Интенсификация процесса получения водяного пара с помощью поверхностно-активных веществ

Ахметов Т.Р. (irina 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.

Снижение поверхностного натяжения на границе пар-жидкость

Образование градиентов поверхностного натяжения на поверхности пузыря

Снижение работы на образование

поверхности пузыря

Образование касательной

силы на поверхности пузыря

I

I

Увеличение удельной поверхности контакта фаз пар-жидкость

Образование

межфазной

турбулентности

Снижение скорости

всплытия пузыря

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 Г2 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