第42卷第4期 2020年12月
南昌大学学报（工科版）
Journal of Nanchang University(Engineering & Technology)
Vol.42 No.4
Dec.2020
文章编号：1006-0456(2020)04-0321-06
裴锋初，张立奎
(深圳市天得一环境科技有限公司，广东深圳518000)
摘要：详细阐述了热栗-循环风工艺在污泥干化中的传热过程和运行时循环风在主要各工况点相关参数计算，将这些参数与热栗机组进行的过程相结合，便可计算出整个系统的能耗，其结果是1 kW h从污泥汽化的水接近于
2.66 kg。文中最后指出热栗-循环风工艺干化污泥中提出的零排放值得商榷。
关键词：污泥干化；热栗-循环风工艺；能耗；污泥汽化水量
中图分类号:TQ026.2 文献标志码:A
Heat transfer process and energy consumption analysis of heat pump-circulated wind for drying sludge technology
PEI Fengchu ,ZHANG Likui
(Shenzhen Tiandeyi Environment Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China)
Abstract：The heat transfer process of heat pump-circulating wind technology in sludge drying and the relevant parameters of circulating wind a t main working points during operation were investigated in t h i s study.Combining
these parameters with the process of heat pump unit,the energy consumption of the whole system could be calculated.T he result showed that the quantity of vaporizing water from sludge was close t o2.66 kg per 1kWh.The results
also pointed out that t h i s zero releasing proposition of circulated wind for drying sludge technology was questionable.
Key Words：sludge drying；heat pump-circulating wind technology；energy consumption；vaporizing water quant i t y from sludge
热泵-循环风工艺干化污泥是将待干化污泥与 热泵机组相互联系起来，循环风成为其中间媒介，进 行热量和水汽的传递。系统运行时，循环风先在热 泵机组冷凝器中被加热，再进入污泥干化机加热污 泥，使之升温脱湿。之后再进热泵机组蒸发器换热, 循环风在污泥干化机中所得的水汽在这里被冷却、冷凝除去。在这些过程中，热泵机组中的循环工质, 交替地进行冷凝、蒸发相变化，其相变潜热-冷凝潜 热、汽化潜热，经换热器传递给循环风，反复利用，周 而复始，所以该工艺在能量利用上充分、完全，因此，节能是其最大优点。然而生产装备厂家过于虚夸: 写出1k W h可从污泥中汽化4.2 k g水，还提出零排 放密闭式干化模式，值得商榷。 本文将从传热、传质（汽化）过程出发，对该工艺过程进行了详细计算和剖析，为广大环保工程技 术人员了解和掌握这一工艺过程的计算、正确算出 系统的能耗提供参考。
1热泵-循环风工艺流程
工艺流程图1由2大部分组成：一是热泵机组 中的循环工质的冷、热循环；另一是循环风的在热泵 机组和污泥干化机中进行的增湿-脱湿循环。图1的左侧主要为热泵机组中循环工质蒸汽被压缩机压 缩，经冷却、冷凝变为液相，放出相变潜热加热循环 风过程。受热的循环风再去图1的右侧直接接触加 热污泥。图1中左侧绘制的热泵工质循环，为最常 见的回热循环。变为液相循环工质，入膨胀阀节流 减压进入蒸发器，因压力降低气化为气相蒸汽，进入
收稿日期：2020-05-08。
作者简介：裴锋初（1974—），男，工程师。
引文格式：裴锋初，张立奎.热栗-循环风工艺干化污泥的传热过程和能耗剖析[J].南昌大学学报（工科版），2020,42(4): 321-326.
• 322 •
南昌大学学报（工科版)2020 年
左侧回热器，与热泵循环工质凝液换热，使之温度降 低。循环风进热泵蒸发器经冷却、冷凝，湿度增加至 饱和，所含的水蒸气冷凝成水排出。除湿后的循环 风先进右侧显热换热器与出污泥干化机的回风换热 再进热泵冷凝器。这样，既降低了循环风进热泵蒸
发器入口温度，将所含的水汽更有效地冷却、冷凝脱 湿，又提高了循环风进热泵冷凝器入口温度，以提升 其进污泥干化机的温度。如此循环，于是热泵机组 循环工质的冷凝、汽化相变潜热被循环风充分、反复 的利用，从而实现了最大程度节能目的。
污泥千化机
顆
热泵蒸发器
图例：
制冷剂循环管线
---------循环空气管线
__________
污泥进出干化机管线
冷凝水
凉水塔
压缩机
图1热泵-循环风工艺污泥干化流程图
Fig.l Heat pump-circulating wind technology drying sludeg process diagram
为防止循环风在干化机内或流出管中流动时因 温度降低出现结露现象，循环风出污泥干化机必须 保持高于其露点的温度，为除去这部分热量，图1右 侧设置了显热换热器，使之温度降低再进热泵蒸发 器。图i 左侧表冷器是靠凉水塔循环水冷却，调节 循环风出冷凝器加热温度，除去热泵装置压缩蒸汽 冷凝时放出的、加热循环风后剩余的热量。
热泵-循环风系统能耗主要为热泵机组压缩机功 耗和循环风风机的功耗；其次还有污泥切割机、污泥 干化机传送带的功耗及表冷器循环冷却水的水泵和 凉水塔上方的轴流风机能耗等，后面这些是次要的。
2污泥干化系统相关参数计算
循环风在污泥干化机中干化过程既有热量交
换，又有质量交换：循环风将显热量传给污泥，污泥 受热后将所含水分汽化，携带着潜热返回到循环风 中，因此是个热和质的同时传递过程。为了计算方 便，工程上是以绝干空气和绝干物料（以下称干空
气和干物料）为基准进行的，因为干空气、干物料在 干化过程中质量流量始终不变。
进出热泵冷凝器、污泥干化机循环风的空气状
态参数，如图2所示。2.1循环风空气工况点相关参数计算
循环风空气为湿空气，在污泥干化传热计算中， 涉及到一些湿空气性质参数，为此必须先了解其相 关的性质参数，为简便起见，以下称湿空气为空气， 称循环风湿空气为循环风。图2中0、1、2各点，为 循环风进、出热泵冷凝器、污泥干化机各工况点。
1)湿含量（或称湿度）。
为每k g 质量干空气中所含的水蒸气的质量，用 孖表示，kg • kg -1。好。、好1、好2分别为工况点〇、1、2 循环风湿含量，可从式（1)计算[1-2]:
H =0.622x
101.3-如 s
(1)
式中:p s 为《丈饱和水蒸气压,k P a ，由饱和蒸气压表 查出；小为相对湿度，为空气中水蒸气分压与同温度
第4期裴锋初，等：热栗-循环风工艺干化污泥的传热过程和能耗剖析• 323 •饱和蒸气压之比，无量纲，其值越小，循环风吸湿能 力越强(
含水80%污泥
安丰市场^0，!〇循环风
污泥干化机
热泵冷凝器ti,!i n------------------------
牛个个个个个
------------------------^
去水冷器
个个个t个个
干化后污泥
2)焓(去热泵膨胀阀 来自热泵压缩机
图2循环风污泥干化图
Fig. 2Sludge drying diagram of circulating wind
2.3
循环风的焓为1k g干空气的焓与其中所带的 水蒸气的焓之和，用/表之，kj •kg_1。
I=(1.01 + 1.88H)t+2 500H(2)图2中对应0、1、2各工况点的循环风焓分别为 1〇乂、12，均可由式(2)算出。
3)比容。
计算循环风体积流量，必须先算出1k g干空气 为基准的循环风比容％，m3•kg_1，rH按式（3)计算[1-3]：
%= (0.773+1.244H)(3)
、273 八p0
式中:P为循环风总压，k P a;H为循环风湿含量，kg •kg-1;t为温度，。C。
循环风进污泥干化机体积流量用FH表示，m3 •h-1，按式(4)计算。
^H= Lv H(4)式中:L为循环风中干空气质量流量，kg •h-1，由该 体积流量，再估算循环风运行时系统的风阻，可选定 出循环风机型号，得出功率。
2.2污泥在干化机中汽化水量计算
湿污泥（以下简称污泥）干化过程汽化水量算 式[1-3]:
W=G d(J1-J2)(5)式中：W为污泥汽化的水量，kg •h-1;Z为污泥干基 含水量，kg •kg-1；下标“1、2”为污泥进、出干化机工 况;&为进污泥干化机污泥中干污泥量，kg •h-1。
令G w为进污泥干化机中污泥流量，kg •h 1
为污泥湿基含水量，k g.kg-1。式（5)可写为：
；尤
W=G w(1-〇(6)
循环风中干空气质量流量计算
循环风中干空气质量流量，可由对进、出干化机 的循环风中的水汽作物料衡算得出[1-3]:
W
L(H2-H1)=W，*L=
H2－H1
从污泥中汽化1k g水分所需的干空气气量称 比干空气流量，以/表之，kg •kg-1:
/-L- 1
W h2-h1
3循环风在污泥干化机中传热过程
激励相容3.1循环风在干化机中热衡算
进出干化机污泥物料衡算得：
H2+W
式中：G W1、G w2为进、出污泥干化机的污泥，kg •h-1; W为干化机汽化的污泥水量，kg •h-1。
以0 C为基准温度，以汽化1k g水所需热量为 基准进行污泥干化机热衡算[1-3](如图2)：令t M1、t M2为对应状况污泥的温度，°c;C m为干化前后污泥在 平均温度比热容，kj •kg-1 •°C-1;C w为水的平均比 热容，kj •kg-1 •C-1。
循环风传给污泥的热量/(I1-I2)。
G』CM(tM2-tM1)污泥带出干化机热量^=
W
kg-；损失热量进干化机水带入热量CwtM1，kj
L，kJ •kg-1。
由污泥干化机热量衡算[1-3]:
^(I1-I2)+CW t M1=9 M+9 L(7)等式左侧为带入干化机热量，右侧为带出干化 机热量，单位均k j.k g-1。式中:CwtM1可看成向干化
• 324 •南昌大学学报（工科版)2020 年
O ---------------------►
i/(kj • kg -1)
图3
热泵循环工质参数
Fig. 3 Parameters of cycle working medium
Gh0 = G (〖2-〖5)
(12)
式中：队。为热泵机组循环工质在冷凝器理论放热 量,kj • h-1;;2、;5分别为热泵循环工质（图3)2、5工 况点比焓,kj • kg-1。
设热泵压缩机绝热指示效率为％，则压缩机实 际排气焓可表示为：
乙2 —乙1
W
(13)
式中：心为实际压缩点循环工质比焓，kJ • kg -1 分别为热泵循环工质（图3)1、2工况点比焓,kj •
kg -1。
叩2,15) (14)式中：热泵循环工质在冷凝器实际放热量,
kj • h -1;0h p 热量大部分通过冷凝器供给循环风，还
有一部分经表冷器由凉水塔循环水带走（如图1), 故
Ghp = Gwh + W CW (£w 2-£w 1)= Gwh + Gf (15)式中：疋为凉水塔循环冷却水质量流量，kg • h -1;
【W 1、％2分别为进、出表冷器循环水温,°C ;CW 为冷却
水比热容,kj • kg • °C ；认为表冷器换热量,k W 。钛合金丝
令％为压缩机轴功率,k W ;
G ( ^2-^1)
乂： V n ；xn m
式中:n m 为热泵机组压缩机机械效率t
(16)
质—-循环风有一定温差的理论循环1 一2—3— 4一5—6—7—1(图3)，并考虑压缩机的输气系数和 绝热指示效率进行实际循环热力分析和计算。在计 算中把循环风获取的冷量视作实际制冷量[5-7]:
即
GwC = A ，故 L = A = C (h l 6)
(11)
式中:G 为热泵机组循环工质的质量流量,kg • h-1; 仏=L
，为热泵机组制冷量，k W h 、;6分别为热泵
机组循环工质如图3中1、6工况点比焓,kj • kg-1。
机补充的热量。化+^均为干化机内损失的热量。 式(7)又可写成：
/ ( /! -’2 ) - +?L -CW (M 1 或^(’2-’1)_
CW ^M 1 -(
少年军校活动被写入哪部法律?L )
(8)
当9M +gL -CW t M 1 ，式⑷中A -/2 ，即循环热风在
污泥干化机中经历一个等焓过程。
这一过程接近绝热饱和过程。因为绝热饱和过 程中，虽然空气传递给水（或污泥）的显热等于水 (污泥）汽化返回的潜热，但由于水在汽化时也将自 身的显热带回到空气中了，使空气焓略有增加[4], 即
4s -/1- d -孖1 )cw l
式中:4为绝热饱和过程终点空气的焓,kj • kg-1;。 为绝热饱和温度,C ，因为見s 、仏都很小，故看作
孖1 卜0,/，/1。
3.2循环风在热泵机组冷凝器中获取热量按式（9)[1-3]计算：比热量^-/(/1-/〇)，总热量 Q wh -L (/1-/0)或
梯子不用时请横放Q wh -L [ (1.01 + 1.88^)t 1-2 500^1-
(1.01 + 1.88好。）t 0-2 500好。] (9)
由于循环风是在间壁换热器中被加热，故湿含
量不变，好1-凡-好，式（9)又写成
Qwh -!(1.01 + 1.88^) (t1-t0)
式中：1.01 + 1.88好，为以1 k g 干空气为基准的循环 风比热容，称湿比热容，以c H 表之,kj • kg-1 • C -1。 3.3循环风在热泵机组蒸发器中获取的冷量循环风接受冷量（即放出热量）按式（10)计算[1-3]：
比冷量 ^。-/(/2-/。），总冷量 Qwe -[(/2-/0)或
Q wc -L [ (1.01 + 1.88^2)t 2+2 500^2-
(1.01 + 1.88好。）t 0-2 500好。]
(10)
4污泥干化吨水汽化能耗估算
4.1热泵机组工质与循环风间的换热
热泵机组工质与循环风间换热存在着传热温
差：对热泵冷凝器、热泵机组工质在冷凝器放热的冷
凝温度高于循环风的温度5 ~ 10 C ；在热泵蒸发器 中，热泵机组工质沸腾蒸发温度，又低于循环风的冷 却、冷凝温度8~ 12 C 。由于热泵工质实际循环中4 个基本热力过程：压缩、冷凝、节流、蒸发，都是不可 逆过程，比较复杂，很难进行精准的热力分析和计 算，工程上都是按其蒸发温度和冷凝温度与传热介
(BJJt/
3.
3
一
第4期裴锋初，等：热栗-循环风工艺干化污泥的传热过程和能耗剖析• 325 •
式中：仏为热泵机组的实际制热量（含压缩机机轴 摩擦产生的热），kj •h-1。
4.2热泵机组制热系数
令仉热泵机组1k g工质实际制热量[5],kJ •kg-1。
9h= 9c+W e= (Jl-I'6)+121|(17)
vn；xn m0
式中:gc为热泵机组1k g工质制冷量,kJ •kg-1;w e 为k g热泵工质实际压缩功（轴功），kJ •kg-1;z•及其下标数字为图3中循环工质的各工况点比焓,kJ •kg-1。
热泵机组实际制热系数[5]
q^=Gq h= £h= Qp+^e= Q^+x
切e G w e N e N e N e
(18)
当已知制热系数心和Q h或Q。可利用式（18) 核算压缩机轴功率N e。
将式（11)和式（16)代入式（18)得
^h=(19)
n；xn m
4.3热泵机组制冷系数
热泵机组实际制冷系数[6-7]2)，热泵机组采用R-22为循环工质，其循环过程及 工况点如图3所示。经实测得热泵机组循环工质各 主要工况点参数如表1；运行过程中循环风工况点 如图2所示。
表1热泵机组工质R-22相关工况点参数
Tab.l Parameters of relevant operating points
about working medium R-22 of heat pump unit lgp-f图运行过程实测值lgp-f图或表查得比焓/
工况点
t/^p/MPa(kJ •kg-1) 1300.79422.14
295 2.43454.42
460 2.43277.61
555 2.43270.32
6150.789270.32
7150.789410.16
表2循环风运行中相关工况点参数
Tab.2 Parameters of relevant operating
points in circulating wind operation
运行系统循环风进口实测值循环风出口实测值
的设备t/V相对湿度/%t/V相对湿度/%
热泵冷凝器50957037.61
热泵蒸发器5675.745095
污泥干化机7037.615675.74已知污泥干化机运行状况如表3所示。
q。= Gq。= Q。
w e Gw e N e
(20)当已知~后，也可通过~由上式核算压缩机轴功 率。
比较制热和制冷系数，则可得出
4.4热泵压缩机输气质量流量核算压缩机轴功率
压缩机输气质量流量[6-7]，即热泵机组循环工 质:
Q。Q…。由G可算轴功率[5-7](21)
表3污泥干化相关参数
Tab.3 Relevant parameters of during sludge drying
进干化机污泥含水出干化机污泥含水干化机排水量/
(湿基）/(k g-kg-1)(湿基）/(k g-kg-1)(k g-h-1)
0.800.40200
计算每天（24 h)处理湿污泥量、能耗及表冷器 除去的热量。热泵机组压缩机指示效率= 0.8，机
械效率n m=0.9。
解:1)干化机处理的污泥量。
将表3数据代入式(6)，得污泥处理量= 300 kg •h-1=7 200 kg •d-1
2)循环风湿含量和焓值计算。查水蒸气表得
对应温度饱和蒸气压见表4。
N e G(I.2-I.i)
(22)
由G还可算出热泵压缩机循环工质实际体积流量 Ke,m3 •h-1。
(23)式中A为压缩机输气比容,m3 •kg-1。
多向飞碟
5污泥干化能耗估算举例
例某热泵-循环风污泥干化系统（见图1、图
表4对应温度的饱和蒸气压
Tab.4 Saturated water vapor pressure
at corresponding temperature
图2中工况点012
t/V507056
水饱和蒸气压/kPa12 .34531.17616.583从表2、表4查出0、1、2各工况点温度下的饱 和蒸气压及相对湿度，先按式（1)算出湿含量仏、仏、馬，再由湿含量及相应的温度按式（2)算出/。
、
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