热泵型电镀废水处理系统能效分析

高宏太，金苏敏，陈 亮

(南京工业大学能源学院，江苏 南京 211816)



热泵型电镀废水处理系统能效分析

高宏太，金苏敏，陈 亮

(南京工业大学能源学院，江苏 南京 211816)

以湿空气作为搬运介质、电驱动热泵为加热热源的热泵型电镀废水处理系统具有技术简单可靠、可以结合低品位热源等优点。通过理论建模与试验研究的方法分析了操作参数对系统蒸发能效的影响。研究结果表明，存在最佳的废水循环量使系统蒸发能效最高，提高空气循环量、增大蒸发结晶器与回热器换热效率、降低蒸发结晶器入口废水温度、提高蒸发结晶器入口空气温度可以提升系统蒸发能效。

废水处理；湿空气；热泵；蒸发能效；操作参数

电镀技术广泛应用于机械、轻工、电子等行业。电镀废水中包含大量铜、铅、镉等重金属元素，对环境影响巨大，直接影响人体健康安全[1]。传统的电镀废水处理方法包括物理法、化学法、生物法等。化学处理方法容易引进新的污染源；生物法对操作环境有限制且无法处理高浓度废水[2-3]；纯物理法主要为蒸发法，是可以实现零液体排放的方法，但技术难度大、设备复杂、能耗较高。传统的废水处理方法都有各自的适用条件及局限性。

利用湿空气作为搬运介质的HDH(humidification-dehumidification)技术由于具有技术难度低、设备简单可靠、可与低品位热源结合的优点，近年来受到了广泛的关注，HDH技术目前主要应用于太阳能海水淡化领域[4-5]。McGovern R K等[6]在文献中提到可以将HDH蒸发技术应用于废水处理，利用湿空气作为搬运介质，所需蒸发温度低，蒸发过程没有剧烈的沸腾传热，过程较温和，对设备的腐蚀性也较低。将电驱动热泵与HDH蒸发技术相结合，应用于废水处理系统后，系统变为热泵型电镀废水处理系统。相对于太阳能海水淡化系统，新系统的物料循环方式有所变化，同时在增加热泵后，热泵性能与HDH设备的性能相互耦合，运行参数对系统能效水平的影响将有所改变。本文着眼于系统的能效水平变化情况，从理论与试验中分析了系统能效的影响因素。

1 热泵型电镀废水处理系统模型

1.1 热泵型电镀废水处理系统工作原理

图1为热泵型电镀废水处理系统示意图，主要由蒸发结晶器、空气干燥器、压缩机、热泵冷凝器组成。空气干燥器分为3部分，从上至下分别为回热器、热泵蒸发器、空气冷却器。系统工作时利用湿空气含湿量的变化来蒸发废水。低温的湿空气与高温的废水在蒸发结晶器中进行热湿交换，吸收废水中的水分；未蒸发的废水进入回热器中与蒸发结晶器出口处的空气进行热交换，回热器回收湿空气的冷凝潜热用于预热废水；热泵继续回收湿空气的冷凝潜热用于进一步加热废水，加热后的废水进入蒸发结晶器中进行蒸发，完成循环。空气冷却器用于调节蒸发结晶器入口空气温度并带走系统余热，维持热平衡。热泵型电镀废水处理系统通过补充一定的电能，最终完成电镀废水的热法脱盐处理。

图1中w1,w2,w3分别表示蒸发结晶器入口、出口、回热器出口废水状态；a1,a2,a3,a4分别表示蒸发结晶器入口、出口、热泵蒸发器入口、出口空气状态； c1,c2分别表示冷却水入口、出口状态。

1.2 热泵型电镀废水处理系统模型

电驱动热泵一般由压缩机、热泵蒸发器、热泵冷凝器、节流装置组成，将热泵整体看作是加热热源，则热泵型电镀废水处理系统可以看成由蒸发结晶器、回热器、热泵组成。从制冷循环的角度分析热泵性能系数COP的变化，其只与蒸发温度、冷凝温度、制冷剂种类有关[7]。下面的计算模型将对系统的蒸发结晶器、回热器、热泵分别建模。

蒸发结晶器模型：

1—压缩机;2—热泵冷凝器;3—膨胀阀;4—空气干燥器;5—蒸发结晶器

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

(2)

回热器模型：

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

(4)

式中：mw为废水质量流量,kg/s；me为结晶质量,kg；mG为空气质量流量,kg/s；ω为湿空气含湿量；h为湿空气焓值,kJ/kg；cp为水的比热容，取4.18kJ/kg;t为废水或湿空气的温度，℃; mL，r为回热器中释放的冷凝水质量,kg。

蒸发结晶器与回热器的换热效率采用文献[8]的定义，定义为实际换热量与最大理想换热量之比,换热效率的定义公式具体可参见文献[8]。热泵性能系数COP采用文献[7]中理想制热循环的制热系数算法，计算时制冷剂选用R134a。

热泵型电镀废水处理系统的目的是尽可能多地蒸发废水，为了表征系统的蒸发能效，定义单位输入能量所蒸发出的水量E为系统蒸发能效。空气在蒸发结晶器与空气干燥器中封闭循环，蒸发出来的水分全部变为冷凝水，蒸发水量mL的单位为kg/h，压缩机输入功率W的单位为kW，蒸发能效E的单位为kg/(kW·h)，其计算式为：

2 计算结果分析

求解方程组时，调整废水循环量mw1、蒸发结晶器入口废水与空气温度tw1,ta1，得到不同参数下系统蒸发能效E的变化情况。将空气循环质量mG设置为单位1，则废水循环量与空气循环质量的比值——水汽比，在数值上等于废水循环量。

2.1 蒸发结晶器换热效率的影响

图2所示为回热器换热效率为0.8，蒸发结晶器入口废水温度为60℃、入口空气温度为30℃条件下蒸发结晶器换热效率对系统能效的影响。在一定的换热效率下，系统蒸发能效随着水汽比的增加先增加后降低，且存在最佳的水汽比，产生这种现象的原因是湿空气的焓值随温度的变化是非线性的，温度越高，焓值增加越快。在小水汽比条件下，增加水汽比，可以明显提高蒸发结晶器出口湿空气温度，继续增加水汽比，湿空气温度的增加变缓，但蒸发结晶器出口废水温度却快速增加，最终导致进入回热器的废水温度过高，回热器热量回收效果变差。蒸发结晶器入口废水温度一定的情况下，热泵蒸发冷凝温度基本不变，热泵COP基本不变，回热器热量回收效果变差导致系统总蒸发能效降低。蒸发结晶器换热效率的增加，使系统的蒸发能效随之增加，越高的换热效率意味着蒸发结晶器出口的空气温度越高，废水温度越低，回热条件变好，系统的蒸发能效也越高。

图2 蒸发结晶器换热效率对系统蒸发能效的影响

2.2 回热器换热效率的影响

图3所示为蒸发结晶器换热效率为0.8，蒸发结晶器入口废水温度为60℃、入口空气温度为30℃条件下回热器换热效率对系统能效的影响。与蒸发结晶器换热效率的影响类似，不同回热器换热效率条件下也存在最佳的水汽比。蒸发能效随着回热器效率的提升而提升，并且回热器效率的提升对系统蒸发能效的影响是非线性的，回热器换热效率越高，系统蒸发能效的提升效果越明显。

2.3 蒸发结晶器入口废水的影响

图4所示为蒸发结晶器换热效率与回热器换热效率为0.8、蒸发结晶器入口空气温度为30℃条件下，蒸发结晶器入口废水温度对系统蒸发能效的影响。较高的入口废水温度导致系统能效的降低，系统热源为热泵，废水的加热温度越高，热泵冷凝温度越高，其COP越低，系统整体蒸发能效越低。不同的蒸发结晶器入口废水温度下最佳水汽比也不一样，废水温度越高，最佳水汽比越大。

图3 回热器换热效率对系统蒸发能效的影响

图4 蒸发结晶器入口废水温度对系统蒸发能效的影响

2.4 蒸发结晶器入口空气的影响

图5所示为蒸发结晶器换热效率与回热器换热效率都为0.8、蒸发结晶器入口废水温度60℃条件下，蒸发结晶器入口空气温度对系统蒸发能效的影响。与入口废水温度的影响类似，越高的填料塔入口空气温度代表所需要的蒸发温度越高，热泵COP得到提升，系统整体蒸发能效增加。最佳水汽比也随着湿空气温度的增加而增加。

3 试验结果对比

根据以上分析结果，搭建了热泵型电镀废水处理系统试验台。由于是考察系统蒸发能效的变化情况，为避免金属盐溶液结晶的干扰，采用清水作为试验材料，压缩机为1HP压缩机，蒸发结晶器选用50mm塑料鲍尔环散装填料塔，空气干燥器为翅片管换热器。蒸发水量的计量采用称重法，即称量单位时间内收集到的冷凝水质量。通过改变蒸发结晶器入口空气温度、废水流量、空气流量等参数，研究系统蒸发能效的变化情况。

图5 蒸发结晶器入口空气温度对系统蒸发能效的影响

图6所示为不同空气循环量下废水循环量对系统蒸发能效的影响。由试验结果可知，存在最佳的废水循环量使系统的蒸发能效最大，并且空气循环量越大，最佳的废水循环量也越大。试验结果符合前文的分析，即存在最佳水汽比使系统蒸发能效最大。同时，越大的空气循环量，系统的蒸发能效也越高。造成这一现象的原因是，换热器热阻主要集中在空气侧，随着空气循环量的增加，蒸发结晶器与空气干燥器中的风速增大，换热条件变好，回热器与热泵蒸发器的传热系数都在提高，换热效率提高，从而使系统的蒸发能效增加。

图6 不同空气循环量下废水循环量对系统蒸发能效的影响

图7所示为空气循环量为152kg/h、不同蒸发结晶器入口空气温度条件下系统蒸发能效随废水循环量的变化情况。系统蒸发能效随填料塔入口空气温度的变化情况较复杂。试验时，热泵的性能虽然会随着工况的改变而改变，但变化相对较小，提高蒸发结晶器入口空气温度后，也会导致蒸发结晶器的入口废水温度升高。系统试验台不能将蒸发结晶器入口空气温度与入口废水温度作为两个独立参数进行控制。热泵的蒸发温度与冷凝温度会随着蒸发结晶器入口空气温度的提高而同时升高，对系统整体的影响就更为复杂。但最佳废水循环量的变化可以由试验得出，最佳的废水循环量会随着蒸发结晶器入口空气温度的升高而增加，与前文计算分析一致。

图7 不同填料塔入口空气温度下系统蒸发能效

4 结论

本文对热泵型电镀废水处理系统进行理论建模，并对部分分析结果进行试验验证，得到以下结论：

1)系统在不同操作参数下存在最佳水汽比，使系统蒸发能效最大。

2)理论计算表明，提高蒸发结晶器与回热器效率、提高蒸发结晶器入口空气温度、降低蒸发结晶器入口废水温度可以提升系统蒸发能效。

3)实际运行时表现为存在最佳废水循环量使系统蒸发能效最高，最佳废水循环量随着空气循环量的增加而增加，随着蒸发结晶器入口空气温度的升高而增加。

[1] 梅光泉. 重金属废水的危害及治理[J]. 微量元素与健康研究, 2004,21(4):54-56.

[2] 孙建民, 于丽青, 孙汉文. 重金属废水处理技术进展[J]. 河北大学学报：自然科学版， 2004,24(4):438-443.

[3] 刘有才, 钟宏, 刘洪萍. 重金属废水处理技术研究现状与发展趋势[J]. 广东化工, 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] 陈汝东. 制冷技术与应用[M]. 上海：同济大学出版社，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，南京工业大学硕士研究生，主要研究方向为热泵工业应用。

TK09

A

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