劉志斌，馬良棟，張吉禮

（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)水力特性數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行分析

劉志斌，馬良棟，張吉禮

（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

針對污水源熱泵系統(tǒng)中過濾除污裝置流量穩(wěn)定性差、不易調(diào)節(jié)并影響換熱器效率的問題，介紹了新型半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)，研究了其工作原理，通過建立數(shù)學(xué)模型分析了污水中污雜物濃度、污水的液面高度、孔板的旋轉(zhuǎn)周期對其過流量、過濾負(fù)荷、濾面堵塞系數(shù)的影響。結(jié)果表明：污水液面高度、孔板旋轉(zhuǎn)周期一定的條件下，污水濃度增加將導(dǎo)致孔板過流量減小，濾面堵塞系數(shù)增加；通過調(diào)整液面高度和孔板旋轉(zhuǎn)周期可調(diào)節(jié)由于污水中污雜物濃度變化對孔板過流量的影響，且孔板旋轉(zhuǎn)周期調(diào)節(jié)效果優(yōu)于液面高度。

污水源熱泵；過流量；過濾負(fù)荷；堵塞系數(shù)

利用熱泵回收城市污水及地表水（江、河、湖、海水）中的低品位熱能節(jié)能環(huán)保意義重大［1－2］。城市原生污水具有流量穩(wěn)定、分布合理、取排簡便、熱容量大、換熱效率較高、冬夏溫度適宜的優(yōu)點(diǎn)，針對它的研究和應(yīng)用正在快速發(fā)展［3－8］。城市原生污水含有各種尺度的污雜物，利用過程中為保證換熱設(shè)備不被堵塞，需采用合理的過濾除污技術(shù)，例如旋轉(zhuǎn)式篩分器［9］、多濾面水力反沖洗系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)式連續(xù)除污過濾器、自動(dòng)清洗濾水裝置［10］等。上述過濾除污裝置采取機(jī)械刮剝、人工定期刷洗等方法來解決污水取水過程中污雜物過濾和清除問題，存在工作量大、運(yùn)行工況不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。在中國，基于濾面水力連續(xù)再生裝置的水力反沖洗技術(shù)在多個(gè)工程中得到了應(yīng)用［11］。該裝置存在流量穩(wěn)定性較差、不易調(diào)節(jié)、取排水易混合而影響換熱器效率的問題［12］。文獻(xiàn)［13］針對開式取水機(jī)工作原理建立的數(shù)學(xué)模型，分析了其運(yùn)行特性，但未準(zhǔn)確給出過濾孔堵塞系數(shù)和孔板過流量的計(jì)算方法，從而無法分析取水機(jī)的調(diào)節(jié)和控制特性。因此，本文從便于設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制角度出發(fā)，介紹了半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水除污機(jī)工作原理，通過建立半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水除污機(jī)的數(shù)學(xué)模型來分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對其設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性的影響。

1 工作原理

半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水除污機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)備由箱體、雜質(zhì)分離腔、蓄水腔、排污腔、清洗腔、旋轉(zhuǎn)孔板、隔板、污水進(jìn)出水管等組成?？装逵呻姍C(jī)通過皮帶傳動(dòng)在箱體內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？装逵筛舭宸殖?部分，如圖1（d）所示。分區(qū)隔板將孔板分成2部分，I部分（過濾區(qū)）濾面浸沒在污水中，將水箱分成雜質(zhì)分離腔和蓄水腔2部分，污雜物被孔板阻擋在雜質(zhì)分離腔內(nèi)；II部分（清洗區(qū)）裸露在清洗腔內(nèi)，由清洗管將附著在旋轉(zhuǎn)孔板上的污雜物清洗掉使孔板恢復(fù)清潔狀態(tài)，清洗掉的污雜物將滑落在排污腔同污水一起排回污水取水點(diǎn)下游。為保證可利用污水流量穩(wěn)定，過濾區(qū)內(nèi)孔板的過濾面積應(yīng)保持穩(wěn)定，通過電機(jī)帶動(dòng)孔板旋轉(zhuǎn)，使孔板在過濾區(qū)和清洗區(qū)內(nèi)更替，保證污水取水換熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行［13］。

可以看到，處于過濾區(qū)內(nèi)的每一個(gè)過濾孔在過濾區(qū)內(nèi)始終處于一種“漸變的非完全堵塞狀態(tài)”，雖然每一點(diǎn)的濾面在不斷更換，但處于這一位置的濾面堵塞狀態(tài)是相同的。因此，半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)具有如下特點(diǎn)：1）過濾孔板被分成過濾區(qū)和清洗區(qū)2部分，其中過濾區(qū)淹沒于污水中；2）孔板連續(xù)旋轉(zhuǎn)，保證2部分孔板連續(xù)更替；3）過濾區(qū)孔板達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，各位置的堵塞情況是穩(wěn)態(tài)的。

圖1 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)結(jié)構(gòu)

2 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2.1 關(guān)鍵變量的定義

半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)運(yùn)行物理模型（圖1（d）），對半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵變量作如下定義：

2.2 條件假設(shè)

數(shù)學(xué)模型建立過程中作了如下假設(shè)：

1）假設(shè)污水中各種尺度污雜物是均勻、連續(xù)分布的，取水機(jī)液面穩(wěn)定。

2）假設(shè)污水流經(jīng)孔板時(shí)，大于過濾孔直徑的污雜物全部被截流并覆蓋在孔板上，造成孔板堵塞［14］。

3）假設(shè)過濾孔的堵塞過程是一個(gè)連續(xù)的漸變過程，因此過濾孔的堵塞程度可以用堵塞系數(shù)來表達(dá)。

4）孔板很薄時(shí)，過濾孔過濾滿足孔口出流條件，只要孔板兩側(cè)的壓差不變，則過濾孔的流速u不隨堵塞情況而變。

2.3 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述的假設(shè)和定義可知旋轉(zhuǎn)孔板上任意過濾孔進(jìn)入過濾區(qū)到離開過濾區(qū)的時(shí)間為τ，網(wǎng)眼的污雜物密度σ可表示為

利用式（8）計(jì)算孔板的過流量需明確過濾孔在孔板的空間位置，因此本文給出了旋轉(zhuǎn)孔板針對位置的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

2.4 穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

針對位置的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型首先對過濾區(qū)孔板內(nèi)過濾孔進(jìn)行如下劃分：

3 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)的運(yùn)行特性

污水取水機(jī)投入運(yùn)行后其結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，運(yùn)行過程中污水濃度是隨機(jī)變化的，如何根據(jù)污水濃度值的變化及時(shí)調(diào)整其它運(yùn)行參數(shù)（例如液面高度、孔板旋轉(zhuǎn)周期）來保證取水除污機(jī)內(nèi)孔板過流量值穩(wěn)定，是取水除污機(jī)調(diào)節(jié)和控制的關(guān)鍵。

根據(jù)一實(shí)際應(yīng)用的取水機(jī)的結(jié)果參數(shù)作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析污水濃度、液面高度及孔板旋轉(zhuǎn)周期對其過流量、過濾負(fù)荷、孔板堵塞系數(shù)的影響。半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

通常，城市污水中≥4 mm的污物溶度為C＝1.1 kg／m3，實(shí) 驗(yàn) 測 得 的σm＝1.2 kg／m2［14］，令φ（m，1）＝0.95，計(jì)算得Tc＝5.45 s，取水機(jī)設(shè)計(jì)工況下孔板過流量24.9 m3／h，孔板過濾負(fù)荷27.42 kg／h，孔板平均堵塞系數(shù)0.817 5，過濾區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目2 331個(gè)。

3.1 污水濃度對孔板過流量、過濾負(fù)荷和堵塞系數(shù)的影響

污水濃度對孔板過流量的影響如圖2所示。隨著污水濃度的增大，固定轉(zhuǎn)動(dòng)周期下，孔板過流量逐漸降低，污水濃度由1.1 kg／m3增加至1.3 kg／m3時(shí)，變化18%，孔板過流量降低14.6%，降低為21.24 m3／h。相同污水濃度條件下，不同旋轉(zhuǎn)周期的孔板過流量具有如下關(guān)系VT＝1.25Tc＜VT＝Tc＜VT＝0.75Tc。

圖2 污水濃度對孔板過流量的影響

污水濃度對孔板過流負(fù)荷的影響如圖3所示。污水濃度增加，孔板過濾負(fù)荷增加并趨于飽和。相同污水濃度條件下，不同旋轉(zhuǎn)周期的孔板過流量具有如下關(guān)系 MT＝1.25Tc＜ MT＝Tc＜ MT＝0.75Tc。

圖3 污水濃度對孔板過濾負(fù)荷的影響

污水濃度對平均堵塞系數(shù)的影響如圖4所示。隨著污水濃度增加孔板的平均堵塞系數(shù)呈上升趨勢，旋轉(zhuǎn)周期大，堵塞系數(shù)大。

圖4 污水濃度對孔板平均堵塞系數(shù)的影響

圖2～4說明，污水濃度對孔板過流量、過濾負(fù)荷和堵塞系數(shù)影響明顯；污水濃度對孔板性能的影響可通過調(diào)整孔板旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 取水機(jī)液面高度對孔板過流量、過濾負(fù)荷和堵塞系數(shù)的調(diào)節(jié)作用

污水取水機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，溢流板（見圖1）的高度決定了取水機(jī)的最大液面高度，如何確定溢流板的高度，應(yīng)首先分析液面高度對孔板過流量的影響。由上節(jié)分析可知，污水濃度變化將影響孔板過流量，污水中污雜物濃度低于設(shè)計(jì)工況，孔板堵塞系數(shù)降低，過流量加大，液面高度將下降；污水中污雜物濃度高于設(shè)計(jì)工況，孔板堵塞系數(shù)升高，過流量減小，液面高度將上升。

取水機(jī)液面高度對孔板過流量的調(diào)節(jié)作用如圖5所示。當(dāng)污水濃度由設(shè)計(jì)工況下1.1 kg／m3增加至1.3 kg／m3時(shí)，變化18%；污水液面高度由0.5r0增加至0.8r0時(shí)變化60%，可使孔板過流量流量達(dá)到設(shè)定值；同樣，當(dāng)污水濃度由設(shè)計(jì)工況下1.1 kg／m3降低至0.9 kg／m3時(shí)，將污水液面高度由0.5r0降低至0可使流量達(dá)到設(shè)定值。

圖5 取水機(jī)液面高度對孔板過流量的影響

取水機(jī)液面高度對孔板過濾負(fù)荷的影響如圖6所示。液面高度增加，孔板過濾負(fù)荷增加。相同液面高度的情況下，不同污水濃度孔板過濾負(fù)荷變化不大。

圖6 取水機(jī)液面高度對孔板過濾負(fù)荷的影響

圖7 取水機(jī)液面高度對孔板平均堵塞系數(shù)的影響

取水機(jī)液面高度對孔板平均堵塞系數(shù)如圖7所示。液面高度增加，孔板平均堵塞系數(shù)先增加然后出現(xiàn)降低趨勢。根據(jù)式（2）和（5）可知，污水液面高度增加，過流孔流速增加，在額定轉(zhuǎn)速的情況下過流孔堵塞系數(shù)迅速增加；但根據(jù)取水機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，污水液面升高，過流區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目也將增加，例如污水液面高度H0＝0時(shí)，過濾區(qū)過濾孔數(shù)目為1 932個(gè)，污水液面高度H0＝r0時(shí)，過濾區(qū)過濾孔數(shù)目為2 709個(gè)。當(dāng)污水液面高度增加至一定高度時(shí)，過濾孔堵塞系數(shù)對孔板過流量影響低于過濾孔數(shù)目增加對孔板過流量的影響，孔板平均堵塞系數(shù)變呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5～7說明，取水機(jī)液面高度增加將提高過濾孔過流速度和過濾區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目，可用于調(diào)節(jié)孔板的過流量。

3.3 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板污水過濾量、過濾負(fù)荷、堵塞系數(shù)的調(diào)節(jié)作用

孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的影響如圖8所示。設(shè)計(jì)工況下，孔板過流量為24.9 m3／h；在相同旋轉(zhuǎn)周期的調(diào)節(jié)下，污水濃度變化18%增加至1.3 kg／m3時(shí)，孔板過流量為21.2 m3／h，降低14.8%；污水濃度降低18%降低至0.9 kg／m3時(shí)，孔板過流量為29.9 m3／h，增加20.0%。當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期由Tc調(diào)整至0.8 Tc時(shí)，即旋轉(zhuǎn)周期調(diào)整20%可以滿足由于濃度增加18%引起孔板過流量的影響。同樣，旋轉(zhuǎn)周期由Tc調(diào)整至1.2 Tc時(shí)，可以滿足由于污水濃度降低引起孔板過流量的變化。

圖8 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的影響

孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過濾負(fù)荷的影響如圖9所示。旋轉(zhuǎn)周期增加，過濾負(fù)荷降低，并趨于飽和，且污水濃度的變化對過濾負(fù)荷的影響降低。

圖9 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過濾負(fù)荷的影響

孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板平均堵塞系數(shù)的影響如圖10所示。旋轉(zhuǎn)周期增加，孔板堵塞系數(shù)增加，不同污水濃度條件下，堵塞系數(shù)的增加趨勢基本相同。

圖10 孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板平均堵塞系數(shù)的影響

圖8～10說明，孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的調(diào)節(jié)作用優(yōu)于取水機(jī)污水液面高度。

4 結(jié) 論

1）建立了半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)過濾區(qū)過濾孔的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

3）取水機(jī)內(nèi)污水液面高度增加將提高過濾孔過流速度和過濾區(qū)內(nèi)過濾孔數(shù)目，可用于調(diào)節(jié)孔板的過流量。

4）孔板旋轉(zhuǎn)周期對孔板過流量的調(diào)節(jié)作用優(yōu)于取水機(jī)污水液面高度。

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（編輯 薛婧媛）

Mathematical Model and Operation Analysis of Semi-submerged Rotary Orifice Sewage Source Heat Pump Intake Machine

Liu Zhibin，Ma Liangdong，Zhang Jili
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China）

To solve the flow instability and adjustment difficulty of filtering dirt-removing device in the sewage source heat pump system，which affect the efficiency of heat exchanger，semi-flooded rotary orifice sewage auto-strainer was generated.According to establishing the mathematical model，the effect is analysed of pollutant concentration and liquid level height of sewage and rotation period of orifice plate to filtered flow rate，filtered load and filtering surface block coefficient.The result shows that：in the certain condition of sewage liquid level height and orifice plate rotation period，the increase of sewage will decrease the filtered flow rate of orifice plate，and increase filtering surface block coefficient；The effect of pollutant concentration change in the sewage to orifice plate filtered flow rate could be adjusted by regulating the sewage liquid level height and orifice plate rotation period，and the moderating effect of orifice plate rotation period is better than that of sewage liquid level height.

sewage source heat pump；filtered flow rate；filtered load；blockage coefficient

TU831.6

A

1674-4764（2014）03-0123-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.020

2013-12-01

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)重大類研究型培育項(xiàng)目（DUT11ZD105）；新疆建設(shè)兵團(tuán)科技局（2011AB025）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（2011BAJ03B12-3）；江蘇省科技支撐計(jì)劃（BE2010645）。

劉志斌（1979- ），男，博士生，主要從事污水熱能資源化研究，（E-mail）zhibin01＠126.com。

張吉禮（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，（E-mail）zhangjili＠hit.edu.cn。