1、引言

　　集中供熱及中央空調系統在我國得以長(cháng)足發(fā)展。截至2002年，中國城市集中供熱面積達15. 6億平方米，占房屋總面積的40%左右；城市高層建筑發(fā)展迅速，僅上海2000年建成的高層（8層以上）建筑已達3529幢，成為世界上高層建筑最多的城市，高層建筑中商業(yè)建筑占很大比例，這些商業(yè)建筑幾乎全部設有中央空調系統。

　　集中供熱與空調系統以成為耗能大戶(hù)，其中集中供熱、空調系統輸配管網(wǎng)中水泵的能耗占有很大比例。集中供熱系統水泵包括循環(huán)水泵、中繼泵及補水泵，所有這些泵的電力消耗折合一次能耗有的高達總供熱量的30.3%.空調系統水泵包括冷凍水泵及冷卻水泵，國內多數的冷凍水系統由于存在各種各樣的設計和運行問(wèn)題，使得冷凍水泵的全年電耗往往達到冷機全年電耗的30％、40％甚至50％。研究發(fā)現，不少系統中水泵的全年電耗已經(jīng)接近冷機全年電耗的一半。根據目前的能源形勢，節約用能，合理用能是我國必須堅持的長(cháng)期國策。為此圍繞集中供熱及空調水輸配系統的節能，國內開(kāi)展了廣泛的研究，研究重點(diǎn)大多為輸配系統的系統設計及運行調節方面。目前，我們已掌握了供熱及空調水輸配系統的動(dòng)力學(xué)特征，很好的指導了輸配系統的運行管理，并且已取得了顯著(zhù)的節能效益。為了進(jìn)一步降低供熱及空調水輸配系統中水泵的能耗，必須進(jìn)行更深層次的研究工作�？紤]水泵的能耗是為了來(lái)克服水在熱（冷）源、輸配系統及用戶(hù)末端流動(dòng)阻力，則減小流動(dòng)阻力即可進(jìn)一步實(shí)現供熱及空調水輸配系統的節能目的。因此研究理想的減阻技術(shù)應用于供熱及空調水輸配系統具有重要的意義。

　　2、流體輸配減阻機理及減阻方法

　　有關(guān)減阻的研究可追溯到20世紀30年代，但直到20世紀60年代中期，研究工作主要是減小表面粗糙度，隱含的假設是光滑表面的阻力最小。20世紀90年代，湍流理論的發(fā)展，使得湍流減阻理論和應用取得了突破性的進(jìn)展。就減阻技術(shù)講，有肋條減阻、粘性減阻 （它包括柔順壁減阻、聚合物添加劑減阻以及微氣泡減阻等 ）、仿生減阻、壁面振動(dòng)減阻等。本文重點(diǎn)介紹可用于供熱及空調水輸配系統粘性減阻的減阻機理、減阻方法。

　　2.1 粘性減阻機理

　　粘性減阻就是通過(guò)或從外部改變流體邊界條件或從內部改變其邊界條件，依靠改變邊界材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)或在流動(dòng)的近壁區注入物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)不同的氣體、液體來(lái)改變近壁區流體的運動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，從而達到減阻目的的技術(shù)。

　　當粘性流體沿邊界流過(guò)時(shí)，由于在邊界上流速為零，邊界面上法向流速梯度異于零，產(chǎn)生了流速梯度和流體對邊界的剪力。邊壁剪力作功的結果消耗了流體中部分能量，并最終以熱量形式向周?chē)�發(fā)散。邊界面的粗糙程度，決定微觀(guān)的分離和邊界的無(wú)數小旋渦幾何尺寸的差異，從而決定流體能量消散的差異和阻力系數的差異。如想達到粘性減阻，首先要實(shí)現壁的光滑減阻，就要改變層流邊界層和湍流邊界層中層流附面層的內部結構：

　　1）減小層流邊界層和層流附面層貼近邊界處的流速梯度值和流體對邊界的剪力，減小通過(guò)粘性直接發(fā)散的能量值，達到減阻。

　　2）增大層流邊界層和層流附面層的厚度，從而達到減阻。

　　2.2 粘性減阻的方法

　　2.2.1 柔順壁減阻

　　分析發(fā)現，海豚和一些魚(yú)類(lèi)皮膚在海水壓力下會(huì )分泌出一種油狀液體，游泳時(shí)所受阻力大大降低。據此，20世紀60年代Kramer制作出“人造海豚皮”進(jìn)行了柔順壁湍流減阻試驗。他仿造出 “人造海豚皮”，用密封的橡膠包裹著(zhù)細長(cháng)型物體做成了彈性覆蓋層，并用銷(xiāo)釘將這一層固定在物體的表面上，在外套與物體之間的空間中充填不同粘度的液體，將這樣物體放在水中作拖曳運動(dòng)時(shí)，與同體型同尺寸的光潔硬殼模型相比，阻力就減小了。此后，許多學(xué)者深入進(jìn)行了柔順壁減阻理論與實(shí)驗研究。

　　2.2.2 微氣泡減阻

　　早在18世紀人們就開(kāi)始在船殼和水的邊界之間注入一層空氣，減小其表面摩擦力。但是，由于氣液交界面的不穩定性，這種設想在實(shí)際中很難應用。微氣泡減阻就是基于這種設想提出來(lái)的，它有效的避開(kāi)了氣液交界面的不穩定問(wèn)題。

　　蘇聯(lián)、美國和日本的許多學(xué)者都采用了多孔壁面噴氣的方法進(jìn)行微氣泡減阻試驗。他們的實(shí)驗結果表明，微氣泡能夠降低湍流邊界層的表面摩擦阻力，局部阻力降幅可達80 %—90 %.但是，上述試驗結果在微氣泡含量、氣流噴射孔孔徑以及水速對減阻效果的影響方面，不僅數據不一，而且存在許多矛盾之處。國內西北工業(yè)大學(xué)的宋保維等研究了邊界層中的微氣泡對平板表面摩擦阻力的影響，得到了60 %左右的減阻。他們認為微氣泡減阻的機理在于：位于邊界層內的微氣泡本身具有變形能，它把剪切力作用于流體的一部分功轉為變形能而儲存起來(lái)，從而減少了能量損耗，導致了減阻。

　　2.2.3 聚合物添加劑減阻

　　在牛頓流體中溶入少量長(cháng)鏈高分子添加劑，可以大幅度的降低流體在湍流區的運動(dòng)阻力，減緩湍流的發(fā)生。它最早是Toms1947年在觀(guān)察管內流動(dòng)聚合物機械降解時(shí)發(fā)現的，故又稱(chēng)Tom效應。

　　聚合物添加劑減阻是通過(guò)從液體內側邊界創(chuàng )造條件，以實(shí)現減阻。長(cháng)鏈高分子聚合物添加劑能導致減阻的共同特點(diǎn)是：其額定分子量數量級都是高達百萬(wàn)的。關(guān)于聚合物添加劑減阻的機理自Tom效應問(wèn)世以來(lái)，國，內外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。迄今為止，雖然有了不少有關(guān)聚合物添加劑減阻的論著(zhù)，但現有的理論還沒(méi)有一種可以圓滿(mǎn)解釋減阻的系列特征，有待于進(jìn)行深入的研究。

　　人們重視高聚物減阻的研究，首先是因為這一技術(shù)具有很大經(jīng)濟價(jià)值，并有兩個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)：一是投入量少；二是減阻效果非常顯著(zhù)。所以在國防、工業(yè)、交通和消防等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，特別是長(cháng)距離管道輸送流體，應用這一技術(shù)將大大提高運輸量，或節省輸送能源的消耗。其次，由于高聚物減阻與湍流密切相關(guān)，減阻機理的研究，能促進(jìn)湍流理論的發(fā)展。

　　聚合物添加劑減阻由于方便實(shí)現，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。尤其用在原油的輸送中，可減少長(cháng)輸送管線(xiàn)的中間泵站，節約能源和設備，提高流量和縮短船只的在港停泊時(shí)間。例如美國的一條海底輸油管線(xiàn)，直徑0.356ｍ，年輸能力800萬(wàn)桶，添加聚合物減阻劑后，減阻率達26%，輸量提高了18%，基本取消了駁船�，F在世界各國幾十個(gè)地區的30多條管線(xiàn)的原油或成品油輸送使用了聚合物添加劑。此外，在醫學(xué)上可以用來(lái)減少血液流動(dòng)的粘性摩阻，增大血流量，以治療冠心病。在水射流技術(shù)方面，也可采用聚合物添加劑，以提高高速水射流的出口動(dòng)量、切割能力、射噴量和射程。

　　3、粘性減阻技術(shù)在暖通空調領(lǐng)域的應用

　　暖通空調領(lǐng)域無(wú)論是供熱中的熱水還是空調中的冷凍水、冷卻水其輸送都需要消耗很大比例的泵耗，因此粘性減阻技術(shù)在該領(lǐng)域的應用具有可觀(guān)的節能效益。

　　粘性減阻技術(shù)在暖通空調領(lǐng)域應用研究在國外已有報道，而在國內研究還處于空白。鑒于輸送熱水及冷水管道系統的特點(diǎn)，合適的粘性減阻技術(shù)為聚合物添加劑減阻技術(shù)。

　　早在1986年丹麥已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)展減阻技術(shù)在供熱系統熱水輸送中研究工作。迄今為止，丹麥成功的研制了多種可用來(lái)輸送熱水及冷凍水、冷卻水的高分子聚合物添加劑，并且用于實(shí)際系統中。日本在這方面也開(kāi)展了大量的研究工作，在很多供熱、集中空調系統已經(jīng)得以應用。

　　研究組研究的高分子添加劑用于熱水及冷凍水、冷卻水輸送系統中可降低一半以上的泵耗（試驗測試結果），目前已處于商業(yè)推廣階段。

　　4、結論

　　節約能源消耗是人類(lèi)一直追求的目標。減阻技術(shù)的應用可進(jìn)一步降低供熱及空調水輸配系統水泵的能耗，同時(shí)可以提高水輸送熱量（冷量）的能力有助于減少輸配管網(wǎng)的初投資。

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