CN108181205B - 一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体力学中的湍流减阻领域，发明了一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置。该装置由柱形圆筒溶液测试系统、转矩测试系统、动力系统、电子仪器和自动化系统、数据转换系统、温度控制系统、设备支撑系统组成。柱形圆筒溶液测试系统包括旋转测试圆盘、柱形圆筒和开口圆柱形容器，开口圆柱形容器中盛满测试溶液，通过电脑控制动力系统提供测试圆盘旋转动力，转矩测试系统测量圆盘旋转的抗扭矩，从而计算出油溶性聚合物湍流减阻率，对于成品油管道运输中的聚合物湍流减阻效率预测有很高的实际应用经济价值。

Description

一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置

技术领域

本发明涉及流体力学中的湍流减阻领域，具体涉及测量高分子聚合物湍流减阻效率的平板流变装置的设计原理和使用方法。

背景技术

在成品油湍流流动中添加极少量的高分子聚合物(聚α烯烃)能显著地减小流体输送的沿程阻力。在过去的七十年里，许多专家学者对聚合物的湍流减阻展开了大量的实验和理论研究。其中，在实验研究部分，怎样准确地描述聚合物的湍流减阻效率是非常重要的。国内外的专家学者主要发明了以下几种测量聚合物湍流减阻率的方法：

1、模拟管道法：通过小尺度的管道实现聚合物湍流减阻的实验预测。由于聚合物的湍流减阻效应受到管径的影响，同样的流动条件和同样的聚合物减阻剂在不同管径的条件下实现的减阻效率是不同的，因此，小尺度的管道实验需要对管径的影响变化规律进行预测。同时，由于聚合物的减阻效应只在流态为湍流的情况下有效，因此，在小管径中流体发展成湍流需要较大的流速，同时为了提高数据的准确性，需要更长的管道，实现湍流的完全发展，从而更为准确地观察到湍流减阻效应。为了实现实验管道的循环，整个实验的动力需要由氮气罐提供，离心泵会对剪切破坏聚合物的分子链，从而降低减阻效率。

2、毛细管流变仪湍流减阻测量法：通过测量毛细管内含添加剂溶液和不含添加剂溶液的压降变化，从而计算减阻效率。或者测量流出固定容积的含添加剂溶液和不含添加剂溶液流出毛细管的时间，从而计算减阻效率。毛细管流变仪的测量距离有限，只能得到该流动距离内减阻剂的平均减阻效率，而不能得到减阻效率随着剪切应力变化的一个动态变化。同时流体需要时间和距离发展成为湍流，因此测量误差大。

3、旋转流变仪湍流减阻测量法：旋转流变仪可使用圆筒系统和双间隙系统。该种测量法主要针对水溶性聚合物减阻剂，例如PAM，PEO等。由于测量间隙小(最大也就只有1mm)，剪切距离短，实现湍流需要很高的剪切速率(作者实验表明3000s^-1才开始出现湍流)，不仅市面上大量的旋转流变仪不能实现高转速，同时即使实现高转速，对测量仪器在高转速下的稳定性要求较高，因此对于油溶性聚合物减阻几乎不能实现。

通过回顾现有的方法可以看出，由于水溶性聚合物减阻剂的溶剂较容易地实现湍流流态，因此大部分测量方法对于水溶性聚合物是很容易实现的，但对于油溶性减阻剂却很难实现。油溶性减阻剂是应用在成品油长距离管道输送过程中的，而成品油黏度大，要实现湍流流态则需要更高的流速。因此发明一种油溶性聚合物湍流减阻的测量评价装置显得非常必要，对于成品油管道输送的聚合物减阻效率预测有很高的实际应用经济价值。

发明内容

本发明为了实现油溶性高分子聚合物溶于成品油中的湍流减阻率测量，发明了一种高速旋转的平板流变装置。

该装置由旋转测试圆盘、可拆卸柱形圆筒、开口圆柱形容器、圆形塑料薄板、转轴、非接触转矩传感器、电动机、电子温度表、控制和数据处理组件、水浴控温设备、可升降底座、抬升架、固定杆、固定支架、电脑组成；其特征在于所述旋转测试圆盘1、转轴5、非接触转矩传感器6、电动机7依次连接组成实验装置；其中所述旋转测试圆盘1、可拆卸柱形圆筒2、圆形塑料薄板4由内至外依次连接转轴5；所述开口圆柱形容器3固定于圆形塑料薄板4上，再由圆形塑料薄板4固定在转轴5上；所述电子温度表8的温度感应端置于可拆卸柱形圆筒2的上表面，另一端连接电子温度表8的显示界面；所述非接触转矩传感器6和电动机7分别连接控制和数据处理组件9，同时控制和数据处理组件9的另一端连接电脑15；所述可升降底座11和抬升架12连接；所述水浴控温设备10的开口圆筒端装满水放置于抬升架12上，并将其抬升至开口圆柱形容器3完全浸没于水中；所述固定杆13垂直固定在可升降底座11上，在固定杆上固定有固定支架14，固定支架14从上至下分别固定电动机7、非接触转矩传感器6。

该平板流变装置划分为以下几个系统：

(一)柱形圆筒溶液测试系统；

(二)转矩测试系统；

(三)动力系统；

(四)电子仪器和自动化系统；

(五)数据转换系统；

(六)温度控制系统；

(七)设备支撑系统。

柱形圆筒溶液测试系统由旋转测试圆盘1、可拆卸柱形圆筒2、开口圆柱形容器3三部分组成。

其中，旋转测试圆盘1半径130mm、厚1mm，其材料为不锈钢，固定在转轴5上，其上有转矩测试传感器5，旋转杆的动力由电机6提供。

可拆卸柱形圆筒2由两块相距20mm，半径为131mm的不锈钢圆形薄板作为上下面，透明塑料作为圆筒侧面连接柱形圆筒下表面。在两块圆形薄板上设有6颗不锈钢铆钉，用于实验前后拆卸倒出溶液和清洁圆盘。

开口圆柱形容器3是带有刻度的不锈钢柱形钵，两侧分别有一个固定扣，装满测试溶剂后浸润在可拆卸柱形圆筒中，并固定在可拆卸柱形圆筒上方的圆形塑料薄板4上。由于在圆盘旋转测试过程中，会有部分测试溶液溢出，为保证测试的精确度并使可拆卸柱形圆筒中完全充满液体，因此在其外部再包裹一个开口圆柱形容器。

转矩测试系统是指非接触转矩传感器6完成旋转测试圆盘在旋转剪切测试过程中的转矩。该传感器是由德国BURSTER公司生产，型号为8667-5005。转矩测试的误差在±0.5％之内。

动力系统是指电动机7。

电子仪器和自动化系统包括电子温度表8。电子温度表反映实验溶液的实时温度，外设温度传感器，置于可拆卸柱形圆筒的上部，其测量误差在±0.2℃之间。

数据转换系统是指控制和数据处理组件9，其功能是将测量的转矩转换成数据显示在电脑15中。

温度控制系统是指水浴控温设备10。该设备通过改变循环水的温度来达到对实验溶液的温度控制。

设备支撑系统包括实验设备的可升降底座11、抬升架12、固定杆13和固定支架14。

附图说明

附图目的：为了更清楚地说明本发明实施例以及技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍。主要有旋转测试圆盘尺寸示意图、装置示意图、实际装置图、测量结果显示界面图。

图1是旋转测试圆盘尺寸和示意图。

图2是湍流减阻测量装置示意图。

图3是湍流减阻测量装置实物图。

图4是实验测量结果显示界面。

具体实施方式

一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置的测试方法，其特征在于：所述可拆卸柱形圆筒2中所测试的含油溶性聚合物添加剂的成品油溶液，在旋转测试圆盘1的高速旋转剪切作用下产生湍流，通过电脑15设置剪切速率线性增加或保持恒定，并控制电动机7提供旋转动力，由非接触转矩传感器6测量旋转测试圆盘1产生的转矩通过控制和数据处理组件9输入给电脑，从而实现油溶性聚合物添加剂在成品油中的湍流减阻性能和抗剪切破坏性能测试。

在实验中，通过平板流变装置分别测量出纯成品油溶液和含一定浓度的聚合物减阻剂成品油溶液的平板转矩，从而分别计算出它们测试平板表面的范宁摩擦系数，通过公式

进而计算不同聚合物添加剂以及不同的聚合物添加剂浓度溶于成品油中时湍流流动的减阻效率。式中f_α为含聚合物添加剂的成品油溶液，f₀为不含聚合物添加剂的成品油溶液。

在测试的过程中，由于聚合物的添加浓度极低，加入添加剂后的溶液并没有显现出聚合物添加剂本身的非牛顿流体的性质。

具体的实验步骤如下：

(1)将配置好的溶液(约0.5L)注射到带有刻度的开口圆柱形容器中，并将该容器缓慢地固定在流变装置的圆形塑料薄板上；

(2)将水浴控温设备的外部圆筒形控温容器放在可升降底座上，并将底座调节高度至水完全浸没圆筒测试模具中；

(3)静置15分钟后，待圆筒测试模具中的温度稳定；

(4)在电脑端设置好测试温度、剪切速率、平板间隙等参数，即可开始实验

该设备可用于剪切速率线性增加的减阻率测试和恒定剪切速率的减阻率测试。

在剪切速率线性增加的减阻率测试中，为了实现最大的平板湍流，将转速从0min^-1线性增大到50000min^-1，并观察随着剪切速率的增加，平板转矩的变化。该测试能观察到聚合物添加剂随着剪切速率的增加，在成品油中湍流减阻率的变化，从而得到不同聚合物添加剂在成品油中的湍流减阻性能。

在恒定剪切速率的减阻率测试中，可将转速设置为恒定(例如：n＝3000min^-1)，并设置持续剪切时间(例如t＝7200s)，观察随着时间持续，聚合物添加剂在湍流中的减阻率的变化，从而得到不同聚合物添加剂在恒定剪切速度的情况下的抗剪切破坏的性能。

Claims (5)

1.一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置，由旋转测试圆盘、可拆卸柱形圆筒、开口圆柱形容器、圆形塑料薄板、转轴、非接触转矩传感器、电动机、电子温度表、控制和数据处理组件、水浴控温设备、可升降底座、抬升架、固定杆、固定支架、电脑组成；其特征在于所述旋转测试圆盘(1)、转轴(5)、非接触转矩传感器(6)、电动机(7)依次连接组成实验装置；其中所述旋转测试圆盘(1)、可拆卸柱形圆筒(2)、圆形塑料薄板(4)由内至外依次连接转轴(5)；所述开口圆柱形容器(3)固定于圆形塑料薄板(4)上，再由圆形塑料薄板(4)固定在转轴(5)上；所述电子温度表(8)的温度感应端置于可拆卸柱形圆筒(2)的上表面，另一端连接电子温度表(8)的显示界面；所述非接触转矩传感器(6)和电动机(7)分别连接控制和数据处理组件(9)，同时控制和数据处理组件(9)的另一端连接电脑(15)；所述可升降底座(11)和抬升架(12)连接；所述水浴控温设备(10)的开口圆筒端装满水放置于抬升架(12)上，并将其抬升至开口圆柱形容器(3)完全浸没于水中；所述固定杆(13)垂直固定在可升降底座(11)上，在固定杆上固定有固定支架(14)，固定支架(14)从上至下分别固定电动机(7)、非接触转矩传感器(6)。

2.如权利要求1所述的一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置，其特征在于旋转测试圆盘(1)材料为不锈钢。

3.如权利要求1所述的一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置，其特征在于旋转测试圆盘(1)直径为260mm，厚度为1mm，可拆卸柱形圆筒(2)直径为262mm，高度为20mm。

4.如权利要求1所述的一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置，其特征在于可拆卸柱形圆筒(2)由两块相距20mm，半径为131mm的不锈钢圆形薄板作为上下面。

5.如权利要求1所述的一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置的测试方法，其特征在于：所述可拆卸柱形圆筒(2)中所测试的含油溶性聚合物添加剂的成品油溶液，在旋转测试圆盘(1)的高速旋转剪切作用下产生湍流，通过电脑(15)设置剪切速率线性增加或保持恒定，并控制电动机(7)提供旋转动力，由非接触转矩传感器(6)测量旋转测试圆盘(1)产生的转矩通过控制和数据处理组件(9)输入给电脑，从而实现油溶性聚合物添加剂在成品油中的湍流减阻性能和抗剪切破坏性能测试。

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