供热管网变水温的减阻实验研究

韦节廷，倪 兵

（1.长春工程学院能源与动力工程学院，长春130012；2.东北电力大学，吉林市132012）

0 引言

在19世纪末，人们发现海生动物的皮肤黏性具有减阻作用，在河流的某些区段，浑浊的水比清水流得快，后来又发现船舶在带有水藻的水中湍流行进时阻力较小[1]。

减阻的概念在20世纪40年代就已经提出。在1948年Toms在第一届国际流变学会议上发表了第一篇有关减阻的论文，文章指出，用少量的聚甲基丙烯酸甲酯溶于氯苯中，摩阻可降低约50%，因此，高聚物减阻又称为Toms效应。

由于当前能源危机正成为世界各国最棘手的问题之一。节能可使经济进一步发展，也是人们一直在追求的目标。并且供暖已成为我国主要的能源消耗，因此，对供暖系统节能的研究有很重要的意义。

目前国内添加剂减阻的研究有很多，但对于供热管网系统的还很少。本文针对供热管网系统进行减阻试验，研究添加剂在热网中的减阻特性。通过对不同环节，不同工况的比较，以试验为依据，得出结果，应用于实际生产[2]。

1 减阻原理

添加剂减阻是在液体中加入少量的高分子聚合物或表面活性剂，使液体在湍流流动时阻力大幅度减小，也称为Toms效应，是减阻剂影响湍流结构的结果。

Toms认为高聚物溶液可能是剪切稀化流（伪塑性流体）。在壁面高剪切层内，黏度较小，因此能够减阻[3]。事实上聚氧化乙烯等优良减阻剂的稀溶液并没有剪切稀化特性，用通常的非牛顿测黏方法可以证明，Walsh得出的结果显示，聚甲基丙烯酸溶液虽是剪切稠化流体，但在碱性环境中却具有较强的减阻作用[4]，从而彻底推翻了理论。

由于对湍流本身的了解还不够全面，添加剂在湍流中产生减阻的原因至今尚不十分清楚。因此，减阻机理还有待于深入研究。

2 实验设备

2.1 系统概况及运行

试验系统如图1所示。本次实验是模拟添加剂在实际供热管网中是否有减阻效果和减阻效果在什么情况下最佳的研究，系统是由电加热器加热，通过离心泵把水提供给整个系统，其中包括6个小型散热器，供热面积50m2。并且通过改变离心泵的频率，从而改变系统流量。经由压力传感器和温度传感器测量实验台的压力和温度，将数据传输到巡检仪上进行记录。除此之外还包括电表箱、计算机、多路巡检仪等多种辅助设施。

图1 试验系统

表1 试验台主要设备

本实验是通过多路巡检仪SSR80进行数据传输，实验时开启所有阀门，通过调节变频器改变流量。

2.2 减阻剂特性

本实验采用表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，其基本特性为：

分子式：C16H33（CH3）3NCl

分子量：320.0005

性质：本品呈白色或浅黄色结晶体至粉末状，易溶于异丙醇，可溶于水，震荡时产生大量泡沫，具有与阳离子、非离子、两性表面活性剂良好的配伍性。具有优良的渗透、柔化、乳化、抗静电、生物降解性及杀菌等性能。本品化学稳定性好，耐热、耐光、耐压、耐强酸强碱。

3 实验结果

3.1 清水试验

清水试验结果如表2所示。清水试验流量与压损散点图如图2所示。

表2 清水试验结果

图2 清水中不同温度下压损随流量的变化

由图2可以得出，在清水实验中，随着流量的增加，系统的损失增加，且受温度的影响，并随着温度的升高损失逐渐加大。

3.2 加入20ppm CTAC减阻剂

加入20ppm CTAC减阻剂后的试验结果如表3所示。添加剂试验流量与压损散点图如图3所示。

图3 20ppm溶液在不同温度下压损与流量的变化

表3 加入20ppm CTAC减阻剂后的试验结果

由图3可以得出在清水中加入添加剂后，随着温度的升高减阻性能降低。

4 数据分析

在不同温度、不同流量（湍流），清水与加入20ppm CTAC减阻剂系统的总阻力的比较。加入添加剂前后流量与压损散点图如图4所示：

4 30℃下清水与20ppm溶液压损与流量的变化

30℃加入添加剂后的拟合公式为：45℃加入添加剂后的拟合公式为：

图5 45℃下清水与20ppm溶液压损与流量的变化

图6 60℃下清水与20ppm溶液压损与流量的变化

60℃加入添加剂后的拟合公式为：

式中：Cf——流体的范宁摩阻系数；

ΔP——流体进出口压差；

l——试验管段长度；

Q——体积流量；

ρ——溶液的密度；

D——试验管段直径。

式中：E—— 减阻率；

f——减阻前流体的范宁摩阻系数；

f′——减阻后同一流量下流体的范宁摩阻系数。

根据式（4）和式（5）计算减阻效率（由于外界因素干扰造成流体不稳定，所以取平均效率），得出30℃、45℃、60℃时的减阻效率分别为25.7%、15.8%、5.5%。由此可见，随着温度升高减阻效率下降。通过试验可以看出，表面活性剂具有减阻性能。对于高分子，温度是形成胶束的重要条件，所以减阻与温度有密切关系。根据图6可知，随着温度的升高，减阻效果会有一定的下降。

5 结语

本实验通过在供热管网实验台中加入CTAC减阻剂并与清水实验进行比较，在改变流量，改变温度的实验研究中得到以下结论：

（1）清水实验中，随着流量的增大系统的总损失增大，且温度越高总阻力损失越大。

（2）在系统中加入CTAC减阻剂后，系统的总损失减小，但随着温度升高减阻效果变差。

（3）本次实验的质量浓度为20ppm，质量浓度比较低，所以受流量、设备以及仪器精度的影响，会造成实验结果的波动。

[1]Wang Yingkui，Jiang Chunbo，Li Ling，Review of Research on Drag Reduction[J].Water Power，2008，34：67－70.

[2]焦利芳.添加剂减阻技术在集中供暖系统中的节能应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.66－70.

[3]Toms B A.Some observation on the flow of linear polymer solution through straight tubes at large Reynolds number[A].Wiley.proc.1st congress on Rheology[C].Northe Holland，Amstlerdam：Wiley，1948：135－137.

[4]Walsh M.On the turbulent flow of dilute polymer solutions[D].California：California Institute of Technology，California，1967.15－20.