CC BY
79
УДК 622.755
ВЛИЯНИЕ ПАВ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ Ю.А. Сергеев1, В.С. Ловцов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Иркутский государственный университет путей сообщения,
664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Приведены результаты исследований применимости эффекта Томса для снижения гидравлического сопротивления технологических аппаратов. Установлено, что снижение сопротивления аппарата при использовании ПАВ составляет порядка 11,7%; потребный напор в системе снижается с 1,98 до 1,14 м, то есть на 42,0% при неизменной производительности, составляющей 1,76 л/с. На эту же величину снижаются и затраты мощности. Ил. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества; гидродинамические характеристики; эксперимент.
THE EFFECT OF SURFACTANTS ON THE HYDRODINAMIC PARAMETERS OF LIQUID FLOWS Yu.A. Sergeev, V.S. Lovtsov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074. Irkutsk State University of Railway Engineering, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
The paper provides the study results of the applicability of the Toms effect for reducing the hydraulic resistance of technological devices. It is determined that the decrease in the device resistance, when using the surfactant, is about 11.7%; the required pressure in the system is reduced from 1.98 to 1.14 m, i.e. 42.0% lower with the constant performance of 1.76 l / sec. The power consumption is decreased on the same value. 2 figures. 5 sources.
Key words: surfactants; hydrodynamic characteristics; experiment.
Гидравлическое сопротивление аппаратов можно снизить двумя путями: оптимизируя геометрическую форму проточной части аппарата или воздействуя на сам поток. Одним из эффективных способов снижения гидравлического сопротивления трубопроводов является введение в поток жидкости весьма малых (от десятых до тысячных долей процента) добавок высокомолекулярных полимеров или поверхностно-активных веществ (ПАВ), так называемый эффект Томса. При этом происходит увеличение толщины пограничного слоя потока - как ламинарного подслоя, находящегося у самой стенки трубы, так и переходного слоя, расположенного между ламинарным подслоем и турбулентным ядром потока. По мере увеличения концентрации добавок (до определенного предела) толщина переходного слоя возрастает. Молекулы применяемых полимеров или ПАВ представляют собой весьма длинные молекулярные образования - мицеллы -длиной, в десятки тысяч раз превышающей их поперечный размер. Вблизи стенок мицеллы ориентируются преимущественно по направлению движения потока и образуют гибкую поверхность, которая может изменяться волнообразно [2].
Добавки уменьшают градиент скорости вблизи
стенок трубы, кроме этого, поверхность, создающаяся из молекул введенных добавок вблизи стенок трубы, способствует значительному уменьшению (в 4-5 раз) интенсивности пульсации поперечной составляющей скорости, в результате чего уменьшаются касательные напряжения. В потоках жидкостей с добавками переход от ламинарного режима движения к турбулентному происходит при значениях числа Рейнольд-са гораздо больших (до 10 раз), чем в потоках жидкостей без добавок.
Оптимальная концентрация добавок для полимеров составляет 0,001-0,1% по весу, для ПАВ - 0,11,0% и более. При этом сопротивление трубопровода может быть снижено на 60-80%. Некоторые виды добавок высокомолекулярных полимеров и ПАВ, кроме снижения потерь напора и расходуемой на перекачку жидкости мощности, значительно увеличивают коррозийную стойкость трубопроводов [2].
Особенно широко используются полимеры большого удельного веса: полиэтилен-оксид, гуаровая смола и т.д. Это вызвано тем, что применение высо-кополимеров даёт значительное снижение сопротивлений (до 80 %) при малых концентрациях добавок.
Область использования таких добавок довольно
1Сергеев Юрий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры строительно-дорожныж машин и гидравлических систем, тел.: 89641014456, е-mail: [email protected]
Sergeev Yury, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Construction and Roadmaking Machinery and Hydraulic Systems, tel.: 89641014456, e-mail: [email protected]
2Ловцов Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры исследования, проектирования, строительства железных дорог, тел.: 89834157559, е-mail: [email protected]
Lovtsov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Research, Design, Construction of Rai l-ways, tel.: 89834157559, e-mail: [email protected]
разнообразна. Например, сообщается о применении гуаровой смолы для разрыва пласта в нефтяных скважинах. При оптимальной концентрации добавки необходимая для разрыва пласта мощность снижается более чем в 5 раз по сравнению со случаем использования чистой воды. Добавки высокомолекулярного полиизобутилена могут значительно уменьшить турбулентное трение нефти и керосина. Добавки по-лиоксиэтилена при той же мощности гидромонитора на 50 % увеличивают дальнобойность струи и на 10 % объём подаваемой воды. Полимерные добавки снижают кавитационные шумы, уменьшают кавитацион-ную эрозию [4].
Однако при использовании полимеров в замкнутых трубопроводах возникает принципиальная трудность, обусловленная деструкцией полимерных цепей в насосах, обеспечивающих перекачку жидких сред. Разрыв химических связей в полимерных цепях приводит к уменьшению молекулярного веса полимера и, соответственно, к снижению, а затем к полному исчезновению гидродинамического эффекта. В отличие от полимеров, добавки ПАВ, уменьшающие турбулентное трение, после прохождения через насосы восстанавливают свою гидродинамическую активность. Это явление, обратимая механическая деструкция, связано с возникновением в растворах ПАВ структурных единиц - мицелл, состоящих из молекул или ионов ПАВ, между которыми действуют ван-дер-ваальсовы силы сцепления. Мицеллы, как и полимерные молекулы, могут разрушаться в насосах, но затем полностью восстанавливаются и оказывают воздействие на турбулентный поток жидкости. Данное свойство открывает перспективы практического применения добавок ПАВ в гидродинамических системах замкнутого цикла. Следовательно, свойством уменьшать сопротивление трения в жидкостях обладают мицеллообразующие поверхностно-активные вещества (МПАВ). К ним относятся соединения с развитым гидрофобным (углеводородным) радикалом и с сильно гидрофильными полярными группами. В водных растворах таких МПАВ выше некоторой критической концентрации начинается агрегация молекул, образующая мицеллы, которые можно рассматривать как свободную фазу с предельной дисперсностью. Агрегаты из молекул с предельной концентрацией МПАВ образуются из углеводородных цепей, а гидрофильные части располагаются на внешней поверхности мицеллы. Основной причиной возникновения в водных растворах агрегатов из углеводородных цепей являются когезионные силы между молекулами воды, которые больше, чем взаимное притяжение молекул воды и углеводородных цепей [3].
Добавки ПАВ могут быть использованы для повышения эффективности работы тепловых сетей. Опыты показали, что гидродинамическое сопротивление тепловой сети может быть снижено почти в 2 раза. Кроме того, было установлено, что показатель коррозии для водных растворов ПАВ уменьшается в 3-4 раза по сравнению с показателем для воды [5].
Применение гидродинамически активных присадок, наряду с уменьшением гидродинамического со-
противления технологических аппаратов, способствует улучшению сетевой характеристики насосов и повышает их КПД. Кроме того, добавление ПАВ в воду уменьшает износ внутренних поверхностей аппаратов, насоса, а также трубопроводов. Для практического осуществления способа снижения гидродинамического сопротивления требуется минимальное дополнительное стандартное оборудование (дозатор, краны и т.д.).
Другой способ снижения гидравлического сопротивления трубопроводов - температурное воздействие на его стенки или на сам поток жидкости. Известно, что при турбулентном режиме движения в гидравлически гладких трубах, а также при ламинарном режиме движения коэффициент гидравлического трения при увеличении Re уменьшается. Достичь увеличения Re при неизменных скорости потока и диаметре трубопровода можно за счет снижения вязкости жидкости, что, в свою очередь, может быть получено либо за счет повышения температуры капельной жидкости или стенок трубопровода, по которому она движется, либо за счет охлаждения воздуха и других газов или стенок воздухопровода. При этом повышается устойчивость ламинарного подслоя и увеличивается его толщина, что также способствует снижению потерь напора.
Третий способ снижения гидравлического сопротивления — применение податливых, ограничивающих поток поверхностей. Для этого в трубопроводах используют трубы из полимерных материалов, стенкам которых сообщаются колебания с определенными частотой и амплитудой в соответствии с характером пульсации, возникающей в жидкости. По данным опытов, снижение гидравлического сопротивления трубопровода с податливыми стенками составляет 25-30%, а в перспективе может быть доведено до 50% [2].
Нами проведены исследования применимости эффекта Томса для снижения гидравлического сопротивления гидроциклонов. Большое значение для исследования гидродинамики процесса разделения в гидроциклонах имеет такой параметр, как гидравлическое сопротивление. Этот параметр позволяет рассчитать потери напора. Потери напора в гидроциклоне слагаются из потерь на резкое расширение потока при входе в аппарат, потерь на турбулентное перемешивание, потерь при выходе из сливного и пескового патрубков.
В настоящей работе предлагается оценить гидравлическое сопротивление гидроциклона как местное сопротивление и рассчитать коэффициент сопротивления по известной формуле Дарси:
Ьм = &/2д; Рм = Ф02/2Б2, где - потери напора в местном сопротивлении, м ; Б - площадь сечения потока жидкости, м2; £ - коэффициент местного сопротивления; V - средняя скорость потока, м/с; д - ускорение свободного падения, м/с2; Р - расход (производительность гидроциклона), м3/с; р - плотность жидкости, кг/м3; рм - перепад давления, Па.
Известно, что в гидроциклонах происходит сильная турбулизация потока, поэтому гидравлическое
сопротивление их велико. Экспериментальное исследование метода уменьшения гидродинамического сопротивления гидроциклона посредством присадок в воду ПАВ было проведено на полупромышленной установке с пропускной способностью 90 м3/ч. Установка состояла из насоса, гидроциклона, бака. Перепад давления на гидроциклоне измеряли механическими манометрами, расход воды - водомерным счетчиком.
Результаты опытов представлены на рис. 1 и 2. На рис. 1 представлена зависимость коэффициента сопротивления гидроциклона £ от критерия Рейнольд-са. Следует отметить общую тенденцию снижения коэффициента сопротивления с увеличением чисел Рейнольдса. Вероятно, можно говорить о том, что граница автомодельной (квадратичной) области сопротивления при наличии добавок поверхностно-активных веществ несколько сдвигается в сторону больших значений чисел Рейнольдса. Тогда как опыты на чистой воде (кривая 1) отражают заметную тенденцию к выполаживанию этой зависимости, начиная с Ре = 1х105. Следующий вывод, который можно сделать при анализе результатов опытов - явное уменьшение коэффициента сопротивления аппарата с увеличением концентрации ПАВ в воде. Так, при числах Ре = 1x105 коэффициенты сопротивления аппарата на чистой воде составляют 1,62; при добавлении 0,012% ПАВ - 1,55; при концентрации 0,02% и 0,04% - 1,47 и при концентрации 0,06% - 1,43. То есть снижение сопротивления составляет порядка 11,7%. Величина коэффициента сопротивления при меньших числах Рейнольдса - порядка 4х104 - 5х104, в области гидравлически гладких русел: при концентрации 0,012%
ПАВ составляет 1,89; для 0,02% ПАВ - 1,8; для 0,04% ПАВ - 1,72; для 0,06% ПАВ - 1,67. Максимальная величина снижения коэффициента сопротивления аппарата составляет порядка 11%.
Увеличение коэффициента сопротивления при числах Рейнольдса 1х104 можно объяснить тем, что мицеллы ПАВ, концентрируясь в пристенной зоне, существенно повышают вязкость жидкости и тем самым увеличивают силы вязкого трения. С увеличением чисел Рейнольдса влияние сил вязкого трения, точнее, их доля в формировании сопротивления перемещению потока жидкости снижается и эффект уменьшения коэффициента сопротивления проявляется наиболее наглядно.
На рис. 2 представлена зависимость напора в системе от производительности аппарата. Анализируя эту зависимость, необходимо иметь в виду, что величина напора определяется гидравлическим сопротивлением системы, которое складывается из сопротивления аппарата и элементов трубопроводной арматуры. При малых значениях производительности -1,4 л/с - разброс величины напора для разных концентраций ПАВ составляет 0,2 м. С увеличением производительности до 1,76 л/с величина потребного напора равна для концентрации ПАВ 0,06% - 1,14 м; для ПАВ 0,04% - 1,2 м; ПАВ 0,02% - 1,44 м; ПАВ 0,012% - 1,58 м; для чистой воды - 1,98 м. Разница величин напора для концентрации ПАВ 0,06% и для чистой воды составляет 0,84 м. Следовательно, с возрастанием скорости потока, чисел Рейнольдса, степени турбулизации эффективность действия присадок ПАВ также возрастает. При увеличении концентрации добавок ПАВ от 0 до 0,06% потребный напор в систе-
ме снижается с 1,98 до 1,14 м, то есть на 42,0% при неизменной производительности, составляющей 1,76 л/с. На эту же величину снижаются и затраты мощности, которые можно определить как N = YQH/п, где N - потребляемая мощность, Вт; Y - удельный вес жидкости, Н/м3; Р - производительность, м3/с; Н -напор, м; п - коэффициент полезного действия установки.
Применение поверхностно-активных присадок, наряду с уменьшением гидродинамического сопротивления гидроциклона, способствует улучшению се-
тевой характеристики насосов и повышает их кпд. Кроме того, добавка ПАВ в воду уменьшает износ внутренних поверхностей гидроциклона, насосов, а также трубопроводов
Для практического осуществления способа снижения гидродинамического сопротивления гидроциклонов требуется минимальное дополнительное стандартное оборудование (дозатор, краны, и т.д.). Раствор поверхностно-активных присадок можно подавать во всасывающий трубопровод перед насосом при помощи дозатора той или иной конструкции.
Библиографический список
1. Абросимов Ю.Г., Хоанг Зань Бинь. Эффект аномального снижения гидравлического сопротивления при введении в поток воды линейных высокомолекулярных полимеров // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». 2009. № 1.
2. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод: учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1991. 331 с.: ил.
3. Повх И.Л., Ступин А.Б. [и др.]. Особенности турбулентных течений растворов мицеллообразующих поверхностно-
активных веществ // Механика турбулентных потоков: сб. М: Наука, 1980. С. 51-54.
4. Повх И.Л., Ступин А.Б., Симоненко А.П. Применение поверхностно-активных веществ для уменьшения трения жидкостей в технологических аппаратах // Аэродинамика в технологических процессах. М.: Наука, 1981. С. 230-240.
5. Эльперин И.Т., Левенталь Л.И., Чесноков Ю.Н. Уменьшение гидродинамического сопротивления тепловых сетей // Водоснабжение и санитарная техника. 1973. № 5. С. 3-6.
