球溫度、相對濕度進(jìn)行測量，從而確定循環(huán)空氣進(jìn)出口含濕量,通過對廢液噴淋溫度以及廢液密度進(jìn)行測量,從而確定廢液濃度和廢液表面含濕量。在風(fēng)管尺寸已知的條件下,利用畢托管對風(fēng)管中的風(fēng)速進(jìn)行測量,從而確定循環(huán)風(fēng)量。在廢液泵后加裝塑料浮子流量計以測試廢液循環(huán)流量。測試過程：(1)穩(wěn)定廢液噴淋溫度以及濃度,改變廢液量與空氣流量,對濃縮量以及傳質(zhì)效率進(jìn)行測量；(2)穩(wěn)定廢液與空氣流量、濃度,改變廢液溫度對濃縮量以及傳質(zhì)效率進(jìn)行測量。

2 測試原理

在逆流填料塔中,當(dāng)空氣與廢液直接接觸時,由于空氣中水蒸氣分壓力低于廢液表面水蒸氣分壓力,空氣吸收廢液中的水分,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后,廢液去除的水分與空氣吸收的水分將達(dá)到動態(tài)平衡的狀態(tài)。廢液和空氣之間遵循質(zhì)量守恒定律,廢液的去濕量等于空氣的吸濕量,即

mlΔdl=maΔda

(1)

式中,ml為廢液的質(zhì)量流率,kg/s；ma為空氣的質(zhì)量流率,kg/s；Δdl為單位質(zhì)量廢液去濕量,kg/kg；Δda為單位質(zhì)量空氣吸濕量,kg/kg。

廢液濃縮效果可以通過廢液濃縮量和濃縮效率進(jìn)行衡量,廢液濃縮量指單位質(zhì)量廢液經(jīng)過填料塔后的去濕量,又因廢液和空氣直接遵循質(zhì)量守恒定律,即廢液濃縮量又指單位質(zhì)量空氣經(jīng)過填料塔后的吸濕量。廢液濃縮量Δd的計算公式如下：

Δd=da,o-da,i

(2)

式中，da,i、da,o分別為進(jìn)、出口空氣的含濕量,kg/kg。

濃縮效率ε可以通過被處理廢液實際達(dá)到的濕度變化幅度與理論最大濕度變化幅度的比值,即

(3)

3 測試結(jié)果與分析

對于逆流填料塔,影響廢液濃縮量和濃縮效率的因素有填料塔結(jié)構(gòu)和填料塔操作條件。當(dāng)設(shè)備已設(shè)計完畢后,填料塔結(jié)構(gòu)已固定。填料塔的操作條件即廢液質(zhì)量流量、空氣質(zhì)量流量、廢液溫度和濃度將對廢液濃縮量和濃縮效率起決定性影響。為確保裝置運行狀況最優(yōu)即具有最佳濃縮量和濃縮效率,需改變上述參數(shù)后進(jìn)行測試。

3.1 液氣質(zhì)量流量比對濃縮量和濃縮效率的影響

圖2為液氣質(zhì)量流量比改變時對廢液濃縮量和濃縮效率的影響關(guān)系,即當(dāng)廢液噴淋溫度為40 ℃、廢液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%、廢液質(zhì)量流量為0.31 kg/s、循環(huán)風(fēng)量分別為1 862、1 325、1 028、843、664、512、421、365 m3/h時,廢液濃縮量和濃縮效率與液氣質(zhì)量流量比之間的關(guān)系。由圖2可知,廢液濃縮量隨液氣質(zhì)量流量比的增加而減小,廢液濃縮效率隨液氣質(zhì)量流量比的增加而增加,兩者趨勢相反。這是因為當(dāng)廢液質(zhì)量流量保持不變時,循環(huán)風(fēng)量增加后,空氣平均相對吸濕能力增加,但單位質(zhì)量流率的空氣吸濕能力降低,故濃縮量增加,濃縮效率降低。因此,為確保裝置運行時具備較高的濃縮量以及濃縮效率,液氣質(zhì)量流量比不能過高或過低。當(dāng)圖2中兩趨勢線交叉時,即液氣質(zhì)量流量比為1.1時,裝置濃縮量不會過低,濃縮效率亦不會過低,兩者均處于較適宜狀態(tài)。

圖2 液氣比對廢液濃縮量和濃縮效率的影響

3.2 廢液溫度對廢液濃縮量和濃縮效率的影響

圖3為循環(huán)風(fēng)量為664 m3/h、廢液質(zhì)量流量為0.31 kg/s、液氣質(zhì)量流量比為1.1、廢液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%、廢液溫度為25～45 ℃時,廢液濃縮量、濃縮效率與廢液溫度之間的關(guān)系。由圖3可知,當(dāng)廢液溫度升高時,廢液濃縮量以及廢液濃縮效率均隨之增加,但當(dāng)溫度超過40 ℃以后,廢液濃縮效率隨溫度變化不明顯,基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本裝置中廢液溫度受限于熱泵系統(tǒng),當(dāng)廢液溫度過高時,熱泵系統(tǒng)冷凝散熱效果變差,熱量散不出去,熱泵系統(tǒng)將會停機(jī),因此廢液溫度不能過高。當(dāng)圖3中兩趨勢線交叉時,即廢液溫度為42 ℃時,既能避免廢液溫度過高影響熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行,又能保證裝置運行過程中具備較高的濃縮效率和濃縮量。

圖3 廢液溫度對廢液濃縮量與廢液濃縮效率的影響

4 結(jié)語

本文通過對已有熱泵驅(qū)動廢液濃縮處理裝置性能測試與分析,實現(xiàn)了實際工程與本科畢業(yè)設(shè)計的有效結(jié)合,既可避免立題枯燥，又可充分調(diào)動學(xué)生積極性,并且研究成果可應(yīng)用于工程實際,具有重要的社會意義。