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污水源热泵机组性能的研究

2023-08-24 来源:爱问旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第7卷第12期 2006年1 2月 环境污染治理技术与设备 Techniques and Equipment for Environmemal Pollution Control Vo1.7,No.12 Dec.2 0 0 6 污水源热泵机组性能的研究 张喜明 白 莉 尹 军 韦新东 (吉林建筑工程学院环境工程系,长春130021) 摘要利用热泵系统回收城市污水中的热能,既开发了一种清洁能源,同时又降低了城市废热的排放,保护了环境。 通过对以水源热泵为中心设备的污水热能回收与利用实验装置冬季供暖工况的实验研究,考察了热泵机组在以污水(模 拟)为热源时的工作性能,测得热泵机组性能系数为2.61。 关键词污水热泵TU992 性能系数 文献标识码A 文章编号1008-9241(2006)12-0104-04 中图分类号Performance of heat pump in recovery of heat energy in municipal wastewater Zhang Ximing Bai Li Yin Jun Wei Xindong (Department of Environmental Engineering,Jilin Architectural and Civil En ̄neering Institute,Changchun 130021) Abstract Recovery of heat energy in municipal wastewater by heat pump system could explore clean ener・ y,decrease the digscharge of municipal wastewater heat and protect the environment.Lab・scale equipment of wastewater heat energy recovery and utilization based on water source heat pump was studied.During the heating test,coefficient of performance of heat pump was 2.61. Key words wastewater;heat pump;coefficient of performance 热泵系统既可供热,又可制冷。热泵装置从环 水温在冬季较高,夏季则较低。 境中吸取热量,连同所消耗的能量一起传递给需要 (2)水温变化幅度小。城市污水水温年变化幅 加热的物体,实现供热的目的;同样,它也可以从高 度较小。北方地区大气和河水温度一年四季相差可  温的物体吸热,把热量传递给环境,达到制冷的目 达4O℃左右,而城市污水温差只有2O℃左右。的。热泵的热源与驱动能源如图1所示。 (3)受气候影响小。太阳能的利用受昼夜及 随着人民生活水平的提高,城市生活中在空调 阴、雨等天气因素的影响,利用太阳能时必须使用蓄 和热水供应方面所消耗的能源显著增加,而这种能 热(蓄冷)设备。而污水中的热能利用,受气象因素  源需求对温度要求通常是在5—60℃的中低温区 的影响很小,节省了蓄热(蓄冷)设备。(4)污水热能利用的区域广阔。任何城市和地 域。对这部分能源的消费,大多是通过燃烧石化燃  料来获取几百度到上千度以上的高位能源来实现, 区均可建立污水热能回收与利用系统。(5)热能的赋存量大。城市污水资源十分丰 从而导致大量的能源浪费。如果通过利用城市污水  中热能来满足这部分能源需求,将节省高品位能源, 富,赋存大量的污水热能。(6)污水热能适于低温利用。污水热能赋存量 提高能源的综合利用率。 1城市污水热能的特点 J 很大,但从有效利用的角度讲,不适于用做动力,仅 适于在5O℃左右以下的低温区内进行利用,可用于  城市污水主要由生活污水和工业废水两部分组 空调(供暖、供冷)和热水供应。成,一般情况下是两者的混合流,且工业废水的分量 较大。城市污水热能具有如下特点: 基金项目:吉林省科技发展计划项目(20010437) —24;修订日期:2006—09—04 (1)冬暖夏凉。城市污水的最大优点是冬暖夏 收稿日期:2006—04点将更加明显。与河水水温和气温相比,城市污水 凉。特别是随着人民生活水平的不断提高,这一优 作者简介:张喜明(1974一),男,硕士,主要从事暖通领域的教学与 科研工作。E-mail:zhangxm1999@163.eom 维普资讯 http://www.cqvip.com 第12期 张喜明等:污水源热泵机组性能的研究 1O5 r: ・ .N排热Ox]{sq :e==] : ..:.地球温暖化:   ・环境污染 :: 一 : ・热岛现象 : + 一一一一一严一一 ] 一一一一一一J 可利用能包括 图1 热泵的热源与驱动能源 Fig.1 Heat resources and energy of heat pump 从城市污水热能具有的特点可以看出,城市污 水进行热交换,吸收污水中的热量后,蒸发为低温低 进行 水适合作为用水源热泵系统的热源。用以电力作为 压的气态工质后被吸入压缩机进行压缩,依此,驱动能源的水源热泵系统回收城市污水中的热能在 下一个循环过程。进入冷凝器的水为冷水,在冷凝 理论上是完全可行的。 器中吸收热量,加热为热水为用户供热;制冷剂工质 流经蒸发器吸收污水中的热量,连同压缩机所消耗 的电能一起传递给循环水。夏季循环:通过四通阀 和单向阀的换向作用,循环工质在工作系统中的流 向与冬季相反。工质吸收室内的热量,然后释放到 污水中,从而达到制冷的目的。 2污水源热泵的工作原理 污水源热泵的工作原理如图2所示。 蓑I 3主要实验装置及测试系统 单向阀 膨胀阀 单向阀 以污水池中的污水(pH:6~9;SS:95~120 mg/ L;BOD5:140~175 mg/L;COD:290~400 mg/L)为 水源,单相电为驱动能源。选择清华同方人工环境 有限公司生产的水源热泵机组,型号为QYR-06,压 缩机额定功率为2.50 kW,制冷剂为R22。用户侧 额定流量为1.23 m /h,压力损失6.4×10 Pa;水源 图2污水源热泵的工作原理图 Fig.2 Schematic diagram of wastewater heat pump 侧流量为3.63 m’/h,压力损失7.2×10 Pa。根据 实验所需污水流量及实验室水压情况,制作一个容 积为5 m 的钢制水箱,尺寸为1800 mm×1800 mm 冬季循环:系统中的循环工质经压缩机压缩以 ×1600 mm。污水箱中采用的是间接换热的方式, 后,变成高温高压的热蒸汽,流经冷凝器与循环水进 换热盘管为98 m长的塑铝管。 行热交换。放出热量为用户供热。同时,热蒸汽冷凝 实验测试系统包括流量测试系统、温度测试系 成为低温液态工质,然后经膨胀阀的降压节流作用 统和电功率测试系统3部分。温度测试系统由温度 以后,转变为低温低压的液态工质,再经蒸发器与污 传感器、数字电压表、巡检器 数码转换器、计算机与 维普资讯 http://www.cqvip.com 1O6 环境污染治理技术与设备 第7卷 打印机组成。流量测试仪表选用浙江余姚自动化仪 表厂生产的LZB-25、LZB-40玻璃转子流量计各1 台,流量量程分别为0.6—1.6 m /h,1.0— ., .・・・,・・・‘ ..’’.’.’.’.’ ..、 . ●_.— ●●_.H ‘★1 ....4.0 m /h。电功率测试系统测量实验台各设备的耗 . 电量,选用5台上海欣灵电气股份有限公司生产的 DDS232型电子式单相电能表,分别测量水源热泵 - .◆一玲 器出漳温度 +冷凝器进出液温差 + 潍越..一蒸发器出液i踱 ——一蒸发器进出液温差+蒸发器进液温度 ’ 量 一一一,’,,’_一 卜.— HH}I・ , 1 ● 一 机组、风机盘管、2台循环水泵及整个系统的耗电 量。电能表的准确度为1.0级,标定电流分别为 2.5 10 A及5 20 A。 譬 毒 。 冀 : 4结果与分析 图3蒸发器、冷凝器进、出液温度及温差 选择在长春地区2003年11月9日对热泵实验 室供热,实验室面积约为60 m 。室外平均温度为 一Fig.3 Temperature differences of inlet and outlet in evaporator and condenser 10.2℃,天气晴。污水池温度控制在(15+ 图4给出了供暖测试期间(2003年11月9日) 0.5)℃,每1 h读取一次数据。 4.1机组瞬时吸热量、供热量及耗功量 24 h内,热泵机组的瞬时吸热量、供热量及压缩机 耗功量随时间的变化情况。 热泵机组的瞬时吸热量由下式计算: 1 q。 3- ̄ -0pICI (‘。.i一‘。.。) 式中:口。一热泵机组瞬时吸热量,kW; P。一水源侧载冷剂的平均密度,kg/L; ( ) c 一水源侧载冷剂的平均比热,kJ/kg・c【=; 一水源侧的载冷剂流量,L;, 一t。..,too,蒸发器进、出口流体温度,℃。 图4 热泵供热量、吸热量及耗功量 Fig.4 Variations of the heat supply, 1 热泵瞬时供热量由下式计算: q rCrVr( 。一tki) 。。.(2) heat gain and energy cost 式中: 一热泵瞬时供热量,kW; p 一用户侧载热流体的平均密度,kg/L; 由图4可见,热泵耗功量随时间的变化较小,瞬 c,一用户侧载热流体的平均比热,kJ/kg・℃; 时供热量和吸热量在白天有波动,但变化不大。在 24 h连续供暖时间内,热泵供热量为120.45 kwh, 用户侧载热流体流量,L; 一£ -i’f..。一冷凝器进、出口流体温度,℃。 机组的瞬时耗功量由电度表测出。 蒸发器及冷凝器进、出口流体温度随时间的变 吸热量为72.52 kwh,压缩机耗功量为47.69 kWh。 4.2蒸发温度、冷凝温度及热泵性能系数 热泵机组的蒸发温度及冷凝温度随时间的变化  化情况,直接影响热泵机组的瞬时放热量和吸热量。 曲线,可以通过水源侧进、出口温度及用户侧进出、 图3给出了测试期间(2003年11月9日24 h内)蒸 口温度得出。发器及冷凝器进、出口流体温度的变化情况。 热泵的性能系数由下式计算: 一 ㈤ 由图3可见,蒸发器及冷凝器进、出口流体温 度,以及蒸发器及冷凝器进、出口流体的温差曲线均 较平稳,这说明热泵的工作性能是稳定的。 蒸发器进出口流体的平均温差为4.51℃,冷凝 器进出口流体的平均温差为8.81℃,平均供热水温 度为45.8℃。 式中: 一热泵性能系数; Q 一热泵瞬时供热量,kWh; 一。热泵瞬时耗功量,kWh。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第12期 张喜明等:污水源热泵机组性能的研究 107 图5给出了供暖测试期间(2003年11月9日) 24 h内,热泵的蒸发温度和冷凝温度及热泵性能系 数随时间的变化曲线。 60 50 40 30 5 结 论 (1)在测试期间,热泵供热量为124.45 kWh, 吸热量为72.52 kWh,压缩机耗功量为47.69 kWh。 (2)热泵机组的瞬时性能参数随时间的变化不 大,说明热泵机组的工作性能稳定,适合长期运行。 蘧20 赠10 0 .(3)在供暖测试期间,热泵机组的平均性能系 数为2.61。 (4)机组供热系数偏低,其主要原因是:管道、 设备未保温;塑铝管换热效率低。 图5 蒸发温度、冷凝温度及供热系数 10 20 —Fig.5 Variation of evaporator and condenser 籁 霰 参考文献 [1]白莉.城市污水热能利用技术的实验研究[博士学位论 文].长春:吉林大学,2002 temperatures and coeficifent of performance of heat pump 由图5可见,热泵的蒸发温度和冷凝温度随时 [2]周文忠.污水源热泵系统和污水冷热能利用前景分析. 间的变化不大,热泵的性能系数变化也不明显。平 45.76℃,热泵机组的供热系数为2.61。 暖通空调,2004,34(8):25—29 哈尔滨商业大学学报,2006,22(3):55—57 均蒸发温度为一8.22℃,平均冷凝温度为 [3]陈志峰.塑料换热器在污水源热泵系统中的应用分析. (上接第88页) [8]Karigi F.,Dincer A.R.Saline wastewater rteatment by ha1. ophile-supplemented activated sludge culture in an aerated 参考文献 [1・]Carliell C.M.,Barclay S.J.,NaidooN.,eta1.Anaerobic decolorisation of reactive dyes in conventional sewage treat- ment processes.Water SA,1994,20:341—344 rotating biodisc contactor.En ̄me Microb.Techno1., 1998,122:427—433 [9]Karigi F.,Dincer A.R.Enhancement of biological treat. ment performance of saline wastewater by halophilic bacte. ria.Bioprocess Eng.,1996,15:51—58 [2]EPA.Profile of the Textile Industry.Envionmentral Protec. tion Agency,Washington D.C.,USA,1997 [10]Dubin P.,Wright K.L.Reduction of ago dyes in cultures of proteus vulgaris.Xenobiotics,1975,5:63—71 [3]Peyton M.B.,Wilson T.,Yonge D.R.Kinetics of phenol biodegradation in high salt solutions.Wat.Res.,2002 36:4811—4820 [11]Brown J.P.Reduction of polymeric azo and nitro dyes by intestinal bacteria.App1.Environ.Microbio1.,1981, 41:1283—1286 [4]顾夏声.废水生物处理数学模型(第2版).北京:中 国建设工业出版社,1993.182—213 [12]Sponza D.T.,Isik M.Decolorization and inhibiiton kinet. ic of diectr black 38 azo dye with granulated anaerobic [5]戚以政,汪叔雄.生化反应动力学与反应器(第2版). 北京:化学工业出版社。1999.320—391 sludge.Enzyme Microb.Techno1.,2003,34(2):147— 158 [6]Guo J.B.,Zhou J.T.,Wang D.,et 1.Decolaorization of dye wastewater with high salt concentration by the acclima- [13]Chang J.S.,Kuo T.S.Kinetics of bacterila decolorization of azo dye with Escherichia coli NO3.Bioresouree Techn. tized salt-tolerant cultures.Journal of Envionmentrl Sci.a ence,2005,17(6):984—988 o1.,2000,75(2):107—111  [7]Hinteregger C.,Streichsbier F.Ha ̄monas sp..a moderate. 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