韋節(jié)廷,倪 兵

(1.長春工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院,長春130012;2.東北電力大學(xué),吉林132012)

早在19世紀(jì)末,人們發(fā)現(xiàn)海生動(dòng)物的皮膚黏性有減阻作用,在河流的某些區(qū)段,渾濁的水比清水流得快,其后又發(fā)現(xiàn)船舶在帶有水藻的水中湍流行進(jìn)時(shí)表面摩阻較小。減阻的概念在20世紀(jì)40年代就已被提出,在1948年Toms在第一屆國際流變學(xué)會(huì)議上發(fā)表了第一篇有關(guān)減阻的論文,文章指出,用少量的聚甲基丙烯酸甲酯溶于氯苯中,摩阻可在原來的基礎(chǔ)之上降低約50%,因此,高聚物減阻又稱為Toms效應(yīng)。

當(dāng)前,能源危機(jī)正成為世界各國最棘手的問題之一。節(jié)能可使經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展,也是人們一直在追求的目標(biāo)。供暖已成為我國主要的能源消耗,因此,對供暖系統(tǒng)節(jié)能的研究有很重要的意義。

目前國內(nèi)添加劑減阻的研究有很多,但針對供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的還很少。為了減少能源浪費(fèi),本文針對供熱管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行減阻試驗(yàn),研究高分子聚合物添加劑在熱網(wǎng)中的減阻特性。通過對不同環(huán)節(jié),不同工況的比較,以試驗(yàn)為依據(jù),得出結(jié)論。

1 減阻原理

添加劑減阻是在液體中加入少量的高分子聚合物或表面活性劑,使液體在湍流流動(dòng)時(shí)阻力大幅度減小,也稱為Toms效應(yīng),是減阻劑影響湍流結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

Toms認(rèn)為高聚物溶液可能是剪切稀化流(偽塑性流體)。在壁面高剪切層內(nèi) ,黏度較小,因此能夠減阻。事實(shí)上聚氧化乙烯等優(yōu)良減阻劑的稀溶液并沒有剪切稀化特性,用通常的非牛頓測黏方法可以證明,Walsh得出的結(jié)果顯示,聚甲基丙烯酸溶液雖是剪切稠化流體,但在堿性環(huán)境中卻具有較強(qiáng)的減阻作用 ,從而徹底推翻了理論。

由于對湍流本身的了解還不夠全面,添加劑在湍流中產(chǎn)生減阻的原因至今尚不十分清楚。因此,減阻機(jī)理還有待于深入研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

系統(tǒng)概況及運(yùn)行:本次實(shí)驗(yàn)是模擬實(shí)際供熱管網(wǎng)中添入添加劑前后散熱器散熱系數(shù)的變化情況。系統(tǒng)是由電加熱器加熱,通過離心泵把水提供給整個(gè)系統(tǒng),其中包括6個(gè)小型散熱器,供熱面積50 m2,并且通過改變離心泵的頻率,從而改變系統(tǒng)流量。監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)由壓力傳感器和溫度傳感器測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)6個(gè)散熱器進(jìn)出口壓力和溫度,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖矙z儀上進(jìn)行記錄。除此之外還包括電表箱、計(jì)算機(jī)、多路巡檢儀等多種輔助設(shè)施。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)是通過多路巡檢儀SSR80進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)驗(yàn)時(shí)開啟所有閥門,通過調(diào)節(jié)變頻器改變流量。

3 減阻劑特性

本實(shí)驗(yàn)采用表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)和高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM),其基本特性為:

CTAC

分子式:C16H33(CH3)3NCl

相對分子量:320.0005

性質(zhì) :本品呈白色或淺黃色結(jié)晶體至粉末狀,易溶于異丙醇,可溶于水,震蕩時(shí)產(chǎn)生大量泡沫,能與陽離子、非離子、兩性表面活性劑有良好的配伍性。具有優(yōu)良的滲透、柔化、乳化、抗靜電、生物降解性及殺菌等性能。本品化學(xué)穩(wěn)定性好,耐熱、耐光、耐壓、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿。

PAM

分子式:[CH2-CH(CONH2)]n

平均分子量:≥3×106

性質(zhì):無色或淡黃色稠膠體、無臭、中性,為水溶性高物分子聚合、不溶于乙醇、丙酮,溫度超過120℃時(shí)易分解,具有良好的絮凝性,沉降、補(bǔ)強(qiáng),可以降低液體之間的磨擦阻力等作用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 清水實(shí)驗(yàn)

由圖2可以得出,在清水實(shí)驗(yàn)中,隨著流量的增加,系統(tǒng)的損失增加。且受溫度的影響,并隨著溫度的升高損失逐漸加大。

圖2 清水中不同溫度下壓損隨流量的變化

4.2 CTAC實(shí)驗(yàn)

由圖3可以得出加入CTAC后,隨著溫度的升高減阻性能降低。

圖3 20ppmCTAC溶液在不同溫度下壓損與流量的關(guān)系

4.3 PAM實(shí)驗(yàn)

由圖4可知加入PAM后,隨著溫度的升高減阻性能降低,當(dāng)溫度升高到45℃時(shí),喪失減阻性能。

圖4 不同溫度添入聚丙烯酰胺后壓損與流量的關(guān)系

5 數(shù)據(jù)分析

30℃時(shí)添入不同添加劑前后比較如圖5所示。

圖5 30℃添入不同添加劑前后壓損與流量的關(guān)系

由圖5可知,添入添加劑后,壓損明顯降低,聚丙烯酰胺的減阻效果最為明顯。可見在30℃時(shí),聚丙烯酰胺為理想減阻劑。

45℃時(shí)添入不同添加劑前后比較如圖6所示。

圖6 45℃添入不同添加劑前后壓損與流量的關(guān)系

由圖6可知,添入CTAC后壓損有所降低,添入聚丙烯酰胺后沒有減阻效果。可見聚丙烯酰胺在45℃時(shí),減阻效果喪失。

60℃時(shí)添入不同添加劑前后比較如圖7所示。

圖7 60℃添入不同添加劑前后壓損與流量的關(guān)系

由圖7可知,添入添加劑后不但沒有明顯的減阻效果,反而聚丙烯酰胺使壓損增大?？梢奀TAC在60℃時(shí)已失去減阻性能,聚丙烯酰胺不但失去減阻性能,而且由于其絮凝特性,使系統(tǒng)壓損增大。

式中:Cf——流體的范寧摩阻系數(shù);

ΔΡ——流體進(jìn)出口壓差;

Q ——體積流量;

l——試驗(yàn)管段長度;

ρ——溶液的密度;

D ——試驗(yàn)管段直徑。

式中:E——減阻率;

f——減阻前流體的范寧摩阻系數(shù);

f′——減阻后同一流量下流體的范寧摩阻系數(shù)。

根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算CTAC的減阻效率。(由于外界因素干擾造成流體不穩(wěn)定,所以取平均效率)得出 30℃、45℃、60℃時(shí)的減阻效率分別為25.7%、15.8%、5.5%。由此可見,隨著溫度升高減阻效率下降。通過試驗(yàn)可以看出,表面活性劑具有減阻性能。由于聚丙烯酰胺只有在30℃時(shí)有減阻效果,所以通過式(3)和式(4)計(jì)算得出30℃時(shí)減阻效率為40.68%

對于高分子,溫度是形成膠束的重要條件,所以減阻與溫度有密切關(guān)系。根據(jù)圖3、圖4可知,隨著溫度的升高,減阻效果會(huì)有一定的下降。由于本次試驗(yàn)采用的是20ppm,又受系統(tǒng)外界因素以及流量的影響減阻效率還沒達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)通過在供熱管網(wǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中加入CTAC和聚丙烯酰胺減阻劑并與清水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較,在改變流量,改變溫度的實(shí)驗(yàn)研究中得到以下結(jié)論:

(1)清水實(shí)驗(yàn)中,隨著流量的增大,系統(tǒng)的總損失增大,且溫度越高總阻力損失越大。

(2)在系統(tǒng)中加入CTAC減阻劑后,系統(tǒng)的總損失減小,但隨著溫度升高減阻效果變差。

(3)加入聚丙烯酰胺后,30℃時(shí)減阻效果明顯,效率可達(dá)到40.68%。但當(dāng)溫度升高后,減阻效果逐漸減弱最后喪失,當(dāng)達(dá)到60℃時(shí),不但沒有減阻效果,反而使系統(tǒng)阻力增大。

本次實(shí)驗(yàn)采用的CTAC是20ppm,由于流量、設(shè)備以及儀器精度的影響,會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果有波動(dòng)。另外,CTAC減阻劑對系統(tǒng)具有一定腐蝕性。

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