工業污水管內流動換熱試驗研究

王華亮， 曹琳， 方嘯岳

（南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094）

0 引言

在某些工業生產過程中，由于生產工藝的原因，會伴隨產生大量的30～70℃的廢水，這些低溫廢水中蘊含大量的低品位熱能［1-6］。所以工業污水余熱作為一種清潔能源已經逐步得到了廣泛的認識。目前對于污水源熱泵系統，無論是直接式系統還是間接式系統，污水換熱方式應用最為廣泛的是在換熱管內流動換熱。而目前污水源熱泵系統設計中污水物性參數取值主要是基于清水的物性參數采用倍數法、估算法來確定，取值隨意、不科學［7-10］。研究表明在污水各種水質參數中，污水密度、定壓比熱容、黏度等基礎物性參數隨著污染物成分不同而存在差異，并且在污水換熱研究領域，上述幾類物性參數對污水管內換熱特性影響較大，從而導致在進行污水換熱工程優化設計和換熱特性研究時，相關特性參數無法進行科學取值。尤其在工業污水換熱研究領域，由于工業污水具有特殊而復雜的成分特性［11-13］，目前在該方向上的研究較少。所以結合實際工程應用中工業污水工況條件，揭示工業污水管內流動換熱規律并提出相應的準則關聯式，對工業污水源熱泵系統的工程設計提供參考具有重要的意義。

1 試驗樣品

工業原生污水礦化度較高，通常在2000～6000mg/L之間，采油污水主要成分為地層水，而地層水中含有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等形成的大量金屬鹽類［14，15］。參照我國推薦某工業領域污水水質要求主要控制指標SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質推薦指標》和廢水中主要污染物成分，配制出6000mg/L的模擬工業污水用于試驗見表1。

表1 模擬污水樣品成分

參考實際運行工況污水的主要溫度范圍［16，17］，分別在55、60、65、70、75℃工況下測定污水的基礎物性參數，為后續試驗開展提供物性參數基礎。文中分別采用浮力法、NDJ-9S粘度測定儀［18～20］、水當量法［21］、測定了工業污水在55、60、65、70、75℃溫度下的密度ρ、動力粘度μ以及55～75℃區間平均定壓比熱cp。并依據液體導熱系數經驗式［22］計算出不同溫度下模擬工業水的導熱系數，具體測定結果見表2。

表2 污水樣品物性參數

2 試驗系統

工業污水的管內換熱特性試驗系統主要圍繞上述試驗原理中所需被監測的相關參數進行設計和搭建，試驗系統的原理圖如圖1所示。該試驗系統由3個子系統組成：污水循環系統、冷卻水循環系統、試驗臺測控系統。主要包括污水水箱、冷卻水箱、循環泵、換熱器、循環水管及管件、測控組件等。其中，為了探究工業污水在紫銅換熱換熱器中的換熱特性以及換熱準則關聯式，試驗搭建了污水流動換熱試驗臺，其中為了模擬滿液式換熱器工況，在換熱器中設定污水走管程、冷卻水走殼程。

圖1 試驗臺系統

試驗中參數監測點主要包括4個溫度測點和2個流量測點：換熱器污水的進出口溫度、冷卻水進出口溫度、污水流量和冷卻水流量。其中污水水箱和冷卻水箱中水體的溫度通過水箱加熱器自帶的溫度控制器進行監控。采用PT100鎧裝熱電阻對污水和冷卻水在換熱管段中進出口溫度進行信號采集，并將信號傳輸至MIK-R6000C無紙記錄儀進行實時記錄和儲存用于數據處理結果階段污垢熱阻和傳熱系數的計算。污水和冷卻水在循環管中的流量通過K24高精度化學水專用電子液體渦輪流量計進行實時監測，并通過閥門和流量計的配合調節來實現污水和冷卻水流速的調節。

3 試驗系統驗證

為了保證試驗臺的可行性，在進行主體試驗之前先采用清水試驗法對試驗臺進行熱平衡性和可靠性驗證。

3.1 熱平衡驗證

啟動清水循環進行試驗，待試驗系統流量、溫度穩定后，采集試驗管段的進出水溫度和流量，依據能量平衡原理，試驗管段管程流體傳給殼程流體的熱量應該等于試驗管段殼程流體的得熱量，試驗管段的熱損失系數η可通過下式計算：

式中，QG為試驗管段管程流體傳給殼程流體的熱量；QK為試驗管段殼程流體的得熱量。

3.2 可靠性驗證

將熱流體和冷卻流體均先以清水為介質進行清水工況試驗。在運行工況穩定后，采集試驗數據，通過式（2）計算出在試驗管段內污水的對流換熱系數h′in，并與相同工況條件下Dittus-Boelter式（3）計算理論對流換熱系數進行對比，計算其相對誤差。在進行可靠性試試驗時，假設換熱表面溫度均勻、運行過程中流量穩定，整個換熱過程換熱流體的基本物性不變。

式中，Kc為未結垢時換熱管總傳熱系數；δw為換熱管壁厚度；λw為換熱管壁導熱系數；hout為殼程流體對流換熱系數；Re為換熱過程流體雷諾數；Pr為換熱過程流體普朗特數；λc為換熱流體的導熱系數；d為換熱管特征長度。

在運行工況穩定后，采集60min的清水試驗數據通過以上方法得到試驗臺熱平衡性和可靠性測試結果分別見圖2和圖3。由圖2可以看出，在試驗工況運行穩定后，換熱器管程的散熱量基本穩定在4350W左右，而殼程的的熱量基本穩定在4200W左右，換熱管段的熱損失系數基本在1%～5%范圍內浮動，其中最大熱損失系數為5%，平均熱損失系數為3%。由圖3可以看出，在試驗工況運行穩定后，換熱管內實測對流換熱系數基本穩定在3000W/（m2·℃），而在相同工況條件下采用經驗公式計算的管內理論流換熱系數為2920W/（m2·℃），兩者的相對誤差基本在-3%～7%范圍內波動，其中最大極限誤差為7%，平均相對誤差約為4%。綜上所述，試驗臺的熱平衡性和可靠性均滿足試驗測試要求。

圖2 熱平衡性測試結果

圖3 可靠性測試結果

4 數據處理與結果分析

在換熱管內還未結垢時，即污垢熱阻Rf=0，管內對流換熱系數試驗值根據試驗數據由式2計算得出。其中，總傳熱系數K根據式4得出，殼程對流換熱系數hout根據Zhukauskas經驗式5進行修正計算：

式中，cp，w為污水的定壓比熱；tw，in為換熱管進口污水溫度；tw，out為換熱管出口污水溫度；d為換熱管段管徑；l為換熱管段長度；εn為管排修正系數，取0.84；λc為換熱流體的導熱系數；d為換熱管特征長度，Δtm為換熱管段對數換熱平均溫差。

式中，雷諾數Re、普朗特數Pr以及努謝爾數Nu按照式（6）～式（8）計算：

在工程設計中，努謝爾數Nu、雷諾數Re、普朗特數Pr換熱準則關聯式常用以下形式進行表達［23］：

式中，ρc為換熱流體的密度；u為換熱流體流速；μc為換熱流體動力粘度系數；cp為換熱流體的定壓比熱，取溫度區間的平均定壓比熱；λc為換熱流體的導熱系數；特征長度d為對應試驗管段管內徑，特征溫度為試驗管段流體的平均溫度。

試驗過程中調節流量大致在12～26L/min內運行，使得換熱管進口雷諾數在3000＜Re＜7000范圍內變化，等待工況穩定后采集數據進行處理和分析。3種換熱管污水流動換熱的計算結果見表3。將試驗中式（6）～式（8）所得努謝爾數Nu、雷諾數Re、普朗特數Pr通過最小二乘法進行擬合，得到模擬工業污水在紫銅換熱管內換熱準則關聯式10，擬合優度為92.18%，3000＜Re＜7000。

表3 紫銅管換熱器試驗結果

其中，在3000＜Re＜7000試驗工況范圍內，污水在紫銅管換熱器中流動換熱時，管內對流換熱系數隨雷諾數的變化關系以及努謝爾數隨著雷諾數、普朗特數的變化規律見圖4、圖5。

圖4 污水管內隨Re的變化趨勢

圖5 污水管內流動Pr、Re與Nu的變化關系

從圖4可以看出，污水在在3種換熱管中流動換熱時，在3000＜Re＜7000范圍內，污水管內對流換熱系數隨著雷諾數Re的增大而增大。其中，在3000＜Re＜5500范圍內污水管內湍流并未達到劇烈狀態，對流換熱系數的變化趨勢要比在5000＜Re＜7000范圍內緩慢一些。總體而言，在3000＜Re＜7000范圍內，隨著Re的增大，管內污水的湍流愈加劇烈，管內對流換熱系數變化愈加劇烈。

圖5反映出了污水在三種換熱管中流動換熱時，在 3000＜Re＜7000 工況范圍內，Nu隨 Pr和 Re的變化關系。從圖中可以看出在3000＜Re＜5500范圍內，污水的湍流并未達到劇烈狀態，對應的Nu變化趨勢要比在5000＜Re＜7000范圍內緩慢一些。這一現象與管內對流換熱系數隨Re的變化趨勢也相互對應。此外，普朗特數Pr在試驗過程中變化較小，是因為在式7中指出，試驗中普朗特數Pr與污水的導熱系數、定壓比熱、動力粘度有關，而在試驗工況條件下污水的導熱系數、定壓比熱不變、而動力粘度隨溫度變化很小，從而導致普朗特數Pr變化很小。綜上所述，污水在紫銅管換熱器管內流動換熱時，進口雷諾數Re對管內對流換熱系數以及努謝爾數Nu的影響權重要遠大于普朗特數Pr，可以通過提高進口雷諾數來提高污水換熱器換熱效率。

5 結語

文中基于搭建的污水流動換熱試驗臺，在3000＜Re＜7000工況范圍內，對6000（mg·L-1）的模擬工業污水進行流動換熱試驗，結論如下：

（1）經過驗證，所搭建的污水流動換熱試驗臺平均熱損失系數為3%，最大熱損失系數為5%，測試平均相對誤差約為4%，最大極限誤差為7%。

（2）在3000＜Re＜7000范圍內，工業污水在紫銅換熱管中流動換熱準則關聯式為。

（3）在3000＜Re＜7000范圍內，進口雷諾數Re對污水管內對流換熱系數以及努謝爾數Nu的影響權重要遠大于普朗特數Pr。

（4）在3000＜Re＜7000范圍內，工業污水在紫銅管內的對流換熱系數隨著雷諾數Re的增大而增大，可以通過提高進口雷諾數Re來提高工業污水換熱器換熱效率。