污水源熱泵技術(shù)大講堂(四)

城市污水源熱泵系統(tǒng)防堵塞技術(shù)

張承虎¹、楊海濱²、劉京¹、孫德興¹

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150090；2．國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京100069）

    摘要：本文介紹了城市污水源熱泵系統(tǒng)防堵塞技術(shù)的兩個(gè)基本要素，并闡述了濾面水力連續(xù)再生技術(shù)的防堵塞原理及其設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：污水、熱泵、防堵塞、過(guò)濾

    城市污水水質(zhì)極其惡劣，在污水源熱泵利用過(guò)程中首先遇到的難題就是堵塞問(wèn)題，常見(jiàn)的堵塞點(diǎn)有水泵、閥門(mén)、下彎頭、換熱器等。防堵塞的基本思路有兩種：一是過(guò)濾，二是絞碎。目前成熟應(yīng)用的只有過(guò)濾預(yù)處理方法。本文將從污水水質(zhì)開(kāi)始，介紹工程上適用的防堵塞技術(shù)。

    1、污水污物特性

    堵塞換熱器的污雜物成分主要為大尺寸的柔性污雜物或者某一維尺寸較大的污雜物。柔性污雜物在殼管換熱器封頭部位減速，并在渦流中容易產(chǎn)生變形，增加了其黏附掛壁的概率，長(zhǎng)期積累、最終堵塞換熱器換熱管管頭。在對(duì)污雜物的尺寸進(jìn)行分類(lèi)之后，對(duì)其性質(zhì)和形狀進(jìn)行分類(lèi)是必要的。這里所說(shuō)的污雜物性質(zhì)，主要是指污雜物在流動(dòng)過(guò)程中其外觀形狀是否可能發(fā)生明顯變化，或者說(shuō)變形能力。變形能力較好的污雜物更容易堵塞換熱器。將污雜物的性質(zhì)分三類(lèi)，即硬性、脆性、柔性。柔性的污雜物——主要有毛發(fā)、塑料袋、植物莖須、人造纖維等，幾乎可以變化為各種形狀，即使某一維尺寸很小也不易穿過(guò)過(guò)濾裝置，一旦穿透濾網(wǎng)，將給換熱器帶來(lái)堵塞危險(xiǎn)。將污雜物的形狀分為五類(lèi)，即球狀、塊狀、條狀、片狀、絲狀。球狀污雜物接近球型，三維尺寸較均勻，實(shí)驗(yàn)表明其主要是細(xì)顆粒的泥沙等，一般為硬性；塊狀污雜物有一維尺寸比其它兩維要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是植物莖根、腐木、橡膠等，一般為硬性或者脆性；條狀污雜物有兩維尺寸比另一維要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是樹(shù)枝、腐骨等，一般為硬性或者脆性；片狀污雜物有一維尺寸比其它兩維要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是樹(shù)葉、動(dòng)物毛皮、塑料袋碎片等，一般為脆性或者柔性；絲狀污雜物有兩維尺寸比另一維要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是毛發(fā)、纖維等，一般為柔性。某典型污水的污物分級(jí)濃度、性質(zhì)分布、形狀分布如圖1-3所示。 

    2、防堵塞技術(shù)基本要素

    由于城市污水源熱泵的污水子系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)式系統(tǒng)，而且污水污物濃度很大，高達(dá)3‰，這就要求適用于污水源熱泵系統(tǒng)的防堵塞技術(shù)必須滿足下述兩點(diǎn)基本要求：

    （1）過(guò)濾面的連續(xù)再生：過(guò)濾總是容易的，但是針對(duì)污水而言，濾面的失效太快，通常不到一分鐘。只有濾面的連續(xù)再生，才能保證過(guò)濾的連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。濾面的再生方法有很多，主要有水力、重力、機(jī)械方法。

    （2）污雜物的連續(xù)還原：過(guò)濾下來(lái)的污雜物很多，很難處理，搬運(yùn)會(huì)造成運(yùn)行成本增加，處理不當(dāng)容易造成二次污染，因此污物應(yīng)當(dāng)還原給污水，仍然由污水輸運(yùn)。也就是說(shuō)污水熱能利用之后僅僅造成污水溫度改變，而其物理化學(xué)成分保持不變。

    此外，對(duì)于過(guò)濾濾面，如圖4所示，有以下要求或建議：

    （1）濾孔尺寸要求：濾孔尺寸指標(biāo)由三個(gè)參數(shù)組成，即濾孔直徑D，濾孔邊距W，濾孔厚度H，其中W+H稱之為濾孔纏繞長(zhǎng)度。三個(gè)參數(shù)必須根據(jù)后續(xù)換熱器的流道尺寸來(lái)確定。濾孔直徑D越小，換熱器堵塞程度越小，但過(guò)濾和再生壓力越大；纏繞長(zhǎng)度W+H越大，柔性絲狀污物越易清理，過(guò)濾和再生壓力就越小；而且W和H也存在一個(gè)合適的比例范圍。

    （2）濾孔處置要求：對(duì)于濾孔，必須采用鉆孔方式加工，并且里外兩面必須去除毛刺，打磨光滑。濾孔建議采用楔形濾孔，過(guò)濾時(shí)污水從寬口面流進(jìn)，反沖時(shí)污水從窄口面流進(jìn)。

    基于上述幾個(gè)基本要素，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了濾面水力連續(xù)再生技術(shù)及裝置，下面將進(jìn)行介紹。

     3、濾面水力連續(xù)再生技術(shù)原理

    濾面水力連續(xù)再生技術(shù)的基本思路是將濾面分成兩部分，如圖5所示，A部分濾面進(jìn)行過(guò)濾的同時(shí)B部分濾面進(jìn)行再生，這一再生過(guò)程是靠水力反沖濾面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，被沖除的污物同時(shí)被水流帶走（即污物還原）。為保證濾面的及時(shí)再生并向過(guò)濾區(qū)供應(yīng)充足的“清潔濾面”，要求整個(gè)濾面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)，再生后的“清潔濾面”將連續(xù)地進(jìn)入過(guò)濾區(qū)進(jìn)行工作，而堵塞后的“密死濾面”也將連續(xù)地進(jìn)入再生區(qū)進(jìn)行再生。這一動(dòng)態(tài)的過(guò)濾與再生過(guò)程將達(dá)到一種平衡，例如圖中p點(diǎn)位置的濾面雖然在不斷的更換，但處于這一位置的濾面的堵塞狀態(tài)都是相同的。這種動(dòng)態(tài)平衡保證了過(guò)濾區(qū)濾面始終處于一種“漸變的非完全堵塞狀態(tài)”，達(dá)到穩(wěn)定工作的目的。

    濾面水力連續(xù)再生技術(shù)具有如下特點(diǎn)：1、整個(gè)濾面被劃分為過(guò)濾區(qū)和再生區(qū)兩部分；2、整個(gè)濾面連續(xù)旋轉(zhuǎn)，保證兩部分濾面連續(xù)更替，實(shí)現(xiàn)連續(xù)再生；3、過(guò)濾區(qū)濾面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，各位置的堵塞情況是穩(wěn)態(tài)的，實(shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定；4、濾面上附著的污物依靠反沖洗來(lái)清除，實(shí)現(xiàn)水力再生；5、清除下來(lái)的污物由水流帶回污水干渠，實(shí)現(xiàn)還原。為了實(shí)現(xiàn)濾面的繞軸旋轉(zhuǎn)，濾面的形狀只有兩種，即圓板式和圓筒式，二者只存在結(jié)構(gòu)上的差異。

    4、數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)理論

    為了建立過(guò)濾過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，作如下定義和假設(shè)：

    （1）濾面截面系數(shù)：濾面的網(wǎng)眼總面積（即過(guò)水面積A′）與濾面總面A 之比，以符號(hào)µ 表示。（2）濾面完全失效：濾面濾眼完全被堵死，過(guò)流能力為零時(shí)，則稱濾面已完全失效。（3）濾面污物密度：濾面上單位過(guò)水面積覆蓋的污物質(zhì)量，單位為kg/m²，以符號(hào)σ 表示。（4）濾面失效污物密度：濾面完全失效時(shí)，單位過(guò)水面積覆蓋的污物質(zhì)量，單位為kg/m²，以符號(hào)σm 表示。（5）濾面堵塞系數(shù)：濾面上已覆蓋的污物質(zhì)量與完全失效時(shí)所能覆蓋的最大污物質(zhì)量之比，以符號(hào)? 表示，也即?=σ/σm，0≤?≤1 。（6）濾面厚度很薄時(shí)，假設(shè)濾眼的局部阻力系數(shù)不變，只要濾面兩邊的壓差不變，則濾眼的流速 u 不隨堵塞情況而變，是一常數(shù)。

     在圖5中，雖然整個(gè)濾面是動(dòng)態(tài)的，但是針對(duì)p點(diǎn)濾面而言，在其進(jìn)入過(guò)濾區(qū)到走出過(guò)濾區(qū)這段時(shí)間內(nèi)τ₀ ，p點(diǎn)濾面處于一個(gè)靜態(tài)的污物積累過(guò)程。針對(duì)具體濾面，可以建立其靜態(tài)積累的數(shù)學(xué)模型。在τ₀ 時(shí)段的某一位微元時(shí)間τd 內(nèi)，p點(diǎn)濾面堵塞系數(shù)的變化量為：

      （1）

    初始條件τ=0 ，? =0 ，解得：

      （2）

定義?=0.95 時(shí)濾面就已完全失效。一般城市污水>4mm的污物濃度為，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，當(dāng)過(guò)濾流速 時(shí)，濾面完全失效的時(shí)間為

           （3）

    計(jì)算得6.54s，可見(jiàn)濾面的完全失效時(shí)間很短，也說(shuō)明了傳統(tǒng)的間歇再生周期必須在6.54s左右，這是很難達(dá)到的。

表1 流量1000m³/h的濾面水力連續(xù)再生裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

    6、結(jié)論

    城市污水的懸浮污雜物按性質(zhì)可分為柔性、脆性和硬性三類(lèi)，按形狀可分為球狀、塊狀、條狀、片狀、絲狀。柔性的片狀、絲狀物是堵塞系統(tǒng)的罪魁禍?zhǔn)?。防堵塞的基本思路有兩種：第一是過(guò)濾；第二是絞碎。目前成熟的是預(yù)過(guò)濾技術(shù)。適用于城市污水源熱泵系統(tǒng)的預(yù)過(guò)濾技術(shù)必須滿足兩點(diǎn)基本要求：（1）過(guò)濾面的連續(xù)再生；（2）污雜物的連續(xù)還原。濾面水力連續(xù)再生技術(shù)與裝置是解決污水源熱泵系統(tǒng)堵塞難題的成熟技術(shù)。