Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современная характеристика отечественных систем теплоснабжения, состояние проблемы снижения гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов и пути ее решения. Постановка задачи исследования . 10
1.1. Состояние проблемы гидравлического сопротивления трубопроводных сетей систем теплоснабжения Ю
1.2. Снижение гидравлического сопротивления на основе использования полимерных присадок . 20
1.3. Влияние волокон и асимметричных частиц в потоке теплоносителя на гидравлическое сопротивление трубопроводов. 28
1.4. Снижение гидравлического сопротивления на основе методов управления пограничным слоем. 30
1.5. Снижение гидравлического сопротивления на основе использования макропрофилирования трубной поверхности. 33
Задачи исследования. 35
Глава 2. Описание экспериментальных установок и методик проведения измерений . 36
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований. 36
2.2. Описание экспериментального стенда. 43
2.3. Физико-химические свойства используемых ПАВ 53
2.4.Определение концентрации молекул ПАВ в теплоносителе 59
2.5. Описание зонда для определения профиля скорости теплоносителя в трубопроводе в натурных условиях и методики проведения измерения 63
2.6. Оценка погрешности измерений 69
Глава 3. Исследование процессов гидрофобизации функциональных поверхностей конструкционных материалов 71
3.1 Анализ существующих способов создания гидрофобных и ультрагидрофобных поверхностей 71
3.1.1. Создание из исходной поверхности точной копии ультрагидрофобной 75
3.1.2. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием плазменного травления 77
3.1.3. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием химического осаждения 78
3.1.4. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием коллоидных конгломератов 78
3.1.5. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием послойного осаждения 80
3.1.6. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием золь - геля 82
3.1.7. Комбинированные методы создания ультрагидрофобной поверхности, основанные на химическом осаждении из паровой фазы 86
3.1.8. Комбинированные методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием мембранного литья 89
3.1.9. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием мицелл ПАВ 89
3.1.10. Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием гальваноплетения 92
3.2. Типичный процесс создания ультрагидрафобной поверхности 93
3.3. Описание способа оценки гидравлического сорпотивления гидрофобных твердых поверхностей 101
Глава 4. Определение влияния гидрофобизированных внутритрубных поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения 106
4.1. Влияние скорости течения теплоносителя на гидравлическое сопротивление трубопроводов 106
4.2. Металлографические исследования образцов трубопроводов с гидрофобизированной молекулярными слоями ПАВ поверхностью 115
4.3. Влияние изменения рельефа внутренних поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов. 122
4.4. Влияние модификации трубной поверхности на эпюру скорости течения теплоносителя в трубопроводе 125
Глава 5. Технологические основы способа снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения 130
5.1. Описание технологической схемы реализации способа снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения в натурных условиях 130
5.2. Результаты апробации способа снижения гидравлического сопротивления на основе модификации внутренних поверхностей трубопроводов и оборудования молекулярными слоями ПАВ на одной из КТС г. Москвы 153
5.3. Оценка экономического эффекта от внедрения способа снижения гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов систем теплоснабжения 167
Заключение 171
Список использованной литературы
- Снижение гидравлического сопротивления на основе использования полимерных присадок
- Описание экспериментального стенда.
- Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием плазменного травления
- Металлографические исследования образцов трубопроводов с гидрофобизированной молекулярными слоями ПАВ поверхностью
Введение к работе
Отечественные системы теплоснабжения развивались по пути концентрации мощностей на крупных источниках тепловой энергии (ТЭЦ, промышленные и районные котельные) и, как следствие, создания протяженных трубопроводных сетей, общая длина которых в Российской Федерации на сегодняшний день составляет около 280 тыс. км. Современное состояние отечественной трубопроводной сети характеризуется высокой аварийностью, обусловленной интенсивным протеканием коррозионных процессов, накоплением отложений на теплообменных и внутритрубных поверхностях. Все эти процессы являются причинами существенного увеличения гидравлического сопротивления трубопроводных сетей систем теплоснабжения. В современных условиях на транспортировку теплоносителя затрачивается весьма значительное количество электроэнергии, обусловленное гидравлическим сопротивлением разветвленных трубопроводных сетей систем теплоснабжения. К примеру, установленная мощность насосов для транспортировки теплоносителя только по трубопроводам систем теплоснабжения в г. Москве превышает 150 МВт.
При проектировании трубопроводной сети в расчет закладывается значение её гидравлического сопротивления в два раза большее необходимого, т.е. изначально мощность циркуляционных насосов выбирается с двукратным запасом. Проектные значения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения достигаются практически в первый же год эксплуатации системы теплоснабжения при использовании недеаэрированной воды и за 8-10 лет эксплуатации при использовании деаэрированной воды.
Актуальность этой проблемы еще более возросла в связи с постоянно увеличивающимся в современных условиях дефицитом электрических мощностей. Вместе с тем, в практике отечественного теплоснабжения каких-либо эффективных мероприятий по сокращению перерасхода электроэнергии, обусловленного увеличением гидравлического сопротивления трубопроводных
сетей, не проводится по причине отсутствия экономичных и надежных способов его снижения.
Цель работы
исследование влияния модификации молекулярными слоями поверхностно-активных веществ внутренних поверхностей трубопроводов систем теплоснабжения на их гидравлическое сопротивление;
разработка способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя по трубопроводам систем теплоснабжения на основе снижения их гидравлического сопротивления с использованием молекулярных слоев ПАВ.
Научная новизна
Произведена классификация способов снижения гидравлического сопротивления трубопроводов применительно к системам теплоснабжения;
Разработана методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния модификации трубных поверхностей с использованием молекулярных слоев ПАВ на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения;
Установлено, что молекулярные слои ПАВ, адсорбированные на трубную поверхность из водной среды, существенно изменяют гидравлическое сопротивление трубопроводов. В диапазоне скоростей течения теплоносителя 0,5-^-2,5 м/с гидравлическое сопротивление трубопроводов уменьшается на 38,5-^-29 % соответственно;
Установлено, что снижение гидравлического сопротивления в существенной мере зависит от толщины сформированных на трубной поверхности молекулярных слоев ПАВ (Ьотн) и сопровождается ярко выраженным экстремумом в широком диапазоне скоростей течения теплоносителя, который достигается при Ьотнкрит = Ьпав / Аэ в диапазоне значений
1,5-^2, где: Ьпав - суммарная толщина молекулярных слоев ПАВ, Аэ - средняя высота выступов шероховатости;
В натурных условиях зафиксировано изменение профиля скорости
течения теплоносителя в трубопроводе системы теплоснабжения в процессе
формирования молекулярных слоев ПАВ на трубных поверхностях. Профиль
скорости течения теплоносителя в трубопроводе с модифицированной
поверхностью существенно отличается от исходного и приближается к
профилю скорости течения водной среды в трубопроводе с абсолютно гладкой
поверхностью.
Достоверность
Достоверность полученных результатов исследований определяется их корреляцией с результатами других исследователей, многократной повторяемостью, использованием высокоточных средств измерений, определением погрешности измерений.
Практическая ценность работы
Разработана методика и экспериментальный стенд для определения гидравлического сопротивления выполненных из различных конструкционных материалов трубопроводов в широком диапазоне скоростей течения транспортируемых жидких сред;
Разработан и апробирован в натурных условиях зонд для определения профиля скорости течения теплоносителя в трубопроводах;
Разработан способ снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя по трубопроводам систем теплоснабжения за счет снижения их гидравлического сопротивления на основе модификации трубных поверхностей молекулярными слоями ПАВ и технологический регламент его реализации.
Автор защищает
Результаты анализа способов снижения гидравлического
сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения.
Методику проведения экспериментальных исследований по определению влияния модификации внутритрубных поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения;
Результаты экспериментальных и натурных исследований по определению влияния модификации внутренних поверхностей трубопроводов с использованием молекулярных слоев ПАВ на их гидравлическое сопротивление в характерном диапазоне скоростей течения теплоносителя, при различных характеристиках внутритрубной поверхности, на изменение профиля скорости течения теплоносителя в трубопроводах системы теплоснабжения в натурных условиях;
Способ снижения энергозатрат на транспортировку теплоносителя за счет снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения на основе модификации внутритрубных поверхностей с использованием молекулярных слоев ПАВ;
Результаты апробации разработанного способа снижения энергозатрат на транспортировку теплоносителя по трубопроводам систем теплоснабжения в натурных условиях.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены на XIII и XIV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007, 2008 г.), XII научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2005 г.), научно-техническом семинаре кафедры Тепловых Электрических Станций МЭИ(ТУ), научно-техническом совете научного центра «Повышение износостойкости энергетического оборудования электростанций» МЭИ(ТУ).
Публикации
Основное содержание работы изложено в 7 публикациях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, приложений и содержит 177 страниц, 59 рисунков, 5 таблиц, 41 страницу приложений, библиография состоит из 88 источников.
Снижение гидравлического сопротивления на основе использования полимерных присадок
Эффект снижения гидравлического сопротивления участка трубопровода или канала за счет ввода в поток жидкости малого количества полимерных присадок был впервые открыт Томсом в 1949 г. и известен под названием эффекта Томса [9]. Было показано, что кондиционирование жидкости небольшим количеством полимерных присадок приводит к существенному, до 80%, снижению гидравлического сопротивления трубопроводов.
В качестве используемых присадок выступают молекулы полимеров. Наличие в жидкости полимерных молекул обуславливает появление новых ее свойств (значительное снижение сопротивления трения, уменьшение интенсивности массопереноса, подавление турбулентной диффузии молекул теплоносителя и снижению уровня турбулентных флуктуации давления). Необходимо отметить, что наряду с полимерными молекулами, существенне влияние на турбулентный поток теплоносителя в трубопроводах оказывают добавки другой природы: мицеллообразующие поверхностно-активные вещества (ПАВ), нити, волокна и жесткие ассиметричные частицы. Есть данные, что гидравлическое сопротивление участка канала при течении в нем теплоносителя (воды) может быть снижено на 10 % за счет кондиционирования воды микропузырями воздуха [59].
К настоящему времени проведено много исследований с целью определения влияния полимерных молекул на снижение гидравлического сопротивления трубопроводов и каналов. Активные исследования вопросов снижения гидравлического сопротивления с использованием присадок проводились в СССР в 60-70-е годы прошлого века [10, 11]. Как показывает анализ научно-технической литературы, в 80-90-е годы по различным причинам активные исследований в этой области были свернуты.
В годы серьезных исследований влияния полимерных присадок на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения были достигнуты значительные успехи в комплексном изучении разнообразных аспектов влияния присадок различной природы на ламинарные и турбулентные течения жидких сред. Рассмотрены закономерности турбулентных течений разбавленных растворов полимеров при различной геометрии потока при течении одно - и многофазных сред. Значительное внимание уделялось вопросам изучения реологических свойств слабых растворов полимеров и обоснованию гипотез о механизме снижения турбулентного сопротивления, влиянии молекулярного веса молекул полимеров, концентрации их в растворе, числа Рейнольдса и диаметров трубопроводов, и их влиянию на коэффициент гидродинамического сопротивления и профиль скорости жидкости. В частности было обнаружено, что полимерные растворы с различной молекулярной массой полимера, но с одинаковыми размерами макромолекул дают одинаковый эффект снижения гидравлического сопротивления трубопровода. Были разработаны математические модели движения жидкости в вязком подслое при наличии полимерных молекул, позволяющих анализировать изменение реологических свойств на гидравлическое сопротивление.
Количество современных публикаций в авторитетных зарубежных научно-технических изданиях, посвященных вопросам снижения гидравлического сопротивления при использовании полимерных присадок, подтверждает актуальность это темы. Различные аспекты изучения эффекта снижения гидравлического сопротивления трубопроводов и каналов при течении жидких сред были отмечены в [12, 19, 24, 25, 27, 30, 33, 37, 41, 47, 51 -54,57,61,63,65,68,70-72].
Несмотря на значительный объем проведенных исследований, на сегодняшний день нет полного понимания механизма процесса воздействия полимерных присадок на изменение гидравлического сопротивления трубопровода. Сложность явления и недостаточная изученность обусловили появление более 30 гипотез, объясняющих сущность эффекта Томса.
Все существующие гипотезы, условно можно разделить на две группы. К первой относятся гипотезы, объясняющие эффект снижения гидравлического сопротивления воздействием на поток отдельных частиц полимера, во вторую группу входят гипотезы, основывающиеся на рассмотрении потока как сплошной вязкоупругой среды.
Среди гипотез первой группы можно выделить подгруппы, принципиально отличающиеся друг от друга представлениями о размерах частиц, вызывающих эффект снижения гидравлического сопротивления. Ряд ученых полагает, что эффект обусловлен наличием в потоке макромолекул с линейным размером порядка 10"3 мм, другие объясняют эффект образованием ассоциатов молекул полимеров, с характерным размером в диапазоне 0,1 — 1 мм. При этом в гипотезах, рассматривающих эффект снижения гидравлического сопротивления за счет воздействия крупных частиц на поток теплоносителя, считается, что такие частицы гасят вихри или же ослабляют их, уменьшая размер зарождающихся возмущений в пристенной области. Гипотезы, основывающиеся на крупных частицах, предполагают, что последние гасят или ослабляют высокочастотные пульсации и вихри или ослабляют зарождающиеся возмущения в пристенной области. Расходятся мнения авторов относительно формы частиц полимеров - одни предполагают, что частицы должны быть ассиметричны, обладать удлиненной формой, другие — предполагают иначе. Анализ гипотез первого класса показывает, что ряд принципиальных вопросов остается без ответов, в частности, нет ясности, что эффективней снижает гидравлическое сопротивление - наличие в потоке жидкости отдельных макромолекул или их ассоциатов.
Описание экспериментального стенда.
Разработанный в рамках диссертационной работы экспериментальный стенд предназначен для проведения широкого спектра исследований по определению влияния характеристик перекачиваемых сред и трубных поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов, выполненных из различных конструкционных материалов, схема которого представлена на рис.2.2.
Гидравлическая система стенда представляет собой замкнутый контур, состоящий из бака-компенсатора (1), циркуляционного насоса с частотным регулированием (2), дозировочного насоса (3), сменных рабочих участков (4) и соединительных трубопроводов. Наличие частотного привода у циркуляционного насоса обеспечивает поддержание заданной величины напора с большой точностью, что в сочетании с баком-компенсатором, обеспечивающим постоянное входное давление (атмосферное), гарантирует стабильный, не меняющийся во времени, гидравлический режим работы стенда. В состав гидравлической системы входит также узел дозирования реагента и измерительно-регулирующий комплекс ОВЕН (5), установленный на основном щите управления и индикации (6).
Одним из важнейших элементов экспериментального стенда является дозировочный узел, предназначенный для создания высокодисперсной эмульсии ПАВ, поскольку используемые ПАВ не образуют растворов с теплоносителем, и единственным способом равномерного распределения молекул ПАВ по объему теплоносителя является их эмульгирование.
Дозировочный узел состоит из технологической емкости, циркуляционного насоса, емкости ввода расплава ПАВ, эжектора, соединительных трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры и работает следующим образом. В емкости ввода расплава ПАВ загружается определенное количество вещества, рассчитанное в зависимости от общего объема теплоносителя и необходимой концентрации, после этого ПАВ, находящиеся при комнатной температуре в твердом состоянии, нагревают до получения расплава за счет теплоносителя, циркулирующего в рубашке емкости ввода расплава ПАВ, после чего осуществляется эжектирование расплава ПАВ в теплоноситель.
Принципиальная схема узла дозирования показана на рисунке 2.4, фотография - на рис. 2.5. Дозировочный узел связан с основным контуром через насос-дозатор, позволяющий плавно производить дозирование эмульсии ПАВ заданной концентрации в контур экспериментального стенда, содержащий участок трубопровода.
Технические характеристики дозировочного узла экспериментального стенда по снижению гидравлического сопротивления приведены в таблице 2.1.
Дозировочный узел предназначен для обеспечения циркуляции, нагрева и поддержания заданной температуры приготовленной эмульсии во время всего технологического процесса и для интенсификации перемешивания эмульсии ПАВ, что повышает ее дисперсность.
Температурный уровень поддерживается на заданном уровне в диапазоне от 0 до 100 С, с использованием установленных в основной емкости ТЭНов, управляемых через измерительно-регулирующий комплекс типа ОВЕН с основного щита управления и индикации экспериментального стенда.
Щит электропитания установки совмещен с центральным щитом управления экспериментального стенда и включает в себя: общий трехфазный автоматический включатель с вынесенным датчиком температуры и автоматический включатель насоса.
В установке используется центробежный насос высокого давления фирмы «GRUNDFOS» (СШ 4-60). Насос предназначен для обеспечения интенсивного перемешивания рабочего раствора в стадии приготовления эмульсии и циркуляции полученной эмульсии.
Узел для приготовления эмульсии состоит из эжектора (эмульгатора), предназначенного для перемешивания расплава ПАВ и рабочей жидкости, а также емкости, служащей для приготовления расплава и дозирования ПАВ в эжектор.
Плавление твердого реагента в емкости происходит за счет подвода к нему теплоты рабочей среды (водяная рубашка). Дозирование расплава ПАВ осуществляется с помощью винта дозирования, установленного в емкости.
В состав узла дозирования входит очистное устройство, представляющее собой угольный фильтр, предназначенный для нейтрализации остатков концентрации ПАВ в рабочей среде при сливе.
В состав измерительной системы входят два манометра точных измерений (МТИ) и дифференциальный жидкостной манометр (7), позволяющий определять перепад давления между началом и концом рабочего участка с максимальной на сегодняшний день точностью (в качестве рабочей жидкости используется тетрабромэтан). Погрешность измерений в этом случае составляет 2,7 мм водяного столба, поскольку в качестве указательной жидкости дифманометра используется тетрабромэтан, плотность которого составляет 2,7 плотности воды. Высота дифманометра составляет 1600 мм, что позволяет измерять перепады давления во всем исследуемом диапазоне скоростей теплоносителя.
Методы создания ультрагидрофобных поверхностей с использованием плазменного травления
Процесс химического осаждения реализуется вследствие химической реакции, в ходе которой вещество собирается на специальной подложке. Химическое смещение обычно используется для того, чтобы создать тонкие пленки прозрачных неорганических материалов, типа ZnS, CuSe, InS и т.д. В зависимости от условий осаждения и от материала может быть получена различная по морфологии поверхность (столбчатая структура, нанотрубки и нанопалочки).
Метод химического осаждения в водной среде был использован для создания нанопленки из СоСІг и NH2CO в воде. Вершины полученных иглы обладают диаметром 6.5 нанометров. Угол смачивания капли воды на такой поверхности составляет 178 , этот угол является наибольшим из достигнутых на сегодняшний день.
Разработаны технологии, позволяющие с использованием монорассеяных частиц, благодаря силам Ван-дер-Вальса, сформировать на поверхности плотноупакованные коллоидные структуры. Дальнейшая обработка, например травление плазмой, может быть использована для увеличения степени гидрофобности подобной коллоидной структуры. В процессе обработки коллоидные частицы могут изменить свою структуру от полимерных до неорганических сфер. Такой способ получения ультрагидрофобных поверхностей относительно дешев, так как не требует применения дорогой литографической техники.
Пенопластовые монодисперсные структуры с использованием внешнего воздействия (обработка плазмой) могут сформировать плотно упакованные ультрагидрофобные поверхности. После плазменной обработки, поверхности были покрыты слоем золота, а после этого слоем октадеканэтинола. Изображения сфер пенопласта в сканирующем туннельном микроскопе и соответствующие углы смачивания капель воды показаны на рис. 3.4.
Методы послойного осаждения используют электростатические взаимодействия между различными слоями, типа полианиона и поликатиона. Техника послойного осаждения относительно проста в осуществлении и позволяет управлять толщиной получающегося слоя с молекулярной точностью. Полиэлектролиты обладают гидрофильными свойствами, поэтому необходимо включение в них гидрофобных1 наночастиц для создания эффекта гидрофобности. Многослойные пленки могут также подвергаться дополнительной обработки. При использовании полиаллиамин гидрохлорида (полиакриловая кислота) были разработаны ультрагидрофобные кремниевые поверхности. При использовании соответствующей комбинации кислотных обработок были получены поры диаметром 10 микронов и были сформированы подобные сотам структуры (рис. 3.5 (а) и (Ь)). Подобная сотам многослойная поверхность была покрыта наночастицами кварца (рис. 3.5 (с)). Стабильность поверхности была проверена погружением в воду, результаты показали высокую устойчивость подобных поверхностей.
Еще одним путем создания ультрагидрофобных поверхностей является технология «золь — геля». Золи это высоко дисперсные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой. Частицы дисперсной фазы вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды (мицеллы), которые свободно и независимо друг от друга участвуют в броуновском движении и равномерно заполняют весь объем дисперсионной среды. Размер частиц золя обычно лежит в пределах 10"7 -10"5 см 3. В соответствии с общей классификацией дисперсных систем золи делят на лиофильные и лиофобные. Мицеллы лиофильных золей - ассоциаты (полимолекулярные агрегаты), состоящие из десятков и сотен дифильных молекул, которые находятся в термодинамическом равновесии с неассоциирующими молекулами. В гидрозолях мицеллообразующих (мылоподобных) ПАВ простейшие мицеллы - сферические образования, имеющие ядро из гидрофобных радикалов и внешний слой из полярных гидрофильных групп.
В органозолях с углеводородной средой ориентация молекул в мицеллах противоположная: в ядре сосредоточены гидрофильные группы молекул, снаружи - гидрофобные радикалы. В лиофобных золях (термодинамически неравновесных и потому требующих стабилизации) ультрамикроскопические аморфные или кристаллические агрегаты из молекул нерастворимого в данной среде вещества окружены адсорбционно-сольватным слоем, включающим молекулы вещества-стабилизатора. В гидрозолях, стабилизированных электролитами, агрегаты защищены от коагуляции двойным электрическим слоем. При этом в плотный адсорбционный слой входят потенциалопределяющие ионы.
Металлографические исследования образцов трубопроводов с гидрофобизированной молекулярными слоями ПАВ поверхностью
Значения толщин молекулярных слоев ПАВ, сорбированных на трубную поверхность, косвенно измерялись по равновесной концентрации молекул ПАВ в потоке. Более надежным способом измерения является использование металлографических шлифов, изготовленных по стандартным методикам с использованием соответствующего оборудования из фрагментов исследуемого трубопровода. На рис. 4.5 представлена характерная фотография металлографического шлифа, на поверхности которого отчетливо видны молекулярные слои ПАВ общей толщиной около 300 мкм.
Значительный эффект снижения гидравлического сопротивления внутритрубной поверхности, в разы превосходящий погрешность эксперимента, объясняется комплексным влиянием нескольких факторов, в том числе проскальзыванием молекул теплоносителя по поверхности молекулярных слоев ПАВ, снижением коэффициента трения между молекулами теплоносителя и внутритрубной поверхностью, демпфирующими свойствами молекулярных слоев ПАВ и сглаживанием шероховатости поверхности.
Основной вклад в снижение гидравлического сопротивления трубопровода вносится за счет значительного уменьшения количества и интенсивности вихрей, обусловленного собственным «устранением» шероховатости поверхности, и наличием проскальзывания.
Вместе с тем анализ металлографических шлифов показал наличие упорядоченного рельефа верхних молекулярных слоев ПАВ на внутритрубной поверхности. Изучение рельефа верхних молекулярных слоев ПАВ, сформированных на трубной поверхности показало, что они имеют упорядоченную структуру, состоящую из выпуклостей и впадин (см. рис. 4.6). Исследования с использованием оптического микроскопа большого разрешения показали, что выпуклости («холмы») равномерно расположены по внутренней поверхности исследуемых образцов и имеют одинаковые размеры. Высота «холмов» составляет около 150 мкм при среднем расстоянии между ними от 650 мкм до 1,5 мм. Такой рельеф характерен для скорости течения жидкой среды 1,5 м/с.
Механизм образования такой поверхностной структуры требует дальнейшего детального изучения. В качестве гипотезы можно предположить, что характерная упорядоченность рельефа верхних молекулярных слоев является следствием воздействия на них потока жидкой среды, в результате чего образуется наиболее оптимальный рельеф с точки зрения минимизации потерь в условиях взаимодействия жидкости и измененной трубной поверхностью, поскольку любая саморегулирующаяся система стремиться к минимизации потерь энергии. Такие образования на внутритрубной поверхности структурируют течение, тем самым снижая потери за счет снижения гидравлического сопротивления потоку теплоносителя.
Рельеф верхней части молекулярных слоев ПАВ изучался с использованием слепков полимерных смол. Было отмечено, что «холмы», обнаруженные на металлографических шлифах, имеют протяженную форму по ходу течения теплоносителя, но не параллельно образующей, а под некоторым углом к ней (см. рис. 4.7). Проведенные измерения показали, что этот угол составляет от 5 до 10,5 градусов. Анализ такой структуры поверхности показал, что поток теплоносителя при взаимодействии с молекулярными слоями ПАВ на внутритрубной поверхности закручивается и движется по спирали. Известно, что закручивание потока структурирует его движение и способствует снижению гидравлических потерь при течении жидкости по трубопроводам.
На рис. 4.8 представлены детальные снимки поверхности слепка, отчетливо видны продольные (относительно направления течения теплоносителя) борозды.
Подобная структура поверхности тела наблюдается у некоторых рыб, в частности акул, у которых выступающие плотные чешуйчатые образования формируют продольные микрохребты вдоль поверхности тела, способствующие существенному снижению гидравлического сопротивления при движении в водной среде.
Как уже отмечалось ранее, гидравлическое сопротивление трубопроводов в состоянии поставки существенно отличается от гидравлического сопротивления трубопроводов, находящихся в длительной эксплуатации. Рост гидравлического сопротивления в процессе эксплуатации обусловлен с одной стороны изменением рельефа поверхности вследствие её коррозионного разрушения и накопления отложений, с другой — за счет уменьшения проходного сечения трубопроводов из-за тех же отложений и продуктов коррозии. Последнее обстоятельство принципиально устранимо -отложения и продукты коррозии можно тем или иным способом удалить, т.е. вернуть диаметр проходного сечения в исходное состояние, в отличие от трубной поверхности, подверженной коррозионному воздействию.
С целью определения эффекта снижения гидравлического сопротивления за счет формирования молекулярных слоев ПАВ были проведены сравнительные исследования одних и тех же трубопроводов с исходной и заведомо отличной по рельефу внутренней поверхностью. Рельеф изменялся посредством химического травления. В результате гидравлическое сопротивление трубопровода после такой процедуры увеличилось на 11 % по сравнению с исходным. Затем по аналогии с предыдущими исследованиями были получены зависимости изменения гидравлического сопротивления трубопроводов в процессе формирования молекулярных слоев ПАВ при исходном и измененном рельефе трубных поверхностей при одной и той же скорости течения (1,5 м/с) и других параметрах теплоносителя (см. рис. 4.9).
