熱泵驅動廢液濃縮處理裝置性能研究

張慧晨, 柳建華,2, 徐小進, 成 蕾, 張 良, 邱王璋

(1. 上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200093；2. 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室, 上海 200093；3. 中國船舶重工集團公司 第七○四研究所, 上海 200031)

隨著“中國制造2025”的不斷推進,大飛機工程最引人矚目。大飛機是指起飛總重量超過100 t的運輸類飛機,包括軍用、民用以及150座以上的干線客機[1-2]。鋁合金由于低密度、高強度、耐腐蝕、易導熱、良好的可塑性以及加工性、低成本等一系列優點而被廣泛用于航空領域[3-4]。然而,傳統鋁合金很難滿足不斷增長的技術需求,需將傳統鋁合金浸于鈍化清洗液中進行鈍化處理,以提高其使用性能。鋁合金鈍化過程需使用大量鈍化清洗液,鈍化完成后產生大量鈍化清洗廢液。由于廢液中含有大量重金屬離子,需將廢液以危險廢棄液處理標準送至專業廢液處理機構,處理成本高。由于鈍化清洗廢液中含水率高達90%,如能在不對環境造成二次污染的前提下,對鈍化清洗廢液進行預處理,實現溶劑水與重金屬溶質等的分離,將大大減少廢水處理量,最大限度地降低處理成本。

本科畢業設計是本科教育階段的最后一個實踐教學環節,擔當畢業生培養質量出口把關的重任[5-6]，畢業設計既是對學生學習、實踐與研究能力的培養與鍛煉,又是對學生本科階段學習成果的檢驗[7-8]。本文以熱泵驅動小型廢液濃縮處理裝置性能測試與分析作為橋梁,將工程實際與本科畢業設計相聯系,并引導學生綜合運用所學知識解決實際問題的基礎上完成畢業設計論文。

1 測試裝置與測試方法

蒸發濃縮法是最常見的廢水濃縮處理方法。蒸發濃縮法是借助外部熱源使溶液中部分溶劑汽化,溶質留在未蒸發的溶劑中,蒸汽收集后再經冷凝,冷凝液中含有濃度極低的不揮發溶質,使廢水得以凈化[9]。低溫表面蒸發法是在常壓的范疇內相對于高溫蒸發法以及沸騰蒸發法的一種蒸發方法[10-11]。該方法適用于低沸點溶質的濃縮。采用低溫表面蒸發法處理含水率較高的低沸點危險廢液,不僅可以避免濃縮處理過程中低沸點污染物的夾帶以及發生化學反應等問題,還可以避免高溫蒸發濃縮法對熱源溫度的要求。

塔器是最常用的蒸發濃縮設備,按照結構不同,塔器主要分為板式塔和填料塔。前者結構較為簡單,造價低廉,但分離效率較低,壓降大；后者具有較高的分離效率,壓降低等優點[12]。為了獲得更高的濃縮效率,本文采用逆流型填料塔對廢液進行濃縮處理,系統工作流程如圖1所示。廢液濃縮處理器的參數：迎風面長0.85 m、寬0.6 m;填料高0.4 m，填料比表面積為550 m2/m3。系統主要部件及測量儀表見表1。

圖1 系統工作流程

名稱型號參數風機2.8A-1.5kW-2P最大風量2356m3/h廢液泵CM3-2最大流量4 m3/h空氣進出口溫濕度測量VAISALA溫度:-40～+60 ℃相對濕度:0～100%廢液密度測量比重計精度:±1 kg/m3廢液溫度測量Pt100電阻精度:±0.1 ℃空氣流量測量皮托管直徑:φ6 mm廢液流量測量塑料浮子流量計精度:±0.01m3/h

由圖1可知,熱泵驅動小型廢液濃縮處理裝置主要由廢液濃縮處理系統、空氣循環系統以及熱泵系統3部分組成。其中廢液濃縮處理系統由廢液濃縮處理器、廢液儲存箱、廢液泵、廢液冷凝器、風冷冷凝器組成。廢液箱中廢液經由廢液泵與廢液冷凝器進行熱交換后噴淋至填料表面,在廢液濃縮處理器中,高溫廢液與循環空氣直接接觸后,廢液中水分遷移至空氣,去濕后的廢液再回流至廢液儲存箱中。

空氣循環系統由風機、廢液濃縮處理器、蒸發器組成。在空氣循環系統中,低溫高濕(高相對濕度,低含濕量)空氣經廢液濃縮處理器后廢液中的水分遷移至空氣形成高溫高濕(高相對濕度,高含濕量)空氣，進入蒸發器后部分水分凝結再形成低溫高濕空氣，供廢液濃縮處理器循環使用。本次實驗中,為穩定實驗條件,實現對裝置處理效果準確分析,需將凝結后的液態水直接循環至廢液儲存箱中,確保廢液濃度不變。

熱泵系統由壓縮機、廢液冷凝器、風冷冷凝器、節流閥、蒸發器等組成。熱泵系統既為廢液濃縮處理裝置提供冷量，又為該系統提供熱量,實現冷量與熱量的雙重利用[10-11]。

實驗中通過對蒸發器進出口空氣干球溫度、相對濕度進行測量，從而確定循環空氣進出口含濕量,通過對廢液噴淋溫度以及廢液密度進行測量,從而確定廢液濃度和廢液表面含濕量。在風管尺寸已知的條件下,利用畢托管對風管中的風速進行測量,從而確定循環風量。在廢液泵后加裝塑料浮子流量計以測試廢液循環流量。測試過程：(1)穩定廢液噴淋溫度以及濃度,改變廢液量與空氣流量,對濃縮量以及傳質效率進行測量；(2)穩定廢液與空氣流量、濃度,改變廢液溫度對濃縮量以及傳質效率進行測量。

2 測試原理

在逆流填料塔中,當空氣與廢液直接接觸時,由于空氣中水蒸氣分壓力低于廢液表面水蒸氣分壓力,空氣吸收廢液中的水分,當系統穩定運行后,廢液去除的水分與空氣吸收的水分將達到動態平衡的狀態。廢液和空氣之間遵循質量守恒定律,廢液的去濕量等于空氣的吸濕量,即

mlΔdl=maΔda

(1)

式中,ml為廢液的質量流率,kg/s；ma為空氣的質量流率,kg/s；Δdl為單位質量廢液去濕量,kg/kg；Δda為單位質量空氣吸濕量,kg/kg。

廢液濃縮效果可以通過廢液濃縮量和濃縮效率進行衡量,廢液濃縮量指單位質量廢液經過填料塔后的去濕量,又因廢液和空氣直接遵循質量守恒定律,即廢液濃縮量又指單位質量空氣經過填料塔后的吸濕量。廢液濃縮量Δd的計算公式如下：

Δd=da,o-da,i

(2)

式中，da,i、da,o分別為進、出口空氣的含濕量,kg/kg。

濃縮效率ε可以通過被處理廢液實際達到的濕度變化幅度與理論最大濕度變化幅度的比值,即

(3)

3 測試結果與分析

對于逆流填料塔,影響廢液濃縮量和濃縮效率的因素有填料塔結構和填料塔操作條件。當設備已設計完畢后,填料塔結構已固定。填料塔的操作條件即廢液質量流量、空氣質量流量、廢液溫度和濃度將對廢液濃縮量和濃縮效率起決定性影響。為確保裝置運行狀況最優即具有最佳濃縮量和濃縮效率,需改變上述參數后進行測試。

3.1 液氣質量流量比對濃縮量和濃縮效率的影響

圖2為液氣質量流量比改變時對廢液濃縮量和濃縮效率的影響關系,即當廢液噴淋溫度為40 ℃、廢液質量分數為90%、廢液質量流量為0.31 kg/s、循環風量分別為1 862、1 325、1 028、843、664、512、421、365 m3/h時,廢液濃縮量和濃縮效率與液氣質量流量比之間的關系。由圖2可知,廢液濃縮量隨液氣質量流量比的增加而減小,廢液濃縮效率隨液氣質量流量比的增加而增加,兩者趨勢相反。這是因為當廢液質量流量保持不變時,循環風量增加后,空氣平均相對吸濕能力增加,但單位質量流率的空氣吸濕能力降低,故濃縮量增加,濃縮效率降低。因此,為確保裝置運行時具備較高的濃縮量以及濃縮效率,液氣質量流量比不能過高或過低。當圖2中兩趨勢線交叉時,即液氣質量流量比為1.1時,裝置濃縮量不會過低,濃縮效率亦不會過低,兩者均處于較適宜狀態。

圖2 液氣比對廢液濃縮量和濃縮效率的影響

3.2 廢液溫度對廢液濃縮量和濃縮效率的影響

圖3為循環風量為664 m3/h、廢液質量流量為0.31 kg/s、液氣質量流量比為1.1、廢液質量分數為90%、廢液溫度為25～45 ℃時,廢液濃縮量、濃縮效率與廢液溫度之間的關系。由圖3可知,當廢液溫度升高時,廢液濃縮量以及廢液濃縮效率均隨之增加,但當溫度超過40 ℃以后,廢液濃縮效率隨溫度變化不明顯,基本趨于穩定狀態。本裝置中廢液溫度受限于熱泵系統,當廢液溫度過高時,熱泵系統冷凝散熱效果變差,熱量散不出去,熱泵系統將會停機,因此廢液溫度不能過高。當圖3中兩趨勢線交叉時,即廢液溫度為42 ℃時,既能避免廢液溫度過高影響熱泵系統穩定運行,又能保證裝置運行過程中具備較高的濃縮效率和濃縮量。

圖3 廢液溫度對廢液濃縮量與廢液濃縮效率的影響

4 結語

本文通過對已有熱泵驅動廢液濃縮處理裝置性能測試與分析,實現了實際工程與本科畢業設計的有效結合,既可避免立題枯燥，又可充分調動學生積極性,并且研究成果可應用于工程實際,具有重要的社會意義。