聚丙烯酰胺(PAM)水溶液是一种典型的非牛顿流体。固体PAM在常温下是一种易 碎、白色、没有气味的聚合物，干燥的PAM因为制造工艺的不同外观呈现出不同形态。 PAM的应用多数是以水溶液的形式体现的，PAM在水中以任何浓度、温度、pH值下都 是可溶的，PAM为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，固体PAM有吸湿性、 絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性，在石油工业、采油、钻井泥浆、废泥浆处理、防止 水窜、降低摩阻、提高采收率、三次采油等方面得到广泛的应用。虽然前人[4M3]已经做 了很多关于PAM水溶液流变性的实验，但是不同的类型PAM水溶液都有自身的流变 性。对于非牛顿流体，很难用解析形式的流变方程来反映其本质，多采用r-y流动曲线 来描述其流变特性[4445〗，幂律流体作为一种最简单的非牛顿流体，剪切应力T与剪切速 率y之间的关系可以用方程r = ^”表示。本文通过旋转流变仪测量不同浓度PAM水溶 液的表观粘度，剪切应力，通过实验得出浓度、温度、剪切速率对表观粘度、稠度系数、 流动特性指数的影响。进而求出相应的尺值和《值，得到相应的PAM流变本构方程。
2.3.1实验内容与方法
(1)实验样品与仪器
实验样品采用的是日本HYMO株式会社生产的聚丙烯酸胺，分子量分别为1〇〇〇万， 1200万，水解度20°/«r~30%的阴性AP-180和离子度40°/«r^0%的阳性MP-584。测量称 重天平采用的是高精度分析天平（METTLERTOLEDO)，德国IKA磁力搅拌器，可以 精确控制搅拌的温度；实验测试时使用的流变仪是来自奥地利Anton PaarPhysica MCR301模块化智能型高级流变仪，拥有全面精确的控温系统，可以达到从-3〇°C到 +190X：的温度控制范围，同时转速范围可以达到HT7〜3000r/min，自带的流变管理系统 具有强大的兼容性，可靠性，灵活性，包括流动和粘度曲线、温度测试、瞬态测试等几 种应用模式，完全能够满足实验要求。
(2)实验方法
对AP-180和MP-584分别利用分析天平称重不同质量的聚丙烯酰胺颗粒，配制溶 液的质量浓度分别是〇.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L，由于该聚合物较难溶解，本实验 选择使用磁力搅拌器帮助加快溶解，为了避免配制的溶液产生絮团，造成样品不均勻， 投料的速度要均匀，搅拌的速度控制在20〇r/min以下，这样可以防止溶液产生过多气泡 和聚合物的降解。根据不同浓度，搅拌1~2小时不等，然后再静置12〜24小时使聚合物 能够充分溶解，保证样品均匀。采用配制的样品溶液，用流变仪测量聚丙烯酰胺溶液在 不同质量浓度、剪切速率、温度下的粘度，温度T从20°C变化到5(TC，每10°C为一个 间隔[46]，根据每组的实验数据可以确定该组数据的流动特性指数《和稠度指数尺。
2.3.2实验数据处理与分析
(1)质量浓度对表观粘度的影响
质量浓度是影响聚合物溶液表观粘度的一个重要因素，因此对质量浓度分别为
0.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L的聚丙烯酰胺溶液进行相关的测量。
图2.1和图2.2所示分别为AP-180样品在30°C和MP-584样品在20°C时PAM溶液 在不同质量浓度下的表观粘度与剪切速率的流变曲线。从图2.1和图2.2中可以看出，
如果在同样的温度和剪切速率情况下，整个实验范围内，聚丙烯醜胺溶液的浓度越高， 其相应的表观粘度也就越高。因为在结构上聚丙烯酰胺分子形状具有易变性，分子链柔 顺性强，高分子量的聚丙烯酰胺分子链伸展后，其长径比是极其惊人的：所以柔性分子 链非常容易发生卷曲现象，造成分子链之间缠结的严重。随着聚合物溶液质量浓度的增 加，相同体积内的PAM分子数和分子链之间的缠结点也随之增多，分子之间的作用力 增强，分子链缠结的也越厉害，相应的表观粘度也就越大。
从图2.2中还可以看出，较低浓度的聚合物溶液和高浓度的聚合物溶液表观粘度相 差很大，尤其是在低剪切速率范围内，随着质量浓度的増加，对应的表观粘度升高的幅 度也增大，高浓度的聚合物溶液体现的尤其明显。对高分子化合物而言，分子间的作用 力占据关键作用，浓度越高的聚丙烯酰胺水溶液分子间的距离就越小，分子间作用力也 就越大，聚合物结构更加紧密，表观粘度随之增加。不难发现，质量浓度最低的〇.5g/L 的PAM水溶液在整个剪切速率范围内表观粘度变化不大，非牛顿性不强，类似牛顿流 体；但是伴随着质量浓度的升高，流变曲线愈加明显，假塑性增强。
产生上述现象的原因是，在剪切速率较大时，聚合物分子的构像和分布会发生变化， 分子原本平衡的构象产生偏离并沿着流动方向取向，分子链松开、伸展，平行取向推动 聚合物分子能够更容易的进行相对运动，从而导致表观粘度降低，剪切变稀。分子无规 则的内部运动，在没有外力作用时，一直处于动态平衡的状态，剪切速率低时，伸展开
的缠结还可以重新建立，表观粘度就变化不大；当剪切速率增加到充分大，缠结破坏的 速度远大于其重建的速度，原有的动态平衡不再存在，拟网结构也被破坏的严重，表观 粘度基本到达极限值不再变化。
主要原因是温度升高后溶液中大分子之间的热运动增强，分子之间的距离加大，分 子间的作用力减弱，拟网结构会松弛，缠绕程度降低，结果就导致表观粘度降低。还有 部分原因是因为随着温度的升高PAM水溶液会产生部分水解，也体现在表观粘度下降。
(4)表观粘度与温度、浓度的关联式
根据上述对实验结果的分析，聚合物溶液表观粘度随温度和浓度变化很大，研究表 明流动特性指数和稠度系数尤与温度关系符合Arrhenius规律（见式（2.9))，其中 « = %;(-&/及r),尤=尤(^冲此/灯)，《。和尤。都是常数。而浓度与流动特性指数《 和稠度系数尺通常遵循指数模型：《 =尺=a、6是常数。
这两种形式都只是温度或者浓度与表观粘度的关系式，为了便于实验研究应用，综合考 虑温度、浓度对表观粘度的影响，拟合一个聚丙烯酰胺溶液表观粘度关于温度和浓度的 关联式是非常必要的。
描述了实验流程示意图，分别以水和幂律型非牛顿流体作为工作介质在储液 箱内充分预热搅拌后，经过离心泵分两路，一路回旁通，一路通过电磁流量计进入测试 段。在测试段的入口安装压力表和热电偶，测量流体的入口压力和入口温度，流体进入 多孔介质测试段。在测试段方腔管道上表面用铜板加热器通过壁面给流体加热，加热电 压经过高精度稳压器后，通过调整加热片电压，获得稳定的加热功率。流体在测试段流 动过程中被加热，通过热电偶测量流体和加热表面温度。测试段出口处安装压力表和热 电偶，在测试段出口处测量流体压力和出口温度后，回流到储液箱，在冷却盘管和加热 棒的共同作用下，流体达到设定温度。流体经过的管路和测试段都用保温材料进行保温， 以减少热损失。
综上所述，多孔介质流动换热实验系统主要由实验段，流体循环系统，加热系统和 温度数据采集系统组成。
(1)实验段
实验段由入口段，测试段，出口段三部分组成，如图3.3所示。
实验段管道材质采用的都是304不锈钢，实验段前后与管路的连接都采用活口法兰， 密封效果好，并且便于拆卸安装。实验段总长1.88m，其中入口段长0.84m，测试段长
0.55m，出口段长0.49m。为了尽量使进入多孔介质前的流体得到充分发展，入口段相 对较长，包括一段长0.34m的圆形管道和长0.5m的方形管道，方腔末端上方焊接一个 圆形螺纹圈和螺纹帽配合使用，便于安装铠装K型热电偶，用于测量流体入口温度。出 口段由长0.2m的方腔管道和0.29m的圆形管道构成，方腔管道前端靠近多孔介质出口 段处，同样焊接了用于安装热电偶的圆形螺纹圈，同时还有排气阀，排放系统运行初始 阶段管道内的气体，能够保证流体正常流动。入口段和出口段的方腔管道内腔边长和圆 管管道内径都是54.2mm和测试段的内径尺寸一致。
测试段是实验段最重要的组成部分，也是在加工设计过程中比较难完成的部分。本 实验测试段采用导热系数为108.9(W/m • K)铜球颗粒作为多孔介质填充物，具体结构 如图3.5所示。
1-铜板加热器2-石棉板3-不锈钢盖板4-铜球颗粒5-绝缘材料6-法兰7-螺纹孔 图3.5测试段结构示意图 Fig. 3.5 Schematic diagram of the test section
本实验测试段由长550mm带侧边的的U型槽，聚氨酯板，加热器铜板，石棉板， 不锈钢盖板等共同组成多孔介质边长为54.2mm的方形通道。U型槽两侧边和不锈钢盖 板，通过螺栓连接挤压加热器铜板下表面两侧长宽高分别为550X4.2X2.lmm槽道内放 置直径为3mm的密封条，实现多孔介质方形通道的密封。在铜板两端各自分布4个M6
的螺纹孔与U型槽周边焊接的法兰共同构成测试段带螺纹法兰，使测试段与入口段和出 口段的连接顺利完成。
多孔介质是由4X4X40共计640个铜球颗粒堆积而成的，铜球颗粒直径 4=13.55!™!!，均匀的分布在方腔管道内，相邻的4个铜球球心互成正交垂直分布，孔隙 率e = 0.477。由于铜球颗粒直径较小，要达到上述排列分布效果非常困难。在铜球球心 处打一个<^3的通孔，将打孔的铜球用光杆铜杆窜起来，这样就可以将大量的铜球均匀 放置在方腔内。铜球多孔介质测试段的前段和后段各自的4X4X10个铜球都是采用这 种连接方式，多孔介质中间部分4X4X20选择自然堆积的方式。为了使铜球与加热器 铜板壁面接触良好，如图3.5所示在测试段的底面和两侧分别放置了厚度为10mm和 3mm的聚氨酯板，发泡的聚氨酯板具有一定的弹性，可以保证铜球在装配后与加热器 壁面充分接触。
加热器铜板分上下两部分，上部分是厚度为2mm的薄铜片，为了测量铜板下表面 的壁面温度，在下面的铜板内部开槽放置经过标定校正过的T型热电偶。在铜板上表面 与不锈钢盖板之间铺上一层5mm厚的石棉板，石棉板导热系数低、保温性好，可以减 少加热器热量的散失；同时还能使铜板受力均匀，加热丝与壁面充分接触，减小接触热
阻，降低实验误差。
P)流体循环系统
储液箱的容积为240L,采用不锈钢焊接而成，用铁丝将保温棉包在箱体的外面， 降低箱内流体热量的散失。箱体内置两组功率为4kW的加热棒与数字温控装置连接，
箱内溶液温度到达设定温度后，会自动切断加热，低于设定温度会自动启动加热。数字 温度器调节精度为〇.l°C, 0~10(TC温度范围内连续可调。储液箱通过冷却盘管与冷水机 相连，实验过程中，为了保证流体入口温度恒定，储液箱内溶液温度的控制还需要冷水 机的辅助作用，冷水机制量4600W。在储液箱盖上方，安装了一个小型搅拌器，加快箱 体内溶液局部循环，一是能够使箱内溶液尽快达到设定温度，二是使非牛顿流体溶液分 布的更均匀。
流体循环系统的管路部分，采用公称直径DN25mm的不锈钢管；为了便于调节流 量，调节阀选择的是截止阀。溶液进入离心泵后分两路，一路回旁通流入水箱，一路通 过电磁流量计进入测试段，观测电磁流量计的显示值，通过调节旁通和回路的阀门控制 流量大小，达到预设的实验流量值。溶液经过实验段流动加热后回到储液箱，继续在系 统内循环，示意图如图3.7所示。
(3)加热系统
加热系统由铜板加热器、稳压电源、调压器三部分组成。稳压电源采用的是正泰 TNDl(SVC)-5全自动单相交流稳压电源，输出电源范围220X (1 土4%) V。实验室输
铜板加热器
调
压
器稳
压
器
图3.8加热系统示意图 Fig. 3.8 Heating system
出电压不稳定，为了保证铜板加热器的输入电压稳定，必须在调压器前接入稳压电源， 使输入电压稳定在220V。调压器与铜板加热器相连，调压器输出电压范围为0~250V， 通过调压器调节铜板加热器的输入电压，改变加热量，改变实验工况。在调压器和铜板 加热器之间还需要接入万用表，用于准确监控、调节加热器两端的电压，加热系统的连 接示意图如图3.8所示。
(4)数据采集系统
数据采集系统主要由热电偶，数据采集器，计算机，精密压力表等组成。本实验需 要采集的数据有温度、压力和流量三种，流量由电磁流量计测得。实验测试段流体进出 口压力由精密机械压力表测得，根据实验工况选用的量程为O.IMPa,精度为0.4级。热 电偶，数据采集器，计算机依次连接构成温度采集系统，加热器表面温度，流体温度， 铜球固体颗粒温度均由热电偶完成测量。
3.1.2实验主要装置介绍
(1)离心泵与电磁流量计
离心泵选用的是广东粤华生产型号为DW240/055D不锈钢水泵，功率为0.55kW， 扬程为21~35m，流量范围为0.1~3.5m3/h，转速2900rpm，进出口直径DN25和管路直 径一样。对于粘度较大的非牛顿流体，常用的流量计不能满足实验要求无法测量，流量 计选用的是德国KEWILL生产的FE20系列一体式电磁流量计，被测液体电导率 5/zS/cm以上就可以准确测量流量，可现场读数也可与数据采集器连接采集数据，精度 等级0.5%，通径是DN10,可测流量范围0.003~3m3/h，在测量范围内精度都能够达到
0.5%，耐压4.0MPa,如图3.9所示。
(2)数据采集器
数据采集器选用的日本YOKOGAMA公司生产的MX100系列数采器，由一台 MX100-E-1H数采模块，6台MX110-UNV-M10中速模块，1台背板组成。每个中速模 块有10个通道，共计60个通道可供使用，中速模块的最小测量周期是100ms，系统最 多支持3种测量周期，可根据实验要求，实现多周期测量，如图3.10所示。
(3)铜板加热器
铜板加热器是专门为实验设计开发的，能够提供恒定的热流密度，铜板的材质选用 的是导热系数较高的紫铜。加热丝在铜板上蛇形均匀分布，直径lmm，总长17m，加 热电阻是17.5fi，加热电压220V时加热功率接近2800W。加热器在制作工程中，首先 在长宽高分别为550X80.2X13mm的铜板上切下550X80.2X2mm的薄铜板，用于覆盖 加热丝。其次在剩下的550 X 80.2 X 11mm的铜板表面上切出520 X 72.2 X 2.5ifim的池子， 池子两侧各自再切出520X7Xlmm的槽道，用于热电偶线的汇集。然后在520X58.2 的铜板表面切出宽1mm，深1mm的槽道，用于安置热电偶。最后在铜板两侧的4mm 宽的平面上切出4个8X4X2mm的缺口用于顺出热电偶线和加热丝两端的电源线。加 热丝铺在热电偶的上面，最后再用2mm厚的薄铜板压在加热丝上，具体结构如图3.11， 3.12所示。