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文檔簡介
1、暖通空調(diào)系統(tǒng)中泵的能耗在整個建筑能耗中所占比例非常大,以往圍繞其進行的節(jié)能降耗研究多集中在輸配系統(tǒng)的設計及運行調(diào)節(jié)等方面。由于在液體中加入少量的高分子聚合物或表面活性劑可導致其流動阻力大幅度減少,即出現(xiàn)添加劑減阻現(xiàn)象,此時不但流體輸送過程的摩阻系數(shù)顯著下降,而且會因傳熱性能降低而減少沿程輸送的熱量(或冷量)損耗。如果能夠?qū)⑻砑觿p阻技術應用于暖通空調(diào)系統(tǒng),不僅能夠大大降低輸配系統(tǒng)中水泵的能耗,而且能夠相應地提高水輸送熱量(或冷量)的能力
2、并有助于減少輸配管網(wǎng)的初投資,因此在我國開展此項技術的研究對暖通空調(diào)領域的節(jié)能減排工作具有重要的意義。本文將從應用基礎的角度研究添加劑減阻技術在暖通空調(diào)水系統(tǒng)中實際工程應用的可行性。
本文針對暖通空調(diào)水系統(tǒng)的專業(yè)技術特點,設計并建立了溫度可控、實驗管段管徑可變、具有循環(huán)剪切功能的添加劑減阻實驗臺。該實驗臺的水溫可控制在8℃至80℃之間、雷諾數(shù)可控制在500~100000范圍內(nèi),來模擬暖通系統(tǒng)運行中的大多數(shù)常見的流動狀態(tài);減阻實
3、驗在循環(huán)系統(tǒng)中進行,便于研究不同減阻劑的抗剪切特性;實驗管段部分可拆卸,以實現(xiàn)對常見管材不同管徑的減阻效果研究。在進行減阻實驗之前先進行清水實驗,即在層流區(qū)以Hagen-Poiseuille定律為標準,湍流區(qū)以Prandtl-Karman定律為標準,對實驗段管徑進行了率定。
采用高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)和表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)的水溶液分別在塑料管(PVC管)和紫銅管中進行減阻實驗來研究減阻液的減阻起
4、始點、濃度效應、溫度效應、管徑效應及抗剪切性能等特性。實驗結果顯示,濃度為200ppm的PAM水溶液在紫銅管中最大減阻百分比在溫度10℃時為65%,減阻效果非常突出,而在高溫條件下存在明顯降解現(xiàn)象,故PAM減阻劑在區(qū)域供冷系統(tǒng)中應該具有一定的應用潛力。濃度為300ppm的表面活性劑CTAC水溶液在溫度為60℃的紫銅管中其最大減阻百分比就可達到65%,同時表面活性劑CTAC水溶液的臨界雷諾數(shù)隨著溶液濃度的增加而增加,但是在低溫下表現(xiàn)出一種
5、飽和的行為,當20℃時,100ppm的表面活性劑CTAC溶液臨界雷諾數(shù)約為12000,而400、500和600ppm下臨界雷諾數(shù)幾乎恒定在22500。實驗結果顯示表面活性劑CTAC具有一定的耐高溫抗剪切特性,其在區(qū)域供冷及地板采暖等系統(tǒng)中應該具有較好的應用前景。
暖通空調(diào)系統(tǒng)中大多數(shù)管道內(nèi)的流動都處在湍流(紊流)狀態(tài)下,其中20~30%的能量損失是由湍流中心區(qū)內(nèi)大尺度旋渦的高次分叉所引起的,而70~80%的湍流能量損失卻是由邊
6、界層附近的湍流猝發(fā)所引起的。通過對湍流擬序結構的研究發(fā)現(xiàn),湍流猝發(fā)雖然在空間上是隨機的,但卻是一種帶有概周期性和具有確定性結構的擬序性結構,會在邊界層內(nèi)形成一個振蕩流場,因此在研究添加劑減阻機理時就必須觀察添加劑中的大分子(可將其看做微尺度球形粒子)在此振蕩流場中的動力行為。本文提出了含懸浮粒子流體振蕩粘度的概念,建立了粒子與振蕩流場之間相互作用的數(shù)學物理模型,推導出了微尺度球形粒子在振蕩流場中運動規(guī)律及含有大分子的含懸浮粒子流體振蕩粘
7、度的解析表達式。這部分工作是對經(jīng)典顆粒懸浮液粘度理論的有益擴展,同時為本文隨后的添加劑減阻機理的研究奠定了基礎。
本文的研究結果表明添加劑中的粒子進入邊界層附近時,會受到湍流猝發(fā)所引起的振蕩流場的作用,產(chǎn)生振蕩響應。該過程有利于減弱流場的振蕩強度,更為重要的是該能量損耗會引起局部流場動態(tài)振蕩粘度附加,由于粘度附加將阻礙渦管的形成和已形成渦管的發(fā)育,從而降低湍流猝發(fā)的頻率和強度,抑制在湍流阻力中起著最主要貢獻的湍流猝發(fā),最終達到
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