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????? 温度和雷诺数对表面活性剂溶液传热特性综合影响的实验研究# 王剑峰,魏进家**|1|王剑峰|Wang Jianfeng|西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 710049|State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'

an Jiaotong University, Xi'

an 710049, China|王剑峰(1986-),男,硕士研究生,表面活性剂溶液减阻及传热特性研究|西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室|710049|ken.

[email protected]|029-82664331|13659255901*|2|魏进家|Wei Jinjia|西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 710049|State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'

an Jiaotong University, Xi'

an 710049, China|魏进家(1971-),男,教授,表面活性剂减阻|西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室|710049|[email protected]|02982664462|13072958698温度和雷诺数对表面活性剂溶液传热特性综合影响的实验研究|Experimental Study of Comprehensive Effect of Temperature and Reynold Number on Heat Transfer Characteristic of a Surfactants Solution|国家自然科学基金(No. 10602043, 50821064);

博士点基金(No. 20090201110002);

江苏省自然科学基金(No. BK2009145) (西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 710049) 摘要:本文对不同的温度和雷诺数下阳性离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)在循环回路系统中的传热特性进行了实验研究.结果表明在水中加入表面活性剂后溶液的传热特性有明显的降低,且各浓度条件下均存在一个临界温度,表现出温度效应.本文从温度因素和雷诺数综合影响的角度来解释这种温度效应.结合相关实验数据,通过分析该表面活性剂溶液阻力减小和传热性能降低之间的关系,提出了通过对溶液温度的控制来改变减阻溶液的传热特性的方法. 关键词: 阳离子表面活性剂溶液;

温度效应;

传热特性;

温度和雷诺数 中图分类号:TK124 Experimental Study of Comprehensive Effect of Temperature and Reynold Number on Heat Transfer Characteristic of a Surfactants Solution Wang Jianfeng, Wei Jinjia (State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'

an Jiaotong University, Xi'

an 710049, China) Abstract: In this paper, heat transfer characteristics of a dilute cationic surfactant solution, cetyltrimethyl ammonium chloride (CTAC)/sodium salicylate (NaSal) aqueous solution, were experimentally investigated in a closed loop fluid flow facility. The results showed that the cationic surfactant solution showed greatly heat transfer reduction characteristics, and there existed a critical temperature at each concentration. It also demonstrated the temperature-effect phenomenon. In this paper, we explained this phenomenon from the effects of temperature combined with Reynolds number factor. Combination of correlative experimental data, another method which could change the heat transfer characteristic of the solution was proposed by analyzing the relationship between the drag reduction and the heat transfer reduction. Key words: Cationic surfactant solution;

Temperature effect;

Heat transfer characteristic;

Temperature and Reynolds number 引言 自从发现了Toms效应(Mysels,1949年;

Toms,1948年)以来,添加减阻材料得到了越来越多的关注[1-7].表面活性剂是一种应用比较广泛的减阻材料,通过添加少量的表面活性剂,流体在湍流状态下的摩擦阻力可大大减少,以达到节能的目的.而且,表面活性剂溶液机械稳定性高,不易机械降解,不易受到溶液中其他离子的干扰,同时通过对表面活性剂溶液的流动性能实验看出,在对不同温度下不同浓度的溶液进行的实验中,CTAC表面活性剂溶液都表现出很好的减阻特性及有趣的流动现象.这一特性使其可以成为DHS系统研究中一种理想的减阻剂,并已经成功应用到石油开采及运输、输水系统等领域内[1, 2, 3].但是由于在集中供热系统中的一些设备会对流体的换热性能要求较高,这就需要在关注CTAC减阻流体的减阻性能的同时,对CTAC减阻流体的传热性能进行试验研究是十分有必要的.因此在研究了该表面活性剂溶液的减阻特性的基础上[8],本文主要介绍了对此减阻剂在不同温度、浓度以及雷诺数下的传热特性所进行的系统的研究,并且和得出的减阻特性进行综合比较和分析,得出控制溶液传热特性的一些新的方法. 实验系统及原理介绍 实验系统介绍 表面活性剂流动传热实验系统如图1所示,该系统由容积为0.45m3的贮水箱、搅拌器、不锈钢离心泵、作为测试段的二维通道、不确定度为0.039%电磁流量计、不确定度为±0.01的微差压变送器和必要的回路连接件组成.二维通道内的入口采用渐缩形状,并设有栅格状的整流段,在其出口部则采用渐扩形状以减少系统的压力波动.在测试段的后半段,把通道一侧有机玻璃部件用加热部件代替,如系统图1中的部件10所示.并且按照实验的要求,对加热段的加热性能进行了控制,如图中部件11所示.在贮水箱中安装了一个4.4KW的不锈钢加热器来给溶液加热.流道的流动断面高度为10mm、宽度为125mm,长度为3m,宽高比在10以上,保证了在跨宽度中心面处的流动为二维流动.在二维通道的底面跨宽度中心线上距离入口处1.65m处,沿流动方向开设了相距1.1m的两个测压孔,将该两点的压力引入微差压变送器,以测取该两点间的压差. (1) 不锈钢水箱 (2) 电加热器 (3) 不锈钢离心泵 (4) 电磁流量计 (5) 过滤板 (6) 渐扩段通道 (7) 蜂窝板 (8)二维通道 (9) 测压口 (10) 加热段 (11) PID温控系统 (12)渐缩段通道 (13) 搅拌机 图1二维水循环通道示意图 Fig.1 Schematic diagram of two-dimensional water channel 该加热部件的结构组成如图2所示.用高导热性能而电绝缘的硅胶(道康宁硅胶,道康宁有限公司,美国)把以铁氟龙塑料为绝缘层的加热线(镍铬合金)粘在一个不锈钢板外侧上.五根铁氟龙加热导线是最高耐热温度可到200℃,把整个加热板面分成五部分.每根电线有10米长,且最大加热功率为1000W.而不锈钢板的另一侧则作为通道内壁.每个加热器都是由独立的交流电源供给来进行加热.通过测量电压来计算壁面的加热功率. 5个K型热电偶被直接焊接到对应的加热器中心外表面上来对本地壁温度进行测量.并且为每一个加热部件都设计一个独立的传感器电路来控制加热器壁温. 图2加热部件结构图 Fig.2 Structure of heating components 实验原理 通过对目前文献的了解[9-15],传热试验主要通过测量加热壁面的温度来研究表面活性剂减阻流体的换热性能,加热段的简图如图3所示. 图3加热段示意图 Fig.3 Schematic diagram of test section 实验采用电加热,加热段的热量由热阻丝的电阻和两端电压来计算.采用K型热电偶测出对应测试点的壁温,和减阻溶液进出口的温度,来计算局部传热系数.局部传热系数计算公式如下 (1) 其中:qw――热通量,W/m2;