高聚物添加剂对管内水在较高流速下核沸腾传热的影响.docx

1、第4期1989年盹41989化工学报JournalofChemicaJInrlustiyandJtnmeerjn>r（China.）高聚物添加剂对管内水在较高流速下核沸腾传热的影响王补宜贺建刚（清华大学热能工程系，4t京）描要报道对两种国产高聚物添加剂的极滞水溶液在较高流速下核沸降传热的实验研究结果.包括强化效果及其持久性一、引言由于化工.石油，动力、制冷等现代工业对强化拂腾传热的需要，同1970年首次报道极少量的羟乙基纤维素（HEC）和聚丙烯酰胺（PAM）添加剂可使水的池沸腾传热得到显著强化的实验结果以来，这种强化方法引起了国际传热界的重视。至今已陆续报道了多达10种以.上不同高聚物添

2、加剂对溶剂核沸腾的诸如强化效果、临界热负荷、气泡脱离直径和晦率、沸腾法界层厚度等影响所进行的实验研究口这些添加剂照例都是减阻剂，能大幅度地减小溶利流动阻力。其中，如HEC还是表面活化剂，能减小溶剂的表面张力3而PAM则不是.由于实验条件的差异，所报道的结论不尽一致°有关强化机理的假说，也只有”沸腾边界层加厚模型.提供了可在实验中被检测的量。巳有的文献，绝大多数局限于池沸腾.只有极个别的涉及低-流速的强制流动核拂腾而工业上感兴趣的，往往是较高流速，例如水在0.8L5m/s下流动核沸腾的传热强化。为此，作者采用可防止高聚物稀溶液在较高流速下严重降解的实验系统，对高聚物稀溶液在较高流速下核

3、沸腾传热强化的效果和耐久性进行了实验研究，以考察这种强化方法对工业应用的可行性。二.实验方法与装置参看图1,在下储水箱12中配制好所实验的给定浓度的高聚物水溶液后，由离心泵13将其全部送进上储水箱1。实验时,让溶液经水位恒定的高位水箱3流往实验段9。高位水箱内部备有预熟元件4.可适度调控被试溶液进实验段的初温。实验段中的溶液流速由节流阀6调节,并用秤重法测量流量。实验段进、出口溶液温度分别用预先精密标定的热电偶温度计11和5测量。当将近所有溶液流回下储水箱时，重新启动泵13把溶液送回1中重复使用，由于两个慵水箱的容积足够大，每泵送一次，可试验几个工况.实验系统之斯以设计成开式系本文19的年6月

4、3日收到.1988年8月1日收到修改稿.图1实验系统示意图1一上储水箱32控制水位的溢口；3高位水箱;4-预志元件；5遮出口温度热电偶；6节诡瓶J；?法兰电极，9实玲段；10排液阀；11一测进口温度热电倡；IN-下储水箱；13离心泵图2在26艾时，溶液与纯水对比的相对粘度1随添加剂浓度的变化XPAM；HEC1989年1989年曲T学统，是为了尽量纬短尿的启用时间.减小高聚物溶液通过离心泵时可能产生的机械降解作用。从高位水箱3到节流阀6之间所有管段都确保绝热良好，以提高实验段进、出口温度测量的准确性。除实验段之外，一律采用粗W路，以减小沿程压力降°实验段采用未经表面处理的不锈钢管-外直

5、径ICmm和内直径9mm,在相距152mm的两电极板之间直接通电如热管内溶液。管外焊有4对沿长度均匀分布的热电偶，根据所测实验段外侧表而温度计算相应的内表面温度。实验以蒸增水作溶剂，用国产HEC和FAM两种高聚物分别作为添加剂。对被试溶液专门进行了粘度和表面张力的测量，以确保实验结果整理的可信性。发现：（l）PAM的增稠作用远大于HEC,如图2所示,（2）溶液的相对粘度照例随温度升高而降低，并且还随测量时间的延长，在两天以后逐渐下降。三、实验结果实验在将近常压下进行，管内流速“为03l.2m/s,壁面热流密度s为IO，一1.5*10W/m图3示出含高聚物添加剂的水溶液单相对流换热系数为都比纯水

6、的小，而且与减阻研究所预测的结果相一致，随着高聚物浓度的增加，而九诚小'由于PAM的强烈增稠作用，h的减小远比HEC显著。图4示出添加高聚物的水溶液在管内流动核沸腾的壁温幻与巨的关系曲线。图中.HEC溶液的核沸腾曲线都在纯水核沸腾曲线的左上方，而且随HEC浓度的增加而偏移加大，这表明在相同壁温下，添加HEC将强化沸腾传热jPAM溶液冀核沸腾曲线处在纯水的右下方，第4期高聚物添加剂妙管内K在较高流速下核沸腾传热的影响-，1_->一_M，r.:，J.»*»,.而且随着衣的加大而逐渐与纯水为核沸腾曲线重合，这表明1XM不具备强化水的流动核沸腾传热的能力.反而恶化水在

7、低知时的核沸腾传热。2-%u)、mm图3溶液单相对流时为随流速的变化(衣=3.4X10*a/in1)1纯水：2SOOppHEC；34CiOppmHEC；470(ippmHl<Ci530ppmPAM图4进口温度26幻，流速0.5m/s时溶液流动核涕腾的七邳曲线I一70DppmHECj2400ppmHEC;3200ppmHEC；4纯水；530ppmPAMMP图5HECSSE度为400ppm时,不同流速下的溶液核沸腾曲线10.8HI/SI2Q9m/s；3045m/s；4一0.3m,图6NEC浓度为dOOppm时，溶液在0.7m/s流速下的核沸腾a滞后*图5示出给定HEC添加浓度时不同流速下的一

8、组典型核沸腾曲线，这与纯水时的情形相似，即在较低如下，流速的提高将使相同壁温下的四值提高.可能存在着某个“最佳流速，*5/0-化工学报1崩9年_._._rI_一-._一.*正象图5中可看出白W8m/s.但又不同于文献6J所提到的对应于某个热负荷而有最隹流图7不同流速和HEC添加浓度的q”200PPmHEC一一0OppmHEC-70OppmHEC图7不同流速和HEC添加浓度的q”200PPmHEC一一0OppmHEC-70OppmHEC速。这意味着在工业上常用流速范围内，采用较高的流速未必是限制这一强化沸腾传热方法取得实用的因素。实验中发现并经反复核实.添加HEC的不同浓度水溶液都律在核沸腾“滞

9、后”现象（见图6）,逐步提高仆，溶液将由单相对流达到“始拂"，遵循ABCD到达。点,并即在北提高到相应于力点的四口时，壁温突然从儿。降为f%,然后沿着线壁温继续上升。只要实验不中断，以后无论热负荷如何升降，壁温总沿BGEF线变动。实验表明，g”随流速增加而增大，随HEC的添加浓度增加而降低,略如图7所示。为了考察添加HEC强化水的流动核沸腾传热效果的持久性，选择浓度400ppm的HEC稀溶液连续进行务=1x10W/ni2壁温测试七天未见变化，说明HEC的强化效果具有一定的持续能力.也测试了在流速为07m/s和gw=34xi0«/m2时浓度400ppm的HEC水溶液的单相对流

10、换热系数，在七天内有了明显的增加，说明减阻能力确象文献7】所预测的逐渐下降。这表明，对既是减阻剂.又是核沸腾传热强化剂的HEC来说，这两种效应之间并无必然的联系.1-添加剂HEC能使溶剂水的强制流动核沸腾传热强化，强化效果随HEC浓度的增加而增大，但增大的趋势随HEC浓度的增加而逐箭趋向于平缓|添加剂PAM则不能使溶剂水的强制流动核沸腾传热强化。2. 对于添加HEC水溶液的流动核沸腾，发现有“滞后'现象,这至今未见到公开的报道。3. 添加剂HEC对水的流动核沸腾传热的强化效果具有一定的持续能力。这种强化效果与对水流的减阻效果之间并无必然的联系.参毒文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

12、cisco.USA,Vol.5,224522W1986)6Hian球.WandMia、R,1st.JtHeatMassTransfer25,431434(1982).7Smith,R.,EJvvcrds,M.FandWang,HZ,int,J.HiatTransfr925,1869一1376(1982)*商聚物添加剂对管内水在较高流速下核沸腾林的影响OntheEnhancingEffectofPolymericAdditivesSub-cooledNucleateFlowBoilingHeatTransferofWaterFlowingwithHigherVelocityThroughaCircularTubeWangBuxuanandHeJiangang(The)matDepartmentTsinhuaUniversitytBeijing/AbstractAspecialopencircuitexperimentalsystemwasset-upwithwhichthesub-coolednucleateflowboilingexperimentscouldbecarriedoutinaquitewiderangeofworkingconditionsandthemechanicaldegradationotpoly