污水源热泵系统旁路串联水泵

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1、污水源热泵系统旁路串联水泵流量特性分析哈尔滨工业大学市政环境工程学院张承虎☆，刘志斌，吴荣华，孙德兴摘要：本文建立了污水源热泵系统中污水子系统的旁路串联水泵模型，基于实际工程数据，通过数值计算，分析了管路阻抗、水泵性能对系统实际用水量和流量系数的影响特性，讨论了系统的运行稳定性和调节性，论证了旁路串联水泵的技术可行性，并据此给出了污水子系统双级水泵的选择要点和系统调试方法，为污水源热泵系统的工程设计提供参考。关键词：污水源热泵、双级水泵、流量、稳定性、调节性0前言城市原生污水作为一种优良的热泵系统低位冷热源，具有许多十分突出的优势：流

2、量稳定、分布合理、取排简便、热容量大、换热效率较高、冬夏温度适宜等。但是其自身也存在一些难以回避的缺点，采用热泵系统利用污水热能的第一技术难点就是如何避免大尺度悬浮污杂物堵塞管道设备和换热设备[1-4]。针对这一问题，国内外诸多学者研究开发了形式各样的不同工艺和设备[5、6]，其中哈尔滨工业大学孙德兴教授的科研组采用水力连续排污装置已经可靠地解决了“堵塞”这一难题[7、8]。采用这一装置的污水源热泵系统污水子系统的一个特点就是选用了双级污水泵，其系统如图1所示。图2污水子系统管路阻抗图图1污水子系统示意图该系统的起点和终点压力均为大气

3、压，相对压力为零。由于水力连续排污装置自身的结构和工艺特点决定了图中3点到8点之间存在流道，即污水子系统的管路阻抗如图2所示。可见，一级污水泵与二级污水泵并不是简单的串联关系，他们之间存在着旁通流道，笔者将这样的水泵联接关系称为“旁路串联”关系。1流量分析及控制方程基金项目：国家自然科学基金委员会资助项目（50578048）；北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室开放课题（KF200503）☆张承虎，男，1980年2月生，博士研究生，150090哈尔滨工业大学二区市政环境工程学院2651#（0451）86283783，137

4、66830371E-mail:chenghuzhang@eyou.com;图2中表示污水换热器及其附属管道的阻抗，它是影响系统运行稳定性的主要因素；、、为水力连续排污装置的内部阻抗，运行期间是不可改变量，而、、、为其他外部管道的阻抗，可通过改变阀门的开度来调节其阻抗值174，它们是平衡流量分配的主要手段。设定一级污水泵的工作流量为，即系统实际供水量；二级污水泵的工作流量为，即实际用水量，因为只有这部分流量真正进入换热器进行了换热；旁路的流量为，即实际漏水量，这部分流量不能参与换热，其流向可能是从3点流向8点，也可能是从8点流向3点，本

5、文规定前者流量为正，后者流量为负。同时称管路为一级管路，管路为二级管路。该双级水泵污水子系统的另一个特点也是由于水力连续排污装置自身的结构和工艺特点决定的，即旁路的阻抗非常小，一般为换热器阻抗的千分之一到百分之一。旁路小阻抗这一特点导致了流量分配严重不平衡，同时也决定了该系统不是一个稳定的系统。影响流量分配平衡性的另一个重要因素就是各级水泵的流量—扬程函数、。采用流量系数作为系统流量分配的设计参数，同时它也是评判系统设计和运行是否合理的重要指标[9]。根据基尔霍夫（Kirchhoff）定律[10]，可列如下三个方程：为了简化计算，用表

6、示一级管路的总阻抗，用表示二级管路的总阻抗，用表示内部漏水阻抗，并代入流量系数公式，可简化得到：（1）（2）（3）2一般性理论分析污水子系统在设计时必须保证工程冷热负荷对进入换热器的污水流量和水温的要求，即（设计负荷对应的设计流量），且（保证没有回流混水降低水温）。理论上，时，，且3点与8点之间的压差，此时系统耗功最少。但是由于调试过程中压力表测量误差的存在，。虽然可能会很小，但是由于也是很小的量，还是会导致，并且偏离较远，即可能会很大。根据这一原则来计算和选择两级污水泵，即二级水泵根据设计流量及其对应的二级管路阻力来选择型号；二级1

7、74水泵根据流量：(4)及其对应的一级管路阻力来选择型号。其中称为设计流量系数，它与压力表精度和设计流量有关，压力表精度越差，则设计流量系数越大，设计流量越大则设计流量系数越小。因此水力连续排污装置所配备的压力表应该提高精度，同时也说明了该装置更适用于规模较大的工程。在系统调试和运行期间管路阻抗和都将发生改变，例如换热器由于软垢的增长而导阻力增加等[9]，而影响调节效果和运行稳定性的因素有，两级水泵、的流量--扬程特性、（对实际工程用水泵都有，）。本文定义4个系统运行参数、、、，这些参数一方面表示系统的调节灵敏性，另一方面却表示系统的

8、运行稳定性[11]。以、、、、为可变量，（2）式和（3）式构成的方程组可以确定两个隐函数，即和，于是可以求出、相对于、、的变化率如下：（5-a）（5-b）（5-c）（6-a）（6-b）（6-c）其中：174（7）（5-c