摘要：污水是优质的可再生清洁资源,在广泛践行节能减排的当今社会进程中已成为建筑节能领域“开源节流”的重要对象。污水源热泵系统是污水热利用的重要技术。而技术数据的研究显得尤其重要,本文针对污水温度、密度、黏度及导热系数进行简单的归纳探讨。
关键词：污水；温度；密度；黏度；导热系数
引言
城市污水是一种尚未开发的优良低温余热可再生能源之一。作为污水热利用关键技术之一的污水源热泵系统,其能量输入与输出之比最低1:4,即输入1KW·h的电能,能够得到至少4KW·h的热量,节能30%～75%[[]-6]。城市污水中含有较多的杂质和污垢容易堵塞和腐蚀机组,随着污水源热泵机组运行时间的增加,换热效率越来越低[7-8]。城市污水作为可再生冷热资源,其水质特性直接影响污水冷热资源利用系统的型式和应用的节能性与经济性,是污水冷热资源建筑应用实施的重要依据之一。
不同城市的污水水质差异较大,如沿海城市的氯离子含量高,南方用水定额高的城市有机物含量低,节水型城市有机物含量高[7]。表1是我国部分城市污水水质的对比。从表1可见,污水化学特性的差异对污水冷热资源利用的影响不大,主要控制指标pH值各城市均满足污水冷热资源回用的基本要求,水质酸碱性基本趋于中性；色度、COD、BOD、氨氮、总氮、总磷、硬度、cl-的差异虽然存在,但污水冷热资源的利用本身对这些指标要求并不严格；对总固体含量而言,含量在422~2134mg/L,而其中悬浮固体含量在31~809mg/L,其固体污杂物含量并不会造成污水过滤装置“污杂物严重堆积”现象(每立方米污水过滤污杂物约0.03~0.8kg)。此外,我国不同城市污水温度均在10~25℃左右,利用现有的技术能够将污水低位热源进行回收利用。
综合污水物理、化学和生物特性看,我国绝大部分城市污水都具有冷热资源回收利用的可行性,相关研究结果也说明了这一事实[8]。本文只着重描述污水物理,希望对实际污水源热泵工程具有参考价值。
表1 我国部分城市污水水质
.png)
注：上表除pH和色度外,单位均为mg/L。
1污水密度
原生污水的成分较为复杂,其密度与清水存在一定的差异。污水密度的测试应该是去除了大尺寸的固体杂物后的密度,有实际工程[9]测试到污水密度在不同的测试地点分别为998.8kg/m3和999.3kg/m3,因此在较多文献中提出采用清水密度作为污水的计算密度是可行的[10]。笔者为严谨,特做了一个简易的实验,实验对象为住宅生活污水,实验测试设备有渭南LD610-1电子天平,量程为100ml的玻璃量杯,渭南LD610-1电子天平由电阻应变片式传感器和微机电路组成,具有去皮、累计、故障报警、计数等功能。每次重复测试前将玻璃量杯清洗干净,并用吹风机吹干,然后量杯放入天平上,去皮,分别倒入不同体积的污水,读数,记录数据。测试污水温度17.8℃,测试进行了16次。去除异常数据点之后整理计算结果如图1。
.png)
图2 实验污水密度测试值
对本次实验工况污水密度测试值取平均值,计算值951.3kg/m3,与同等温度下的清水密度998.5kg/m3偏差值4.7%,在实际工程中以清水密度作为污水密度的计算值是可行的。
从测试数据可以看出,污水密度较同温度下水的密度小。一般认为,污水密度似乎大于同温度下的清水密度,为了检测是否存在测量仪器问题,特在此后对自来水进行了同样步骤的测试。测试结果显示在自来水温度9.2℃下,密度计算值为998.4kg/m3,测量值与热物性参数表的密度值误差为0.13%,所以排除测量仪器存在错误。
上述污水密度小于清水密度的现象出现的原因可能在于本次实验污水是宿舍盥洗池的废水,且在实验过程中污水采用的蓄水桶进行蓄水,所以污水中不含有大尺度污染物和污泥,密度比水大的物质均沉在桶底,因为污水中含有密度较小的柔性污杂物、油脂、细碎泡沫等杂质,可能导致污水中水分子团物性的改变,且污水中的微生物菌团密度可能小于污水密度,所以便出现了污水测量密度较同温度下的清水密度小的情况。
2污水黏度
黏度是流体在流动过程中,与垂直方向上产生单位速度梯度所受的剪应力,表征液体流动的难易程度。污水属于非牛顿流体,其黏度不仅随着温度的变化而变化同时也受到速度的影响,所以在测试和计算过程中遇到较大的麻烦,目前对于非牛顿流体黏度的测定方法主要有黏度计直接测定,通过管式流变仪和旋转式流变仪进行实验的基础上计[11]等。针对典型污水往年已有较多学者对其黏度进行了计算测试。马关兴[1[[] 吴荣华,马广兴,孙德兴,城市原生污水冷热源污水流动阻力特性研究[J].哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报.2006(11):1847-1853.]]等人应用非牛顿流体的切应力本构模型推导出了在相同紊流条件下污水阻力是清水的4倍左右；孙德兴[13]等人使用旋转圆筒黏度计测试不用温度下污水黏度,表明在换热器设计时,污水黏度可按相同温度下清水黏度的2.5倍计算；吴德珠[14]在其硕士论文中提出同温度下污水黏度与清水黏度比值为2.0,文献[15]通过实验测定重庆市典型污水在15℃下运动黏度较清水(1.14×10-6㎡/s)大40倍左右,即45.6×10-6㎡/s。在众多学者对污水黏性参数的研究中显示,不同性质的污水具有不同的黏度特性。吴荣[16]教授用管Q式流变仪系统测定污水黏度,并提出切应力本构方程,认为在实际工程应用中可以将污水黏度用相同温度下清水黏度的12倍计算[17]。
对于污水非牛顿流体的黏度有表观黏度和有效黏度,表观黏度公式如(公式1)：
.png)
(公式1)
式中时,为牛顿流体黏度,时为剪切稠化流体,时为剪切稀化流体[18-19]。
吴荣华运用自制的管式流变仪系统测定了污水在层流及紊流条件下表观黏度分别为(公式2)和(公式3)所示：
.png)
将式(公式2)和(公式3)和与实验测定的切应力本构方程(公式4)比较结果吻合。
由式(公式2)和(公式3)可见,污水的常量系数,所以污水为牛顿剪切稠化流体。对于住宅和宿舍等盥洗水,较灌渠原生污水杂质少,油膜较少,表面光滑细腻,所以在实验数据处理中采用孙德兴教授通过旋转圆筒黏度计测试的污水黏度,即取2.5倍清水黏度,在18℃工况下清水黏度为1.066×106㎡/s,则此时污水运动黏度=2.665×106㎡/s。动力黏度=运动黏度×密度=2.665×10-6×951.3=0.002535N.S/㎡。
综上所述,根据污水性质的不同,污水黏度有较大的差别,应该根据污水的实际情况判别污水黏度计算值,而不能盲目参照某一科技论文或者其他学者做出的测试值,笔者针对宿舍和住宅建议取同温度工况下黏度的2.5倍。
3污水导热系数
Radim Kocicha等人[20]提出的污水导热系数计算经验公式(公式5)：
.png)
污水的密度在前文中经过测试在17.8℃情况为951.3kg/m3,分子量可以近似认为与清水一样,取值18,此次实验的城市污水比热容经过测试
.png)
,经过计算此次实验城市污水导热系数
.png)
上述污水导热系数和同温度工况下清水导热系数0.593W/(m.K),相差6.4%,清水较污水导热系数大。原因可能是污水中油脂,泡沫等物质的存在,影响了微观的水分子热运动,约束了分子间传热活性,从而减少了污水的传热性能,说明此污水中含有的杂质导热性能低于清水。
4污水温度
污水的温度具有夏凉冬暖的特性,由于常年处于地下管网,受太阳辐射的影响较小,所以全年温度变化较空气、自来水稳定。我国地大物博,各地污水温度也较有差异,表2是全国各典型城市的冬夏季的城市污水温度。
表2 城市生活污水典型温度
.png)
污水温度满足冬暖夏凉及水温稳定的特性相吻合。
5结论
本文针对城市生活污水的温度、密度、黏度、导热系数四种热物理性质在实际应用中如何取值和计算给出了建议。以住宅和宿舍常用的无大尺度污染物和污泥的城市污水为研究对象,给出了以下四个结论和建议。
①污水温度：污水温度具有夏凉冬暖的特性,同时较为稳定,在这个节能减排的时代,适合规模化利用和开发。
②污水密度：住宅和宿舍等无大尺度污染物和污泥的生活污水,通过实验测试污水密度计算值951.3kg/m3,与同等温度下的清水密度998.5kg/m3偏差值4.7%,偏差较小,在实际工程中以清水密度作为污水密度的计算值是可行的。
③污水黏度：污水性质不同,污水黏度有较大的差别,应该根据污水的实际情况判别污水黏度计算值,不能盲目参照某一科技论文或者其他学者做出的测试值,笔者针对宿舍和住宅建议取同温度工况下黏度的2.5倍。
④污水导热系数：经过污水导热系数经验计算公式,计算可得,本次典型实验污水=0.555,和同温度工况下清水导热系数0.593W/(m.K),相差6.4%,清水较污水导热系数大。原因可能是污水中油脂,泡沫等物质的存在,影响了微观的水分子热运动,约束了分子间传热活性,从而减少了污水的传热性能,说明此污水中含有的杂质导热性能低于清水。
论文丰富了城市生活污水冷热冷的相关基础数据,可为城市污水冷热资源的实际应用提供有益的参考。
参考文献：
[1]李敏.浅谈中国能源现状及未来[J].山西电力,2004(03):66-68.
[2]史立山.中国能源现状分析和可再生能源发展规划[J].可再生能源,2004(05):1-4.
[3]王庆一.中国能源形势评估[J].能源政策研究,2003(1):35-41.
[4]王庆一.我国节能的现状、问题及对策建议,能源政策研究,2003(4):49-54.
[5]韩启德.我国建筑能耗占全社会总能耗约28%[J].建筑与发展,2009,(11):3.
[6]杨德福.沈水湾污水处理厂污水源热泵系统设计[J].建筑节能,2011(12):47-49.
[7]吴荣华,孙德兴,马广兴.城市原生污水冷热资源水参数特性与应用方法评价[J].可再生能源,2005(5):39-43.
[8]杨波涛.空压机冷却系统水垢的形成及防治[J].矿山机械,2004(2):1.
[9]张承虎,吴荣华,庄兆意.城市污水固态成分相关概念定义与参数测定[J].可再生能源,2006(4):66-69.
[10]张承虎,吴荣华,庄兆意.城市污水固态成分相关概念定义与参数测定[J].可再生能源,2006(4):66-69.
[11]张承虎,吴荣华,庄兆意.城市污水固态成分相关概念定义与参数测定[J].可再生能源,2006(4):66-69.
[12]吴荣华,张成虎,孙德兴.城市原生污水冷热源污水黏度特性实验测试[J].哈尔滨工业大学学报,2006(9):1492-1495.
[13]吴荣华,马广兴,孙德兴,城市原生污水冷热源污水流动阻力特性研究[J].哈尔滨工业大学学报,2006(11):1847-1853.
[14]孙德兴,肖红侠,张承虎,庄兆意.污水换热器的设计计算[J].暖通空调,2009(05)：101-103.
[15]吴德珠.污水热能资源化环境评估与规划研究[D].哈尔滨工业大学,2010.
[16]伍培,付祥钊,林真国,彭宣伟,魏章利.重庆地区污水源热泵系统的可行性分析与方案设想[J].建筑给排水,2007,38(5):174-181.
[17]吴荣华,孙德兴,张成虎,马光兴.热泵冷热源城市原生污水的流动阻塞与换热特性[J].暖通空调,2005(02):86-88.
[18]沈崇棠,刘鹤年.非流顿流体力学及其应用[M].北京:高等教育出版社,1999.
[19]张维佳.幂律型非流顿流体本构常数的测量精度问题[J].计量学报,1994,15(2):35-38.
[20]Radim Kocicha,Marian Bojkob,Adela Machakow,Zuzana Klekow.Numerical analysis of the tubular heat eschanger designed for co-generating units on the basis of microturbines[J].International Journal of heat and mass transfer.2012,55(19):5336-5342.