1、第4期1989年盹41989化工學(xué)報(bào)JournalofChemicaJInrlustiyandJtnmeerjn>r（China.）高聚物添加劑對管內(nèi)水在較高流速下核沸騰傳熱的影響王補(bǔ)宜賀建剛（清華大學(xué)熱能工程系，4t京）描要報(bào)道對兩種國產(chǎn)高聚物添加劑的極滯水溶液在較高流速下核沸降傳熱的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果.包括強(qiáng)化效果及其持久性一、引言由于化工.石油，動(dòng)力、制冷等現(xiàn)代工業(yè)對強(qiáng)化拂騰傳熱的需要，同1970年首次報(bào)道極少量的羥乙基纖維素（HEC）和聚丙烯酰胺（PAM）添加劑可使水的池沸騰傳熱得到顯著強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以來，這種強(qiáng)化方法引起了國際傳熱界的重視。至今已陸續(xù)報(bào)道了多達(dá)10種以.上不同高聚物添

2、加劑對溶劑核沸騰的諸如強(qiáng)化效果、臨界熱負(fù)荷、氣泡脫離直徑和晦率、沸騰法界層厚度等影響所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究口這些添加劑照例都是減阻劑，能大幅度地減小溶利流動(dòng)阻力。其中，如HEC還是表面活化劑，能減小溶劑的表面張力3而PAM則不是.由于實(shí)驗(yàn)條件的差異，所報(bào)道的結(jié)論不盡一致°有關(guān)強(qiáng)化機(jī)理的假說，也只有”沸騰邊界層加厚模型.提供了可在實(shí)驗(yàn)中被檢測的量。巳有的文獻(xiàn)，絕大多數(shù)局限于池沸騰.只有極個(gè)別的涉及低-流速的強(qiáng)制流動(dòng)核拂騰而工業(yè)上感興趣的，往往是較高流速，例如水在0.8L5m/s下流動(dòng)核沸騰的傳熱強(qiáng)化。為此，作者采用可防止高聚物稀溶液在較高流速下嚴(yán)重降解的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對高聚物稀溶液在較高流速下核

3、沸騰傳熱強(qiáng)化的效果和耐久性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以考察這種強(qiáng)化方法對工業(yè)應(yīng)用的可行性。二.實(shí)驗(yàn)方法與裝置參看圖1,在下儲(chǔ)水箱12中配制好所實(shí)驗(yàn)的給定濃度的高聚物水溶液后，由離心泵13將其全部送進(jìn)上儲(chǔ)水箱1。實(shí)驗(yàn)時(shí),讓溶液經(jīng)水位恒定的高位水箱3流往實(shí)驗(yàn)段9。高位水箱內(nèi)部備有預(yù)熟元件4.可適度調(diào)控被試溶液進(jìn)實(shí)驗(yàn)段的初溫。實(shí)驗(yàn)段中的溶液流速由節(jié)流閥6調(diào)節(jié),并用秤重法測量流量。實(shí)驗(yàn)段進(jìn)、出口溶液溫度分別用預(yù)先精密標(biāo)定的熱電偶溫度計(jì)11和5測量。當(dāng)將近所有溶液流回下儲(chǔ)水箱時(shí)，重新啟動(dòng)泵13把溶液送回1中重復(fù)使用，由于兩個(gè)慵水箱的容積足夠大，每泵送一次，可試驗(yàn)幾個(gè)工況.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之斯以設(shè)計(jì)成開式系本文19的年6月

4、3日收到.1988年8月1日收到修改稿.圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖1一上儲(chǔ)水箱32控制水位的溢口；3高位水箱;4-預(yù)志元件；5遮出口溫度熱電偶；6節(jié)詭瓶J；?法蘭電極，9實(shí)玲段；10排液閥；11一測進(jìn)口溫度熱電倡；IN-下儲(chǔ)水箱；13離心泵圖2在26艾時(shí)，溶液與純水對比的相對粘度1隨添加劑濃度的變化XPAM；HEC1989年1989年曲T學(xué)統(tǒng)，是為了盡量緯短尿的啟用時(shí)間.減小高聚物溶液通過離心泵時(shí)可能產(chǎn)生的機(jī)械降解作用。從高位水箱3到節(jié)流閥6之間所有管段都確保絕熱良好，以提高實(shí)驗(yàn)段進(jìn)、出口溫度測量的準(zhǔn)確性。除實(shí)驗(yàn)段之外，一律采用粗W路，以減小沿程壓力降°實(shí)驗(yàn)段采用未經(jīng)表面處理的不銹鋼管-外直

5、徑ICmm和內(nèi)直徑9mm,在相距152mm的兩電極板之間直接通電如熱管內(nèi)溶液。管外焊有4對沿長度均勻分布的熱電偶，根據(jù)所測實(shí)驗(yàn)段外側(cè)表而溫度計(jì)算相應(yīng)的內(nèi)表面溫度。實(shí)驗(yàn)以蒸增水作溶劑，用國產(chǎn)HEC和FAM兩種高聚物分別作為添加劑。對被試溶液專門進(jìn)行了粘度和表面張力的測量，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理的可信性。發(fā)現(xiàn)：（l）PAM的增稠作用遠(yuǎn)大于HEC,如圖2所示,（2）溶液的相對粘度照例隨溫度升高而降低，并且還隨測量時(shí)間的延長，在兩天以后逐漸下降。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)在將近常壓下進(jìn)行，管內(nèi)流速“為03l.2m/s,壁面熱流密度s為IO，一1.5*10W/m圖3示出含高聚物添加劑的水溶液單相對流換熱系數(shù)為都比純水

6、的小，而且與減阻研究所預(yù)測的結(jié)果相一致，隨著高聚物濃度的增加，而九誠小'由于PAM的強(qiáng)烈增稠作用，h的減小遠(yuǎn)比HEC顯著。圖4示出添加高聚物的水溶液在管內(nèi)流動(dòng)核沸騰的壁溫幻與巨的關(guān)系曲線。圖中.HEC溶液的核沸騰曲線都在純水核沸騰曲線的左上方，而且隨HEC濃度的增加而偏移加大，這表明在相同壁溫下，添加HEC將強(qiáng)化沸騰傳熱jPAM溶液冀核沸騰曲線處在純水的右下方，第4期高聚物添加劑妙管內(nèi)K在較高流速下核沸騰傳熱的影響-，1_->一_M，r.:，J.»*»,.而且隨著衣的加大而逐漸與純水為核沸騰曲線重合，這表明1XM不具備強(qiáng)化水的流動(dòng)核沸騰傳熱的能力.反而惡化水在

7、低知時(shí)的核沸騰傳熱。2-%u)、mm圖3溶液單相對流時(shí)為隨流速的變化(衣=3.4X10*a/in1)1純水：2SOOppHEC；34CiOppmHEC；470(ippmHl<Ci530ppmPAM圖4進(jìn)口溫度26幻，流速0.5m/s時(shí)溶液流動(dòng)核涕騰的七邳曲線I一70DppmHECj2400ppmHEC;3200ppmHEC；4純水；530ppmPAMMP圖5HECSSE度為400ppm時(shí),不同流速下的溶液核沸騰曲線10.8HI/SI2Q9m/s；3045m/s；4一0.3m,圖6NEC濃度為dOOppm時(shí)，溶液在0.7m/s流速下的核沸騰a滯后*圖5示出給定HEC添加濃度時(shí)不同流速下的一

8、組典型核沸騰曲線，這與純水時(shí)的情形相似，即在較低如下，流速的提高將使相同壁溫下的四值提高.可能存在著某個(gè)“最佳流速，*5/0-化工學(xué)報(bào)1崩9年_._._rI_一-._一.*正象圖5中可看出白W8m/s.但又不同于文獻(xiàn)6J所提到的對應(yīng)于某個(gè)熱負(fù)荷而有最隹流圖7不同流速和HEC添加濃度的q”200PPmHEC一一0OppmHEC-70OppmHEC圖7不同流速和HEC添加濃度的q”200PPmHEC一一0OppmHEC-70OppmHEC速。這意味著在工業(yè)上常用流速范圍內(nèi)，采用較高的流速未必是限制這一強(qiáng)化沸騰傳熱方法取得實(shí)用的因素。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并經(jīng)反復(fù)核實(shí).添加HEC的不同濃度水溶液都律在核沸騰“滯

9、后”現(xiàn)象（見圖6）,逐步提高仆，溶液將由單相對流達(dá)到“始拂"，遵循ABCD到達(dá)。點(diǎn),并即在北提高到相應(yīng)于力點(diǎn)的四口時(shí)，壁溫突然從兒。降為f%,然后沿著線壁溫繼續(xù)上升。只要實(shí)驗(yàn)不中斷，以后無論熱負(fù)荷如何升降，壁溫總沿BGEF線變動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，g”隨流速增加而增大，隨HEC的添加濃度增加而降低,略如圖7所示。為了考察添加HEC強(qiáng)化水的流動(dòng)核沸騰傳熱效果的持久性，選擇濃度400ppm的HEC稀溶液連續(xù)進(jìn)行務(wù)=1x10W/ni2壁溫測試七天未見變化，說明HEC的強(qiáng)化效果具有一定的持續(xù)能力.也測試了在流速為07m/s和gw=34xi0«/m2時(shí)濃度400ppm的HEC水溶液的單相對流

10、換熱系數(shù)，在七天內(nèi)有了明顯的增加，說明減阻能力確象文獻(xiàn)7】所預(yù)測的逐漸下降。這表明，對既是減阻劑.又是核沸騰傳熱強(qiáng)化劑的HEC來說，這兩種效應(yīng)之間并無必然的聯(lián)系.1-添加劑HEC能使溶劑水的強(qiáng)制流動(dòng)核沸騰傳熱強(qiáng)化，強(qiáng)化效果隨HEC濃度的增加而增大，但增大的趨勢隨HEC濃度的增加而逐箭趨向于平緩|添加劑PAM則不能使溶劑水的強(qiáng)制流動(dòng)核沸騰傳熱強(qiáng)化。2. 對于添加HEC水溶液的流動(dòng)核沸騰，發(fā)現(xiàn)有“滯后'現(xiàn)象,這至今未見到公開的報(bào)道。3. 添加劑HEC對水的流動(dòng)核沸騰傳熱的強(qiáng)化效果具有一定的持續(xù)能力。這種強(qiáng)化效果與對水流的減阻效果之間并無必然的聯(lián)系.參毒文1K1Kotchapbakadee,

11、andWilliams,MhHeatMassTransfir15,835848(1970)2)Ulicay,J.C.(The?!5?,FbD./Univ,ofMichigan9,(1984)*3)?ouai,MandAb<lel-KhaliktS,Appl.Set'jRes,(Netherland)»40,20222(1983).4Paul,DD,andALdel-KhaJiljSI,J,Rheology,27,5476(1983)(5)baltanov,G,A.etaL,HeatTransfer1986Proceedingsofthe肚0IHTC>SanFian

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