热泵驱动废液浓缩处理装置性能研究

张慧晨, 柳建华,2, 徐小进, 成 蕾, 张 良, 邱王璋

(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○四研究所, 上海 200031)

随着“中国制造2025”的不断推进,大飞机工程最引人瞩目。大飞机是指起飞总重量超过100 t的运输类飞机,包括军用、民用以及150座以上的干线客机[1-2]。铝合金由于低密度、高强度、耐腐蚀、易导热、良好的可塑性以及加工性、低成本等一系列优点而被广泛用于航空领域[3-4]。然而,传统铝合金很难满足不断增长的技术需求,需将传统铝合金浸于钝化清洗液中进行钝化处理,以提高其使用性能。铝合金钝化过程需使用大量钝化清洗液,钝化完成后产生大量钝化清洗废液。由于废液中含有大量重金属离子,需将废液以危险废弃液处理标准送至专业废液处理机构,处理成本高。由于钝化清洗废液中含水率高达90%,如能在不对环境造成二次污染的前提下,对钝化清洗废液进行预处理,实现溶剂水与重金属溶质等的分离,将大大减少废水处理量,最大限度地降低处理成本。

本科毕业设计是本科教育阶段的最后一个实践教学环节,担当毕业生培养质量出口把关的重任[5-6]，毕业设计既是对学生学习、实践与研究能力的培养与锻炼,又是对学生本科阶段学习成果的检验[7-8]。本文以热泵驱动小型废液浓缩处理装置性能测试与分析作为桥梁,将工程实际与本科毕业设计相联系,并引导学生综合运用所学知识解决实际问题的基础上完成毕业设计论文。

1 测试装置与测试方法

蒸发浓缩法是最常见的废水浓缩处理方法。蒸发浓缩法是借助外部热源使溶液中部分溶剂汽化,溶质留在未蒸发的溶剂中,蒸汽收集后再经冷凝,冷凝液中含有浓度极低的不挥发溶质,使废水得以净化[9]。低温表面蒸发法是在常压的范畴内相对于高温蒸发法以及沸腾蒸发法的一种蒸发方法[10-11]。该方法适用于低沸点溶质的浓缩。采用低温表面蒸发法处理含水率较高的低沸点危险废液,不仅可以避免浓缩处理过程中低沸点污染物的夹带以及发生化学反应等问题,还可以避免高温蒸发浓缩法对热源温度的要求。

塔器是最常用的蒸发浓缩设备,按照结构不同,塔器主要分为板式塔和填料塔。前者结构较为简单,造价低廉,但分离效率较低,压降大；后者具有较高的分离效率,压降低等优点[12]。为了获得更高的浓缩效率,本文采用逆流型填料塔对废液进行浓缩处理,系统工作流程如图1所示。废液浓缩处理器的参数：迎风面长0.85 m、宽0.6 m;填料高0.4 m，填料比表面积为550 m2/m3。系统主要部件及测量仪表见表1。

图1 系统工作流程

名称型号参数风机2.8A-1.5kW-2P最大风量2356m3/h废液泵CM3-2最大流量4 m3/h空气进出口温湿度测量VAISALA温度:-40～+60 ℃相对湿度:0～100%废液密度测量比重计精度:±1 kg/m3废液温度测量Pt100电阻精度:±0.1 ℃空气流量测量皮托管直径:φ6 mm废液流量测量塑料浮子流量计精度:±0.01m3/h

由图1可知,热泵驱动小型废液浓缩处理装置主要由废液浓缩处理系统、空气循环系统以及热泵系统3部分组成。其中废液浓缩处理系统由废液浓缩处理器、废液储存箱、废液泵、废液冷凝器、风冷冷凝器组成。废液箱中废液经由废液泵与废液冷凝器进行热交换后喷淋至填料表面,在废液浓缩处理器中,高温废液与循环空气直接接触后,废液中水分迁移至空气,去湿后的废液再回流至废液储存箱中。

空气循环系统由风机、废液浓缩处理器、蒸发器组成。在空气循环系统中,低温高湿(高相对湿度,低含湿量)空气经废液浓缩处理器后废液中的水分迁移至空气形成高温高湿(高相对湿度,高含湿量)空气，进入蒸发器后部分水分凝结再形成低温高湿空气，供废液浓缩处理器循环使用。本次实验中,为稳定实验条件,实现对装置处理效果准确分析,需将凝结后的液态水直接循环至废液储存箱中,确保废液浓度不变。

热泵系统由压缩机、废液冷凝器、风冷冷凝器、节流阀、蒸发器等组成。热泵系统既为废液浓缩处理装置提供冷量，又为该系统提供热量,实现冷量与热量的双重利用[10-11]。

实验中通过对蒸发器进出口空气干球温度、相对湿度进行测量，从而确定循环空气进出口含湿量,通过对废液喷淋温度以及废液密度进行测量,从而确定废液浓度和废液表面含湿量。在风管尺寸已知的条件下,利用毕托管对风管中的风速进行测量,从而确定循环风量。在废液泵后加装塑料浮子流量计以测试废液循环流量。测试过程：(1)稳定废液喷淋温度以及浓度,改变废液量与空气流量,对浓缩量以及传质效率进行测量；(2)稳定废液与空气流量、浓度,改变废液温度对浓缩量以及传质效率进行测量。

2 测试原理

在逆流填料塔中,当空气与废液直接接触时,由于空气中水蒸气分压力低于废液表面水蒸气分压力,空气吸收废液中的水分,当系统稳定运行后,废液去除的水分与空气吸收的水分将达到动态平衡的状态。废液和空气之间遵循质量守恒定律,废液的去湿量等于空气的吸湿量,即

mlΔdl=maΔda

(1)

式中,ml为废液的质量流率,kg/s；ma为空气的质量流率,kg/s；Δdl为单位质量废液去湿量,kg/kg；Δda为单位质量空气吸湿量,kg/kg。

废液浓缩效果可以通过废液浓缩量和浓缩效率进行衡量,废液浓缩量指单位质量废液经过填料塔后的去湿量,又因废液和空气直接遵循质量守恒定律,即废液浓缩量又指单位质量空气经过填料塔后的吸湿量。废液浓缩量Δd的计算公式如下：

Δd=da,o-da,i

(2)

式中，da,i、da,o分别为进、出口空气的含湿量,kg/kg。

浓缩效率ε可以通过被处理废液实际达到的湿度变化幅度与理论最大湿度变化幅度的比值,即

(3)

3 测试结果与分析

对于逆流填料塔,影响废液浓缩量和浓缩效率的因素有填料塔结构和填料塔操作条件。当设备已设计完毕后,填料塔结构已固定。填料塔的操作条件即废液质量流量、空气质量流量、废液温度和浓度将对废液浓缩量和浓缩效率起决定性影响。为确保装置运行状况最优即具有最佳浓缩量和浓缩效率,需改变上述参数后进行测试。

3.1 液气质量流量比对浓缩量和浓缩效率的影响

图2为液气质量流量比改变时对废液浓缩量和浓缩效率的影响关系,即当废液喷淋温度为40 ℃、废液质量分数为90%、废液质量流量为0.31 kg/s、循环风量分别为1 862、1 325、1 028、843、664、512、421、365 m3/h时,废液浓缩量和浓缩效率与液气质量流量比之间的关系。由图2可知,废液浓缩量随液气质量流量比的增加而减小,废液浓缩效率随液气质量流量比的增加而增加,两者趋势相反。这是因为当废液质量流量保持不变时,循环风量增加后,空气平均相对吸湿能力增加,但单位质量流率的空气吸湿能力降低,故浓缩量增加,浓缩效率降低。因此,为确保装置运行时具备较高的浓缩量以及浓缩效率,液气质量流量比不能过高或过低。当图2中两趋势线交叉时,即液气质量流量比为1.1时,装置浓缩量不会过低,浓缩效率亦不会过低,两者均处于较适宜状态。

图2 液气比对废液浓缩量和浓缩效率的影响

3.2 废液温度对废液浓缩量和浓缩效率的影响

图3为循环风量为664 m3/h、废液质量流量为0.31 kg/s、液气质量流量比为1.1、废液质量分数为90%、废液温度为25～45 ℃时,废液浓缩量、浓缩效率与废液温度之间的关系。由图3可知,当废液温度升高时,废液浓缩量以及废液浓缩效率均随之增加,但当温度超过40 ℃以后,废液浓缩效率随温度变化不明显,基本趋于稳定状态。本装置中废液温度受限于热泵系统,当废液温度过高时,热泵系统冷凝散热效果变差,热量散不出去,热泵系统将会停机,因此废液温度不能过高。当图3中两趋势线交叉时,即废液温度为42 ℃时,既能避免废液温度过高影响热泵系统稳定运行,又能保证装置运行过程中具备较高的浓缩效率和浓缩量。

图3 废液温度对废液浓缩量与废液浓缩效率的影响

4 结语

本文通过对已有热泵驱动废液浓缩处理装置性能测试与分析,实现了实际工程与本科毕业设计的有效结合,既可避免立题枯燥，又可充分调动学生积极性,并且研究成果可应用于工程实际,具有重要的社会意义。