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，幹燥的PAM因為製造工藝的不同外觀呈現出不同形態。 PAM的應用多數是以水溶液的形式體現的，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，不溶於大多數有機溶劑，固體PAM有吸濕性、 絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性，在石油工業、采油、鑽井泥漿、廢泥漿處理、防止 水竄、降低摩阻、提高采收率、三次采油等方麵得到廣泛的應用。雖然前人[4M3]已經做 了很多關於PAM水溶液流變性的實驗，但是不同的類型PAM水溶液都有自身的流變 性。對於非牛頓流體，很難用解析形式的流變方程來反映其本質，多采用r-y流動曲線 來描述其流變特性[4445〗，冪律流體作為一種最簡單的非牛頓流體，剪切應力T與剪切速 率y之間的關係可以用方程r = ^”表示。本文通過旋轉流變儀測量不同濃度PAM水溶 液的表觀粘度，剪切應力，通過實驗得出濃度、溫度、剪切速率對表觀粘度、稠度係數、 流動特性指數的影響。進而求出相應的尺值和《值，得到相應的PAM流變本構方程。
2.3.1實驗內容與方法
(1)實驗樣品與儀器
實驗樣品采用的是日本HYMO株式會社生產的聚丙烯酸胺，分子量分別為1〇〇〇萬， 1200萬，水解度20°/«r~30%的陰性AP-180和離子度40°/«r^0%的陽性MP-584。測量稱 重天平采用的是高精度分析天平（METTLERTOLEDO)，德國IKA磁力攪拌器，可以 精確控製攪拌的溫度；實驗測試時使用的流變儀是來自奧地利Anton PaarPhysica MCR301模塊化智能型高級流變儀，擁有全麵精確的控溫係統，可以達到從-3〇°C到 +190X：的溫度控製範圍，同時轉速範圍可以達到HT7〜3000r/min，自帶的流變管理係統 具有強大的兼容性，可靠性，靈活性，包括流動和粘度曲線、溫度測試、瞬態測試等幾 種應用模式，完全能夠滿足實驗要求。
(2)實驗方法
對AP-180和MP-584分別利用分析天平稱重不同質量的聚丙烯酰胺顆粒，配製溶 液的質量濃度分別是〇.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L，由於該聚合物較難溶解，本實驗 選擇使用磁力攪拌器幫助加快溶解，為了避免配製的溶液產生絮團，造成樣品不均勻， 投料的速度要均勻，攪拌的速度控製在20〇r/min以下，這樣可以防止溶液產生過多氣泡 和聚合物的降解。根據不同濃度，攪拌1~2小時不等，然後再靜置12〜24小時使聚合物 能夠充分溶解，保證樣品均勻。采用配製的樣品溶液，用流變儀測量聚丙烯酰胺溶液在 不同質量濃度、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 間隔[46]，根據每組的實驗數據可以確定該組數據的流動特性指數《和稠度指數尺。
2.3.2實驗數據處理與分析
(1)質量濃度對表觀粘度的影響
質量濃度是影響聚合物溶液表觀粘度的一個重要因素，因此對質量濃度分別為
0.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L的聚丙烯酰胺溶液進行相關的測量。
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PAM溶液 在不同質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，整個實驗範圍內，聚丙烯醜胺溶液的濃度越高， 其相應的表觀粘度也就越高。因為在結構上聚丙烯酰胺分子形狀具有易變性，分子鏈柔 順性強，高分子量的聚丙烯酰胺分子鏈伸展後，其長徑比是極其驚人的：所以柔性分子 鏈非常容易發生卷曲現象，造成分子鏈之間纏結的嚴重。隨著聚合物溶液質量濃度的增 加，相同體積內的PAM分子數和分子鏈之間的纏結點也隨之增多，分子之間的作用力 增強，分子鏈纏結的也越厲害，相應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範圍內，隨著質量濃度的増加，對應的表觀粘度升高的幅 度也增大，高濃度的聚合物溶液體現的尤其明顯。對高分子化合物而言，分子間的作用 力占據關鍵作用，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，聚合物結構更加緊密，表觀粘度隨之增加。不難發現，質量濃度最低的〇.5g/L 的PAM水溶液在整個剪切速率範圍內表觀粘度變化不大，非牛頓性不強，類似牛頓流 體；但是伴隨著質量濃度的升高，流變曲線愈加明顯，假塑性增強。
產生上述現象的原因是，在剪切速率較大時，聚合物分子的構像和分布會發生變化， 分子原本平衡的構象產生偏離並沿著流動方向取向，分子鏈鬆開、伸展，平行取向推動 聚合物分子能夠更容易的進行相對運動，從而導致表觀粘度降低，剪切變稀。分子無規 則的內部運動，在沒有外力作用時，一直處於動態平衡的狀態，剪切速率低時，伸展開
的纏結還可以重新建立，表觀粘度就變化不大；當剪切速率增加到充分大，纏結破壞的 速度遠大於其重建的速度，原有的動態平衡不再存在，擬網結構也被破壞的嚴重，表觀 粘度基本到達極限值不再變化。
主要原因是溫度升高後溶液中大分子之間的熱運動增強，分子之間的距離加大，分 子間的作用力減弱，擬網結構會鬆弛，纏繞程度降低，結果就導致表觀粘度降低。還有 部分原因是因為隨著溫度的升高PAM水溶液會產生部分水解，也體現在表觀粘度下降。
(4)表觀粘度與溫度、濃度的關聯式
根據上述對實驗結果的分析，聚合物溶液表觀粘度隨溫度和濃度變化很大，研究表 明流動特性指數和稠度係數尤與溫度關係符合Arrhenius規律（見式（2.9))，其中 « = %;(-&/及r),尤=尤(^衝此/燈)，《。和尤。都是常數。而濃度與流動特性指數《 和稠度係數尺通常遵循指數模型：《 =尺=a、6是常數。
這兩種形式都隻是溫度或者濃度與表觀粘度的關係式，為了便於實驗研究應用，綜合考 慮溫度、濃度對表觀粘度的影響，擬合一個聚丙烯酰胺溶液表觀粘度關於溫度和濃度的 關聯式是非常必要的。
描述了實驗流程示意圖，分別以水和冪律型非牛頓流體作為工作介質在儲液 箱內充分預熱攪拌後，經過離心泵分兩路，一路回旁通，一路通過電磁流量計進入測試 段。在測試段的入口安裝壓力表和熱電偶，測量流體的入口壓力和入口溫度，流體進入 多孔介質測試段。在測試段方腔管道上表麵用銅板加熱器通過壁麵給流體加熱，加熱電 壓經過高精度穩壓器後，通過調整加熱片電壓，獲得穩定的加熱功率。流體在測試段流 動過程中被加熱，通過熱電偶測量流體和加熱表麵溫度。測試段出口處安裝壓力表和熱 電偶，在測試段出口處測量流體壓力和出口溫度後，回流到儲液箱，在冷卻盤管和加熱 棒的共同作用下，流體達到設定溫度。流體經過的管路和測試段都用保溫材料進行保溫， 以減少熱損失。
綜上所述，多孔介質流動換熱實驗係統主要由實驗段，流體循環係統，加熱係統和 溫度數據采集係統組成。
(1)實驗段
實驗段由入口段，測試段，出口段三部分組成，如圖3.3所示。
實驗段管道材質采用的都是304不鏽鋼，實驗段前後與管路的連接都采用活口法蘭， 密封效果好，並且便於拆卸安裝。實驗段總長1.88m，其中入口段長0.84m，測試段長
0.55m，出口段長0.49m。為了盡量使進入多孔介質前的流體得到充分發展，入口段相 對較長，包括一段長0.34m的圓形管道和長0.5m的方形管道，方腔末端上方焊接一個 圓形螺紋圈和螺紋帽配合使用，便於安裝鎧裝K型熱電偶，用於測量流體入口溫度。出 口段由長0.2m的方腔管道和0.29m的圓形管道構成，方腔管道前端靠近多孔介質出口 段處，同樣焊接了用於安裝熱電偶的圓形螺紋圈，同時還有排氣閥，排放係統運行初始 階段管道內的氣體，能夠保證流體正常流動。入口段和出口段的方腔管道內腔邊長和圓 管管道內徑都是54.2mm和測試段的內徑尺寸一致。
測試段是實驗段最重要的組成部分，也是在加工設計過程中比較難完成的部分。本 實驗測試段采用導熱係數為108.9(W/m • K)銅球顆粒作為多孔介質填充物，具體結構 如圖3.5所示。
1-銅板加熱器2-石棉板3-不鏽鋼蓋板4-銅球顆粒5-絕緣材料6-法蘭7-螺紋孔 圖3.5測試段結構示意圖 Fig. 3.5 Schematic diagram of the test section
本實驗測試段由長550mm帶側邊的的U型槽，聚氨酯板，加熱器銅板，石棉板， 不鏽鋼蓋板等共同組成多孔介質邊長為54.2mm的方形通道。U型槽兩側邊和不鏽鋼蓋 板，通過螺栓連接擠壓加熱器銅板下表麵兩側長寬高分別為550X4.2X2.lmm槽道內放 置直徑為3mm的密封條，實現多孔介質方形通道的密封。在銅板兩端各自分布4個M6
的螺紋孔與U型槽周邊焊接的法蘭共同構成測試段帶螺紋法蘭，使測試段與入口段和出 口段的連接順利完成。
多孔介質是由4X4X40共計640個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，相鄰的4個銅球球心互成正交垂直分布，孔隙 率e = 0.477。由於銅球顆粒直徑較小，要達到上述排列分布效果非常困難。在銅球球心 處打一個<^3的通孔，將打孔的銅球用光杆銅杆竄起來，這樣就可以將大量的銅球均勻 放置在方腔內。銅球多孔介質測試段的前段和後段各自的4X4X10個銅球都是采用這 種連接方式，多孔介質中間部分4X4X20選擇自然堆積的方式。為了使銅球與加熱器 銅板壁麵接觸良好，如圖3.5所示在測試段的底麵和兩側分別放置了厚度為10mm和 3mm的聚氨酯板，發泡的聚氨酯板具有一定的彈性，可以保證銅球在裝配後與加熱器 壁麵充分接觸。
加熱器銅板分上下兩部分，上部分是厚度為2mm的薄銅片，為了測量銅板下表麵 的壁麵溫度，在下麵的銅板內部開槽放置經過標定校正過的T型熱電偶。在銅板上表麵 與不鏽鋼蓋板之間鋪上一層5mm厚的石棉板，石棉板導熱係數低、保溫性好，可以減 少加熱器熱量的散失；同時還能使銅板受力均勻，加熱絲與壁麵充分接觸，減小接觸熱
阻，降低實驗誤差。
P)流體循環係統
儲液箱的容積為240L,采用不鏽鋼焊接而成，用鐵絲將保溫棉包在箱體的外麵， 降低箱內流體熱量的散失。箱體內置兩組功率為4kW的加熱棒與數字溫控裝置連接，
箱內溶液溫度到達設定溫度後，會自動切斷加熱，低於設定溫度會自動啟動加熱。數字 溫度器調節精度為〇.l°C, 0~10(TC溫度範圍內連續可調。儲液箱通過冷卻盤管與冷水機 相連，實驗過程中，為了保證流體入口溫度恒定，儲液箱內溶液溫度的控製還需要冷水 機的輔助作用，冷水機製量4600W。在儲液箱蓋上方，安裝了一個小型攪拌器，加快箱 體內溶液局部循環，一是能夠使箱內溶液盡快達到設定溫度，二是使非牛頓流體溶液分 布的更均勻。
流體循環係統的管路部分，采用公稱直徑DN25mm的不鏽鋼管；為了便於調節流 量，調節閥選擇的是截止閥。溶液進入離心泵後分兩路，一路回旁通流入水箱，一路通 過電磁流量計進入測試段，觀測電磁流量計的顯示值，通過調節旁通和回路的閥門控製 流量大小，達到預設的實驗流量值。溶液經過實驗段流動加熱後回到儲液箱，繼續在係 統內循環，示意圖如圖3.7所示。
(3)加熱係統
加熱係統由銅板加熱器、穩壓電源、調壓器三部分組成。穩壓電源采用的是正泰 TNDl(SVC)-5全自動單相交流穩壓電源，輸出電源範圍220X (1 土4%) V。實驗室輸
銅板加熱器
調
壓
器穩
壓
器
圖3.8加熱係統示意圖 Fig. 3.8 Heating system
出電壓不穩定，為了保證銅板加熱器的輸入電壓穩定，必須在調壓器前接入穩壓電源， 使輸入電壓穩定在220V。調壓器與銅板加熱器相連，調壓器輸出電壓範圍為0~250V， 通過調壓器調節銅板加熱器的輸入電壓，改變加熱量，改變實驗工況。在調壓器和銅板 加熱器之間還需要接入萬用表，用於準確監控、調節加熱器兩端的電壓，加熱係統的連 接示意圖如圖3.8所示。
(4)數據采集係統
數據采集係統主要由熱電偶，數據采集器，計算機，精密壓力表等組成。本實驗需 要采集的數據有溫度、壓力和流量三種，流量由電磁流量計測得。實驗測試段流體進出 口壓力由精密機械壓力表測得，根據實驗工況選用的量程為O.IMPa,精度為0.4級。熱 電偶，數據采集器，計算機依次連接構成溫度采集係統，加熱器表麵溫度，流體溫度， 銅球固體顆粒溫度均由熱電偶完成測量。
3.1.2實驗主要裝置介紹
(1)離心泵與電磁流量計
離心泵選用的是廣東粵華生產型號為DW240/055D不鏽鋼水泵，功率為0.55kW， 揚程為21~35m，流量範圍為0.1~3.5m3/h，轉速2900rpm，進出口直徑DN25和管路直 徑一樣。對於粘度較大的非牛頓流體，常用的流量計不能滿足實驗要求無法測量，流量 計選用的是德國KEWILL生產的FE20係列一體式電磁流量計，被測液體電導率 5/zS/cm以上就可以準確測量流量，可現場讀數也可與數據采集器連接采集數據，精度 等級0.5%，通徑是DN10,可測流量範圍0.003~3m3/h，在測量範圍內精度都能夠達到
0.5%，耐壓4.0MPa,如圖3.9所示。
(2)數據采集器
數據采集器選用的日本YOKOGAMA公司生產的MX100係列數采器，由一台 MX100-E-1H數采模塊，6台MX110-UNV-M10中速模塊，1台背板組成。每個中速模 塊有10個通道，共計60個通道可供使用，中速模塊的最小測量周期是100ms，係統最 多支持3種測量周期，可根據實驗要求，實現多周期測量，如圖3.10所示。
(3)銅板加熱器
銅板加熱器是專門為實驗設計開發的，能夠提供恒定的熱流密度，銅板的材質選用 的是導熱係數較高的紫銅。加熱絲在銅板上蛇形均勻分布，直徑lmm，總長17m，加 熱電阻是17.5fi，加熱電壓220V時加熱功率接近2800W。加熱器在製作工程中，首先 在長寬高分別為550X80.2X13mm的銅板上切下550X80.2X2mm的薄銅板，用於覆蓋 加熱絲。其次在剩下的550 X 80.2 X 11mm的銅板表麵上切出520 X 72.2 X 2.5ifim的池子， 池子兩側各自再切出520X7Xlmm的槽道，用於熱電偶線的匯集。然後在520X58.2 的銅板表麵切出寬1mm，深1mm的槽道，用於安置熱電偶。最後在銅板兩側的4mm 寬的平麵上切出4個8X4X2mm的缺口用於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麵，最後再用2mm厚的薄銅板壓在加熱絲上，具體結構如圖3.11， 3.12所示。