Автoр: А.В. Рыженкoв
Нанoурoвневая мoдификация функциoнальных пoверхнocтей oбoрудoвания трубoпрoвoдных cетей
В прoцеccе экcплуатации oтечеcтвенных cиcтем теплocнабжения гидравличеcкoе coпрoтивление многократно возраcтает вcледcтвие протекания коррозионных процеccов и накопления отложений на внутренних поверхноcтях трубопроводов cиcтем теплоcнабжения. 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 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. 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 модификация внутритрубных поверхностей. Одним из характерных примеров модификации является придание поверхностям свойства ультрагидрофобности.
Проблема транспортировки рабочих и технологических сред, в т.ч. воды и углеводородов, крайне актуальна для Российской Федерации, являющейся мировым лидером по протяженности трубопроводных систем. Протяженность трубопроводов, по которым осуществляется транспортировка продукции нефтегазового комплекса, составляет 219 тыс. км, в т.ч. газопроводных магистралей - 151 тыс. км, нефтепроводов — 48,5 тыс. км, нефтепродуктопроводов — 19,3 тыс. км, трубопроводов для транспортировки теплоносителя систем теплоснабжения — 280 тыс. км.
Реализация большинства способов создания ультрагидрофобных поверхностей для снижения гидравлического сопротивленья применительно к системам теплоснабжения на сегодняшний день невозможно по ряду причин, в т.ч. 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, проведенных в МЭИ (ТУ), показывает, что для гидрофобизации трубных поверхностей систем теплоснабжения есть возможность использовать широко применяемые в энергетике поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Наноуровневая модификация функциональных поверхностей оборудования трубопроводных сетей осуществляется за счет ориентированной адсорбции молекул ПАВ из транспортируемой среды и образованием так называемого «частокола Ленг-мюра».
Рис. 1. a — Влияние относительной толщины сорбированных на внутритрубной поверхности молекулярных слоев ПАВ на гидравлическое сопротивление трубопровода при различных скоростях течения теплоносителя; б — фотография капли воды на ультрагидрофобной поверхности; в — структурная формула и схема расположения молекул ПАВ на поверхности.
Нанотехнологии в энергетике, наномеханика и наноплазма.
Влияние скорости потока транспортируемой среды на гидравлическое сопротивление провода в процессе наноуровневой модификации внутритрубной поверхности молеку-I фными слоями ПАВ определялось в диапазоне скоростей от 0,5 до 2,5 м/с. Результаты этих исследований представлены на рис. 1 в виде зависимости относительного гидравлического сопротивления трубопровода АР0ТН (АР0ТН = АРпав/АРисх, где: АРпав - гидравлическое сопротивление трубопровода с молекулярными слоями ПАВ, сформированными на его внутренней поверхности, АРисх — исходное гидравлическое сопротивление этого же трубопровода) от относительного значения толщины молекулярных слоев ПАВ на поверхности Ьотн (fотн = Ь-^АЭ, где: Ьпав — суммарная толщина молекулярных слоев ПАВ, Аэ — средняя высота выступов шероховатости поверхности трубопровода).
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. 2, б). На втором этапе имеет место стабилизация значений гидравлического сопротивления, характеризующаяся постепенным заполнением молекулярными слоями пространства между выступами шероховатости (рис 2, в) до ее полного «сглаживания» (рис 2, 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 29% 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. 1).
Значения толщин молекулярных слоев ПАВ, сорбированных на трубную поверхность, измерялись с использованием металлографических шлифов, изготавливаемых по стандартным методикам.
Характерная упорядоченность рельефа верхних молекулярных слоев является следствием их «податливости» в результате воздействия потока транспортируемой среды, формирующей в режиме течения наиболее оптимальный рельеф с точки зрения минимизации потерь. Такие образования на внутритрубной поверхности структурируют течение, тем самым снижая потери за счет снижения гидравлического сопротивления потоку транспортируемой среды.
Применение наноразмерной модификации функциональных поверхностей оборудования трубопроводных сетей позволит существенно повысить их энергоэффективность и надежность и в дальнейшем отказаться от дорогих конструкционных материалов в пользу более дешевых с модифицированными на наноуровне функциональными поверхностями.
Литература
1. Колесников А.И., Михайлов СЛ. // Энергоресурсосбережение М., 2006. 232 с.
2. Яиповских В.М. Основные направления энергоэффективности при эксплуатации тепловых сетей // Энергосбережение. 1999. № 1. С. 10—13.
3. Joonwon Kim, Chang-Jin Kim. Nanostructured surfaces for dramatic reduction of flow resistance in droplet-based microfluidics // IEEE, 2002. C. 479-482.
4. Xue-Mei Li, David Reinhoudt, Mercedes Crego-Calama. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces //Chem. Soc. Rev., 2007.
Источник: Сборник тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий.
