減阻技術(shù)在集中供熱及空調(diào)水輸配

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

　1、引言

　　集中供熱及中央空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)得以長(zhǎng)足發(fā)展。截至2002年，中國(guó)城市集中供熱面積達(dá)15. 6億平方米，占房屋總面積的40%左右；城市高層建筑發(fā)展迅速，僅上海2000年建成的高層（8層以上）建筑已達(dá)3529幢，成為世界上高層建筑最多的城市，高層建筑中商業(yè)建筑占很大比例，這些商業(yè)建筑幾乎全部設(shè)有中央空調(diào)系統(tǒng)。

　　集中供熱與空調(diào)系統(tǒng)以成為耗能大戶，其中集中供熱、空調(diào)系統(tǒng)輸配管網(wǎng)中水泵的能耗占有很大比例。集中供熱系統(tǒng)水泵包括循環(huán)水泵、中繼泵及補(bǔ)水泵，所有這些泵的電力消耗折合一次能耗有的高達(dá)總供熱量的30.3%.空調(diào)系統(tǒng)水泵包括冷凍水泵及冷卻水泵，國(guó)內(nèi)多數(shù)的冷凍水系統(tǒng)由于存在各種各樣的設(shè)計(jì)和運(yùn)行問(wèn)題，使得冷凍水泵的全年電耗往往達(dá)到冷機(jī)全年電耗的30％、40％甚至50％。研究發(fā)現(xiàn)，不少系統(tǒng)中水泵的全年電耗已經(jīng)接近冷機(jī)全年電耗的一半。根據(jù)目前的能源形勢(shì)，節(jié)約用能，合理用能是我國(guó)必須堅(jiān)持的長(zhǎng)期國(guó)策。為此圍繞集中供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)的節(jié)能，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了廣泛的研究，研究重點(diǎn)大多為輸配系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)方面。目前，我們已掌握了供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征，很好的指導(dǎo)了輸配系統(tǒng)的運(yùn)行管理，并且已取得了顯著的節(jié)能效益。為了進(jìn)一步降低供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)中水泵的能耗，必須進(jìn)行更深層次的研究工作?？紤]水泵的能耗是為了來(lái)克服水在熱（冷）源、輸配系統(tǒng)及用戶末端流動(dòng)阻力，則減小流動(dòng)阻力即可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)的節(jié)能目的。因此研究理想的減阻技術(shù)應(yīng)用于供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)具有重要的意義。

　　2、流體輸配減阻機(jī)理及減阻方法

　　有關(guān)減阻的研究可追溯到20世紀(jì)30年代，但直到20世紀(jì)60年代中期，研究工作主要是減小表面粗糙度，隱含的假設(shè)是光滑表面的阻力最小。20世紀(jì)90年代，湍流理論的發(fā)展，使得湍流減阻理論和應(yīng)用取得了突破性的進(jìn)展。就減阻技術(shù)講，有肋條減阻、粘性減阻 （它包括柔順壁減阻、聚合物添加劑減阻以及微氣泡減阻等 ）、仿生減阻、壁面振動(dòng)減阻等。本文重點(diǎn)介紹可用于供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)粘性減阻的減阻機(jī)理、減阻方法。

　　2.1 粘性減阻機(jī)理

　　粘性減阻就是通過(guò)或從外部改變流體邊界條件或從內(nèi)部改變其邊界條件，依靠改變邊界材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)或在流動(dòng)的近壁區(qū)注入物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)不同的氣體、液體來(lái)改變近壁區(qū)流體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到減阻目的的技術(shù)。

　　當(dāng)粘性流體沿邊界流過(guò)時(shí)，由于在邊界上流速為零，邊界面上法向流速梯度異于零，產(chǎn)生了流速梯度和流體對(duì)邊界的剪力。邊壁剪力作功的結(jié)果消耗了流體中部分能量，并最終以熱量形式向周?chē)l(fā)散。邊界面的粗糙程度，決定微觀的分離和邊界的無(wú)數(shù)小旋渦幾何尺寸的差異，從而決定流體能量消散的差異和阻力系數(shù)的差異。如想達(dá)到粘性減阻，首先要實(shí)現(xiàn)壁的光滑減阻，就要改變層流邊界層和湍流邊界層中層流附面層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

　　1）減小層流邊界層和層流附面層貼近邊界處的流速梯度值和流體對(duì)邊界的剪力，減小通過(guò)粘性直接發(fā)散的能量值，達(dá)到減阻。

　　2）增大層流邊界層和層流附面層的厚度，從而達(dá)到減阻。

　　2.2 粘性減阻的方法

　　2.2.1 柔順壁減阻

　　分析發(fā)現(xiàn)，海豚和一些魚(yú)類皮膚在海水壓力下會(huì)分泌出一種油狀液體，游泳時(shí)所受阻力大大降低。據(jù)此，20世紀(jì)60年代Kramer制作出“人造海豚皮”進(jìn)行了柔順壁湍流減阻試驗(yàn)。他仿造出 “人造海豚皮”，用密封的橡膠包裹著細(xì)長(zhǎng)型物體做成了彈性覆蓋層，并用銷釘將這一層固定在物體的表面上，在外套與物體之間的空間中充填不同粘度的液體，將這樣物體放在水中作拖曳運(yùn)動(dòng)時(shí)，與同體型同尺寸的光潔硬殼模型相比，阻力就減小了。此后，許多學(xué)者深入進(jìn)行了柔順壁減阻理論與實(shí)驗(yàn)研究。

　　2.2.2 微氣泡減阻

　　早在18世紀(jì)人們就開(kāi)始在船殼和水的邊界之間注入一層空氣，減小其表面摩擦力。但是，由于氣液交界面的不穩(wěn)定性，這種設(shè)想在實(shí)際中很難應(yīng)用。微氣泡減阻就是基于這種設(shè)想提出來(lái)的，它有效的避開(kāi)了氣液交界面的不穩(wěn)定問(wèn)題。

　　蘇聯(lián)、美國(guó)和日本的許多學(xué)者都采用了多孔壁面噴氣的方法進(jìn)行微氣泡減阻試驗(yàn)。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微氣泡能夠降低湍流邊界層的表面摩擦阻力，局部阻力降幅可達(dá)80 %—90 %.但是，上述試驗(yàn)結(jié)果在微氣泡含量、氣流噴射孔孔徑以及水速對(duì)減阻效果的影響方面，不僅數(shù)據(jù)不一，而且存在許多矛盾之處。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的宋保維等研究了邊界層中的微氣泡對(duì)平板表面摩擦阻力的影響，得到了60 %左右的減阻。他們認(rèn)為微氣泡減阻的機(jī)理在于：位于邊界層內(nèi)的微氣泡本身具有變形能，它把剪切力作用于流體的一部分功轉(zhuǎn)為變形能而儲(chǔ)存起來(lái)，從而減少了能量損耗，導(dǎo)致了減阻。

　　2.2.3 聚合物添加劑減阻

　　在牛頓流體中溶入少量長(zhǎng)鏈高分子添加劑，可以大幅度的降低流體在湍流區(qū)的運(yùn)動(dòng)阻力，減緩?fù)牧鞯陌l(fā)生。它最早是Toms1947年在觀察管內(nèi)流動(dòng)聚合物機(jī)械降解時(shí)發(fā)現(xiàn)的，故又稱Tom效應(yīng)。

　　聚合物添加劑減阻是通過(guò)從液體內(nèi)側(cè)邊界創(chuàng)造條件，以實(shí)現(xiàn)減阻。長(zhǎng)鏈高分子聚合物添加劑能導(dǎo)致減阻的共同特點(diǎn)是：其額定分子量數(shù)量級(jí)都是高達(dá)百萬(wàn)的。關(guān)于聚合物添加劑減阻的機(jī)理自Tom效應(yīng)問(wèn)世以來(lái)，國(guó)，內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。迄今為止，雖然有了不少有關(guān)聚合物添加劑減阻的論著，但現(xiàn)有的理論還沒(méi)有一種可以圓滿解釋減阻的系列特征，有待于進(jìn)行深入的研究。

　　人們重視高聚物減阻的研究，首先是因?yàn)檫@一技術(shù)具有很大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是投入量少；二是減阻效果非常顯著。所以在國(guó)防、工業(yè)、交通和消防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是長(zhǎng)距離管道輸送流體，應(yīng)用這一技術(shù)將大大提高運(yùn)輸量，或節(jié)省輸送能源的消耗。其次，由于高聚物減阻與湍流密切相關(guān)，減阻機(jī)理的研究，能促進(jìn)湍流理論的發(fā)展。

　　聚合物添加劑減阻由于方便實(shí)現(xiàn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其用在原油的輸送中，可減少長(zhǎng)輸送管線的中間泵站，節(jié)約能源和設(shè)備，提高流量和縮短船只的在港停泊時(shí)間。例如美國(guó)的一條海底輸油管線，直徑0.356ｍ，年輸能力800萬(wàn)桶，添加聚合物減阻劑后，減阻率達(dá)26%，輸量提高了18%，基本取消了駁船?，F(xiàn)在世界各國(guó)幾十個(gè)地區(qū)的30多條管線的原油或成品油輸送使用了聚合物添加劑。此外，在醫(yī)學(xué)上可以用來(lái)減少血液流動(dòng)的粘性摩阻，增大血流量，以治療冠心病。在水射流技術(shù)方面，也可采用聚合物添加劑，以提高高速水射流的出口動(dòng)量、切割能力、射噴量和射程。

　　3、粘性減阻技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　暖通空調(diào)領(lǐng)域無(wú)論是供熱中的熱水還是空調(diào)中的冷凍水、冷卻水其輸送都需要消耗很大比例的泵耗，因此粘性減阻技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用具有可觀的節(jié)能效益。

　　粘性減阻技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用研究在國(guó)外已有報(bào)道，而在國(guó)內(nèi)研究還處于空白。鑒于輸送熱水及冷水管道系統(tǒng)的特點(diǎn)，合適的粘性減阻技術(shù)為聚合物添加劑減阻技術(shù)。

　　早在1986年丹麥已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)展減阻技術(shù)在供熱系統(tǒng)熱水輸送中研究工作。迄今為止，丹麥成功的研制了多種可用來(lái)輸送熱水及冷凍水、冷卻水的高分子聚合物添加劑，并且用于實(shí)際系統(tǒng)中。日本在這方面也開(kāi)展了大量的研究工作，在很多供熱、集中空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)得以應(yīng)用。

　　研究組研究的高分子添加劑用于熱水及冷凍水、冷卻水輸送系統(tǒng)中可降低一半以上的泵耗（試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果），目前已處于商業(yè)推廣階段。

　　4、結(jié)論

　　節(jié)約能源消耗是人類一直追求的目標(biāo)。減阻技術(shù)的應(yīng)用可進(jìn)一步降低供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)水泵的能耗，同時(shí)可以提高水輸送熱量（冷量）的能力有助于減少輸配管網(wǎng)的初投資。