热泵驱动小型废液浓缩处理装置研制

张慧晨, 柳建华,2, 徐小进, 张 良, 李阳阳, 张嘉文

(1. 上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093；2. 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093；3. 中国船舶重工集团公司第七〇四研究所, 上海 200031)

油水混合废液广泛存在于机械加工企业,其处理过程复杂,需要送至专业废液回收处理单位进行处理[1]。由于处理量大,故其处理费用较高。汪行[2]、廖裕恺[3]、周先锋[4]等人的研究表明,利用填料塔可对机械切削废液进行浓缩预处理,且处理效率高,处理成本低。通过对油水混合废液物性进行分析,其含水率高达94.6%。

大学生创新创业训练计划是面向高等学校本科教学质量与教学改革的重点建设项目之一[5]。全面开展大学生创新性实验计划是进一步提高本科教学质量和大学生综合素质培养的重要手段[6-7]。该项目一方面可以促进创新创业教育的改革,另一方面可以促进创新型人才培养模式的转变[8-10]。上海理工大学能源动力工程学院在大学生创新创业训练计划开展方面具有多年经验,并形成了科学研究与大学生创新创业训练计划相结合的项目开展特色[11-12]。本文以大学生创新创业训练计划为平台,以解决机械加工企业废液处理量为出发点,以学生专业知识为基础,以科学研究经验为指导，研制了热泵驱动小型废液浓缩处理装置。

1 装置设计

图1为热泵驱动小型废液浓缩处理装置工作流程图,装置实物见图2,表1为实验装置设计参数,表2为实验装置各部件以及测量仪表选型结果。

图1 热泵驱动小型废液浓缩处理装置工作流程图

图2 装置实物图

参数名称数值参数名称数值废液喷淋温度/℃52热泵蒸发温度/℃5处理器空气进口温度/℃38.7废液循环流量/(m3·h-1)0.168处理器空气进口相对湿度/%95空气循环流量/(m3·h-1)70处理器空气出口温度/℃50液气质量流量比2.0处理器空气出口相对湿度/%60设计浓缩处理量/(kg·h-1)0.514热泵冷凝温度/℃60制冷量/W650

表2 装置各部件以及测量仪表选型

该装置由能源供给系统、空气处理系统、废液浓缩处理系统、热泵循环处理系统和控制系统5部分组成。能源供给系统包括太阳能热水、风力发电以及电能补给。空气处理系统包括循环风机、废液浓缩处理器、凝水回收器(蒸发器)。废液浓缩处理系统包括循环水泵、热水/废液热交换器、废液/制冷剂热回收器、废液浓缩处理器。热泵循环处理系统包括压缩机、凝水回收器(蒸发器)、废液/制冷剂热回收器(冷凝器1)、空冷换热器、节流阀等。控制系统采用上、下位机结构,上位机是命令发送与报警反馈的触摸屏系统,下位机通过PLC与变频器实现电机转速的无极调节。

该装置核心部件为废液浓缩处理器，是空气与废液进行直接传热传质的场所。该部件主要利用低温表面蒸发原理,将传热传质场所控制在处理器芯体——填料表面而不会发生剧烈沸腾、引起空气中溶质的大量夹带。吸收热泵余热后的废液表面水蒸气分压力高于空气中的水蒸气分压力,水分将由废液迁移至空气,实现废液浓缩处理。废液浓缩处理器结构类似化工行业填料塔,本装置中选用BX550型塑料丝网波纹填料为气液接触介质。

2 装置性能测试

根据设计要求完成装置制作安装后,对装置进行调试,以确保装置运行性能最优,调试过程包括:(1)检查所有管路与设备连接的密封性,试运行所有设备、仪表以及控制软件；(2)检测热泵回收余热量是否满足废液喷淋温度要求,是否需要额外补充热量；(3)改变循环空气流量、废液循环流量,初步检测装置的实际处理量是否达到设计要求。

装置稳定运行后,废液处理器中的传热传质过程以及凝水回收器中的冷凝除湿过程连续运行,且处理器蒸发传质量与冷凝回收量相等。此外,装置运行的经济性对于装置实际应用和推广具有重要影响,经济性主要体现在废液浓缩量与装置运行能效之间的关系。本文从以下4个方面对装置的运行性能进行分析。

2.1 废液循环流量对浓缩处理量的影响

由图3可知,在空气循环流量为70 m3/h、废液喷淋温度为50 ℃时,装置浓缩处理量随着废液循环流量的增加而增加,当喷淋流量达到0.17 m3/h以上(液气质量流量比超过2.0)时,装置的浓缩处理量随流量变化不大。原因在于随着废液循环流量的增加,废液浓缩处理器中填料表面有效润湿面积增加,气液传质有效接触面积增加,浓缩处理量随之增加；但当废液循环流量进一步增加时,即液气质量流量比超过2.0以后,气液传质有效接触面积随废液循环流量增加趋势变缓,浓缩处理量增加不明显。

图3 废液循环流量对浓缩处理量影响关系

2.2 空气循环流量对浓缩处理量的影响

由图4可知,在废液循环流量为0.17 m3/h、废液喷淋温度为50 ℃时,装置浓缩处理量随空气流量的增加呈现先增加后减小的趋势。原因在于:(1)当空气流量为30 m3/h时,液气质量流量比达4.72,这时空气流速较低,空气与废液有效接触时间长,即有效传质时间长,单位空气吸湿能力好,但是整体吸湿量少,浓缩处理量低；(2)当空气流量为70 m3/h时,液气质量流量比为2.0,空气流速适中,单位空气吸湿能力较好,整体吸湿量最大,浓缩处理量最大；(3)当空气流量为90 m3/h时,液气质量流量比为1.57,这时空气流速较高,空气与废液有效接触时间短,尤其是在考虑空气入口效应时,空气与废液有效接触时间更短,即有效传质时间更短,单位空气吸湿能力变差,整体吸湿量少,浓缩处理量降低。

图4 空气循环流量对浓缩处理量影响关系

2.3 废液喷淋温度对浓缩处理量的影响

由图5可知,在废液循环流量为0.17 m3/h、空气循环流量为70 m3/h时,装置浓缩处理量随废液喷淋温度的增加而增加。原因在于:(1)随着喷淋温度的增加,废液表面水蒸气分压力与空气中水蒸气分压力差增加,即传质势差增加,传质能力增加,浓缩处理量增加；(2)随着喷淋温度的增加,废液表面水分汽化吸热占据废液热容比重减小,废液处理器中废液温度变化量减小,废液表面水蒸气分压力维持在较高水平,平均传质势差增加,传质能力增加,浓缩处理量增加。

图5 废液喷淋温度对浓缩处理量影响关系

2.4 装置经济性

装置运行时蒸发器的冷量用来冷凝、回收空气中的水分，并回收热泵冷凝热加热废液,即同时利用了热泵的蒸发热与冷凝热。定义装置的热力能效比(HEER)为

(1)

式中,Q0为热泵的制冷量,W；Qk为热泵的制热量,W；P压为压缩机输入功率,W；P风为风机功率,W；P泵为水泵功率,W。

定义装置运行浓缩量与耗电量经济性能指标(NEER)为

(2)

式中：qm为装置的浓缩量,kg/h；a为处理1 kg废水所需成本,元/kg；b为消耗1 kW·h(度)所需成本,元。

由上述测试数据可知,当水泵流量为0.17 m3/h、风机风量为70 m3/h时装置运行状态最佳,此时压缩机的功率为247 W,有效制冷量为600 W,水泵功率为25 W,风机功率为15 W,系统的HEER为4.18。

假设a=b,装置NEER为1.52(a与废液种类有关,危废液的处理成本远高于一般废液处理成本,b与区域电价有关,实际废水处理中a均大于b,故NEER最小值为1.52),故运用本装置对企业废液进行预处理可以明显降低企业废液处理成本。

3 结论

本文以大学生创新创业训练计划为平台,结合学生专业知识并综合几届学生的创新项目成果,完成热泵驱动小型废液浓缩处理装置的设计与搭建。该装置运行效果:(1)浓缩处理量随废液循环量以及废液喷淋温度的增加而增加；(2)浓缩处理量随循环空气流量先增加后减少；(3)装置温度运行时系统热力能效比可达4.18,经济性指标可达1.52以上。运用本装置对企业废液进行预处理可以明显降低废液处理成本。

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[3] 廖裕恺,柳建华,赵永杰, 等.低温蒸发技术在浓缩切削废液上的应用研究[J].2016(5):69-73.

[4] 周先锋,柳建华,张良, 等.热泵驱动低温蒸发废液处理装置性能研究[J].热能动力工程,2017,32(5):32-35.

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