減阻技術(shù)在集中供熱及空調(diào)水輸配

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　1、引言

　　集中供熱及中央空調(diào)系統(tǒng)在我國得以長足發(fā)展。截至2002年，中國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，國內(nèi)多數(shù)的冷凍水系統(tǒng)由于存在各種各樣的設(shè)計和運行問題，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，節(jié)約用能，合理用能是我國必須堅持的長期國策。為此圍繞集中供熱及空調(diào)水輸配系統(tǒng)的節(jié)能，國內(nèi)開展了廣泛的研究，研究重點大多為輸配系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計及運行調(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)的動力學(xué)特征，很好的指導(dǎo)了輸配系統(tǒng)的運行管理，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。考慮水泵的能耗是為了來克服水在熱（冷）源、輸配系統(tǒng)及用戶末端流動阻力，則減小流動阻力即可進(jìn)一步實現(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、壁面振動減阻等。本文重點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、液體來改變近壁區(qū)流體的運動和動力學(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時，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圍發(fā)散。邊界面的粗糙程度，決定微觀的分離和邊界的無數(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邊界的剪力，減小通過粘性直接發(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)，海豚和一些魚類皮膚在海水壓力下會分泌出一種油狀液體，游泳時所受阻力大大降低。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。他仿造出 “人造海豚皮”，用密封的橡膠包裹著細(xì)長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動時，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驗研究。

　　2.2.2 微氣泡減阻

　　早在18世紀(jì)人們就開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)想在實際中很難應(yīng)用。微氣泡減阻就是基于這種設(shè)想提出來的，它有效的避開了氣液交界面的不穩(wěn)定問題。

　　蘇聯(lián)、美國和日本的許多學(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。他們的實驗結(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，上述試驗結(jié)果在微氣泡含量、氣流噴射孔孔徑以及水速對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)為變形能而儲存起來，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鏈高分子添加劑，可以大幅度的降低流體在湍流區(qū)的運動阻力，減緩?fù)牧鞯陌l(fā)生。它最早是Toms1947年在觀察管內(nèi)流動聚合物機(jī)械降解時發(fā)現(xiàn)的，故又稱Tom效應(yīng)。

　　聚合物添加劑減阻是通過從液體內(nèi)側(cè)邊界創(chuàng)造條件，以實現(xiàn)減阻。長鏈高分子聚合物添加劑能導(dǎo)致減阻的共同特點是：其額定分子量數(shù)量級都是高達(dá)百萬的。關(guān)于聚合物添加劑減阻的機(jī)理自Tom效應(yīng)問世以來，國，內(nèi)外學(xué)者開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，首先是因為這一技術(shù)具有很大經(jīng)濟(jì)價值，并有兩個顯著的特點：一是投入量少；二是減阻效果非常顯著。所以在國防、工業(yè)、交通和消防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是長距離管道輸送流體，應(yīng)用這一技術(shù)將大大提高運輸量，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間。例如美國的一條海底輸油管線，直徑0.356ｍ，年輸能力800萬桶，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)在世界各國幾十個地區(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)上可以用來減少血液流動的粘性摩阻，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)用研究在國外已有報道，而在國內(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，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)開始開展減阻技術(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，并且用于實際系統(tǒng)中。日本在這方面也開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（試驗測試結(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。