污水源热泵技术大讲堂(四)-城市污水源热泵系统防堵塞技术

污水源热泵技术大讲堂(四)

城市污水源热泵系统防堵塞技术

张承虎¹、杨海滨²、刘京¹、孙德兴¹

（1．哈尔滨工业大学，哈尔滨150090；2．国内贸易工程设计研究院，北京100069）

    摘要：本文介绍了城市污水源热泵系统防堵塞技术的两个基本要素，并阐述了滤面水力连续再生技术的防堵塞原理及其设计方法。

    关键词：污水、热泵、防堵塞、过滤

    城市污水水质极其恶劣，在污水源热泵利用过程中首先遇到的难题就是堵塞问题，常见的堵塞点有水泵、阀门、下弯头、换热器等。防堵塞的基本思路有两种：一是过滤，二是绞碎。目前成熟应用的只有过滤预处理方法。本文将从污水水质开始，介绍工程上适用的防堵塞技术。

    1、污水污物特性

    堵塞换热器的污杂物成分主要为大尺寸的柔性污杂物或者某一维尺寸较大的污杂物。柔性污杂物在壳管换热器封头部位减速，并在涡流中容易产生变形，增加了其黏附挂壁的概率，长期积累、最终堵塞换热器换热管管头。在对污杂物的尺寸进行分类之后，对其性质和形状进行分类是必要的。这里所说的污杂物性质，主要是指污杂物在流动过程中其外观形状是否可能发生明显变化，或者说变形能力。变形能力较好的污杂物更容易堵塞换热器。将污杂物的性质分三类，即硬性、脆性、柔性。柔性的污杂物——主要有毛发、塑料袋、植物茎须、人造纤维等，几乎可以变化为各种形状，即使某一维尺寸很小也不易穿过过滤装置，一旦穿透滤网，将给换热器带来堵塞危险。将污杂物的形状分为五类，即球状、块状、条状、片状、丝状。球状污杂物接近球型，三维尺寸较均匀，实验表明其主要是细颗粒的泥沙等，一般为硬性；块状污杂物有一维尺寸比其它两维要小一个数量级，主要是植物茎根、腐木、橡胶等，一般为硬性或者脆性；条状污杂物有两维尺寸比另一维要小一个数量级，主要是树枝、腐骨等，一般为硬性或者脆性；片状污杂物有一维尺寸比其它两维要小两个数量级，主要是树叶、动物毛皮、塑料袋碎片等，一般为脆性或者柔性；丝状污杂物有两维尺寸比另一维要小两个数量级，主要是毛发、纤维等，一般为柔性。某典型污水的污物分级浓度、性质分布、形状分布如图1-3所示。 

    2、防堵塞技术基本要素

    由于城市污水源热泵的污水子系统是一个开式系统，而且污水污物浓度很大，高达3‰，这就要求适用于污水源热泵系统的防堵塞技术必须满足下述两点基本要求：

    （1）过滤面的连续再生：过滤总是容易的，但是针对污水而言，滤面的失效太快，通常不到一分钟。只有滤面的连续再生，才能保证过滤的连续正常运转。滤面的再生方法有很多，主要有水力、重力、机械方法。

    （2）污杂物的连续还原：过滤下来的污杂物很多，很难处理，搬运会造成运行成本增加，处理不当容易造成二次污染，因此污物应当还原给污水，仍然由污水输运。也就是说污水热能利用之后仅仅造成污水温度改变，而其物理化学成分保持不变。

    此外，对于过滤滤面，如图4所示，有以下要求或建议：

    （1）滤孔尺寸要求：滤孔尺寸指标由三个参数组成，即滤孔直径D，滤孔边距W，滤孔厚度H，其中W+H称之为滤孔缠绕长度。三个参数必须根据后续换热器的流道尺寸来确定。滤孔直径D越小，换热器堵塞程度越小，但过滤和再生压力越大；缠绕长度W+H越大，柔性丝状污物越易清理，过滤和再生压力就越小；而且W和H也存在一个合适的比例范围。

    （2）滤孔处置要求：对于滤孔，必须采用钻孔方式加工，并且里外两面必须去除毛刺，打磨光滑。滤孔建议采用楔形滤孔，过滤时污水从宽口面流进，反冲时污水从窄口面流进。

    基于上述几个基本要素，哈尔滨工业大学开发了滤面水力连续再生技术及装置，下面将进行介绍。

     3、滤面水力连续再生技术原理

    滤面水力连续再生技术的基本思路是将滤面分成两部分，如图5所示，A部分滤面进行过滤的同时B部分滤面进行再生，这一再生过程是靠水力反冲滤面来实现的，被冲除的污物同时被水流带走（即污物还原）。为保证滤面的及时再生并向过滤区供应充足的“清洁滤面”，要求整个滤面作旋转运动，这样一来，再生后的“清洁滤面”将连续地进入过滤区进行工作，而堵塞后的“密死滤面”也将连续地进入再生区进行再生。这一动态的过滤与再生过程将达到一种平衡，例如图中p点位置的滤面虽然在不断的更换，但处于这一位置的滤面的堵塞状态都是相同的。这种动态平衡保证了过滤区滤面始终处于一种“渐变的非完全堵塞状态”，达到稳定工作的目的。

    滤面水力连续再生技术具有如下特点：1、整个滤面被划分为过滤区和再生区两部分；2、整个滤面连续旋转，保证两部分滤面连续更替，实现连续再生；3、过滤区滤面达到动态平衡，各位置的堵塞情况是稳态的，实现流量稳定；4、滤面上附着的污物依靠反冲洗来清除，实现水力再生；5、清除下来的污物由水流带回污水干渠，实现还原。为了实现滤面的绕轴旋转，滤面的形状只有两种，即圆板式和圆筒式，二者只存在结构上的差异。

    4、数学模型与设计理论

    为了建立过滤过程的数学模型，作如下定义和假设：

    （1）滤面截面系数：滤面的网眼总面积（即过水面积A′）与滤面总面A 之比，以符号µ 表示。（2）滤面完全失效：滤面滤眼完全被堵死，过流能力为零时，则称滤面已完全失效。（3）滤面污物密度：滤面上单位过水面积覆盖的污物质量，单位为kg/m²，以符号σ 表示。（4）滤面失效污物密度：滤面完全失效时，单位过水面积覆盖的污物质量，单位为kg/m²，以符号σm 表示。（5）滤面堵塞系数：滤面上已覆盖的污物质量与完全失效时所能覆盖的最大污物质量之比，以符号? 表示，也即?=σ/σm，0≤?≤1 。（6）滤面厚度很薄时，假设滤眼的局部阻力系数不变，只要滤面两边的压差不变，则滤眼的流速 u 不随堵塞情况而变，是一常数。

     在图5中，虽然整个滤面是动态的，但是针对p点滤面而言，在其进入过滤区到走出过滤区这段时间内τ₀ ，p点滤面处于一个静态的污物积累过程。针对具体滤面，可以建立其静态积累的数学模型。在τ₀ 时段的某一位微元时间τd 内，p点滤面堵塞系数的变化量为：

      （1）

    初始条件τ=0 ，? =0 ，解得：

      （2）

定义?=0.95 时滤面就已完全失效。一般城市污水>4mm的污物浓度为，经实验测得的，当过滤流速 时，滤面完全失效的时间为

           （3）

    计算得6.54s，可见滤面的完全失效时间很短，也说明了传统的间歇再生周期必须在6.54s左右，这是很难达到的。

表1 流量1000m³/h的滤面水力连续再生装置设计参数

    6、结论

    城市污水的悬浮污杂物按性质可分为柔性、脆性和硬性三类，按形状可分为球状、块状、条状、片状、丝状。柔性的片状、丝状物是堵塞系统的罪魁祸首。防堵塞的基本思路有两种：第一是过滤；第二是绞碎。目前成熟的是预过滤技术。适用于城市污水源热泵系统的预过滤技术必须满足两点基本要求：（1）过滤面的连续再生；（2）污杂物的连续还原。滤面水力连续再生技术与装置是解决污水源热泵系统堵塞难题的成熟技术。