CC BY
19
HayKOBHH BicHHK .HbBiBCbKoro Ha^oHaibHoro ymBepcHrery BeTepHHapHoi' MeguuHHH
Ta 6ioTexHonoriH iMeHi C.3. I^H^Koro Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies named after S.Z. Gzhytskyj
doi: 10.15421/nvlvet7502
ISSN 2519-268X print ISSN 2518-1327 online
http://nvlvet.com.ua/
УДК 664.002.5(075)
Вплив поверхнево-активних речовин на поверхневий критерш в ламiнарному приграничному шарi
Ю.Л. Бiлонога1, О.Р. Максисько1, 1.Г. Свщрак2 [email protected]
1^beiecbKrn нацюнальний утверситет ветеринарно'1 медицини та бютехнологт iMeHi С.З. Гжицького,
вул. Пекарська, 50, м. Львiв, 79010, Укра'та;
2 Львiвський нацюнальний утверситет «Львiвська полтехмка» вул. Степана Бандери, 12, Львiв, 79013, Украна;
Показано, що на мeжi потж теплоноЫя - стiнка трубопроводу, тобто в межах ламтарного приграничного шару (ЛПШ), виникае потужне поле сил поверхневого натягу. 1нтенсивтсть поверхневих сил характеризуешься поверхневим критeрieм. Експериментально знайдено значення коефщента поверхневого натягу ст, косинуса кута змочування со^д та динамiчного коефщента в'язкостi ц водних розчитв тд впливом поверхнево-активних речовин (ПАР). До водних розчитв додавались найбыьш поширет атонна, неюнна та катiонна ПАР. Визначет оптимальт концентрацй цих ПАР до «льодя-но1» води. Встановлено, що за оптимальних концентрацт ПАР значення поверхневого натягу е мжмальним. Обчислено середню товщину ламтарного приграничного шару за додавання до води оптимальних концентрацт до^джуваних ПАР. Встановлено, що зменшення коефщента поверхневого натягу мiнiмiзуе товщини ЛПШ у систeмi сттка трубопроводу-вода. Показано, що середня швидюсть в присттних шарах за додавання оптимальних концентрацт до^джуваних ПАР зростае, i як на^док така система здатна ефективтше передавати юльюсть тепла. Визначено числовi дiапазони поверхневого критерю для «льодяно1» води за додавання рiзного виду ПАР.
Knmnoei слова: ламтарний приграничний шар, середня товщина приграничного ламтарного шару, поверхневий натяг, по-верхнево-активш речовини, швидюсть в ламтарному приграничному шарi, оптималью концентрацй, поверхневий критерт.
Влияние поверхностно-активных веществ на поверхностный критерий
в ламинарном пограничном слое
Ю.Л. Билонога1, О.Р. Максысько1, 1.Г. Свидрак2 [email protected]
1 Львовский национальный университет ветеринарной медицины и биотехнологий имени С.З. Гжицкого,
ул. Пекарская, 50, г. Львов, 79010, Украина;
2 Львовский национальный университет «Львовская политехника», ул. Степана Бандеры, 12, Львов, 79013, Украина;
Показано, что на границе поток теплоносителя - стенка трубопровода, то есть в пределах ламинарного пограничного слоя (ЛПШ), возникает мощное поле сил поверхностного натяжения. Интенсивность поверхностных сил характеризуется поверхностным критерием. Экспериментально найдено значение коэффициента поверхностного натяжения, косинуса угла смачивания и динамического коэффициента вязкости водных растворов под влиянием поверхностно-активных веществ (ПАВ). К водным растворам добавлялись наиболее распространенные анионная, неионная та катионная ПАВ. Определены оптимальные концентрации этих ПАВ к «ледяной» воде. Установлено, что при оптимальных концентраций ПАВ значение поверхностного натяжения является минимальным. Вычислено среднюю толщину ЛПШ за добавление к воде оптимальных концентраций исследуемых ПАВ. Установлено, что уменьшение коэффициента поверхностного натя-
Citation:
Bilonoha, Y.L., Maksysko, O.R., Svidrak, I.G. (2017). Effect of surfactants on surface criteria in laminar boundary layer. Scientific Messenger LNUVMBT named after S.Z. Gzhytskyj, 19(75), 8-12.
жения минимизирует толщины ЛПШ в системе стенка трубопровода-вода. Показано, что средняя скорость в пристенных слоях за добавление оптимальных концентраций исследуемых ПАВ растет, и как следствие такая система способна эффективно передавать количество тепла. Определены числовые диапазоны поверхностного критерия для «ледяной» воды с добавление различного вида ПАВ.
Ключевые слова: ламинарный пограничный слой, средняя толщина пограничного ламинарного слоя, поверхностное натяжение, поверхностно-активные вещества, скорость в ламинарном пограничном слое, оптимальные концентрации, поверхностный критерий.
Effect of surfactants on surface criteria in laminar boundary layer
Y.L. Bilonoha1, O.R. Maksysko1, I.G. Svidrak2 [email protected]
'Lviv national university of veterinary medicine and biotechnologies named after S. Gzhytskyj, Pekarska Str., 50, Lviv, 79010, Ukraine;
2 Lviv National Polytechnic University «Lviv Polytechnic», Stepan Bandera Str., 12, Lviv 79013, Ukraine;
It is shown that on the border the flow of the coolant - wall pipe, that is, within the laminar boundary layer (LBL), there is a powerful field offorces of surface tension. The intensity of surface forces characterized by superficial criteria P The value surface
of the criterion Reynolds and Euler's criterion in LBL several orders of magnitude more from the Froude criterion and inverse of the Reynolds criterion, so the latter can be neglected. Experimentally found value of surface tension, cosine of the contact angle and dynamic viscosity of aqueous solutions influenced by surfactants. To aqueous solutions were added the most common anionic, nonionic and cationic surfactants. The optimal concentrations of anionic, nonionic and cationic surfactants in the «icy» water. It is established that at the optimal concentration of surfactant surface tension value is minimum. For these concentration surfactant were chosen and the value for dynamic coefficient of viscosity. We calculated average thickness of the laminar boundary layer when added to water, the optimal concentration of the studied surfactants. It is established that the reduction of surface tension minimizes the thickness of laminar boundary layers in the wall of the pipe-water. It is shown that the average speed in the near-wall layers for adding optimum concentrations of the studied surfactants. increases, and as a result this system is able to effectively transfer heat. Defined numerical ranges of the surface criterion for «ice» water with the addition of various surfactants. It is established that the value surface of the criterion of Ро depend on the surface tension of the coolant. It was experimentally confirmed that when optimal concentrations of surfactant, there is a minimum value surface of the criterion of Ро. From the graph based on superficial criteria from concentrations of surfactant, it is possible to determine the surface criterion and speed in LBL.
Key words: laminar boundary layer, average thickness of boundary laminar layer, surface tension, surfactans, speed in a laminar boundary layer, optimal concentrations, superficial criterion.
Вступ
Основною проблемою переробних галузей проми-словосп е низька !х енергоефектившсть. Не винятком е i тдприемства харчово! промисловостг Рщкофазш харчовi продукта, молоко, соки, пиво, вершки та ш. повинш пщдаватися тепловш обробц - пастеризацп, охолодженню, оскшьки швидко псуються, а тому i значш енерговитрати вщбуваються саме на стадп теплово! обробки продукпв. Вс щ процеси протжа-ють у спешальних теплообмшних апаратах, тобто на меж! контакту двох фаз тверде тшо-рвдина (стшка теплообмшника-теплоносш). На меж! роздшу двох фаз рщина - стшка трубопроводу виникае потужне поле сил поверхневого натягу, що змшюе попк р!ди-ни з утворенням ламшарного приграничного шару (ЛПШ).
1снування ЛПШ шару розглядають з позицп пд-ромехашки, тобто з врахуванням тангенщальних на-пружень в!д сили тертя в ЛПШ шар! (Kuk, 1973). Нова наукова концепщя розгляду пдромехашчних проце-сш, руху рвдини в трубопроводах та апаратах з врахуванням до сил поверхневого натягу на границ! контакту тверде тшо-рщина була запропонована в робот! (Bilonoha, 2006). В робот! (Bilonoha, 2006) був розгля-нутий елементарний об'ем рщини в трубопровод! в межах ЛПШ та проанал!зовано сили, що дшть на цей
об'ем ! враховуючи теорш под!бносп, були одержан! так! критери:
P - 1 2K(jc°se - поверхневий критерш в ЛПШ
0 N ju»x
(1)
N = ^ = 10,47-11,5 (2)
И
де N - видозмшений критерш Рейнольдса, (Kuk, 1973)
Eu - p - критерш Ейлера в ЛПШ (3)
Fr - - критерш Фруда в ЛПШ (4)
1 - И - обернений критерш Рейнольда в
Re Spvx
ЛПШ (5)
Також було встановлено !х числове значения. По-верхневий критер!й для води за нормальних умов P0 - 376,81, критерш Ейлера Eu -100, критерш Фруда
Fr - 0,071, обернений критерш Рейнольда - 0033
' Re - '
(Bilonoha, 2006). Оск!льки числов! значення поверх-невого критерш Р0 та критерш Ейлера Eu в ЛПШ на дек!лька порядк!в е б!льш! в!д критер!ю Фруда та
оберненого критерш Рейнольдса, то останшми можна знехтувати.
Мета роботи: знайти д1апазон поверхневого критерш для «льодяно!» води за додавання оптимальних концентрацш р1зного виду ПАР.
Результати та ix обговорення
З р1вност1 (1) видно, що значения поверхневого числа суттево залежать в1д коефщента поверхневого натягу, швидкосп в пристшних шарах о та видозмь
неного крггерш Рейнольдса N. Ввдомо, що коефщент поверхневого натягу рщкофазних теплоносив можна зменшувати шляхом додавання до них малих концен-трацш поверхнево-активних речовин (ПАР). Для ви-
значення д1апазону значень поверхневого критерш проведена сер1я експерименпв по забезпеченню змши коефщента поверхневого натягу а, косинуса кута змочування eosQ та динашчного коефщента в'язкосп ц водних розчишв пвд впливом ПАР. До водних розчишв додавались найбшьш поширеш аш-онна, неюнна та катюнна ПАР. Коефщент поверхневого натягу, динам1чний коефщент в'язкосп та косинус кута змочування теплонос1я визначали за загаль-новвдомими методиками (Adamson, 1976).
На рис. 1 показаш залежносп коефщента поверхневого натягу, динашчного коефщента в'язкосп води та косинуса кута змочуваннявщ концентрацй' анюно!, неюнно! та катюнно! ПАР.
1,285
С Я
i 1,280
1
—О "
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 C, мас. %
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 C, мас. %
а)
б)
1,282 1,280 1,278 1,276 1,274 1,272 1,270
-
-
u. -
0,2 0,3 C, мас. %
.3
J 3-□■ —□— □
Lx
—□—анюнна ПАР —о— неюнна ПАР —Д—катюнна ПАР
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
C, % мас.
в)
г) Í30TepMa змочування для водних розчишв дослщжуваних ПАР Рис. 1. Залежшсть к'оефмисита поверхневого натягу о, динамiчного коефщснта в'язкосл ц
та косинуса кута cose змочування води ввд концентрацй' дослщжуваних ПАР: а) анюнноТ; б) неюнноТ, в) катшнноТ ПАР, г) iзотерма змочування
Як видно з графМв, на кривш залежносп коефщь ента поверхневого натягу ввд концентрацй е мшму-ми, як1 вщповщають критичнш концентрацй мщелоу-творення (ККМ). Тобто за незначного зростання концентрацш ПАР коефщент поверхневого натягу р1зко зменшуеться до ККМ, а за концентрацш вище ККМ спостертаеться незначне його зменшення.
Для анюнно! ПАР ККМ спостертаеться за концентрацй (0,10...0,15) мас.%. За ще! концентрацй коефь щент поверхневого натягу води зменшуеться в 1,98
рази, для неюнно! за концентрацй (0,05.0,10) мас.% - в 1,66 рази, а для катюнно! за концентрацй (0,08..0,15) мас.%. - в 1,57 рази в пор1внянш з водою. Ц концентрацй вважаються оптимальними. За цих концентрацш ПАР вибирали i значення для дина-м1чного коефщента в'язкосп. Рвдина з меншим зна-ченням коефiцiента поверхневого натягу краще змо-чуе поверхню твердого тша, при цьому кут змочування стае бшьш гострiшим. На рис. 1 (г) показано зале-
72
75
70
64
65
60
1,275
60
1,270
52
55
48
1,265
50
d 1,260
45
44
0,0
0,1
0,4
0,5
0,6
жшсть косинуса кута змочування води вад концентра-ци ПАР.
Покажемо зм^ поверхневого числа Ро в ЛПШ для водних розчинiв за додавання оптимальних кон-центрацiй дослщжених ПАР. Швидк1сть в пристiнних шарах знаходили з видозмiненого числа Рейнольдса
и = ^^ , приймаючи значення N=10,5, а середню Х 5р
товщину ЛПШ знаходили за формулою:
5-
d2 ¡Ьзсо6р
- Re и \ ^l КТ
де с - коефщент поверхневого
натягу, Н/м; со^'Э - гiдрофiльнiсть поверхнi стiнки; р - густина рвдини, кг/м3; й - дiаметр живого пере-
рiзу потоку, м; X - коефщент Дарсi; X =0,311(6 ;
Re ,
116 Середня товщина ЛПШ мкм
83 93 94
Г—j
/ mm Шя ■и mm
вода вода+ вода + вода+
анюнна неюнна катюнна
ПАР ПАР ПАР
l - довжина трубопроводу, м; Ц- коефщент динамь чно! в'язкосп рвдини, Па с; К - коефщент турбуль
зацп Л шару, к -
Re
Re « 2320. Число Рей-
нольдса Кеоб знаходили за формулою = ийр .
На пiдприeмствах харчово!, фармацевтично! та пе-реробно! промисловостей середня швидшсть руху рвдин в теплообмiннiй апаратурi становить и «1 м / с, дiаметр труб й=21-10-3 м, довжина труб I =3 м.
Значення середньо! товщини ЛПШ для «льодяно!» води (рис. 2а) та середню швидшсть в ЛПШ (рис. 2б) за додавання оптимальних концентрацш дослщжува-них ПАР показано на рис. 2.
а) б)
Рис.2. а) значення середньоТ товщини ЛПШ б) значення середньоТ швидшсть в ЛПШ за додавання ПАР
Отже, середш товщини ЛПШ тд дieю ПАР змен-шились. За додавання анюнно! ПАР в 1,4 рази; за додавання неюнно! ПАР - у 1,25 рази, за додавання катюнно! ПАР - у 1,23 рази. Додавання оптимальних концентрацш рiзних ПАР до води (теплоноая) можна суттево зменшити коефщент поверхневого натягу, мiнiмiзувавши середню товщину ЛПШ в системi стш-ка трубопроводу - теплоносш. Середню швидшсть ЛПШ пвд впливом вказаних ПАР розраховували за формулою (2). Значення середньо! швидкосп ЛПШ для рiзних видiв ПАР представлено на рис. 2 б.
Зменшуючи середнi товщини ЛПШ води, швидшсть в них зростае, а це штенсифшуе проходження шлькосл теплоти через нього. Також енергiя зв'язку мiж стшкою трубопроводу i приповерхневим шаром води зменшуеться, мiнiмiзуеться «прилипання» рщи-ни до стшок. Оск1льки середня товщина ЛПШ суттево залежить вiд коефщента поверхневого натягу рiдини, то i швидк1сть в приповерхневих шарах також залежить вщ нього.
Значення поверхневого числа розраховаш згiдно формули (1) представленi на рис. 3.
Рис. 3. Значення поверхневого критерто Р0 в ЛПШ для рпних ПАР
280 260
Л
«
С 120
Л
) 35 40 45 50 55 60 65 70 Коефщент поверхневого натягу а, мН/м
Рис. 4. Залежшсть поверхневого критерм в1д концентрацш ПАР
80
Поверхневий критерш е функщею ввд коефiцiента поверхневого натягу теплоносiя. При зменшенш кое-фiцiента поверхневого натягу теплоноая значення поверхневого критерш Р0 також зменшуються. На рис. 4. показано залежшсть поверхневого критерш ввд концентрацiй дослiджуваних ПАР у водг
Оскiльки всi значення поверхневого критерш Р0
лежать на прямiй i накладаються, то з тако! залежнос-тi, вимiрявши коефiцiент поверхневого натягу ( шсля введення ПАР у теплоносш, можна визначити поверхневий критерш та швидшсть у ЛПШ
2яacosв
их =-
х №
Отже, за додавання оптимальних концентрацiй ПАР до води, суттево зменшуеться коефiцiент поверхневого натягу, середня товщина ЛПШ е мшмаль-ною, а середня швидшсть в цьому шарi е максимальною, i значення поверхневого критерiю - мшмальне, що дозволяе iнтенсифiкувати проходження шлькосп тепла за таких умов.
Висновки
1. Встановлено, що сили поверхневого натягу в межах ЛПШ характеризуються величиною поверхне-вого критерш Р0.
2. Для характеристики теплоноая та можливосп шгенсифжацп теплопередач! запропоновано новий безрозм!рний комплекс - поверхневий критерш Р0, що е функц!ею в!д коеф!ц!ента поверхневого натягу теп-лонос!я.
3. Встановлено д!апазон поверхневого критер!ю для водних розчишв ПАР (96-140).
Бiблiографiчнi посилання
Kuk, G.A. (1973). Processy i apparaty molochnoj promyshlennosti. M. : Pishhevaja promyshlennost' (in Russian).
Bilonoha, Yu.L. (2006). Intensyfikatsiia ta optymizatsiia teplomasoobminnykh protsesiv pry vyrobnytstvi orhanopreparativ i pererobtsi vtorynnoi syrovyny miasokombinativ: avtoreferat dys....doktora tekhn. nauk: 05.18.12. Odesa, 36 (in Ukrainian). Bilonoha, Yu.L. (2006). Pro dotsilnist rozghliadu hidromekhanichnykh protsesiv z vrakhuvanniam syl poverkhnevoho natiahu na hranytsi kontaktu tverde tilo-ridyna. Intehrovani tekhnolohii ta enerhozberezhennia. 2, 64 (in Ukrainian). Adamson, A. (1976). Fizicheskaja himija poverhnostej: per. s ang. M.: Mir (in Russian).
Стаття надтшла до редакцп 1.03.2017
