开式原生污水源热泵系统取水运行特性分析

钱剑峰，张吉礼，马良栋，徐 莹

（1.哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028；2.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116024）

开式原生污水源热泵系统取水运行特性分析

钱剑峰1，张吉礼2，马良栋2，徐 莹1

（1.哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028；2.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116024）

高效的城市污水取水技术是原生污水源热泵系统可靠运行的前提。针对现有相关技术的不足，提出了开式集成污水取水技术。通过定义网眼阻塞系数、污物密度、截面系数等重要参数，建立了表征其取水特性的数学模型，并提出了临界运行工况的参数条件，考察了各临界运行参数及不同旋转周期下网眼阻塞系数等的变化规律。

污水源热泵系统；开式取水；数学模型；运行特性

日本及北欧国家的污水源热泵系统常采取机械刮剥、人工刷洗等方法来解决污水取水过程中换热设备的防堵塞问题［5－7］，存在工作量大、运行工况不稳定的弊端。中国近年开发了反冲洗污水取水装置，实现了稳定、连续取水，并在多个工程中得到了成功的应用，然而该装置仍存在着取水设备承压高、取排水内泄露严重、滤面过滤负荷大等不足［13－14］。因此，研究性能更加优越的污水取水技术成为亟待解决的难点，故本文基于一种新提出的开式集成污水取水技术建立了开式原生污水源热泵系统，并将对系统取水的数学模型及运行特性作深入分析。

1 开式原生污水源热泵系统

开式原生污水源热泵系统如图1所示，其中开式集成污水取水机（图2）是该系统的关键设备之一［15］，其工作原理如下：

图1 开式原生污水源热泵系统原理图

图2 开式集成污水取水机示意图

1）箱体内部的孔板隔板和溢流板把箱体分成杂质分离腔、蓄水腔、排污腔和清洗腔等4个区域。

2）杂质分离腔设置高低相间撞击板，通过降低原生污水的流速，使密度大的大尺度污杂物在惯性作用下沉淀于底部，由排污管定期排出；而密度小的悬浮性污杂物则溢流到排污腔连续排出，这样滤面所需过滤负荷大为降低。

3）利用清洗腔的自然作用压头使污水流过孔板的网眼蓄存于蓄水腔，故取水设备在开式常压下工作，设备无动密封与泄漏等问题存在。

4）旋转孔板分为下侧的过滤区和上侧的再生区。孔板上有规律地布置着网眼，运行过程网眼部分时间位于过滤区行使过滤功能向污水换热器供应合适的污水；而部分时间位于再生区经污水换热器换热后的污水回水反洗得到再生。反洗水采用双面喷嘴清洗技术，保证了滤面的清洗效果。

2 开式取水数学模型

开式污水取水机运行物理模型如图3所示。

图3 开式取水机运行物理模型

建立数学模型时，作如下假设：1）污水中各种尺度污杂物是均匀、连续分布的；2）旋转孔板在低转速下运行，污水出流满足自由出流条件；3）每个网眼的瞬时堵塞系数与该时刻网眼中污杂物的积存量成正比；4）假设旋转孔板上网眼分布规律如下：各网眼围绕旋转轴心按同心圆环排列，过滤区网眼位置可由其所处的环序数i和环上相对网眼序数j唯一表示，即网眼位置为（i，j），其中i＝［1，m］，i＝1表示最外侧圆环；m（不超过值的最大正整数）为同心圆环数。同理，j＝ ［1，ni］，j＝1的定义如下，设τ＝0时刻，各环均有一网眼其中心位于污水的水平面，令该网眼即对应j＝1，而ni（不超过值的最大正整数，θ 是位置（i，j＝1）i的网眼的中心与旋转轴心连线与水平面的夹角）为第i环在过滤区网眼数，其中R是孔板半径，m；r0是污水溢流面上沿距旋转孔板中心的距离，m；lu，r、lu，c分别是相邻网眼在径向与环向间距，m。

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由以上假设，可知

式中：φ为网眼堵塞系数；W 为网眼污物密度，即网眼积存污物量的面积密度，kg／m2；WM为网眼完全阻塞时的污物密度，kg／m2；u为网眼出水流速，m／s；C为网眼截留浓度，即网眼截留较大尺度污杂物的浓度，kg／m3；τ为网眼进入过滤区的时间，s。

对于位置（i，j＝1）处的网眼，不同时刻τ流向蓄水腔的污水流速为

上式描述了各网眼在过滤区阻塞系数的逐时变化。当离开过滤区时，各网眼阻塞系数均达到各自最大值，即

相邻网眼间距与整个孔板的圆周相比可以忽略，因而，上述分析结果也可近似应用于网眼的其它分布规律的情形（如三角形、正方形等分布）。当一部分网眼离开过滤区时，同时有一部分网眼再生后进入，此过程循环往复、连续不断，因此就整个过滤区域而言，可认为孔板运行过程，进水流量近似不变。但以空间坐标而言，各位置相应网眼的阻塞系数是不一致的，离过滤区出口越近，阻塞系数越大。

综上，可求出特定 WM、C、R、r0、s、T 下相对应的φ、V和M 等运行参数。若设计周期T′＝T′c或者T＝Tc，则此时开式污水取水机的的各运行参数称为临界运行参数。

3 开式取水运行特性

图4～7显示了各临界运行参数随不同孔板半径R、截面系数s、网眼截留浓度C的变化关系，其中滤面完全阻塞时的滤面污物密度，根据哈尔滨某工程实例的测试数据本文均取为WM＝1.2 kg／m2。

图4显示了在s＝0.349（对应du＝0.005 m、lu，r／du＝lu、c／du＝1.5）及C＝0.3 kg／m3下，临界运行参数随孔板半径R的变化。由图4（a）、（b）可知，同一r0／R下，临界孔板旋转周期Tc与临界过滤周期T′c均随着R的增大而减少，而同一R下，Tc与T′c则均随着r0／R（或r0）的增大而增大。由图4（c）、（d）可知，同一r0／R下，滤面过水流量Vc与孔板过滤负荷Mc均随着R的增大而增大，而同一R下，Vc与Mc则均随着r0／R（或r0）的增大而减小。图5显示了在du＝0.005 m，R＝0.5 m，C＝0.3 kg／m3下，临界运行参数随截面系数s的变化。由图5（a）、（b）可知，同一r0／R下，临界孔板旋转周期Tc与临界过滤周期T′c均随着s的增大而减少，而同一s下，Tc与T′c则均随着r0／R（或r0）的增大而增大。由图5（c）、（d）可知，同一r0／R下，滤面过水流量Vc与孔板过滤负荷Mc均随着s的增大而增大，而同一s下，Vc与Mc则均随着r0／R（或r0）的增大而减小。

图4 临界运行参数随孔板半径R的变化（d u＝0.005 m、l u，r／d u＝l u、c／d u＝1.5、s＝0.349、C＝0.3 kg／m3）

图6显示了在s＝0.349（对应du＝0.005 m、lu，r／du＝lu，c／du＝1.5）及R＝0.5 m 下，临界运行参数随网眼截留浓度C的变化。由图6（a）、（b）可知，同一r0／R下，临界孔板旋转周期Tc与临界过滤周期T′c均随着C的增大而减少，而同一C下，Tc与T′c则均随着r0／R（或r0）的增大而增大。由图6（c）可知，滤面过水流量Vc与C无关，而随着r0／R（或r0）的增大而减小；而由图6（d）可知，同一r0／R 下，孔板过滤负荷Mc均随着C的增大而增大，而同一C下，Mc则均随着r0／R（或r0）的增大而减小。

图7显示了在s＝0.349（对应du＝0.005 m、lu，r／du＝lu，c／du＝1.5），R＝0.5 m、C＝0.3 kg／m3下，同一r0／R下，滤面过水流量Vc与孔板过滤负荷Mc均随着孔板旋转周期T的增大而减小，而同一T下，Vc与Mc则均随着r0／R（或r0）的增大而减小。

图5 临界运行参数随截面系数s的变化（d u＝0.005 m、R＝0.5 m、C＝0.3 kg／m3）

图6 临界运行参数随网眼截留浓度C的变化（d u＝0.005 m、l u，r／d u＝l u，c／d u＝1.5、s＝0.349、R＝0.5 m）

图7 临界运行参数随孔板旋转周期T的变化（d u＝0.005 m、l u，r／d u＝l u，c／d u＝1.5、s＝0.349、R＝0.5 m、C＝0.3 kg／m3）

4 结论

分析了开式原生污水源热泵系统的取水运行特性。通过定义网眼阻塞系数、滤面污物密度等运行参数，得出了相应的数学模型，并通过建立临界运行的参数判别依据，考察了各临界运行参数的变化关系，得出如下结论：

1）过滤区孔板外侧的网眼阻塞系数较内侧要大；出口段网眼阻塞系数较入口段大；且网眼阻塞系数随孔板旋转周期的减小而减小。

2）s及C 一定时，同一r0／R 下，Tc与T′c均随R增大而减少，而同一R下，Tc与T′c则均随r0／R增大而增大。同一r0／R下，Vc与Mc均随R增大而增大，而同一R下，Vc与Mc则均随着r0／R增大而减小。

3）du、R、C一定时，同一r0／R 下，Tc与T′c均随s增大而减少，而同一s下，Tc与T′c则均随r0／R的增大而增大。同一r0／R下，Vc与Mc均随s的增大而增大，而同一s下，Vc与Mc则均随r0／R的增大而减小。

4）s及R 一定时，同一r0／R 下，Tc与T′c均随C增大而减少，而同一C下，Tc与T′c则均随r0／R增大而增大。Vc与C无关，而随r0／R增大而减小；同一r0／R下，Mc均随C增大而增大，而同一C下，Mc则均随r0／R增大而减小。

5）s，R，C 一定时，同一r0／R 下，Vc与 Mc均着T增大而减小，而同一T下，Vc与Mc则均随r0／R增大而减小。

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（编辑 王秀玲）

Operational Analysis of Open Untreated Sewage Source Heat Pump System

Qian Jianfeng1，Zhang Jili2，Ma Liangdong2，Xu Yin1

（1.School of Energy ＆Civil Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150028，P.R.China；2.School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China）

The effective sewage intake technology is prerequisite for the untreated sewage source heat pump system to run steadily.In terms of the insufficiency of current sewage intake technologies，an open sewage intake integration technology is proposed.The mathematical model and the distinguish basis of critical state are established for the sewage intake characteristic by defining some important operating parameters，such as the blocking coefficient，the contamination density and the section coefficient.Furthermore，the change rule of each critical operation parameter is observed along with the various initial parameters.The result can provide the theoretical basis to design the open intake integration technology.

sewage source heat pump system；open intake；mathematical model；operational characteristics

TU831.6

A

1674-4764（2014）02-0062-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.010

2013-06-28

国家自然科学基金（51208160）；中国博士后科学基金（20100471447）；哈尔滨市科技创新人才专项资金（2013RFQXJ129）

钱剑峰（1979-），男，博士（后），副教授，主要从事可再生能源与建筑节能研究，（E-mail）qianjianfeng2002＠163.com。