馬良棟 張志遠(yuǎn) 宋嘉林 張吉禮

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

目前在國內(nèi)已廣泛采用污水源熱泵技術(shù).然而,在污水源熱泵工程的污水取水換熱工藝及其設(shè)備設(shè)計(jì)中仍存在著污水的密度、黏度及導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)取值難度大的問題.由于城市污水與清水在流動(dòng)和換熱特性方面有較大不同,因此無法在污水源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)過程中直接套用清水物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.目前污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中污水物性參數(shù)取值主要采用清水倍數(shù)法、估算法來確定,取值隨意、不統(tǒng)一.例如：文獻(xiàn)[1]認(rèn)為污水實(shí)際為多相非牛頓流,污水黏度取清水黏度的2～3倍;在污水換熱器設(shè)計(jì)時(shí),污水黏度甚至取清水黏度的10倍以上[2].文獻(xiàn)[3]采用分級(jí)篩分法測(cè)定了2種典型污水渠內(nèi)污水雜物的濃度數(shù)據(jù)及密度值,污水中小于4 mm污雜物的比例較大,占90%,污雜物質(zhì)量濃度為1.347 kg/m3.20 ℃時(shí)污水的平均密度為999 kg/m3,與清水接近.盡管近年來,許多研究者對(duì)污水管內(nèi)的流動(dòng)和換熱進(jìn)行了研究[4-9],但對(duì)污水的基本物性等關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究較少,由于污水的污雜物濃度受建筑類型的影響較大,如工業(yè)建筑與居住建筑所產(chǎn)生的污水其水質(zhì)有較大區(qū)別,在一個(gè)城市內(nèi),污雜物濃度分布有較大區(qū)別,因此污水的物性參數(shù)不是統(tǒng)一的,其值應(yīng)該隨污雜物濃度的變化而變化.本文針對(duì)某一城市不同污水泵站的污水,研究污水的污雜物濃度,并在污水源熱泵運(yùn)行工況的溫度范圍內(nèi),測(cè)試不同溫度條件下不同污雜物濃度的污水物性參數(shù)(包括密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱等),分析其污水物性參數(shù)的變化規(guī)律與聯(lián)系,為污水源熱泵污水取水和換熱工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)促進(jìn)污水源熱泵技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義.

1 污水采樣及物性參數(shù)測(cè)試方法

1.1 污水采樣

污水采樣點(diǎn)為沈陽市全市的12個(gè)污水提升泵站,污水取水點(diǎn)位于水泵前的污水渠內(nèi),采樣時(shí)將水桶緩慢沉降于污水渠的中央,渠中的污水以固有流速自然地進(jìn)入桶內(nèi),并從桶底的活板門流出,穩(wěn)定1 min后,提出水桶封裝,完成污水取樣.污水顏色渾濁,污雜物主要為懸浮物,12個(gè)污水取水點(diǎn)的污水水質(zhì)特點(diǎn)呈現(xiàn)類似特征,但污雜物顏色深度及濃度有所不同.

1.2 污水污雜物質(zhì)量濃度測(cè)試方法

測(cè)試方法參考《水質(zhì)懸浮物的測(cè)定重量法》(GB 11901—890)[10].具體步驟為：污水經(jīng)0.45 μm濾膜后,量取充分混合均勻的100 mL試樣進(jìn)行抽濾,并用蒸餾水洗滌3次.停止抽濾后,仔細(xì)取出載有懸浮物的濾膜于稱量瓶中,在烘干箱103～105 ℃下烘干1 h后，移入干燥器中,冷卻到室溫,稱其質(zhì)量.反復(fù)烘干、冷卻、稱量,直至2次稱量的質(zhì)量差小于0.4 mg為止.

懸浮物質(zhì)量濃度按照下式計(jì)算：

(1)

式中,C為污水中懸浮物濃度,mg/kg;A為懸浮物加濾膜和稱量瓶質(zhì)量,g;B為濾膜和稱量瓶質(zhì)量,g;M為試樣質(zhì)量,kg.

1.3 污水物性參數(shù)測(cè)試方法

盡管污水中含有污雜物,但管內(nèi)流動(dòng)大多為多相流,由于污雜物粒徑較小,在污水中處于懸浮狀態(tài),且污雜物質(zhì)量濃度也較小,測(cè)試表明污雜物質(zhì)量濃度小于1.5 g/kg.管內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)的研究也表明[7-9],兩相流情況下與單相流情況下的阻力系數(shù)差別不大.蔡增基等[7]將污水流動(dòng)視為均質(zhì)流和非均質(zhì)流,對(duì)污水管內(nèi)流動(dòng)沿程阻力系數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明污水的非均質(zhì)特性可以不予考慮.文獻(xiàn)[8]依據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的沿程阻力系數(shù)與文獻(xiàn)[9]依據(jù)謝才公式得到的計(jì)算結(jié)果也十分接近.綜合文獻(xiàn)研究結(jié)果及污水中污雜物的懸浮特性,本文將污水近似看作為均質(zhì)流體,用以研究污水的相關(guān)物性參數(shù).

1.3.1 密度

采用DM2100密度測(cè)試儀測(cè)試污水密度,其精確度為0.5%.該儀器的測(cè)試原理為浮力法,即根據(jù)阿基米德原理,浮力大小等于該物體排開液體的重量.浮力與排開液體體積比即為液體密度,即

(2)

1.3.2 黏度

采用VM4000黏度儀測(cè)試污水黏度,其測(cè)量精度為2%.該黏度儀采用振動(dòng)弦法測(cè)試流體黏度，基本原理是根據(jù)一根長圓截面絲在無限大流體中做橫向振動(dòng),將流體對(duì)振動(dòng)的阻尼作用作為測(cè)量黏度.振動(dòng)絲振動(dòng)的速度方程[11-13]為

U=uei(ωt-φ)

(3)

式中,ω為驅(qū)動(dòng)頻率，u為幅值，φ為相位，其表達(dá)式為

(4)

(5)

式中,F為振動(dòng)絲單位長度上所受到的驅(qū)動(dòng)力,N/m;ms=ρsπr2為單位長度上振動(dòng)絲的質(zhì)量,kg/m,r為振動(dòng)絲的半徑，m，ρs為振動(dòng)絲的密度,kg/m3;Δ0為振動(dòng)絲的內(nèi)部阻尼系數(shù),N·s/m;ω0為假想條件下振動(dòng)絲共振頻率,Hz;β為由振絲占據(jù)流體位置所產(chǎn)生的附加質(zhì)量,kg;β′為由于流體黏度產(chǎn)生的阻尼,N，其計(jì)算式為

(6)

(7)

(8)

式中,ω0,vac為真空下的共振頻率,Hz;g為重力加速度,m/s2;ρw為振動(dòng)絲的密度,kg/m3;Mw為即的質(zhì)量,kg;k,k′為流體運(yùn)動(dòng)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響,

k=-1+2Im(A),k′=2Re(A)

(9)

其中

(10)

式中,K1,K0分別為1階和0階第二類修正的Bessel函數(shù);Ω可以表示為

(11)

式中,η為液體的黏度.

因此,只要測(cè)定了振動(dòng)弦在流體中的共振曲線,當(dāng)ρ,ρs,ω,r,Δ0的值已知時(shí),通過方程(2)～(10)就可以計(jì)算得到流體的黏度.

1.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

采用TC3100導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試污水導(dǎo)熱系數(shù),其精度為3%.該導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀采用瞬態(tài)熱線法測(cè)量流體的導(dǎo)熱系數(shù),具有系統(tǒng)誤差小的優(yōu)點(diǎn).測(cè)試原理為：在無限大的各向同性流體中置入直徑無限小、長度無限長、內(nèi)部溫度均衡的線熱源,初始狀態(tài)下二者處于熱平衡狀態(tài),突然給線源施加恒定的熱流,并加熱一段時(shí)間,線熱源及其周圍的流體就會(huì)產(chǎn)生溫升,由線熱源的溫升即可得到流體的導(dǎo)熱系數(shù)[14-15].計(jì)算式為

(12)

式中,λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);q為單位長度線熱源的加熱功率,W/m;ΔT為t時(shí)刻線熱源表面的溫升,K;t為加熱時(shí)間,s.

1.3.4 定壓比熱

采用BBR-I測(cè)試污水平均比熱.污水定壓比熱的測(cè)試方法為混合法,即測(cè)試某一溫度范圍內(nèi)的平均定壓比熱.通過測(cè)量混合前后污水和清水的溫度,可得到污水的比熱.污水的平均比熱Cp,m可表示為

(13)

式中,G1為純水的質(zhì)量,kg;G2為污水的質(zhì)量,kg;t1為污水初溫,℃;t2為純水初溫,℃;t3為污水與純水混合后的終溫,℃;Cw為純水在t2～t3溫度范圍內(nèi)的平均比熱,J/(kg·℃);E為水當(dāng)量(保溫桶所吸收的熱量折算為質(zhì)量為E、溫度為t2的純水的吸熱量),kg.

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,取t1=10 ℃的2 kg污水與t2=30 ℃的2 kg蒸餾水進(jìn)行混合.

2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法

污水物性參數(shù)在進(jìn)行等精度測(cè)試時(shí),測(cè)量值中可能含有隨機(jī)誤差和粗大誤差,為了給出正確合理的結(jié)果,針對(duì)某一種物性參數(shù),在某一溫度下進(jìn)行多次測(cè)量.具體數(shù)據(jù)處理過程如下[16]：

① 某一溫度下,求某一物性參數(shù)(如ρ,η,Cp,m,λ)的n次測(cè)試結(jié)果算術(shù)平均值,即

(14)

(15)

③ 按vi>3σ的原則,檢查和剔除粗差.而后從步驟①開始重新開始計(jì)算,直到所有vi≤3σ為止.

3 測(cè)試結(jié)果分析與討論

3.1 污水污雜物質(zhì)量濃度

污水污雜物質(zhì)量濃度可以直接反映污水水質(zhì)情況,由于污水污雜物基本為懸浮物,因此在區(qū)分污水污雜物質(zhì)量濃度時(shí)沒有考慮污雜物的顆粒粒徑分布.測(cè)試污水的采樣地點(diǎn)分布于沈陽市全市的12個(gè)污水提升泵站,經(jīng)過整理,得到6種污雜物質(zhì)量濃度,其中樣本編號(hào)1～3的污水主要來自西部郊區(qū)制藥廠、化工廠在內(nèi)的工業(yè)建筑污水;樣本編號(hào)4～6的污水主要來自市區(qū)居住建筑和商業(yè)建筑的生活污水.西部郊區(qū)工業(yè)建筑污水與市區(qū)居住建筑污水直觀上有所不同,前者呈黑色,漂浮物較多,粒徑較大;后者呈透明狀,可以清晰看到水中的絮狀懸浮物,而顆粒狀懸浮物較少,如圖1所示.

表1給出了污水污雜物質(zhì)量濃度的測(cè)試結(jié)果.從表1可以看出,西部郊區(qū)污水懸浮物質(zhì)量濃度在1.2～1.5 g/kg之間,整體明顯大于市區(qū)污水懸浮物質(zhì)量濃度0.77～1.05 g/kg.結(jié)果表明污水水質(zhì)受周邊建筑物功能的影響,工業(yè)建筑污水除生活污水外,還有部分工業(yè)廢水,因此污水污雜物質(zhì)量濃度偏高.

(a) 工業(yè)建筑污水

表1 污水污雜物質(zhì)量濃度

3.2 物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表2～表7給出了在溫度為5,10,15,20,25和30 ℃時(shí)各種污雜物質(zhì)量濃度的相關(guān)物性參數(shù),包括污水的密度、黏度和導(dǎo)熱系數(shù),這些溫度點(diǎn)涵蓋了污水源熱泵工作制冷工況下冷凝溫度的溫度范圍.表8給出了污水平均溫度為15 ℃時(shí)各類污水的定壓比熱Cp.

3.3 測(cè)試結(jié)果分析與討論

3.3.1 污水密度

圖2給出了不同污雜物濃度下原生污水密度隨溫度的變化.當(dāng)污雜物濃度從0.77 g/kg增大到1.50 g/kg時(shí),污水密度增大1%左右.并且從圖中可以看出,當(dāng)污雜物濃度大于1.20 g/kg時(shí),在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi),污水的密度大于清水的密度,但當(dāng)污雜物濃度小于1.20 g/kg時(shí),污水的密度小于清水的密度.污水密度隨溫度升高先增加后降低,其最大值出現(xiàn)在10 ℃附近.在5～30 ℃范圍內(nèi),污水密度的變化趨勢(shì)與清水不同(清水在此溫度范圍內(nèi)其密度隨溫度增大而減小).

表2 5 ℃原生污水物性參數(shù)

表3 10 ℃原生污水物性參數(shù)

表4 15 ℃原生污水物性參數(shù)

表5 20 ℃原生污水物性參數(shù)

表6 25 ℃原生污水物性參數(shù)

表7 30 ℃原生污水物性參數(shù)

表8 原生污水平均定壓比熱

圖2 不同污雜物濃度下原生污水密度隨溫度變化

3.3.2 污水黏度

從圖3可以看出,污水黏度與懸浮物質(zhì)量濃度呈正相關(guān),當(dāng)污雜物濃度從0.77 g/kg增大到1.50 g/kg時(shí),污水黏度增大3.5%左右,在污雜物濃度為1.50 g/kg時(shí)和污水溫度變化范圍內(nèi)(5～30 ℃),污水黏度均為清水的1.1倍左右.當(dāng)污雜物濃度一定時(shí),原生污水黏度隨溫度升高逐漸降低,其變化趨勢(shì)與清水一致.當(dāng)污水溫度從5 ℃增大到30 ℃時(shí),污水黏度降低45%.

圖3 不同污雜物濃度下原生污水黏度隨溫度變化

3.3.3 污水導(dǎo)熱系數(shù)

圖4給出了不同污雜物濃度下,污水導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化.由圖可知,當(dāng)污雜物濃度從0.77 g/kg增大到1.50 g/kg時(shí),對(duì)于污水溫度為30 ℃的污水,導(dǎo)熱系數(shù)減小2.1%.當(dāng)污雜物濃度一定時(shí),污水導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加而增大.對(duì)于污雜物濃度為1.50 g/kg時(shí),污水溫度從5 ℃升高到30 ℃,導(dǎo)熱系數(shù)增大7.6%.當(dāng)溫度小于20 ℃,與清水的導(dǎo)熱系數(shù)相比,污水的導(dǎo)熱系數(shù)增大較快.在測(cè)試溫度范圍內(nèi),原生污水導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增大的變化率小于清水的變化率,ΔλH2O=5.5×10-2W/(m·K),而污水在污雜物質(zhì)量濃度為1.50 g/kg時(shí)變化最大,在此溫度范圍內(nèi),Δλ=4.4×10-2W/(m·K).

圖4 不同污雜物濃度下原生污水導(dǎo)熱系數(shù)λ隨溫度的變化

3.3.4 定壓比熱

受測(cè)試條件限制,測(cè)得的污水定壓比熱為一定溫度范圍內(nèi)的平均定壓比熱.測(cè)得的污水定壓比熱范圍為3 846～4 105 J/(kg·K),小于10～15 ℃范圍內(nèi)清水的平均定壓比熱Cp=4 189 J/(kg·K).從總體趨勢(shì)看,定壓比熱與污水質(zhì)量濃度大致呈負(fù)相關(guān),當(dāng)污雜物濃度從0.77 g/kg增大到1.50 g/kg時(shí),污水定壓比熱減小6.3%,見表8.

4 結(jié)論

1) 城市原生污水懸浮物質(zhì)量濃度會(huì)受到周邊建筑物功能的影響.

2) 當(dāng)污雜物濃度從0.77 g/kg增大到1.50 g/kg時(shí),污水密度增大1%左右,污水黏度增大3.5%左右,污水導(dǎo)熱系數(shù)減小2.1%左右.在污雜物濃度為1.50 g/kg時(shí),在測(cè)試溫度范圍內(nèi),污水黏度均為清水的1.1倍左右.

3) 當(dāng)污水溫度從5 ℃增大到30 ℃時(shí),污水密度先增加后減小,在10 ℃附近達(dá)到最大值;污水黏度降低45%;對(duì)于污雜物濃度為1.50 g/kg的污水,導(dǎo)熱系數(shù)增大7.6%.

4) 當(dāng)污雜物濃度從0.77 g/kg增大到1.50 g/kg時(shí),污水定壓比熱減小6.3%.