CC BY
21Интенсификация процесса получения водяного пара с помощью поверхностно-активных веществ
Ахметов Т.Р. (тпа akhmetova@mail.ru), Шарифуллин В.Н.
Казанский государственный энергетический университет
Проведено исследование влияния поверхностно-активных веществ на интенсивность получения водяного пара при пузырьковом кипении воды. Установлено, что скорость парообразования увеличивается на 8,45%.
Процесс получения водяного пара является важной составляющей многих производственных процессов, в частности в энергетике. Парообразование в паровых котлах сопряжено со значительными энергетическими и капитальными затратами. Интенсификация парообразования влечет за собой увеличение производительности и снижению затрат топлива на получение пара. Существует целый ряд подходов к решению этой проблемы: полноценное использование теплоты уходящих газов, оптимизация режимов горения топлива, установка дополнительных поверхностей нагрева. Эти способы широко применяются на практике, но связаны с дополнительными капитальными затратами. Рассматриваемый в работе метод интенсификации процесса получения водяного пара при помощи поверхностно-активных веществ (ПАВ), не требует дополнительных капитальных и энергетических затрат, поэтому он очень эффективен. На данный момент эта проблема еще мало изучена, сведения о применении ПАВ в процессе парообразования очень малочисленны и носят отрывочный характер, механизм влияния ПАВ на этот процесс изучен еще не полностью. Данная работа посвящена исследованию влияния некоторых ПАВ на скорость парообразования при пузырьковом кипении воды в условиях неограниченного объема и оценке величины этого явления.
Адсорбция ПАВ на поверхности пузыря приводит к появлению ряда эффектов находящихся в тесной взаимосвязи между собой [ 1,2]. К ним относятся изменение поверхностного натяжения, образование градиента поверхностного натяжения, создание дополнительного диффузионного сопротивления, образование межфазной турбулентности. Схема влияния ПАВ представлена на рис. 1.
Процесс парообразования протекает в две стадии: 1) образование парового пузыря на обогреваемой поверхности, 2) рост парового пузыря во время всплытия в перегретой жидкости за счет ее испарения с поверхности пузыря. На первой стадии процесса влияния ПАВ может осуществляться как через работу на образование поверхности контакта фаз,
однако ее доля очень мала, так и через увеличение скорости теплообмена. На второй стадии ПАВ могут оказывать влияние на скорость теплообмена. Снижение поверхностного натяжения на границе пар-жидкость может привести к увеличению удельной поверхности контакта фаз, а градиенты поверхностного натяжения - к увеличению коэффициента теплоотдачи.
Рис. 1. Структурная схема влияния ПАВ на процесс парообразования
Для проверки воздействия ПАВ на скорость парообразования был проведен ряд экспериментов. В отличие от массопередачи, где для интенсификации этого процесса используется ПАВ [3,4], условия процесса парообразования существенно отличны от диффузионных процессов, поэтому при подборе ПАВ к ним должны предъявляться дополнительные требования. Они должны быть: 1) малопенящиеся, 2) неразлагающиеся при высоких температурах, 3) не оказывающие отрицательного воздействия на оборудование, 4) не летучие в пределах исследованных температур, 5) не влияющие на водно-химический режим. Исходя из этого был подобран ряд ПАВ, которые требовалось испытать.
Для проведения испытаний были выбраны два вещества, существенно отличающихся по своим физико-химическим свойствам: молекулярной массе, способности снижать поверхностное натяжение, поверхностной активностью, чувствительностью к изменениям температуры, коллоидно-химическим свойствам. Первое вещество относится к классу оксиэтилированных неионогенных ПАВ (ПАВ1) и
позволяет снизить поверхностное натяжение в системе воздух-вода до 45 дн/см2, второе вещество относиться к классу многоатомных спиртов (ПАВ2) и позволяет снизить поверхностное натяжение до 30 дн/см2.
Эксперимент сводился к определению скорости парообразования воды, в которой содержатся добавки ПАВ определенной концентрации. Опыты проведены на установке, принципиальная схема которой приведена на рис.2. Экспериментальная установка состоит из двух аппаратов. Процесс испарения проводится в испарительном аппарате 1 при помощи водяного электронагревателя 4. Измеряются следующие параметры пара в испарительной установке: температура воды Т1, температура пароводяной смеси Т2 при помощи хромель-капелиевых термопар 6 и давление пара Р1 при помощи манометра 5.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
1 - испарительный аппарат; 2 - смотровой бак; 3 - смотровое стекло; 4 -электронагреватели; 5 - манометр, 6 - термопара, 7 - паропровод; 8 - сливной вентиль; 9 - аварийный клапан; 10 - кран; 11 - запорный вентиль; 12 - крышка.
Также в испарительную установку вмонтирован аварийный клапан 9, который срабатывает при давлении превышающим 3 атм. Второй аппарат используется для определения скорости всплытия пузыря. По паропроводу 7 пар через порционный кран 10 поступает в смотровой бак 2, который представляет из себя вертикальный сосуд диаметром 100 мм. и высотой 420 мм. Для визуального наблюдения за процессом бак оборудован смотровым окном 3. Герметичность в котле поддерживается при помощи запорного вентиля 11 и крышки 12, через которую производится заливка воды.
Для определения скорости парообразования была разработана методика эксперимента. Суть данной методики состоит в следующем: скорость парообразования определяется по времени накопления определенной массы пара М в герметичном объеме. По мере накопления пара в испарительной установке происходит повышение давления и температуры. В опытах фиксировалось время достижения заданной температуры пара при
фиксированных исходных условиях. Наряду с этим замерялся рост температуры воды и пара в процессе нагрева и парообразования. Влияние ПАВ на скорость парообразования устанавливалась путем сравнения времен накопления определенной массы пара в присутствии и отсутствии ПАВ при одинаковых исходных условиях.
Скорость парообразования определяется по формуле Я = М / т, где М- масса пара, т- время достижения заданной температуры пара. Более удобным является использование относительной скорости парообразования Ж%, которая при постоянной массе пара будет рассчитываться по формуле:
ж = Я-Яо , (1)
Яо
если подставить в (1) Я = М / т получим:
т — т
Ж = -0-100 (2)
т
где т0 - время парообразования, для воды в отсутствии поверхностно-активных веществ.
Влияние концентрации ПАВ на скорость парообразования приведены в таблицах
1для ПАВ1 и в таблице 2 для ПАВ 2:
Таблица 1
Концентрация ПАВ, г/л 0 0,00625 0,05 0,065 0,15
Время процесса, Мин:сек 17:40.00 17:36.07 16:49.31 16:38.90 16:51.34
Относительная скорость парообразования, % 0 0,37 5,02 6,11 4,81
Таблица 2
Концентрация ПАВ, г/л 0 0,005 0,01 0,0245 0,035
Время процесса, Мин:сек 17:40.05 16:17.41 16:24.95 16:32.33 16:27.49
Относительная скорость парообразования, % 0 8,45 7,62 6,82 7,35
Графики зависимости относительной скорости парообразования от концентрации ПАВ приведены на рис.3. Из результатов эксперимента следует, что ПАВ1 может повысить скорость парообразования воды более чем на 6%, а ПАВ2 - на 8,45%. Эта величина вполне достаточна, для того, чтобы считать увеличение существенным.
, Н
и ч?
О 5 и X
Й
ей
я
ч о. 4
£ о
о " о
х 2
н с
О
/
1
/
/
0,01 0,02 0,03 Концентрация ПАВ, г/л
0,04
Рис.3 Влияние концентрации ПАВ на относительную скорость парообразования.
1 - ПАВ1, 2 - ПАВ 2
Сравнение влияния разных ПАВ показало также, что большую интенсификацию парообразования обеспечивают ПАВ с большей поверхностной активностью.
Результаты эксперимента по исследованию влияния ПАВ на скорость парообразования обработаны эмпирической зависимостью относительной скорости парообразования Ж от концентрации ПАВ. Предложена следующая форма зависимости:
Ж = А -(1 - (ехр(- Вс)))
(3)
где с - концентрация ПАВ, А,В - эмпирические коэффициенты.
В результате обработки экспериментальных данных получено: А=3,834; для ПАВ1
- В = 6,18; для ПАВ2 - В = 98,7. Эмпирический коэффициент В является функцией физико-
химических свойств ПАВ.
По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1 Применение ПАВ может приводить к существенному повышению скорости парообразования воды, что приведет к увеличению производительности и снижению затрат топлива на получение пара. В исследованных режимах получено увеличение скорости парообразования до 8,45%.
2 Проведена обработка результатов эмпирически. Получена зависимость скорости парообразования от концентрации ПАВ.
Литература.
1. Данквертс П.В. Газожидкостные реакторы. М.: Химия, 1973.
2. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. Л.: Химия, 1971.
3. Шарифуллин В.Н., Владимирова И.С., Емельянов В.М. Ускорение абсорбции кислорода с помощью поверхностно-активных веществ // Теор. основы хим. техн. 1996. Т.30. № 5. С. 470.
4. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979.
