張吉禮,錢劍峰,2,孔祥兵,馬良棟,劉志斌

（1.大連理工大學(xué)土木學(xué)院,遼寧大連 116024;2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)土木與制冷工程學(xué)院,哈爾濱 150028;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150090）

城市污水是一種蘊(yùn)涵豐富低位熱能的可再生熱能資源[1-3],污水源熱泵空調(diào)則是以城市污水為建筑供熱源和排熱匯、解決建筑物冬季采暖、夏季空調(diào)和全年熱水供應(yīng)的重要技術(shù)[4-6],也是城市污水資源化開發(fā)利用的新思路和有效途徑。

污水源熱泵空調(diào)在中國(guó)、日本等國(guó)以及北歐已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用[1-9]。從技術(shù)的角度,在有效地解決了城市污水在取水過程的污雜物堵塞問題后[7-10],污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的節(jié)能減排效果。當(dāng)前污水的有效換熱成為污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。在污水換熱技術(shù)上,中國(guó)則剛剛起步,許多問題亟待解決。首先,從污水換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度,目前在設(shè)計(jì)污水換熱器時(shí)只能進(jìn)行估算,通常其黏度取清水的10倍以上[10]。其次,從污泥污垢對(duì)換熱性能的影響看,由于污水中小尺度污雜物濃度高,極易在換熱管表面形成粘性污泥層,大大降低污水的換熱性能[11]。因此,掌握污水的污泥污垢生長(zhǎng)特性將是污水強(qiáng)化換熱的研究基礎(chǔ)。

通常污垢的形成可能是水垢、污泥、腐蝕產(chǎn)物和生物沉積物等污垢同時(shí)作用的結(jié)果[12-13]。由于污垢成因復(fù)雜,影響因素頗多,理論分析難度較大,故常采用實(shí)驗(yàn)手段。常用的污垢實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法分為熱力學(xué)法和非熱力學(xué)法[14-15]。該文將采用熱力學(xué)法中的污垢熱阻法,主要針對(duì)銅管污水換熱器管側(cè)的顆粒狀污垢的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)原理

當(dāng)采用污垢熱阻法時(shí),污垢熱阻的定義式[12-13]可寫為式（1）。

式中Rf為污染狀態(tài)污垢熱阻,（m2?K）/W;Kc、Kf為分別為污染狀態(tài)與潔凈狀態(tài)總傳熱系數(shù),W/（m2?K）;R1c,R2c為潔凈狀態(tài)管外與管內(nèi)對(duì)流換熱熱阻,（m2?K）/W;R2f為污染狀態(tài)管內(nèi)對(duì)流換熱熱阻,（m2?K）/W,近似認(rèn)為R2f=R2c;Rw為壁面的導(dǎo)熱熱阻,（m2?K）/W。

此時(shí),通過對(duì)Kf的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),就可知道污垢熱阻隨時(shí)間的變化。污染狀態(tài)總傳熱系數(shù)如式（4）。只要測(cè)出流體的質(zhì)量流量,流體進(jìn)、出口溫度和管壁進(jìn)、出口溫度,便可以計(jì)算出管壁的污垢熱阻。

式中Cp為水的定壓比熱,k J/（kg?K）;M為水的質(zhì)量流量,kg/s;F為換熱管內(nèi)表面積,m2;Δtm為換熱管體與管壁的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;ti、to為管內(nèi)進(jìn) 、出水溫 ,℃;t′w 為換熱管進(jìn) 、出口壁溫,℃;t′f、t″f為管外進(jìn)、出流體溫度,℃。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)水系統(tǒng)

管內(nèi)污垢生長(zhǎng)熱阻監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)水系統(tǒng)主要組成為：1）試驗(yàn)段,試驗(yàn)段是試驗(yàn)臺(tái)的核心部分,分為入口穩(wěn)定段、試驗(yàn)測(cè)試段和出口段,圖中尺寸單位為mm。試驗(yàn)段包括換熱管、絕緣層、加熱層和保溫層。2）冷卻段,在試驗(yàn)水箱里面放置一段長(zhǎng)度8 m,外徑12 mm的螺旋狀銅管作為試驗(yàn)系統(tǒng)的冷卻段,把電加熱絲給水的熱量換出來,保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。冷卻水來自城市自來水,經(jīng)過吸熱后排向地溝。3）攪拌裝置,為保證在實(shí)驗(yàn)過程污水中的淤泥不沉淀,試驗(yàn)污水密度保持均勻,需在水箱內(nèi)設(shè)置攪拌器。實(shí)驗(yàn)攪拌器為一小型潛水泵,流量3 500 L/h,揚(yáng)程3.9m。

圖1 管內(nèi)污垢生長(zhǎng)熱阻監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)原理圖

2.2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)主要由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。試驗(yàn)測(cè)量值包括溫度、流量。其中溫度有換熱管進(jìn)、出口管壁溫度,換熱管進(jìn)、出口流體溫度,溫度測(cè)量裝置為銅-康銅熱電偶和熱電偶數(shù)據(jù)采集儀。流量測(cè)量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)?？刂葡到y(tǒng)用溫控儀和可控硅組成,控制方式為PID控制,精度+1℃。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用 C++Builder程序編制。

2.3 試驗(yàn)用水源

試驗(yàn)初期采用哈爾濱某污水處理廠的真實(shí)污水作循環(huán)水,總傳熱系數(shù)由圖2所示（污水流速1.0 m/s）。由圖可見,試驗(yàn)前幾個(gè)小時(shí),傳熱系數(shù)隨時(shí)間呈略下降的趨勢(shì),而后一直增長(zhǎng),最后接近清水理論值4 500W/m2?K左右。這是由于這一定量的污水中含有的污垢量有限,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,污垢沉積在換熱管中,試驗(yàn)后期水接近了清水的狀態(tài),故傳熱系數(shù)逐漸增大。為此,試驗(yàn)改用黃泥、自來水兌制相應(yīng)濃度的污水作試驗(yàn)用水源。

圖2 污水處理廠光滑銅管污水實(shí)驗(yàn)

3 試驗(yàn)臺(tái)誤差分析

3.1 熱平衡性驗(yàn)證

為確定試驗(yàn)測(cè)試段的保溫性能,在正式開始試驗(yàn)之前,需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行熱平衡驗(yàn)證。方法如下：先啟動(dòng)清水試驗(yàn)系統(tǒng),待試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定后,測(cè)量電加熱絲電流;同時(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄換熱管進(jìn)出口水溫。進(jìn)而,通過下式計(jì)算出熱平衡率。

式中：ηQ為試驗(yàn)臺(tái)熱平衡率;Qs為電加熱絲的發(fā)熱功率,kW;Qw為水側(cè)的得熱量,kW。

3.2 可靠性驗(yàn)證

污垢熱阻數(shù)量級(jí)一般在10-5m2?K/W 左右,為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)清潔狀態(tài)下傳熱系數(shù)測(cè)量。方法如下：對(duì)光滑銅管進(jìn)行3次清水試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間5 h,水流速0.9m/s。忽略光滑銅管的導(dǎo)熱熱阻,將試驗(yàn)所得到的總傳熱系數(shù)與由清水管內(nèi)紊流理論計(jì)算值進(jìn)行比較,計(jì)算兩者相對(duì)誤差。驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?）1 h后試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),說明冷卻段冷卻效果滿足試驗(yàn)要求。2）系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定后,總傳熱系數(shù)在4 500W/m2?K左右,與理論值之間的誤差在-5%～0。3）系統(tǒng)穩(wěn)定后,3次試驗(yàn)所得總傳熱系數(shù)非常相近,波動(dòng)范圍在0～90W/m2?K。上述均表明試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)量可靠性良好。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)可靠性驗(yàn)證

3.3 誤差分析

試驗(yàn)主要研究污垢生長(zhǎng)特性,污垢熱阻是主要檢測(cè)值,且為間接測(cè)量值。間接測(cè)試的物理量須根據(jù)直接測(cè)試量,利用相關(guān)函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到,測(cè)試結(jié)果的總誤差取決于各分項(xiàng)誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理作如下簡(jiǎn)化：1）忽略污垢厚度對(duì)換熱面積的影響,即整個(gè)過程中換熱管的內(nèi)表面積為常值;2）一段時(shí)間內(nèi)的平均對(duì)流換熱系數(shù)的平均值作為試驗(yàn)段的對(duì)流換熱系數(shù)。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣周期為5 s,由測(cè)量數(shù)據(jù),根據(jù)式（7）可得每5 s的總傳熱系數(shù)值Kfn（n=1,2,3…）。為了進(jìn)一步提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度,盡可能地減小誤差,用來計(jì)算污垢熱阻的總傳熱系數(shù)值K nf（n=1,2,3…）取為15 min內(nèi)所得傳熱系數(shù)值Kfn的平均值,即

進(jìn)出口管壁溫度分別由對(duì)稱布置的2個(gè)熱電偶測(cè)量,管壁溫度取進(jìn)出口管壁溫度的平均值。測(cè)量原件的有關(guān)誤差如表1。

表1 誤差分析統(tǒng)計(jì)表

換熱管污垢熱阻測(cè)量的相對(duì)誤差為

光滑銅管穩(wěn)定后污垢熱阻的最大極限相對(duì)誤差范圍為14.6%～15.1%,處于實(shí)驗(yàn)可接受范圍。1）

表2試驗(yàn)污水粒徑分布

4 試驗(yàn)結(jié)果

為考察顆粒狀污垢在管內(nèi)的生長(zhǎng)特性,試驗(yàn)污水用清潔的自來水和粘性較大的黃土配制而成,污泥質(zhì)量濃度4.26%,污水密度1 004 kg/m3。試驗(yàn)前,用掃描電鏡法對(duì)試驗(yàn)污水中顆粒的粒徑分布進(jìn)行了鑒別,結(jié)果見表2?？梢?試驗(yàn)污水中顆粒物數(shù)量分布集中在粒徑為0～5.68μm之間,且大部分在3.37μm以下,同時(shí)顆粒物的質(zhì)量分布也集中在粒徑為 0～5.68μm的粒子。試驗(yàn)工況流速為0.6 m/s,流體-污垢界面溫度約40℃。

試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為2008年4月29日20：50至2008年5月5日10：49,總計(jì)134 h。圖 4為光滑銅管內(nèi)壁污垢熱阻隨時(shí)間變化曲線。

圖4 光滑銅管內(nèi)污垢熱阻隨時(shí)間變化

由圖4可以看出：1）試驗(yàn)污水與換熱面接觸初期,即實(shí)驗(yàn)第21 h之前,污垢熱阻值接近0,可認(rèn)為在這段時(shí)間內(nèi)換熱管內(nèi)并沒有污垢生成,該段時(shí)間即為污垢生長(zhǎng)的誘導(dǎo)期;2）第21 h之后,污垢熱阻開始呈波浪型增大直到第95 h。第95 h到第134 h,污垢熱阻值基本保持穩(wěn)定,穩(wěn)定值為1.5×10-5m2?K/W,該值即為穩(wěn)定污垢熱阻;3）第21 h之后的實(shí)測(cè)污垢熱阻值大體接近指數(shù)函數(shù)曲線。這一點(diǎn)剛好與Zubair等和Sheikh等提出的漸近型污垢積聚預(yù)測(cè)模型的理論分析相吻合[14-15]。因此,主要擬合第21 h之后的數(shù)據(jù)。擬合得到試驗(yàn)光滑銅管內(nèi)壁污垢生長(zhǎng)熱阻預(yù)測(cè)模型式為

另外,由圖中可見,在第24.25 h,42.75 h,66 h,86.5 h,110.25 h處數(shù)據(jù)有劇烈的波動(dòng),這是由于換冰點(diǎn)前后暫時(shí)關(guān)閉、開啟數(shù)據(jù)采集軟件所致。圖4中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線之間有一定分散性,這是數(shù)據(jù)擬合時(shí)存在一定精度的緣故。

5 結(jié)論

針對(duì)某種人工配置污水,基于熱阻法實(shí)驗(yàn)測(cè)試了銅管污水換熱器管內(nèi)顆粒狀污垢生長(zhǎng)規(guī)律,得出如下結(jié)論：

1）試驗(yàn)臺(tái)熱平衡率小于5%,銅管總傳熱系數(shù)值與理論值誤差低于5%,試驗(yàn)臺(tái)最大極限相對(duì)誤差約15%,因此試驗(yàn)臺(tái)熱平衡性良、可靠性良好,試驗(yàn)誤差合理。

2）試驗(yàn)污水中的顆粒狀污垢生長(zhǎng)誘導(dǎo)期為21h,穩(wěn)定污垢熱阻為1.5×10-5m2?K/W,穩(wěn)定開始時(shí)間為第95 h。

4）顆粒狀的污泥污垢的穩(wěn)定污垢熱阻值數(shù)量級(jí)很小,占工程實(shí)際中污垢熱阻（0.001～0.002 m2?K/W）的比重較小,下一步需進(jìn)行其他種類污垢（主要為生物類污垢）的實(shí)驗(yàn)對(duì)其熱阻作深入研究,為城市污水熱泵系統(tǒng)的發(fā)展作有益參考。

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（編輯胡英奎）