WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Исследование влияния поверхностно-активных веществ на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения и разработка способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя

На правах рукописи

Рыженков Артем Вячеславович

Исследование влияния поверхностно-активных веществ на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения и разработка способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя

Специальность 05.14.14 – «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008 г.

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре тепловых электрических станций.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Седлов Анатолий Степанович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шищенко Валерий Витальевич

кандидат технических наук, доцент Аникеев Александр Викторович

Ведущая организация:

ОАО «Московская Объединенная Энергетическая Компания» (ОАО «МОЭК»)

Защита состоится______28 мая__________2008 года в __14.00___ в аудитории МАЗ на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

Ученый совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан ______________2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета:

_________________ к.т.н., проф. Лавыгин В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

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 0,52,5 м/с гидравлическое сопротивление трубопроводов уменьшается на 38,528,1 % соответственно;
  • Установлено, что снижение гидравлического сопротивления в существенной мере зависит от толщины сформированных на трубной поверхности молекулярных слоев ПАВ (bотн) и сопровождается ярко выраженным экстремумом в широком диапазоне скоростей течения теплоносителя, который достигается при bотнкрит = bпав / э в диапазоне значений 1,52, где: bпав - суммарная толщина молекулярных слоев ПАВ, э - 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.

Содержание работы

В первой главе приведены результаты анализа научно-технических изданий и публикаций, результаты анализа способов снижения гидравлического сопротивления трубопроводных сетей систем теплоснабжения при транспортировке теплоносителя.

Известно, что в процессе эксплуатации отечественных систем теплоснабжения гидравлическое сопротивление многократно возрастает вследствие протекания коррозионных процессов и накопления отложений на внутренних поверхностях трубопроводов систем теплоснабжения. Сужение проходных сечений трубопроводов приводит к необходимости постоянно повышать входное давление перекачиваемой среды для обеспечения расчетного расхода теплоносителя. В свою очередь повышение магистрального давления приводит к снижению надежности и эффективности работы трубопроводных сетей систем теплоснабжения как за счет увеличения количества аварий, связанных с разрывом трубопроводов и образованием свищей, так и за счет эксплуатации оборудования перекачивающих станций не в номинальном режиме, приводящей к увеличению скорости износа насосных агрегатов и снижению их КПД.





Анализ отечественных и зарубежных публикаций показывает, что применительно к системам теплоснабжения для существенного снижения гидравлического сопротивления трубопроводов в практическом плане могут рассматриваться три группы способов:

- способы, основанные на вводе в поток теплоносителя полимерных молекул (эффект Томса);

- способы, основанные на изменении параметров пограничного слоя при течении теплоносителя в трубопроводах;

- способы, основанные на создании макрорельефа на внутритрубных поверхностях трубопроводов.

Эффект Томса заключается в существенном снижении гидравлического сопротивления трубопровода при кондиционировании теплоносителя небольшими концентрациями полимерных молекул. Эффективность подобных способов характеризуется снижением гидравлического сопротивления трубопроводов на уровне 80%. К настоящему времени проведено достаточно много исследований с целью определения влияния на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения молекул полимера в потоке, их молекулярной массы, химического строения, а также ряда других параметров. При этом отмечено значительное снижение сопротивления трения, уменьшение интенсивности массопереноса, уменьшение турбулентной диффузии молекул теплоносителя и снижению уровня турбулентных флуктуаций давления. Однако, на сегодняшний день полного понимания механизма процесса воздействия полимерных присадок на изменение гидравлического сопротивления по-прежнему нет. Сложность явления и недостаточная изученность обусловили появление более 30 гипотез, объясняющих эффект Томса.

Несмотря на высокую эффективность полимерных присадок, их применение для снижения гидравлического сопротивления в системах теплоснабжения оказалось нецелесообразным в связи с механической деструкцией молекул полимеров. Механическая деструкция обусловлена возникновением касательных напряжений при взаимодействии молекул полимеров с поверхностями рабочих колес насосов, шероховатостью поверхностей трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры.

Способы управления пограничным слоем с использованием вдувания и отсасывания жидкости на сегодняшний день вышли на принципиально новый технический уровень за счет использования микропроцессорной техники. В частности, это способы, основанные на использовании силы Лоренца и способы, при реализации которых для снижения гидравлического сопротивления стенкам трубопроводов или каналов сообщаются высокочастотные колебания.

Известен также способ снижения гидравлического сопротивления трубопроводов при создании на их внутренних поверхностях регулярного макрорельефа с профилем различной геометрической формы, к таким способам относится навивка и облунение поверхности.

Несмотря на высокую эффективность существующих способов снижения гидравлического сопротивления трубопроводов на основе использования эффекта Томса, управления пограничным слоем и создания макрорельефа, их применение в системах теплоснабжения оказалось проблематичным вследствие технической невозможности их реализации в больших масштабах, неэкономичности и высоких требований к качеству теплоносителя.

Вышеизложенное обуславливает необходимость разработки новых подходов к решению проблемы снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения. Анализ научно-технических изданий и публикаций показывает, что одним из перспективных решений в этом направлении является гидрофобизация внутритрубных поверхностей.

Задачи исследования:

  1. Анализ способов гидрофобизации металлических поверхностей;
  2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по определению влияния модификации внутритрубных поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения и создание экспериментального стенда;
  3. Проведение экспериментальных исследований по определению влияния скорости потока теплоносителя, шероховатости и рельефа на гидравлическое сопротивление трубопроводов с не модифицированной и модифицированной внутритрубной поверхностью;
  4. Проведение металлографических исследований для определения толщины молекулярных слоев ПАВ и рельефа их поверхности;
  5. Проведение натурных исследований по определению влияния модификации трубных поверхностей на снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения;
  6. Разработка способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя в системах теплоснабжения.

Во второй главе приводятся описания методик проведения экспериментальных исследований, методики кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ, разработанного экспериментального стенда, зонда для определения эпюры скорости теплоносителя в трубопроводе и устройства для определения угла скатывания капли жидкости с исследуемой поверхности.

Методика модификации внутренних поверхностей трубопроводов системы теплоснабжения базируется на их гидрофобизации за счет формирования молекулярных слоев ПАВ. Методика проведения экспериментальных исследований основывается на моделировании условий течения теплоносителя в трубопроводах систем теплоснабжения, сравнении гидравлического сопротивления трубопровода до и после модификации его внутренней поверхности молекулярными слоями ПАВ.

Для проведения экспериментальных исследований по определению влияния модификации трубной поверхности на гидравлическое сопротивление трубопроводов был разработан экспериментальный стенд. Экспериментальный стенд предназначен для проведения широкого спектра исследований по определению влияния характеристик транспортируемых жидких сред и трубных поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов, выполненных из различных конструкционных материалов (см. рис.1).

В конструкции экспериментального стенда применен ряд технических решений, обеспечивающих стабилизацию параметров теплоносителя на входе в исследуемые участки трубопроводов и измерения перепада давления с максимально возможной точностью.

Дифференциальный манометр позволяет определять перепад давления с максимальной на сегодняшний день точностью, в качестве рабочей жидкости в дифференциальном манометре использовался тетрабромэтан. Погрешность измерения перепада давления составляла ± 2,7 мм водяного столба.

Контроль концентрации ПАВ в теплоносителе осуществлялся с использованием анализатора жидкости тензометрического, принцип действия которого основан на измерении

силы отрыва датчика определенной формы от поверхности теплоносителя за счет изменения силы поверхностного натяжения теплоносителя при различной концентрации молекул ПАВ в нем.

Для определения влияния сформированных на внутренних поверхностях трубопроводов систем теплоснабжения молекулярных слоев ПАВ на эпюру скорости течения теплоносителя был разработан уникальный зонд, схема которого представлена на рис. 2. Конструктивно зонд выполнен в виде «гребенки», состоящей из трубок Пито из нержавеющей стали, соединенных с коллектором, который в свою очередь соединен с дифференциальным манометром. Принцип действия зонда основан на измерении динамического напора теплоносителя в трубопроводе, равного разнице полного и статического давлений, на различном удалении от стенки трубопровода путем последовательного переключения трубок Пито.

В качестве ПАВ использовались пленкообразующие амины, соответствующие структурной формуле CnH2n+1NH2, молекулы которых при определенных условиях, адсорбируясь из водной среды на трубные поверхности, создают плотноупакованные слои в виде «частокола» Лэнгмюра, посредством чего поверхность из гидрофильной превращается в гидрофобную.

В третьей главе приводятся результаты анализа и классификация способов гидрофобизации функциональных поверхностей конструкционных материалов. Приводятся результаты экспериментальных исследований по определению влияния модификации металлических поверхностей с использованием ПАВ на ее гидравлическое сопротивление при различных значениях исходной шероховатости.

Все подходы к созданию ультрагидрофобности с некоторой долей условности можно разделить на три направления. К первому направлению относятся способы, базирующиеся на создании из исходной точной копии ультрагидрофобной поверхности (шаблоны), а также литографические способы и плазменное травление поверхности. Иногда их еще называют методы «сверху – вниз», поскольку процесс создания ультрагидрофобности начинается на исходной поверхности и продолжается в глубь нее.

Ко второму направлению отнесены способы, базирующиеся на создании новых поверхностей на основе исходной с применением новых материалов, что принципиально отличает его от первого направления, в котором ультрагидрофобная поверхность создается из исходной без применения других материалов (химическое осаждение, создание на поверхности коллоидных конгломератов, послойное осаждение одного и более веществ на исходную поверхность, золь-гелевые технологии).

К третьему направлению относятся методы, представляющие собой различные комбинации методов первого и второго направлений, т.е. сочетание обработки исходной поверхности с последующим формированием структуры другого вещества (химическое осаждение из паровой фазы с предварительной обработкой поверхности, мембранное литье, формирование слоев мицелл ПАВ, гальваноплетение).

Реализация большинства способов создания ультрагидрофобных поверхностей для снижения гидравлического сопротивления применительно к системам теплоснабжения на сегодняшний день невозможно по ряду причин, в том числе из-за технической невозможности производства модифицированных внутритрубных поверхностей большой площади, а также их высокой стоимости. Тем не менее, за рубежом продолжаются изыскания в этом направлении, в первую очередь через гидрофобизацию поверхности.

Анализ результатов исследований показывает, что для гидрофобизации трубных поверхностей систем теплоснабжения есть возможность использовать широко применяемые в энергетике ПАВ.

Как показано в гл. I, гидравлическое сопротивление трубопроводов, находящихся в длительной эксплуатации, существенно отличается от гидравлического сопротивления трубопроводов в состоянии поставки. Рост гидравлического сопротивления в процессе эксплуатации обусловлен с одной стороны резким изменением шероховатости и рельефа внутритрубных поверхностей, вследствие её коррозионного разрушения и формирования слоев отложений, с другой –уменьшением проходного сечения трубопроводов из-за тех же отложений и продуктов коррозии.

С целью изучения влияния шероховатости поверхности на гидравлическое сопротивление до и после модификации поверхностей молекулярными слоями ПАВ были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых на поверхностях металлических пластин с различной шероховатостью поверхности были сформированы молекулярные слои ПАВ. В качестве параметра шероховатости была выбрана эквивалентная шероховатость э, численно равная средней высоте выступов шероховатости. Для определения гидравлического сопротивления поверхности был использован широко распространенный в мировой практике способ, базирующийся на определении угла скатывания капли жидкости с исследуемой поверхности.

Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований показал, что модификация поверхности молекулярными слоями ПАВ значительно влияет на величину угла скатывания капли жидкости с поверхности. На рис. 3 представлены зависимости значений углов скатывания капель жидкости с поверхностей с различной шероховатостью с и без молекулярных слоев ПАВ.

Из представленного рис. 3 видно, что модифицированная металлическая поверхность независимо от значений шероховатости в диапазоне от 10 до 1000 мкм имеет примерно один и тот же угол скатывания капли жидкости, значительно меньший характерного для поверхности в исходном состоянии без модификации. Это результаты послужили основой для дальнейших исследований.

 Влияние шероховатости металлической поверхности (а), молекулярных-1

 Влияние шероховатости металлической поверхности (а), молекулярных-2

Рис. 3. Влияние шероховатости металлической поверхности (а), молекулярных слоев ПАВ, сформированных на этой же поверхности, на угол скатывания капли жидкости (б) и степень гидрофобности поверхности (справа налево 10 мкм, 75 мкм, 250 мкм, 800мкм) в исходном состоянии и после ее модификации

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния скорости теплоносителя и рельефа внутритрубной поверхности на гидравлическое сопротивление трубопровода с модифицированной молекулярными слоями ПАВ внутренней поверхностью.

В рамках этих исследований было выявлено, что температура теплоносителя в широком диапазоне значений не оказывает существенного влияния на изменение гидравлического сопротивления трубопроводов, в том числе и при модификации их поверхностей с использованием ПАВ. В отличие от скорости течения теплоносителя, влияние которой оказалось весьма существенным.

Влияние скорости потока теплоносителя на гидравлическое сопротивление трубопровода в процессе формирования на внутритрубной поверхности молекулярных слоев ПАВ определено в диапазоне скоростей теплоносителя, характерном для тепловых сетей (от 0,5 до 2,5 м/с). Результаты этих исследований представлены на рис. 4 в виде зависимости относительного гидравлического сопротивления трубопровода Ротн (Ротн = Рпав / Рисх, где: Рпав - гидравлическое сопротивление трубопровода с молекулярными слоями ПАВ, сформированными на его внутренней поверхности, Рисх исходное гидравлическое сопротивление этого же трубопровода) от относительного значения толщины молекулярных

слоев ПАВ на поверхности bотн (bотн = bпав / э, где: bпав - суммарная толщина молекулярных слоев ПАВ, э - средняя высота выступов шероховатости поверхности).

Анализ настоящих результатов экспериментальных исследований позволяет выделить четыре характерных этапа изменения гидравлического сопротивления трубопровода, связанных с формированием молекулярных слоев ПАВ на внутритрубной поверхности. На первом этапе происходит снижение гидравлического сопротивления за счет формирования молекулярных слоев ПАВ, полностью повторяющих профиль поверхности (см. рис. 5 б). На втором этапе имеет место стабилизация значений гидравлического сопротивления, характеризующаяся постепенным заполнением молекулярными слоями пространства между выступами шероховатости (рис 5 в) до ее полного «сглаживания» (рис 5 г). Максимальные значения снижения гидравлического сопротивления трубопровода достигаются на третьем этапе при относительной толщине молекулярных слоев ПАВ, находящихся в интервале 1,5 2,0. При этом максимальное зафиксированное снижение гидравлического сопротивления относительно исходного значения составило 28,1 % при скорости 2,5 м/с и 38,5 % - при скорости 0,5 м/с. На четвертом этапе при дальнейшем росте относительной толщины молекулярных слоев начинается обратный процесс – гидравлическое сопротивление начинает увеличиваться до стабилизации в диапазоне 5 10 % от исходного значения (см. рис. 4).

 Схематичное изображение стадий формирования-6

 Схематичное изображение стадий формирования-7

Рис. 5. Схематичное изображение стадий формирования молекулярных слоев ПАВ на внутритрубной поверхности (а – исходная трубная поверхность, б – мономолекулярный слой, полностью повторяющий профиль трубной поверхности, в – заполнение впадин шероховатости молекулярными слоями ПАВ, г – полное сглаживание шероховатости трубной поверхности, д – увеличение толщины молекулярных слоев ПАВ).

Значения толщин молекулярных слоев ПАВ, сорбированных на трубную поверхность, измерялись с использованием металлографических шлифов, изготавливаемых по стандартным методикам. На рис. 6 а представлена фотография поперечного шлифа трубной поверхности с молекулярными слоями ПАВ. Изучение полученных фотографий металлографических шлифов показало наличие упорядоченного рельефа верхних молекулярных слоев ПАВ. С использованием оптического микроскопа большого разрешения были выявлены выпуклости («холмы»), равномерно расположенные по внутренней поверхности исследуемых образцов и имеющие примерно одинаковые параметры (рис. 6. б).

Сделано предположение, что характерная упорядоченность рельефа верхних молекулярных слоев является следствием их «податливости» в результате воздействия потока жидкой среды, формирующей в режиме течения наиболее оптимальный рельеф с точки зрения минимизации потерь.

В реальных условиях эксплуатации трубопроводных сетей систем теплоснабжения по причине разной локальной интенсивности и поверхностной неравномерности протекания коррозионных процессов по площади внутритрубной поверхности изменяется не только шероховатость внутритрубных поверхностей, но и их рельеф. В этой связи были проведены экспериментальные исследования с целью определения влияния рельефа внутритрубной поверхности на гидравлическое сопротивление при ее модификации молекулярными слоями ПАВ. Рельеф внутритрубной поверхности изменялся посредством химического травления. На рис. 7 представлены зависимости, характеризующие изменение гидравлического сопротивления трубопроводов в процессе формирования молекулярных слоев ПАВ при исходном и измененном рельефе внутритрубных поверхностей. Скорость течения теплоносителя в обоих случаях была одинакова и составляла 1,5 м/с.

Очевидно, что рельеф внутритрубной поверхности практически не влияет на характер и интенсивность снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения при модификации их внутренних поверхностей молекулярными слоями ПАВ (см. рис. 7).

Были также проведены исследования в натурных условиях по изучению характера

течения теплоносителя в трубопроводе системы теплоснабжения до и после модификации трубной поверхности с использованием специально сконструированного зонда, описание которого приведено в гл. II. Было зафиксировано существенное изменение эпюры распределения скорости течения теплоносителя в трубопроводе при наличии молекулярных слоев ПАВ на его внутритрубной поверхности (см. рис. 8), при этом значение средней скорости и, соответственно расхода теплоносителя, увеличилось на 7,4%. Профиль скорости теплоносителя после модификации внутритрубной поверхности имеют более наполненную и выпуклую форму по сравнению с исходным, для сравнения на рис. 8 представлен также профиль скорости течения воды для абсолютно гладкой трубы (по данным Шлихтинга).

В пятой главе приводится описание способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя по трубопроводным сетям систем теплоснабжения на основе снижения гидравлического сопротивления трубопроводов посредством модификации трубных поверхностей.

Натурная апробация разработанного способа на первом этапе проводилась на одном из участков трубопровода городской системы теплоснабжения. На рис. 9 а приведена принципиальная схема реализации способа.

Измерение гидравлического сопротивления на концах участка трубопровода системы теплоснабжения проводилось с использованием манометров точных измерений (МТИ).

Результаты измерения гидравлического сопротивления участка трубопровода до и после модификации его внутренней поверхности молекулярными слоями ПАВ представлено на рис. 9 б. Как видно из представленных результатов, гидравлическое сопротивление участка трубопровода системы теплоснабжения после модификации его внутренней поверхности снизилось на 39%.

На втором этапе апробации разработанного способа были проведены натурные исследования по определению его эффективности применительно к теплосети одной из квартальных тепловых станций (КТС) (Филиала № 7 «Юго-Западный» ОАО «МОЭК»).

С целью определения изменения перепадов давления при кондиционировании теплоносителя молекулами ПАВ на входе и выходе тепловых пунктов с зависимой (ЦТП1Т) и независимой (ЦТП2Т) схемой присоединения были установлены образцовые манометры (кл 0,15). Измерения давления на ЦТП1Т производились при полностью открытом запорно-регулируемом клапане (КЗР). Модификация функциональных поверхностей трубопроводов и теплотехнического оборудования привела к уменьшению частоты вращения роторов сетевых насосов на 4,75%. Для непрерывно работающих двух сетевых насосов с суммарной электрической мощностью 630 кВт экономия электроэнергии составила 153000 кВтчас за отопительный период при его средней продолжительности в Москве 213 суток.

Экономический эффект от внедрения способа снижения гидравлического сопротивления трубопроводных сетей систем теплоснабжения на основе молекулярных слоев ПАВ для г. Москвы составит около 400 млн рублей за отопительный период (213 суток) только за счет экономии электроэнергии на привод насосов, без учета повышения

 Технологическая схема определения влияния модификации внутренней-11

Рис. 9. Технологическая схема определения влияния модификации внутренней поверхности трубопроводов систем теплоснабжения молекулярными слоями ПАВ на их гидравлическое сопротивление в натурных условиях (а), изменения гидравлического сопротивления участка трубопровода системы теплоснабжения после модификации его поверхности.

надежности работы систем теплоснабжения за счет снижения магистрального давления, защиты внутренних поверхностей от коррозии, блокирования процессов формирования слоев отложений, улучшения характеристик котельного, теплообменного оборудования и других факторов.

Эффективность разработанного способа не зависит от скорости течения теплоносителя, рельефа и исходной шероховатости внутритрубной поверхности. Способ может быть применим как для новых систем теплоснабжения, так и для находящихся в эксплуатации. Значительным преимуществом разработанного способа является возможность его применения без демонтажа оборудования трубопроводных сетей систем теплоснабжения и без прерывания процесса транспортировки теплоносителя.

Выводы

  • Анализ и обобщение экспериментальных и расчетных исследований показывают, что увеличение гидравлического сопротивления в процессе эксплуатации трубопроводных сетей систем теплоснабжения определяется изменением шероховатости и рельефа внутритрубных поверхностей и сужением диаметра проходного сечения трубопроводов.
  • Установлено, что наиболее эффективным способом снижения гидравлического сопротивления применительно к трубопроводным сетям систем теплоснабжения является гидрофобизация внутритрубных поверхностей посредством их модификации с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ).
  • Впервые установлено, что модификация внутренних поверхностей трубопроводных сетей систем теплоснабжения посредством формирования на них молекулярных слоев ПАВ приводит к уменьшению их гидравлического сопротивления на 38,5 29% в диапазоне скоростей течения теплоносителя 0,5 2,5 м/с соответственно.
  • Впервые показано, что наибольший эффект снижения гидравлического сопротивления трубопроводов достигается при относительной толщине сформированных на трубной поверхности молекулярных слоев ПАВ bотн = 1,52, где bотн = bпав/; bпав - толщина молекулярных слоев ПАВ, - средняя высота выступов шероховатости трубной поверхности.
  • Существенное увеличение относительной толщины молекулярных слоев ПАВ, сформированных на внутренней поверхности трубопровода (bпав >> bпав (опт)) приведет к увеличению его гидравлического сопротивления до некоторого установившегося значения Рпред<Рисх, зависящего от скорости теплоносителя.
  • Модификация трубных поверхностей посредством формирования молекулярных слоев ПАВ приводит к устранению негативного влияния шероховатости и рельефа на изменение гидравлического сопротивления трубопроводов в процессе эксплуатации систем теплоснабжения.
  • Наличие молекулярных слоев ПАВ на внутренней поверхности трубопровода приводит к изменению профиля скорости течения теплоносителя. При этом профиль скорости теплоносителя приближается к профилю скорости в абсолютно гладкой трубе.
  • Апробация в натурных условиях подтвердила эффективность разработанного способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя по трубопроводным сетям систем теплоснабжения. С учетом зафиксированного в натурных условиях снижения гидравлического сопротивления трубопровода городской системы теплоснабжения, составляющего 39% от исходного, экономический эффект от внедрения способа, в частности, для системы теплоснабжения г. Москвы составит около 400 млн. рублей за отопительный период только за счет адекватной экономии электроэнергии на привод насосов, без учета повышения надежности работы систем теплоснабжения за счет снижения магистрального давления.

Основные публикации

  1. Рыженков В.А., Седлов А.С., Рыженков А.В. О возможности снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения. // Энергосбережение и водоподготовка. 2007 - № 5 - С. 22-27.
  2. Рыженков В.А., Седлов А.С., Рыженков А.В. Использование поверхностно-активных веществ для снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения. // Вестник МЭИ.- 2008.- №1. -С.41-47.
  3. Рыженков В.А., Волков А.В., Погорелов С.И., Рыженков А.В. Способ уменьшения гидравлического сопротивления трубопроводных сетей для транспортировки жидких сред // Патент РФ № 2318140 от 27 февраля 2008 г.
  4. Рыженков В.А., Погорелов С.И., Рыженков А.В. Система транспортировки жидких сред по трубопроводным сетям // Патент РФ № 62178 БИ №9, 2007 г.
  5. Рыженков В.А., Седлов А.С., Рыженков А.В. О снижении энергозатрат при транспортировке теплоносителя по магистральным трубопроводам тепловых сетей // XIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Тез. докл. – 2007 - М. МЭИ. – Т3 – С. 170-171.
  6. Рыженков В.А., Куршаков А.В., Пульнер И.П., Щербаков С.Н., Рыженков А.В. О повышении эффективности эксплуатации городских систем теплоснабжения на основе ПАВ-технологий // Новости теплоснабжения – 2007 - №12(88) – С. 45-50.
  7. Седлов А.С., Рыженков А.В. О влиянии молекулярных слоев ПАВ на гидравлическое сопротивление магистральных трубопроводов систем теплоснабжения. // XIV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Тез. докл. – 2008 - М. МЭИ – Т3 – С.166 – 167.


 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.