第6卷第2期南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)20064F6 F JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY(ENGINEERING AND TECHNOLOGY) Jun, 2006壓力下水煤漿流變特性的測(cè)量王秋粉,任遠(yuǎn),陳良勇,段鈺鋒東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電和燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210096)[摘要]水煤漿是一種髙濃度、高粘性、不透明的固液分散懸浮體系表現(xiàn)出非牛頓流體的特性,其流變特性十分復(fù)雜,迄今為止難以給出理論上的流變模型表達(dá)式水煤漿流變特性是研究水煤漿的穩(wěn)定性輸送的可泵性、流動(dòng)的阻力特性和霧化特性的前提和基礎(chǔ)詳細(xì)介紹了確定壓力下水煤漿流變特性的兩種試驗(yàn)方法:管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法并對(duì)水煤漿輸送中產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象進(jìn)行了較深入的分析和討論,討論了滑移產(chǎn)生的原因及修正方法[關(guān)鍵詞]水煤漿流變特性壓力測(cè)量滑移[中圖分類號(hào)]TQ3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1672-1292(2006)0200305Measurement for the rheological Behavior ofCoal Water Surry at Elevated PressureWANG Qiufen, REN Yuan, CHEN Liangyong, DUAN YufengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of the Ministry of EducationSoutheast University, Nanjing 210096, ChinaAbstract: Coal water slurry(CWS)is solid-liquid suspended system with dense concentration, high viscosity and o-pacity, which features property of Non-Newtonian fluids. So far it is difficult to gain the rheological model in theorybecause of the complexity in its flows. The characterization study of rheological behavior in Cws is important for slur-ry stability, pumpability, flow resistance and atomization. Two experimental methods known as pipe-flow and rotation-al viscometer to determine the rheological behaviors of CWS are proposed. The slip phenomenon of Cws in pipe flow.is discussed deeply.Key words: coal water slurry, rheological behavior, pressure, measure, slippage0引言當(dāng)前石油供給的安全性使人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注煤轉(zhuǎn)化技術(shù),其中包括對(duì)水煤漿技術(shù)的研究水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑混合而成的固液兩相懸浮流體,高濃度水煤漿的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地管道輸送是保證水煤漿高效應(yīng)用的前提水煤漿的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用取決于很多因素,包括漿的穩(wěn)定性,可泵性和霧化、燃燒特性,而這些因素又反過來(lái)影響水煤漿的流變特性特別地,水煤漿的穩(wěn)定性由其低剪切速率下的流變性決定,可泵性取決于中等剪切速率下漿的粘度,霧化和燃燒特性則取決于高剪切速率下漿的粘度可見,流變特性的研究是確定水煤漿管內(nèi)其它流動(dòng)規(guī)律(如速度分布、阻力損失計(jì)算等)的前提和基礎(chǔ)非牛頓流體的流變特性是研究剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變速率之間關(guān)系的規(guī)律,其分析表達(dá)式稱為流變模型或稱為本構(gòu)關(guān)系.由于水煤漿是一種寬篩分、高含固量的復(fù)雜多級(jí)分散懸浮體系,影響其流變特性的因素十分復(fù)雜,往往同煤的化學(xué)性質(zhì)特別是灰分和煤化程度、煤顆粒的粒度分布及形狀、煤粒之間的相互作用、溫度和濃度等因素有關(guān)23.另外,真實(shí)流變模型還受入中國(guó)煤化工水煤漿管內(nèi)輸送收稿日期:2005-11-22.CNMHG基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2004CB217701)作者簡(jiǎn)介:王秋粉(1982-),女碩士研究生,主要從事煤的潔凈燃燒與氣化等方面的學(xué)習(xí)和研究Emal;gwang1982@163.com通訊聯(lián)系人:段鈺鋒(1963-),教授博士生導(dǎo)師,主要從事煤的潔凈燃燒及污染物的控制等方面的教學(xué)與研究E-mail:yfduan@seu.edu.cn南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)第6卷第2期(2006的研究進(jìn)展來(lái)看,世界各國(guó)都將水煤漿流變模型的確定作為研究的主要內(nèi)容之般文獻(xiàn)都普遍認(rèn)為水煤漿是不可壓縮的,因而都未考慮壓力對(duì)水煤漿流變特性的影響 GARRAT GW4等和 ATSUSHI TSUTSUM5等雖分別研究了高溫高壓下旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法和管流法的流變特性,但都沒有具體地分析壓力對(duì)水煤漿流變特性的影響為了發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù),有必要確定高壓下水煤漿的真實(shí)流變模型,為氣流床煤氣化的規(guī)模化和放大化應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù).為此,本文研究?jī)?nèi)容成為國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的子課題“高濃度漿態(tài)非牛頓流體的流動(dòng)特性和均配規(guī)律研究的一部分,對(duì)高濃度水煤漿在壓力下的流變特性進(jìn)行了綜合分析和討論1流變模型流變特性的研究通常有兩種方法:一是從微觀角度出發(fā),即從懸浮液各部分的性質(zhì)以及它們之間的相互作用,通過理論分析來(lái)建立關(guān)聯(lián)式;二是著眼于懸浮液的宏觀流動(dòng)行為,即通過實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察懸浮液的流變特性,提出包含幾個(gè)參數(shù)的流變模型,然后利用流變學(xué)的知識(shí)通過實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定這些參數(shù)由于液固兩相高濃度水煤漿組成的復(fù)雜性,目前還無(wú)法從機(jī)理上探討流變特性的本構(gòu)方程許多研究者對(duì)水煤漿流變特性的研究,通常是采用第二種方法,借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由剪切應(yīng)力的變化或某些與剪切速率相對(duì)應(yīng)的“表觀粘度”的變化曲線得出流變模型大量實(shí)驗(yàn)表明,水煤漿幾乎包括了非牛頓流體的各種類型,且存在明顯的結(jié)構(gòu)化特征,即存在屈服應(yīng)力.在較低剪切速率和較高的剪切速率下水煤漿呈現(xiàn)出牛頓流體特性,而在中等剪切速率下呈現(xiàn)假塑性體特性只有極少的水煤漿呈現(xiàn)出脹流性流體特性,此外,有的還具有較大的觸變性和粘彈性6目前,常采用的流變模型有以下幾種牛頓體:r=μy;冪率體:r=ky;n<1,偽塑性體;n>1膨脹體;賓漢體:r=丌+ηy;屈服冪率體r=r,+ky;n<1,有屈服應(yīng)力的偽塑性體;n>1,有屈服應(yīng)力的膨脹體;式中μ是粘度;k是流動(dòng)相容系數(shù)(又叫稠度系數(shù))以上模型簡(jiǎn)單,直觀,可以直接反映剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變之間的關(guān)系,為進(jìn)一步的研究提供了一定的基礎(chǔ),但它的主要缺陷在于沒有考慮固相顆粒分布以及固相顆粒間的相互作用對(duì)懸浮體流變性的影響2測(cè)量方法利用流體力學(xué)的原理進(jìn)行流變參數(shù)的測(cè)量,一般地說(shuō),是在一定的條件下,通過對(duì)試樣施加切應(yīng)力(或變形)跟蹤受力后的響應(yīng)(或應(yīng)力)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系而得到測(cè)定的方法可以大體分為兩種類型:(1)利用圓柱、圓錐或圓盤的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)測(cè)量流體的剪切應(yīng)力和速度梯度的關(guān)系,這就是旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法.主要測(cè)量參數(shù)是粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度』和轉(zhuǎn)子所受阻力矩M.但是,旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)價(jià)格昂貴,容易損壞,且剪切速率變化范圍小(2)根據(jù)流體在直管段內(nèi)流量和壓力降的關(guān)系求出其粘度和剪切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系,這屬于間接的測(cè)量方法,也稱管流法如常用的管道流動(dòng)阻力法,毛細(xì)管粘度計(jì)等.對(duì)水煤漿來(lái)說(shuō),過細(xì)管道中的測(cè)量將是十分困難的,因此工程上常用較粗的工程管道流阻測(cè)量來(lái)推算,主要測(cè)量參數(shù)是測(cè)量段上的壓力降P和水煤漿的流量Q.2.1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法以往很多實(shí)驗(yàn)室的流變特性測(cè)量都是采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法,如在國(guó)外大多使用 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和hake旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)確定流變模型,而國(guó)內(nèi)基本上使用的是國(guó)產(chǎn)的NDJ-1型和NXs型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),這幾種粘度計(jì)的工作原理基本相同,均為雙圓筒結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)的假設(shè)條件如下③中國(guó)煤化工(1)外筒固定,內(nèi)筒以等角速度D旋轉(zhuǎn):(2)兩筒無(wú)限CNMHG)在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面上,流動(dòng)的流線是圓,即速度僅是半徑的函數(shù),徑向和周向的速度為零;(5)運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)態(tài)的,即連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間導(dǎo)數(shù)均為零;(6)系統(tǒng)恒溫用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法計(jì)算流變模型的公式為萬(wàn)數(shù)據(jù)王秋粉,等:壓力下水煤漿流變特性的測(cè)量(-r2)Mtho rT-2式中,2和r1分別為粘度計(jì)內(nèi)外筒半徑;h為工作高度;M為轉(zhuǎn)矩;為旋轉(zhuǎn)角速度測(cè)定M和』后,就可以根據(jù)上式進(jìn)一步回歸出本構(gòu)方程旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)操作簡(jiǎn)單,測(cè)量結(jié)果可直接讀出,使用的樣品少,但是其剪切速率變化范圍較小,如Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的范圍為0-100s-,NXs-11型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的范圍是1.23-996s,而且旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在小剪切速率下還易出現(xiàn)“柱塞流”和滑移現(xiàn)象常用的粘度測(cè)量系統(tǒng)是在常壓、非密封條件下進(jìn)行粘度測(cè)試的為了測(cè)量高壓條件下水煤漿的流變特性,需要用高壓流變儀或者對(duì)一般的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行改造,即在一般的同軸圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的外圍加裝個(gè)壓力腔實(shí)現(xiàn)高粘稠物料的封閉加壓條件,從而完成物料加壓流變特性的測(cè)量92.2管流法管流法測(cè)量壓力下流體的流變特性需要在加壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,其高壓條件是通過提高輸送泵的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的流體在管道內(nèi)做恒定剪切流動(dòng)可實(shí)測(cè)其壓降和流量,并推算剪切應(yīng)力和剪應(yīng)變速率的關(guān)系,確定流變特性流體在管道內(nèi)的流動(dòng)通常作如下假設(shè):(1)粘性層流;(2)穩(wěn)定流動(dòng);(3)均勻流動(dòng);(4)沿管壁無(wú)滑移利用管流法確定流變模型的計(jì)算公式為7)=-(出)=8(1+3)TR 4n'式中,為壁面處剪切應(yīng)力;yv為壁面處剪切速率L為測(cè)試段長(zhǎng)度,D為管道直徑測(cè)定Q和AP后根據(jù)上式即可繪出r-γ曲線,回歸擬合即可得到流變模型管流法的特點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,可在較高壓力下操作,剪切速率可在較大范圍內(nèi)變化,因此更接近于實(shí)際流動(dòng)過程,測(cè)量結(jié)果比旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法更適于工程應(yīng)用另外還有學(xué)者提出了用毛細(xì)管粘度計(jì)確定流變模型毛細(xì)管粘度計(jì)是測(cè)量牛頓流體粘度的通用儀器,使用簡(jiǎn)單,測(cè)量準(zhǔn)確.但應(yīng)用于非牛頓流體時(shí),由于入口效應(yīng)和滑移的影響,給實(shí)際測(cè)量帶來(lái)了很多不便清華大學(xué)和唐山管道研究所都曾作過毛細(xì)管粘度計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究,均沒取得理想結(jié)果.劉寶林和孔瓏設(shè)計(jì)了水煤漿用改型的毛細(xì)管粘度計(jì),解決了水煤漿的穩(wěn)定狀態(tài)問題、測(cè)壓裝置問題、準(zhǔn)確地測(cè)量水煤漿流變模型問題. ATSUSHI TSUTSUM和 KUNIO YOSHIDA3也成功的用毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行了高溫高壓下水煤漿流變特性的研究3滑移現(xiàn)象滑移現(xiàn)象是煤水混合物類液固兩相流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種特殊流動(dòng)現(xiàn)象.自從1931年MOONEY1提出關(guān)于滑移的問題以來(lái),許多學(xué)者相繼對(duì)滑移進(jìn)行了研究 GARNET和 NISSAN、 MALONEMELZNER對(duì)高分子溶液、乳膠液和固體懸浮液在應(yīng)力不均勻流場(chǎng)中的行為進(jìn)行理論研究表明,在筒壁或管壁處出現(xiàn)異常流動(dòng)行為.目前對(duì)壁面“滑移”的解釋說(shuō)法不一.一種說(shuō)法認(rèn)為,由于近壁處粒子的排列在幾何上不可能與其主體中排列的方式相同,因而產(chǎn)生了滑移現(xiàn)象;另一種說(shuō)法是,粒子從高剪切速率區(qū)域至低剪切速率區(qū)域的遷移所引起;還有一種說(shuō)法是粒子的流體動(dòng)力學(xué)再分布普遍認(rèn)為壁面滑移產(chǎn)生的機(jī)理是當(dāng)介質(zhì)受到不均勻剪中國(guó)煤化工域向低剪切區(qū)域遷移在徑向產(chǎn)生組分濃度梯度.文獻(xiàn)16】研究了顆粒CNMHG的臨界條件提出了顆粒一流體兩相流中主要存在著流體和顆粒及顆粒和顆粒間的兩種相互作用,當(dāng)這兩種力平衡時(shí),不會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚顆粒濃度處處均勻,不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象;當(dāng)流體-顆粒的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒-顆粒間的相互作用時(shí),如果顆粒濃度較大,則可能在近壁面處出現(xiàn)顆粒濃度很低的薄層,從而導(dǎo)致滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)表現(xiàn)為流體南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)第6卷第2期(2006年)在流動(dòng)過程中,與它所接觸的固體壁面處形成一層溶劑層,流體與壁面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),在壁面處出現(xiàn)速度的跳躍.在壁面附近流體的速度可視為不連續(xù),即流體在壁面處出現(xiàn)一個(gè)“滑移速度”滑移層是控制管內(nèi)壓降損失的主要因素,而滑移層的性質(zhì)隨管徑尺寸和管材的變化而變化同樣的水煤漿在不同管徑的管道內(nèi)所測(cè)得的流變模型不一致這種不一致性正是由于水煤漿的滑移所引起的附加流量的程度不同所造成的所以滑移現(xiàn)象的存在無(wú)疑會(huì)對(duì)非牛頓流體流變模型的確定及其管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的研究帶來(lái)一定的影響,因此,為確定水煤漿的真實(shí)流變模型,探索水煤漿管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律,有必要進(jìn)一步深入研究水煤漿管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生滑移流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理及如何修正滑移現(xiàn)象對(duì)水煤漿管內(nèi)流動(dòng)特性的影響等一系列問題為了得到正確的流變模型,需要消除滑移的影響滑移的消除一般從兩個(gè)方面進(jìn)行,一是通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器,例如用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)高粘度漿體的流變特性時(shí),用十字形葉頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的圓柱形測(cè)量元件,或在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的內(nèi)筒上開凹槽來(lái)解決測(cè)定過程中圓柱形測(cè)量元件易“打滑”等問題;二是通過理論分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正由于滑移的存在,水煤漿管內(nèi)流動(dòng)的實(shí)際流量Q應(yīng)是無(wú)滑移流動(dòng)時(shí)的流量Qc與存在滑移引起的附加流量Q之和即Q=Qc+Qs在管道流動(dòng)中有:Q=m(r)7l由于滑移層的厚度很薄,可認(rèn)為8→0,所以:Q3=TR2Us據(jù)文獻(xiàn)89,滑移速度不僅與壁面剪切應(yīng)力有關(guān)而且還是管徑的函數(shù),即:Us=Brn/R其中B為滑移系數(shù)且B僅是r的函數(shù),與半徑R無(wú)關(guān)綜上可得:Q=B;+1rf(r)dr因此在給定的r.下,讓Q-對(duì)1作圖,所得直線的斜率就是B進(jìn)而就可計(jì)算出滑移引起的附加流量和無(wú)滑移流量Qc,根據(jù)無(wú)滑移流量Qc即可求得真實(shí)的剪切速率4結(jié)論本文根據(jù)非牛頓流體流動(dòng)理論,介紹了兩種測(cè)量壓力下水煤漿流變特性的方法旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法和管流法,這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),可以將兩種方法結(jié)合應(yīng)用,得到壓力下水煤漿的流變特性參數(shù)對(duì)水煤漿的流變特性雖然已進(jìn)行了大量的研究工作,取得了很多有意義的成果,也推動(dòng)了水煤漿技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,但是由于水煤漿本身的性質(zhì)比較復(fù)雜,目前很多理論還不夠成熟.另外由于這些基礎(chǔ)研究基本上都是在常壓下進(jìn)行的,對(duì)水煤漿高壓條件下的很多特性還沒做過深入的研究和驗(yàn)證,為了發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù),就有必要從理論上進(jìn)一步深入研究由于水煤漿兩相懸浮液流動(dòng)的復(fù)雜性,目前對(duì)其滑移產(chǎn)生的機(jī)理還沒有統(tǒng)一的定論因此有必要深入研究滑移產(chǎn)生的機(jī)理及如何修正滑移對(duì)水煤漿流動(dòng)產(chǎn)生的影響等問題,最終確定有滑移修正的水煤漿流變模型,用于工程放大化設(shè)計(jì)和計(jì)算[參考文獻(xiàn)]( References[1] SHIRLEY C TSAL, EVERETT W KNELL. 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