污水源熱泵系統(tǒng)旁路串聯(lián)水泵

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1、污水源熱泵系統(tǒng)旁路串聯(lián)水泵流量特性分析哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院張承虎☆，劉志斌，吳榮華，孫德興摘要：本文建立了污水源熱泵系統(tǒng)中污水子系統(tǒng)的旁路串聯(lián)水泵模型，基于實際工程數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計算，分析了管路阻抗、水泵性能對系統(tǒng)實際用水量和流量系數(shù)的影響特性，討論了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性，論證了旁路串聯(lián)水泵的技術(shù)可行性，并據(jù)此給出了污水子系統(tǒng)雙級水泵的選擇要點和系統(tǒng)調(diào)試方法，為污水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞：污水源熱泵、雙級水泵、流量、穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)性0前言城市原生污水作為一種優(yōu)良的熱泵系統(tǒng)低位冷熱源，具有許多十分突出的優(yōu)勢：流

2、量穩(wěn)定、分布合理、取排簡便、熱容量大、換熱效率較高、冬夏溫度適宜等。但是其自身也存在一些難以回避的缺點，采用熱泵系統(tǒng)利用污水熱能的第一技術(shù)難點就是如何避免大尺度懸浮污雜物堵塞管道設(shè)備和換熱設(shè)備[1-4]。針對這一問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者研究開發(fā)了形式各樣的不同工藝和設(shè)備[5、6]，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫德興教授的科研組采用水力連續(xù)排污裝置已經(jīng)可靠地解決了“堵塞”這一難題[7、8]。采用這一裝置的污水源熱泵系統(tǒng)污水子系統(tǒng)的一個特點就是選用了雙級污水泵，其系統(tǒng)如圖1所示。圖2污水子系統(tǒng)管路阻抗圖圖1污水子系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)的起點和終點壓力均為大氣

3、壓，相對壓力為零。由于水力連續(xù)排污裝置自身的結(jié)構(gòu)和工藝特點決定了圖中3點到8點之間存在流道，即污水子系統(tǒng)的管路阻抗如圖2所示。可見，一級污水泵與二級污水泵并不是簡單的串聯(lián)關(guān)系，他們之間存在著旁通流道，筆者將這樣的水泵聯(lián)接關(guān)系稱為“旁路串聯(lián)”關(guān)系。1流量分析及控制方程基金項目：國家自然科學(xué)基金委員會資助項目（50578048）；北京市“供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程”重點實驗室開放課題（KF200503）☆張承虎，男，1980年2月生，博士研究生，150090哈爾濱工業(yè)大學(xué)二區(qū)市政環(huán)境工程學(xué)院2651#（0451）86283783，137

4、66830371E-mail:chenghuzhang@eyou.com;圖2中表示污水換熱器及其附屬管道的阻抗，它是影響系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的主要因素；、、為水力連續(xù)排污裝置的內(nèi)部阻抗，運行期間是不可改變量，而、、、為其他外部管道的阻抗，可通過改變閥門的開度來調(diào)節(jié)其阻抗值174，它們是平衡流量分配的主要手段。設(shè)定一級污水泵的工作流量為，即系統(tǒng)實際供水量；二級污水泵的工作流量為，即實際用水量，因為只有這部分流量真正進入換熱器進行了換熱；旁路的流量為，即實際漏水量，這部分流量不能參與換熱，其流向可能是從3點流向8點，也可能是從8點流向3點，本

5、文規(guī)定前者流量為正，后者流量為負。同時稱管路為一級管路，管路為二級管路。該雙級水泵污水子系統(tǒng)的另一個特點也是由于水力連續(xù)排污裝置自身的結(jié)構(gòu)和工藝特點決定的，即旁路的阻抗非常小，一般為換熱器阻抗的千分之一到百分之一。旁路小阻抗這一特點導(dǎo)致了流量分配嚴(yán)重不平衡，同時也決定了該系統(tǒng)不是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。影響流量分配平衡性的另一個重要因素就是各級水泵的流量—揚程函數(shù)、。采用流量系數(shù)作為系統(tǒng)流量分配的設(shè)計參數(shù)，同時它也是評判系統(tǒng)設(shè)計和運行是否合理的重要指標(biāo)[9]。根據(jù)基爾霍夫（Kirchhoff）定律[10]，可列如下三個方程：為了簡化計算，用表

6、示一級管路的總阻抗，用表示二級管路的總阻抗，用表示內(nèi)部漏水阻抗，并代入流量系數(shù)公式，可簡化得到：（1）（2）（3）2一般性理論分析污水子系統(tǒng)在設(shè)計時必須保證工程冷熱負荷對進入換熱器的污水流量和水溫的要求，即（設(shè)計負荷對應(yīng)的設(shè)計流量），且（保證沒有回流混水降低水溫）。理論上，時，，且3點與8點之間的壓差，此時系統(tǒng)耗功最少。但是由于調(diào)試過程中壓力表測量誤差的存在，。雖然可能會很小，但是由于也是很小的量，還是會導(dǎo)致，并且偏離較遠，即可能會很大。根據(jù)這一原則來計算和選擇兩級污水泵，即二級水泵根據(jù)設(shè)計流量及其對應(yīng)的二級管路阻力來選擇型號；二級1

7、74水泵根據(jù)流量：(4)及其對應(yīng)的一級管路阻力來選擇型號。其中稱為設(shè)計流量系數(shù)，它與壓力表精度和設(shè)計流量有關(guān)，壓力表精度越差，則設(shè)計流量系數(shù)越大，設(shè)計流量越大則設(shè)計流量系數(shù)越小。因此水力連續(xù)排污裝置所配備的壓力表應(yīng)該提高精度，同時也說明了該裝置更適用于規(guī)模較大的工程。在系統(tǒng)調(diào)試和運行期間管路阻抗和都將發(fā)生改變，例如換熱器由于軟垢的增長而導(dǎo)阻力增加等[9]，而影響調(diào)節(jié)效果和運行穩(wěn)定性的因素有，兩級水泵、的流量--揚程特性、（對實際工程用水泵都有，）。本文定義4個系統(tǒng)運行參數(shù)、、、，這些參數(shù)一方面表示系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈敏性，另一方面卻表示系統(tǒng)的

8、運行穩(wěn)定性[11]。以、、、、為可變量，（2）式和（3）式構(gòu)成的方程組可以確定兩個隱函數(shù)，即和，于是可以求出、相對于、、的變化率如下：（5-a）（5-b）（5-c）（6-a）（6-b）（6-c）其中：174（7）（5-c