减阻技术在集中供热及空调水输配领域的应用研究

集中供热及中央空调系统在我国得以长足发展。截至2002年，中国城市集中供热面积达15.6亿平方米，占房屋总面积的40%左右；城市高层建筑发展迅速，仅上海2000年建成的高层（8层以上）建筑已达3529幢，成为世界上高层建筑最多的城市，高层建筑中商业建筑占很大比例，这些商业建筑几乎全部设有中央空调系统。

集中供热与空调系统以成为耗能大户，其中集中供热、空调系统输配管网中水泵的能耗占有很大比例。集中供热系统水泵包括循环水泵、中继泵及补水泵，所有这些泵的电力消耗折合一次能耗有的高达总供热量的30.3%。空调系统水泵包括冷冻水泵及冷却水泵，国内多数的冷冻水系统由于存在各种各样的设计和运行问题，使得冷冻水泵的全年电耗往往达到冷机全年电耗的30％、40％甚至50％。研究发现，不少系统中水泵的全年电耗已经接近冷机全年电耗的一半。根据目前的能源形势，节约用能，合理用能是我国必须坚持的长期国策。为此围绕集中供热及空调水输配系统的节能，国内开展了广泛的研究，研究重点大多为输配系统的系统设计及运行调节方面。目前，我们已掌握了供热及空调水输配系统的动力学特征，很好的指导了输配系统的运行管理，并且已取得了显著的节能效益。为了进一步降低供热及空调水输配系统中水泵的能耗，必须进行更深层次的研究工作。考虑水泵的能耗是为了来克服水在热（冷）源、输配系统及用户末端流动阻力，则减小流动阻力即可进一步实现供热及空调水输配系统的节能目的。因此研究理想的减阻技术应用于供热及空调水输配系统具有重要的意义。

流体输配减阻机理及减阻方法

有关减阻的研究可追溯到20世纪30年代，但直到20世纪60年代中期，研究工作主要是减小表面粗糙度，隐含的假设是光滑表面的阻力最小。20世纪90年代，湍流理论的发展，使得湍流减阻理论和应用取得了突破性的进展。就减阻技术讲，有肋条减阻、粘性减阻(它包括柔顺壁减阻、聚合物添加剂减阻以及微气泡减阻等)、仿生减阻、壁面振动减阻等。本文重点介绍可用于供热及空调水输配系统粘性减阻的减阻机理、减阻方法。

粘性减阻机理

粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件，依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流体的运动和动力学性质，从而达到减阻目的的技术。

当粘性流体沿边界流过时，由于在边界上流速为零，边界面上法向流速梯度异于零，产生了流速梯度和流体对边界的剪力。边壁剪力作功的结果消耗了流体中部分能量，并最终以热量形式向周围发散。边界面的粗糙程度，决定微观的分离和边界的无数小旋涡几何尺寸的差异，从而决定流体能量消散的差异和阻力系数的差异。如想达到粘性减阻，首先要实现壁的光滑减阻，就要改变层流边界层和湍流边界层中层流附面层的内部结构：

1）减小层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值和流体对边界的剪力，减小通过粘性直接发散的能量值，达到减阻。

2）增大层流边界层和层流附面层的厚度，从而达到减阻。

粘性减阻的方法

柔顺壁减阻

分析发现，海豚和一些鱼类皮肤在海水压力下会分泌出一种油状液体，游泳时所受阻力大大降低。据此，20世纪60年代Kramer制作出“人造海豚皮”进行了柔顺壁湍流减阻试验。他仿造出“人造海豚皮”，用密封的橡胶包裹着细长型物体做成了弹性覆盖层，并用销钉将这一层固定在物体的表面上，在外套与物体之间的空间中充填不同粘度的液体，将这样物体放在水中作拖曳运动时，与同体型同尺寸的光洁硬壳模型相比，阻力就减小了。此后，许多学者深入进行了柔顺壁减阻理论与实验研究。

微气泡减阻

早在18世纪人们就开始在船壳和水的边界之间注入一层空气，减小其表面摩擦力。但是，由于气液交界面的不稳定性，这种设想在实际中很难应用。微气泡减阻就是基于这种设想提出来的，它有效的避开了气液交界面的不稳定问题。

苏联、美国和日本的许多学者都采用了多孔壁面喷气的方法进行微气泡减阻试验。他们的实验结果表明，微气泡能够降低湍流边界层的表面摩擦阻力，局部阻力降幅可达80%～90%。但是，上述试验结果在微气泡含量、气流喷射孔孔径以及水速对减阻效果的影响方面，不仅数据不一，而且存在许多矛盾之处。国内西北工业大学的宋保维等研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响，得到了60%左右的减阻。他们认为微气泡减阻的机理在于：位于边界层内的微气泡本身具有变形能，它把剪切力作用于流体的一部分功转为变形能而储存起来，从而减少了能量损耗，导致了减阻。

聚合物添加剂减阻

在牛顿流体中溶入少量长链高分子添加剂，可以大幅度的降低流体在湍流区的运动阻力，减缓湍流的发生。它最早是Toms1947年在观察管内流动聚合物机械降解时发现的，故又称Tom效应。

聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条件，以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是：其额定分子量数量级都是高达百万的。关于聚合物添加剂减阻的机理自Tom效应问世以来，国、内外学者开展了大量的研究工作。迄今为止，虽然有了不少有关聚合物添加剂减阻的论著，但现有的理论还没有一种可以圆满解释减阻的系列特征，有待于进行深入的研究。

人们重视高聚物减阻的研究，首先是因为这一技术具有很大经济价值，并有两个显著的特点：一是投入量少；二是减阻效果非常显著。所以在国防、工业、交通和消防等领域具有广泛的应用前景，特别是长距离管道输送流体，应用这一技术将大大提高运输量，或节省输送能源的消耗。其次，由于高聚物减阻与湍流密切相关，减阻机理的研究，能促进湍流理论的发展。

聚合物添加剂减阻由于方便实现，在很多领域得到了广泛的应用。尤其用在原油的输送中，可减少长输送管线的中间泵站，节约能源和设备，提高流量和缩短船只的在港停泊时间。例如美国的一条海底输油管线，直径0.356ｍ，年输能力800万桶，添加聚合物减阻剂后，减阻率达26%，输量提高了18%，基本取消了驳船。现在世界各国几十个地区的30多条管线的原油或成品油输送使用了聚合物添加剂。此外，在医学上可以用来减少血液流动的粘性摩阻，增大血流量，以治疗冠心病。在水射流技术方面，也可采用聚合物添加剂，以提高高速水射流的出口动量、切割能力、射喷量和射程。

粘性减阻技术在暖通空调领域的应用

暖通空调领域无论是供热中的热水还是空调中的冷冻水、冷却水其输送都需要消耗很大比例的泵耗，因此粘性减阻技术在该领域的应用具有可观的节能效益。

粘性减阻技术在暖通空调领域应用研究在国外已有报道，而在国内研究还处于空白。鉴于输送热水及冷水管道系统的特点，合适的粘性减阻技术为聚合物添加剂减阻技术。

早在1986年丹麦已经开始开展减阻技术在供热系统热水输送中研究工作。迄今为止，丹麦成功的研制了多种可用来输送热水及冷冻水、冷却水的高分子聚合物添加剂，并且用于实际系统中。日本在这方面也开展了大量的研究工作，在很多供热、集中空调系统已经得以应用。

研究组研究的高分子添加剂用于热水及冷冻水、冷却水输送系统中可降低一半以上的泵耗（试验测试结果），目前已处于商业推广阶段。

结论

节约能源消耗是人类一直追求的目标。减阻技术的应用可进一步降低供热及空调水输配系统水泵的能耗，同时可以提高水输送热量（冷量）的能力有助于减少输配管网的初投资。