聚丙烯酰胺(PAM)水溶液是一種典型的非牛頓流體。固體PAM在常溫下是一種易 碎、白色、沒有氣味的聚合物，干燥的PAM因?yàn)橹圃旃に嚨牟煌庥^呈現(xiàn)出不同形態(tài)。 PAM的應(yīng)用多數(shù)是以水溶液的形式體現(xiàn)的，PAM在水中以任何濃度、溫度、pH值下都 是可溶的，PAM為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，固體PAM有吸濕性、 絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性，在石油工業(yè)、采油、鉆井泥漿、廢泥漿處理、防止 水竄、降低摩阻、提高采收率、三次采油等方面得到廣泛的應(yīng)用。雖然前人[4M3]已經(jīng)做 了很多關(guān)于PAM水溶液流變性的實(shí)驗(yàn)，但是不同的類型PAM水溶液都有自身的流變 性。對(duì)于非牛頓流體，很難用解析形式的流變方程來(lái)反映其本質(zhì)，多采用r-y流動(dòng)曲線 來(lái)描述其流變特性[4445〗，冪律流體作為一種最簡(jiǎn)單的非牛頓流體，剪切應(yīng)力T與剪切速 率y之間的關(guān)系可以用方程r = ^”表示。本文通過旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量不同濃度PAM水溶 液的表觀粘度，剪切應(yīng)力，通過實(shí)驗(yàn)得出濃度、溫度、剪切速率對(duì)表觀粘度、稠度系數(shù)、 流動(dòng)特性指數(shù)的影響。進(jìn)而求出相應(yīng)的尺值和《值，得到相應(yīng)的PAM流變本構(gòu)方程。
2.3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法
(1)實(shí)驗(yàn)樣品與儀器
實(shí)驗(yàn)樣品采用的是日本HYMO株式會(huì)社生產(chǎn)的聚丙烯酸胺，分子量分別為1〇〇〇萬(wàn)， 1200萬(wàn)，水解度20°/«r~30%的陰性AP-180和離子度40°/«r^0%的陽(yáng)性MP-584。測(cè)量稱 重天平采用的是高精度分析天平（METTLERTOLEDO)，德國(guó)IKA磁力攪拌器，可以 精確控制攪拌的溫度；實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)使用的流變儀是來(lái)自?shī)W地利Anton PaarPhysica MCR301模塊化智能型高級(jí)流變儀，擁有全面精確的控溫系統(tǒng)，可以達(dá)到從-3〇°C到 +190X：的溫度控制范圍，同時(shí)轉(zhuǎn)速范圍可以達(dá)到HT7?3000r/min，自帶的流變管理系統(tǒng) 具有強(qiáng)大的兼容性，可靠性，靈活性，包括流動(dòng)和粘度曲線、溫度測(cè)試、瞬態(tài)測(cè)試等幾 種應(yīng)用模式，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。
(2)實(shí)驗(yàn)方法
對(duì)AP-180和MP-584分別利用分析天平稱重不同質(zhì)量的聚丙烯酰胺顆粒，配制溶 液的質(zhì)量濃度分別是〇.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L，由于該聚合物較難溶解，本實(shí)驗(yàn) 選擇使用磁力攪拌器幫助加快溶解，為了避免配制的溶液產(chǎn)生絮團(tuán)，造成樣品不均勻， 投料的速度要均勻，攪拌的速度控制在20〇r/min以下，這樣可以防止溶液產(chǎn)生過多氣泡 和聚合物的降解。根據(jù)不同濃度，攪拌1~2小時(shí)不等，然后再靜置12?24小時(shí)使聚合物 能夠充分溶解，保證樣品均勻。采用配制的樣品溶液，用流變儀測(cè)量聚丙烯酰胺溶液在 不同質(zhì)量濃度、剪切速率、溫度下的粘度，溫度T從20°C變化到5(TC，每10°C為一個(gè) 間隔[46]，根據(jù)每組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定該組數(shù)據(jù)的流動(dòng)特性指數(shù)《和稠度指數(shù)尺。
2.3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析
(1)質(zhì)量濃度對(duì)表觀粘度的影響
質(zhì)量濃度是影響聚合物溶液表觀粘度的一個(gè)重要因素，因此對(duì)質(zhì)量濃度分別為
0.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L的聚丙烯酰胺溶液進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量。
圖2.1和圖2.2所示分別為AP-180樣品在30°C和MP-584樣品在20°C時(shí)PAM溶液 在不同質(zhì)量濃度下的表觀粘度與剪切速率的流變曲線。從圖2.1和圖2.2中可以看出，
如果在同樣的溫度和剪切速率情況下，整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，聚丙烯醜胺溶液的濃度越高， 其相應(yīng)的表觀粘度也就越高。因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)上聚丙烯酰胺分子形狀具有易變性，分子鏈柔 順性強(qiáng)，高分子量的聚丙烯酰胺分子鏈伸展后，其長(zhǎng)徑比是極其驚人的：所以柔性分子 鏈非常容易發(fā)生卷曲現(xiàn)象，造成分子鏈之間纏結(jié)的嚴(yán)重。隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度的增 加，相同體積內(nèi)的PAM分子數(shù)和分子鏈之間的纏結(jié)點(diǎn)也隨之增多，分子之間的作用力 增強(qiáng)，分子鏈纏結(jié)的也越厲害，相應(yīng)的表觀粘度也就越大。
從圖2.2中還可以看出，較低濃度的聚合物溶液和高濃度的聚合物溶液表觀粘度相 差很大，尤其是在低剪切速率范圍內(nèi)，隨著質(zhì)量濃度的増加，對(duì)應(yīng)的表觀粘度升高的幅 度也增大，高濃度的聚合物溶液體現(xiàn)的尤其明顯。對(duì)高分子化合物而言，分子間的作用 力占據(jù)關(guān)鍵作用，濃度越高的聚丙烯酰胺水溶液分子間的距離就越小，分子間作用力也 就越大，聚合物結(jié)構(gòu)更加緊密，表觀粘度隨之增加。不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度最低的〇.5g/L 的PAM水溶液在整個(gè)剪切速率范圍內(nèi)表觀粘度變化不大，非牛頓性不強(qiáng)，類似牛頓流 體；但是伴隨著質(zhì)量濃度的升高，流變曲線愈加明顯，假塑性增強(qiáng)。
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，在剪切速率較大時(shí)，聚合物分子的構(gòu)像和分布會(huì)發(fā)生變化， 分子原本平衡的構(gòu)象產(chǎn)生偏離并沿著流動(dòng)方向取向，分子鏈松開、伸展，平行取向推動(dòng) 聚合物分子能夠更容易的進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致表觀粘度降低，剪切變稀。分子無(wú)規(guī) 則的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，在沒有外力作用時(shí)，一直處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，剪切速率低時(shí)，伸展開
的纏結(jié)還可以重新建立，表觀粘度就變化不大；當(dāng)剪切速率增加到充分大，纏結(jié)破壞的 速度遠(yuǎn)大于其重建的速度，原有的動(dòng)態(tài)平衡不再存在，擬網(wǎng)結(jié)構(gòu)也被破壞的嚴(yán)重，表觀 粘度基本到達(dá)極限值不再變化。
主要原因是溫度升高后溶液中大分子之間的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，分子之間的距離加大，分 子間的作用力減弱，擬網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)松弛，纏繞程度降低，結(jié)果就導(dǎo)致表觀粘度降低。還有 部分原因是因?yàn)殡S著溫度的升高PAM水溶液會(huì)產(chǎn)生部分水解，也體現(xiàn)在表觀粘度下降。
(4)表觀粘度與溫度、濃度的關(guān)聯(lián)式
根據(jù)上述對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，聚合物溶液表觀粘度隨溫度和濃度變化很大，研究表 明流動(dòng)特性指數(shù)和稠度系數(shù)尤與溫度關(guān)系符合Arrhenius規(guī)律（見式（2.9))，其中 « = %;(-&/及r),尤=尤(^沖此/燈)，《。和尤。都是常數(shù)。而濃度與流動(dòng)特性指數(shù)《 和稠度系數(shù)尺通常遵循指數(shù)模型：《 =尺=a、6是常數(shù)。
這兩種形式都只是溫度或者濃度與表觀粘度的關(guān)系式，為了便于實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用，綜合考 慮溫度、濃度對(duì)表觀粘度的影響，擬合一個(gè)聚丙烯酰胺溶液表觀粘度關(guān)于溫度和濃度的 關(guān)聯(lián)式是非常必要的。
描述了實(shí)驗(yàn)流程示意圖，分別以水和冪律型非牛頓流體作為工作介質(zhì)在儲(chǔ)液 箱內(nèi)充分預(yù)熱攪拌后，經(jīng)過離心泵分兩路，一路回旁通，一路通過電磁流量計(jì)進(jìn)入測(cè)試 段。在測(cè)試段的入口安裝壓力表和熱電偶，測(cè)量流體的入口壓力和入口溫度，流體進(jìn)入 多孔介質(zhì)測(cè)試段。在測(cè)試段方腔管道上表面用銅板加熱器通過壁面給流體加熱，加熱電 壓經(jīng)過高精度穩(wěn)壓器后，通過調(diào)整加熱片電壓，獲得穩(wěn)定的加熱功率。流體在測(cè)試段流 動(dòng)過程中被加熱，通過熱電偶測(cè)量流體和加熱表面溫度。測(cè)試段出口處安裝壓力表和熱 電偶，在測(cè)試段出口處測(cè)量流體壓力和出口溫度后，回流到儲(chǔ)液箱，在冷卻盤管和加熱 棒的共同作用下，流體達(dá)到設(shè)定溫度。流體經(jīng)過的管路和測(cè)試段都用保溫材料進(jìn)行保溫， 以減少熱損失。
綜上所述，多孔介質(zhì)流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)段，流體循環(huán)系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。
(1)實(shí)驗(yàn)段
實(shí)驗(yàn)段由入口段，測(cè)試段，出口段三部分組成，如圖3.3所示。
實(shí)驗(yàn)段管道材質(zhì)采用的都是304不銹鋼，實(shí)驗(yàn)段前后與管路的連接都采用活口法蘭， 密封效果好，并且便于拆卸安裝。實(shí)驗(yàn)段總長(zhǎng)1.88m，其中入口段長(zhǎng)0.84m，測(cè)試段長(zhǎng)
0.55m，出口段長(zhǎng)0.49m。為了盡量使進(jìn)入多孔介質(zhì)前的流體得到充分發(fā)展，入口段相 對(duì)較長(zhǎng)，包括一段長(zhǎng)0.34m的圓形管道和長(zhǎng)0.5m的方形管道，方腔末端上方焊接一個(gè) 圓形螺紋圈和螺紋帽配合使用，便于安裝鎧裝K型熱電偶，用于測(cè)量流體入口溫度。出 口段由長(zhǎng)0.2m的方腔管道和0.29m的圓形管道構(gòu)成，方腔管道前端靠近多孔介質(zhì)出口 段處，同樣焊接了用于安裝熱電偶的圓形螺紋圈，同時(shí)還有排氣閥，排放系統(tǒng)運(yùn)行初始 階段管道內(nèi)的氣體，能夠保證流體正常流動(dòng)。入口段和出口段的方腔管道內(nèi)腔邊長(zhǎng)和圓 管管道內(nèi)徑都是54.2mm和測(cè)試段的內(nèi)徑尺寸一致。
測(cè)試段是實(shí)驗(yàn)段最重要的組成部分，也是在加工設(shè)計(jì)過程中比較難完成的部分。本 實(shí)驗(yàn)測(cè)試段采用導(dǎo)熱系數(shù)為108.9(W/m • K)銅球顆粒作為多孔介質(zhì)填充物，具體結(jié)構(gòu) 如圖3.5所示。
1-銅板加熱器2-石棉板3-不銹鋼蓋板4-銅球顆粒5-絕緣材料6-法蘭7-螺紋孔 圖3.5測(cè)試段結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 3.5 Schematic diagram of the test section
本實(shí)驗(yàn)測(cè)試段由長(zhǎng)550mm帶側(cè)邊的的U型槽，聚氨酯板，加熱器銅板，石棉板， 不銹鋼蓋板等共同組成多孔介質(zhì)邊長(zhǎng)為54.2mm的方形通道。U型槽兩側(cè)邊和不銹鋼蓋 板，通過螺栓連接擠壓加熱器銅板下表面兩側(cè)長(zhǎng)寬高分別為550X4.2X2.lmm槽道內(nèi)放 置直徑為3mm的密封條，實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)方形通道的密封。在銅板兩端各自分布4個(gè)M6
的螺紋孔與U型槽周邊焊接的法蘭共同構(gòu)成測(cè)試段帶螺紋法蘭，使測(cè)試段與入口段和出 口段的連接順利完成。
多孔介質(zhì)是由4X4X40共計(jì)640個(gè)銅球顆粒堆積而成的，銅球顆粒直徑 4=13.55!™!!，均勻的分布在方腔管道內(nèi)，相鄰的4個(gè)銅球球心互成正交垂直分布，孔隙 率e = 0.477。由于銅球顆粒直徑較小，要達(dá)到上述排列分布效果非常困難。在銅球球心 處打一個(gè)<^3的通孔，將打孔的銅球用光桿銅桿竄起來(lái)，這樣就可以將大量的銅球均勻 放置在方腔內(nèi)。銅球多孔介質(zhì)測(cè)試段的前段和后段各自的4X4X10個(gè)銅球都是采用這 種連接方式，多孔介質(zhì)中間部分4X4X20選擇自然堆積的方式。為了使銅球與加熱器 銅板壁面接觸良好，如圖3.5所示在測(cè)試段的底面和兩側(cè)分別放置了厚度為10mm和 3mm的聚氨酯板，發(fā)泡的聚氨酯板具有一定的彈性，可以保證銅球在裝配后與加熱器 壁面充分接觸。
加熱器銅板分上下兩部分，上部分是厚度為2mm的薄銅片，為了測(cè)量銅板下表面 的壁面溫度，在下面的銅板內(nèi)部開槽放置經(jīng)過標(biāo)定校正過的T型熱電偶。在銅板上表面 與不銹鋼蓋板之間鋪上一層5mm厚的石棉板，石棉板導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性好，可以減 少加熱器熱量的散失；同時(shí)還能使銅板受力均勻，加熱絲與壁面充分接觸，減小接觸熱
阻，降低實(shí)驗(yàn)誤差。
P)流體循環(huán)系統(tǒng)
儲(chǔ)液箱的容積為240L,采用不銹鋼焊接而成，用鐵絲將保溫棉包在箱體的外面， 降低箱內(nèi)流體熱量的散失。箱體內(nèi)置兩組功率為4kW的加熱棒與數(shù)字溫控裝置連接，
箱內(nèi)溶液溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，會(huì)自動(dòng)切斷加熱，低于設(shè)定溫度會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)加熱。數(shù)字 溫度器調(diào)節(jié)精度為〇.l°C, 0~10(TC溫度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。儲(chǔ)液箱通過冷卻盤管與冷水機(jī) 相連，實(shí)驗(yàn)過程中，為了保證流體入口溫度恒定，儲(chǔ)液箱內(nèi)溶液溫度的控制還需要冷水 機(jī)的輔助作用，冷水機(jī)制量4600W。在儲(chǔ)液箱蓋上方，安裝了一個(gè)小型攪拌器，加快箱 體內(nèi)溶液局部循環(huán)，一是能夠使箱內(nèi)溶液盡快達(dá)到設(shè)定溫度，二是使非牛頓流體溶液分 布的更均勻。
流體循環(huán)系統(tǒng)的管路部分，采用公稱直徑DN25mm的不銹鋼管；為了便于調(diào)節(jié)流 量，調(diào)節(jié)閥選擇的是截止閥。溶液進(jìn)入離心泵后分兩路，一路回旁通流入水箱，一路通 過電磁流量計(jì)進(jìn)入測(cè)試段，觀測(cè)電磁流量計(jì)的顯示值，通過調(diào)節(jié)旁通和回路的閥門控制 流量大小，達(dá)到預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)流量值。溶液經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段流動(dòng)加熱后回到儲(chǔ)液箱，繼續(xù)在系 統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，示意圖如圖3.7所示。
(3)加熱系統(tǒng)
加熱系統(tǒng)由銅板加熱器、穩(wěn)壓電源、調(diào)壓器三部分組成。穩(wěn)壓電源采用的是正泰 TNDl(SVC)-5全自動(dòng)單相交流穩(wěn)壓電源，輸出電源范圍220X (1 土4%) V。實(shí)驗(yàn)室輸
銅板加熱器
調(diào)
壓
器穩(wěn)
壓
器
圖3.8加熱系統(tǒng)示意圖 Fig. 3.8 Heating system
出電壓不穩(wěn)定，為了保證銅板加熱器的輸入電壓穩(wěn)定，必須在調(diào)壓器前接入穩(wěn)壓電源， 使輸入電壓穩(wěn)定在220V。調(diào)壓器與銅板加熱器相連，調(diào)壓器輸出電壓范圍為0~250V， 通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)銅板加熱器的輸入電壓，改變加熱量，改變實(shí)驗(yàn)工況。在調(diào)壓器和銅板 加熱器之間還需要接入萬(wàn)用表，用于準(zhǔn)確監(jiān)控、調(diào)節(jié)加熱器兩端的電壓，加熱系統(tǒng)的連 接示意圖如圖3.8所示。
(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由熱電偶，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，精密壓力表等組成。本實(shí)驗(yàn)需 要采集的數(shù)據(jù)有溫度、壓力和流量三種，流量由電磁流量計(jì)測(cè)得。實(shí)驗(yàn)測(cè)試段流體進(jìn)出 口壓力由精密機(jī)械壓力表測(cè)得，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況選用的量程為O.IMPa,精度為0.4級(jí)。熱 電偶，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)依次連接構(gòu)成溫度采集系統(tǒng)，加熱器表面溫度，流體溫度， 銅球固體顆粒溫度均由熱電偶完成測(cè)量。
3.1.2實(shí)驗(yàn)主要裝置介紹
(1)離心泵與電磁流量計(jì)
離心泵選用的是廣東粵華生產(chǎn)型號(hào)為DW240/055D不銹鋼水泵，功率為0.55kW， 揚(yáng)程為21~35m，流量范圍為0.1~3.5m3/h，轉(zhuǎn)速2900rpm，進(jìn)出口直徑DN25和管路直 徑一樣。對(duì)于粘度較大的非牛頓流體，常用的流量計(jì)不能滿足實(shí)驗(yàn)要求無(wú)法測(cè)量，流量 計(jì)選用的是德國(guó)KEWILL生產(chǎn)的FE20系列一體式電磁流量計(jì)，被測(cè)液體電導(dǎo)率 5/zS/cm以上就可以準(zhǔn)確測(cè)量流量，可現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)也可與數(shù)據(jù)采集器連接采集數(shù)據(jù)，精度 等級(jí)0.5%，通徑是DN10,可測(cè)流量范圍0.003~3m3/h，在測(cè)量范圍內(nèi)精度都能夠達(dá)到
0.5%，耐壓4.0MPa,如圖3.9所示。
(2)數(shù)據(jù)采集器
數(shù)據(jù)采集器選用的日本YOKOGAMA公司生產(chǎn)的MX100系列數(shù)采器，由一臺(tái) MX100-E-1H數(shù)采模塊，6臺(tái)MX110-UNV-M10中速模塊，1臺(tái)背板組成。每個(gè)中速模 塊有10個(gè)通道，共計(jì)60個(gè)通道可供使用，中速模塊的最小測(cè)量周期是100ms，系統(tǒng)最 多支持3種測(cè)量周期，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)多周期測(cè)量，如圖3.10所示。
(3)銅板加熱器
銅板加熱器是專門為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)的，能夠提供恒定的熱流密度，銅板的材質(zhì)選用 的是導(dǎo)熱系數(shù)較高的紫銅。加熱絲在銅板上蛇形均勻分布，直徑lmm，總長(zhǎng)17m，加 熱電阻是17.5fi，加熱電壓220V時(shí)加熱功率接近2800W。加熱器在制作工程中，首先 在長(zhǎng)寬高分別為550X80.2X13mm的銅板上切下550X80.2X2mm的薄銅板，用于覆蓋 加熱絲。其次在剩下的550 X 80.2 X 11mm的銅板表面上切出520 X 72.2 X 2.5ifim的池子， 池子兩側(cè)各自再切出520X7Xlmm的槽道，用于熱電偶線的匯集。然后在520X58.2 的銅板表面切出寬1mm，深1mm的槽道，用于安置熱電偶。最后在銅板兩側(cè)的4mm 寬的平面上切出4個(gè)8X4X2mm的缺口用于順出熱電偶線和加熱絲兩端的電源線。加 熱絲鋪在熱電偶的上面，最后再用2mm厚的薄銅板壓在加熱絲上，具體結(jié)構(gòu)如圖3.11， 3.12所示。