我国污水源热泵空调污水取水换热技术进展分析

  我国学者早在20 世纪80 年代末就开始关注国外污水源热泵技术的研究与应用进展。马最良等人分析了工业污水源热泵在不同地区的节能效果[ 26] 。我国首例城市污水源热泵系统到2000 年才在北京高碑店污水处理厂示范成功[ 10-11] 。青岛某酒店于2003 年进行了原生污水水源热泵尝试,原理如图6 所示, 利用A ～ D 4 个阀门来实现对过滤面的反冲洗。由于污水杂质浓度很高, 所要求的反冲洗周期很短, 阀门切换时间无法满足反冲洗要求, 所以此系统应用效果不理想。

 

  图7 为目前大连华峰化工公司采用的污水过滤器, 电动机带动旋转椭圆管转动, 污水进入腔体内由孔板过滤, 孔板上的污杂物在旋转椭圆管的作用下由排污孔排除。在实际运行过程中, 此系统旋转椭圆管与孔板之间有一定的间隙, 长时间运行后在腔体内会沉积大量的污物, 同时污水的排污量较大。

 

  真正对我国城市污水源热泵空调技术的应用和发展起到重大推动作用的研究, 是哈尔滨工业大学孙德兴的科研团队完成的。他们提出了城市原生污水热能资源化工艺与技术, 利用旋转滤面连续再生技术开发了闭式污水取水装置[ 19] , 其原理图如图8 所示。该技术最早于2003 年9 月应用于哈尔滨望江宾馆[ 27] 。目前, 已在哈尔滨、大庆、北京、天津等多个城市获得了成功的应用, 取得了很好的节能环保效果。

 

  在理论研究方面, 吴荣华等人以污水换热器为对象, 连续测试分析了原生污水在换热器中的流动阻塞特性, 分析了污水污泥对换热器污染变化过程及其对污水换热器设计的影响;指出原生污水流动换热效果很差, 且受污水流速的影响很小, 原生污水流动具有非牛顿特性, 常规的换热准则不适用于污水[ 18] 。从设计和运行的角度, 吴荣华等人研究了该系统制热和制冷工况下的运行参数, 评价了系统的运行效率[ 27] , 研究了双级污水泵的运行调节特性[ 28] 。针对污水厂二级污水, 姚杨等人提出了基于淋激式换热器的污水源热泵系统, 完成了淋激式换热器的结构设计、热泵系统关键设备设计和淋激式换热器污垢热阻变化对热泵系统性能影响的仿真分析等[ 29-31] 。

 

  毕海洋开发了旋转板式自动除污取水装置和旋转筒式自动除污取水装置[ 32] 。如图9 所示, 旋转板式自动除污取水装置采用了锥体或球冠形孔板过滤盘和与之配合的斜口椭圆形吸水管口和排水管口, 避免了取水装置中吸、排水管口处的污水短路问题。而图10 所示的旋转筒式自动除污取水装置依靠重力取水, 避免了吸、排水管口处的低位冷热源短路问题[ 32] 。为提高污水源热泵系统的污水换热效率, 毕海洋提出了如图11 所示的污水换热过程流化除垢与强化换热方法, 利用小球在换热器中与换热管壁的碰撞作用, 实现对管壁的除垢和强化换热;研究了小尺度污杂物在换热过程中的污垢形成机理及其对换热性能的影响, 试验研究了流化强化换热的效果, 为污水源热泵系统污水防垢和强化换热提供了新思路[ 32] 。

 

  笔者针对现有污水取水机存在的内泄漏问题,提出了开式循环集成式污水取水技术, 开发了如图12 所示的开式循环集成式污水取水装置。该装置能在常压下运行, 降低了材料强度要求, 材料选择范围广;设备自身阻力损失小, 降低了污水潜水泵与污水循环泵扬程, 降低了取水运行能耗;无动密封与泄漏问题, 设备简单, 易于加工。此装置既适用于污水热能间接提取取水系统, 也适用于污水热能直接提取取水系统。笔者对壳管式污水换热器管内污泥污垢生长特性和除污强化换热方法进行了试验研究, 建立了热阻法冷凝换热管内污垢生长特性试验台, 试验研究了污水换热管污泥污垢生长特性曲线, 研究表明, 新的换热管连续运行190 h左右后, 其污泥污垢热阻即达到最大值, 需要对管内污水侧进行清洗除污[ 33] 。为实现管内自动除污, 笔者提出了能够与壳管式换热器一体化的旋转四通换向阀[ 34] , 如图13 所示, 实现了换热管内污水流向的自动换向, 试验研究了不同反冲洗流速下的反冲洗除污效果[ 33] , 并提出了污水换热管内置弹簧除污方法, 如图14 所示, 试验研究了该方法的除污特性, 目前已有产品应用于天津某原生污水源热泵系统中。