Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu mối quan hệ giữa hiện tượng giảm lực cản và cấu trúc hình thành do tr...

Tài liệu Nghiên cứu mối quan hệ giữa hiện tượng giảm lực cản và cấu trúc hình thành do trượt (sis) trong dòng chảy rối của các dung dịch surfactant

.PDF
64
51
59

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN VĂN NINH NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆN TƯỢNG GIẢM LỰC CẢN VÀ CẤU TRÚC HÌNH THÀNH DO TRƯỢT (SIS) TRONG DÒNG CHẢY RỐI CỦA CÁC DUNG DỊCH SURFACTANT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN VĂN NINH NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆN TƯỢNG GIẢM LỰC CẢN VÀ CẤU TRÚC HÌNH THÀNH DO TRƯỢT (SIS) TRONG DÒNG CHẢY RỐI CỦA CÁC DUNG DỊCH SURFACTANT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 8520103 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Anh Tuấn HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Trần Văn Ninh i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Anh Tuấn Trường Đại học Thủy lợi, thầy đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài. Thầy là người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình em thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ Khí - Trường Đại học Thủy lợi đã dạy bảo tận tình, trang bị cho em những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường. Em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm. Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý thầy cô, quý đồng nghiệp cùng toàn thể gia đình và bạn bè. Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ix 1. Tính cấp thiết của đề tài: .........................................................................................ix 2. Mục đích của đề tài: ................................................................................................ix 3. Kết quả dự kiến đạt được: ........................................................................................x 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: ............................................................. x 5. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................................... x CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN ................1 1.1 Giới thiệu chung .....................................................................................................1 1.2 Các phương pháp giảm lực cản ..............................................................................1 1.2.1 Giảm lực cản sử dụng sợi ................................................................................1 1.2.2 Giảm lực cản bằng bề mặt Riblets ...................................................................2 1.2.3 Giảm lực cản bằng chất phụ gia......................................................................3 1.3 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 6 CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT ........................................8 2.1 Surfactant ...............................................................................................................8 2.1.1 Thành phần và cấu trúc ...................................................................................8 2.1.2 Cấu trúc của pha surfactant trong nước .........................................................9 2.1.3 Phân loại ..........................................................................................................9 2.1.3.1 Surfactant anion ......................................................................................10 2.1.3.2 Cacbonxylat ............................................................................................. 11 2.1.3.4 Surfactant Zwitterion...............................................................................11 2.1.3.5 Surfactant phi ion ....................................................................................12 2.1.4 Các ứng dụng .................................................................................................12 2.1.5 Nồng độ mixen tới hạn - critical micelle concentration (CMC)....................13 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới giảm lực cản của dung dịch surfactant .......................15 2.2.1 Ảnh hưởng bởi nhiệt độ .................................................................................15 iii 2.2.2 Ảnh hưởng do hình dạng mixen .....................................................................15 2.2.3 Ảnh hưởng do kích thước mixen ....................................................................16 2.2.4 Ảnh hưởng do đường kính ống ......................................................................17 2.3 Cấu trúc hình thành do trượt ................................................................................18 2.4 Tổng kết chương ..................................................................................................20 CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIẢM LỰC CẢN VÀ ĐO ĐỘ NHỚT ........................22 3.1 Dung dịch thí nghiệm ........................................................................................... 22 3.1.1 Surfactant .......................................................................................................22 3.1.2 Đối i-on ..........................................................................................................22 3.2 Thiết lập thí nghiệm ............................................................................................. 24 3.2.1 Sơ đồ mạch đo giảm lực cản ..........................................................................24 3.2.2 Sơ đồ mạch đo profile vận tốc dòng .............................................................. 26 3.2.3 Sơ đồ mạch đo độ nhớt ..................................................................................28 3.3 Kết quả và thảo luận............................................................................................. 29 3.3.1 Đo giảm lực cản ............................................................................................. 29 3.3.2. Profile vận tốc dòng......................................................................................32 3.3.1 Đo độ nhớt .....................................................................................................36 3.4. Tổng kết chương .................................................................................................38 CHƯƠNG 4 QUAN SÁT CẤU TRÚC HÌNH ẢNH DO TRƯỢT SIS ........................39 4.1 Thiết lập thí nghiệm ............................................................................................. 39 4.1.1 Sơ đồ mạch thí nghiệm quan sát cấu trúc hình thành do trượt trong ống tròn ................................................................................................................................ 39 4.1.2. Thông số các phần tử mạch thí nghiệm ........................................................41 4.2 Quan sát cấu trúc hình thành do trượt SIS ........................................................... 43 4.2.1 Sự hình thành cấu trúc SIS ............................................................................43 4.2.2 Quá trình hình thành và biến mất của SIS.....................................................46 4.3 Tổng kết chương ..................................................................................................47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO..............................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 49 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các cấu trúc micelle và phân tử hoạt chất bề mặt surfactant ...........................5 Hình 1.2 Nâng cao truyền nhiệt bằng các phương pháp cơ học ......................................6 Hình 2.1 Một mixen với phần đầu kị nước hòa tan trong dầu, trong khi phần ưa nước hướng ra phía ngoài. ........................................................................................................9 Hình 2.2 Phân loại surfactant theo thành phần hóa học của nhóm đầu: phi ion, anion, cation, lưỡng tính.. .........................................................................................................10 Hình 2.3 Minh họa về một cation surfactant và anion surfactant..................................11 Hình 2.4 Minh họa về một surfactant lưỡng tính ..........................................................12 Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn quá trình giảm sức căng bề mặt của surfactant...................14 Hình 2.6 Một số hình dạng của mixen ..........................................................................16 Hình 2.7 Ảnh hưởng của đường kính ống đến giảm lực kéo cho nồng độ chất hoạt động bề mặt 50ppm và tốc độ dòng chảy 6m3/h ........................................................... 18 Hình 3.1 Đối ion – Counterion ...................................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.2 Sơ đồ mạch giảm lực cản ..............................................................................24 Hình 3.3 Cảm biến áp suất Validyne DP15 ...................................................................24 Hình 3.4 Thiết bị chuyển đổi dữ liệu .............................................................................25 Hình 3.5 Bộ thu dữ liệu được sử dụng trong thí nghiệm ..............................................25 Hình 3.6 Sơ đồ mạch thí nghiệm đo profile vận tốc dòng ...........................................26 Hình 3.7 Thiết bị đo vận tốc và lưu lượng ....................................................................27 Hình 3.8 Nguyên lý phương pháp đo vận tốc bằng UVP ..............................................27 Hình 3.9 Máy đo độ nhớt............................................................................................... 28 v Hình 3.10 Hệ số ma sát của nước .................................................................................30 Hình 3.11 Hệ số ma sát của dung dịch surfactant 300ppm× 0.5 ..................................31 Hình 3.12 Hệ số ma sát của dung dịch 300ppm×1 .......................................................32 Hình 3.13 Thể hiện profile vận tốc cho 3 loại dung dịch ..............................................33 Hình 3.14 Profile vận tốc dạng Logarit của nước ........................................................34 Hình 3.15 Profile vận tốc dạng Logarit của dung dịch 300ppm×0.5, Re = 60000 ......35 Hình 3.16 Profile vận tốc dạng Logarit dung dich 300ppm×1, Re = 60000 ................35 Hình 3.17 Độ nhớt của nước và dung dịch giảm lực cản surfactant. ............................ 37 Hình 4.1 Sơ đồ mạch thí nghiệm ...................................................................................39 Hình 4.2 Ảnh chụp thực tế khi quan sát cấu trúc hình ảnh ..........................................40 Hình 4.3 Ảnh chụp thực tế sơ đồ mạch thí nghiệm .......................................................41 Hình 4.4 Biến tần được sử dụng trong thí nghiệm ........................................................41 Hình 4.5 Camera công nghiệp .......................................................................................43 Hình 4.6 Bộ phát laser ...................................................................................................43 Hình 4.7 Sự phát triển của cấu trúc SIS theo khoảng thời giản 0.01s của dung dịch 300ppm×1, z/D=30 Re=40000. .....................................................................................44 Hình 4.8 Sự phát triển của cấu trúc SIS theo khoảng thời giản 0.01s của dung dịch 300ppm×1, z/D=75 Re=40000. .....................................................................................45 Hình 4.9 Quá trình xuất hiện và biến mất của SIS ........................................................46 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các tính chất và công thức hóa học của counterion được sử dụng trong thí nghiệm này ............................................................................................. 22 Bảng 4.1 Thông số của bơm ..........................................................................................42 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SIS Shear-induced Structures DR Drag Reduction PAA Polymer Anion CMC Critical micelle concentration HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning PPM Parts per million viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Các SIS đóng một vai trò quan trọng trong giảm lực cản dòng rối và sự chuyển pha là một vấn đề quan trọng chưa được giải quyết trong lý hóa học. Các cấu trúc tế vi và nano mới có thể được sinh ra trong quá trình chuyển pha này. Hiện tượng hình thành SIS được cho có sự liên quan chặt chẽ với giảm lực cản. Các quan sát hình ảnh trực tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun tia tác động lên tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo luận về sự liên quan giữa các kết quả mang tính hiện tượng của sự giảm lực cản và sự hình thành các cấu trúc dạng sợi hình thành do lực cắt giống như SIS. Tuy nhiên, vai trò của SIS đối với giảm lực cản vẫn còn chưa rõ ràng. Các nghiên cứu về sự hình thành, sự phá vỡ SIS cũng như vai trò của SIS với giảm lực cản cần được nghiên cứu thêm. Hiện tượng giảm lực cản trong dòng chảy rối bằng các phụ gia nhận được sự quan tâm sâu sắc từ rất nhiều nhà nghiên cứu vì hiện tượng này giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia vẫn còn mới ở Việt Nam. Do vậy nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia là cần thiết ở Việt Nam. 2. Mục đích của đề tài: Các mục tiêu của đề tài bao gồm: - Sự hình thành SIS trong dung dịch surfactant sẽ được quan sát hình ảnh trực tiếp bằng hiện tượng tán xạ của ánh sáng laser cường độ cao, và đưa ra cơ chế phát triển SIS thông qua xác định ứng suất cắt đối với SIS và thời gian tạo nên SIS. - Quan sát hình ảnh trực tiếp SIS sẽ phát hiện sự liên hệ giữa giảm lực cản ma sát và SIS, và giữa giảm truyền nhiệt và SIS. - Các ảnh hưởng của bề mặt răng cưa đến sự xuất hiện SIS được nghiên cứu. Các răng cưa có thể tạm thời phá vỡ SIS và khuyến khích phát triển dòng rối, vì vậy giúp tăng sự truyền nhiệt trong dung dịch giảm lực cản surfactant. ix 3. Kết quả dự kiến đạt được: Cấu trúc dạng sợi giống SIS hình thành và biến mất cùng một thời điểm với sự giảm lực cản bắt đầu hoặc mất đi. Các kết quả đã cho thấy sự liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc dạng sợi SIS và sự giảm lực cản trong các dung dịch surfactant. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Vật liệu Các hoạt chất bề mặt surfactant ion dương với các counterion, chủ yếu là sodium salicylate NaSal. Các hoạt chất bề mặt surfactant ion dương thương mại (như các sản phẩm của Akzo Nobel) đã được nghiên cứu về hiệu quả giảm lực cản là Ethoquad O12 (oleyl bishydroxyethyl methyl ammonium chloride). Nồng độ hoạt chất bề mặt được duy trì ở 300ppm . Phương pháp Các phương pháp đo sự giảm lực cản Các thí nghiệm về giảm lực cản được thực hiện trong một hệ thống dòng tuần hoàn. Phần kiểm tra là một ống dài 4,0m với đường kính 40 mm. Hệ số ma sát trong ống được tính từ độ giảm áp suất và so sánh với hệ số ma sát của dung dich dung môi tại cùng một số Reynold của dung dịch dung môi. Quan sát hình ảnh dòng chảy Hình ảnh quang học của dung dịch bị cắt được ghi nhận bằng cách sử dụng một máy quay tốc độ cao. Các mẫu được chiếu sáng từ phía trên và phía trước sử dụng ánh sáng laser hoặc nguồn sáng halogen và hình ảnh đã được ghi lại dưới dạng các tập tin MPEG. 5. Nội dung nghiên cứu: CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT x CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIẢM LỰC CẢN VÀ ĐO ĐỘ NHỚT CHƯƠNG 4 QUAN SÁT CẤU TRÚC HÌNH ẢNH DO TRƯỢT SIS xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN 1.1 Giới thiệu chung Hiện nay, đi kèm với sự phát triển của thế giới là nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng cao mà các nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch (than, dầu khí, thủy điện...) có hạn và không tự tái tạo được. Tốc độ khai thác và tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch của con người cao một mức khổng lồ. Nếu không sử dụng một cách có tính toán, viễn cảnh cạn kiệt nguồn năng lượng sẽ đến rất nhanh. Với ngành khoa học hiện đại cùng nhiều giáo sư giỏi, phương pháp sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương được nghiên cứu kĩ càng và là một trong những mũi tên đi đầu về ngành công nghiệp năng lượng trong tương lai. Nhưng hiện tại, phương pháp này mới là những bước đi sơ khai, việc sử dụng được là có thể. Có điều chưa thể thương mại hóa được do giá thành quá đắt đỏ. Việc cạnh tranh với ngành công nghiệp năng lượng thông thường là điều chưa thể giải quyết được. Vì vậy, chủ đề tiết kiệm năng lượng có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của toàn thế giới cũng như mỗi quốc gia, một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề trên là phương pháp làm giảm lực cản dòng chảy. Giảm lực cản trong dòng chảy mang lại nhiều lợi ích trong các lĩnh vực khác nhau như: vận chuyển các chất lỏng bằng đường ống, các hệ thống làm lạnh và sưởi, hệ thống làm mát, hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v… Đồng thời giảm lực cản trong dòng chảy giúp làm tăng lưu lượng hay tốc độ dòng chảy, do đó sẽ giảm năng lượng yêu cầu của bơm giúp bơm tăng tuổi thọ, giảm đường kính ống, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm chi phí đầu tư và chi phí vận hành. 1.2Các phương pháp giảm lực cản 1.2.1 Giảm lực cản sử dụng sợi Các dung dịch với tỷ lệ kích thước của các sợi (l/d) từ 25 – 35 cho thấy sự giảm lực cản với nồng độ sợi cao. Với tỷ lệ kích thước tăng lên và giảm bớt đường kính sợi, hiệu quả của các sợi hoá học tăng lên. Các hệ thống của các sợi hoá học hoà trộn với polymer đã đạt được hiệu quả giảm lực cản lên tới 95%. Mức độ giảm lực cản này cao 1 hơn mức độ giảm lực cản đối với các polymer hoặc với các sợi đơn. Các polymer trong loại hệ thống này cũng bền hơn với sự phân rã. Các sợi ổn định về mặt hoá học và cơ học trong môi trường nước. Do chúng không nhạy với nước hoá học, các vật liệu làm ống dẫn và nhiệt độ, chúng có thể hiệu quả trên một dãy nhiệt độ rộng. Tuy nhiên, việc sử dụng các sợi hoá học bị hạn chế bởi các trở ngại mà chúng có thể gây ra các vấn đề tắc nghẽn trong các đường ống nước do nồng độ cao (khoảng một vài phần trăm) yêu cầu cho sự giảm lực cản. Ngoài ra, chúng chỉ được ứng dụng vào việc giảm lực cản trong các hệ thống nhà máy công nghiệp và gần như không được sử dụng nhiều vào các hệ thống sinh hoạt, nguồn nước dân cư do các vấn đề về sức khoẻ và các chi phí liên quan đến việc lọc bỏ các tạp chất trong nguồn nước. 1.2.2 Giảm lực cản bằng bề mặt Riblets Ngoài các phương pháp sử dụng sợi trên thì sử dụng Riblet cũng là một phương pháp làm giảm lực cản đang nhận được sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu. Riblet là một phương pháp thụ động được nghiên cứu để làm giảm lực cản. Ưu điểm của phương pháp sử dụng riblet so với các phương pháp trên là không làm giảm khả năng truyền nhiệt, không làm thay đổi tính chất vật lý của lưu chất nên rất an toàn khi sử dụng trong nguồn nước dân dụng, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giảm lực cản cho máy bay, tàu thủy, hệ thống làm mát, năng lượng…vv. Tuy nhiên việc sử dụng riblet cũng có những hạn chế nhất định như hiệu quả giảm lực cản thấp hơn những phương pháp kể trên, phụ thuộc vào biên dạng riblets, việc thiết kế, chế tạo cũng như vận hành, bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn hơn Có thể nói sử dụng riblet là một phương pháp có tính ứng dụng cao so với các phương pháp làm giảm lực cản khác, từ những phương tiện di chuyển hiện đại như máy bay, tàu siêu tốc cho đến trái golf hay bộ đồ bơi, tất cả đều có thể ứng dụng từ phương pháp giảm lực cản bằng riblet. Các ứng dụng trong hệ thống kín của riblet cũng rất phổ biến như hệ thống nước nóng trung tâm, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí gọi tắt là HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning), HVAC được ứng dụng rộng rãi trong 2 cuộc sống hàng ngày của chúng ta như ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí và thông gió tại các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại… các ngành công nghiệp nặng như nhà máy điện, máy bay, tàu vũ trụ… Ngoài ra việc áp dụng riblet vào ống dẫn năng lượng như gas, dầu, hệ thống nước nóng trong các tòa nhà cũng mang lại hiệu quả cao giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu, tăng hiệu quả vả tuổi thọ của bơm.[2] 1.2.3 Giảm lực cản bằng chất phụ gia Trong vài thập kỷ gần đây, hiện tượng giảm lực cản trong các dòng chảy rối bằng các chất phụ gia có hoạt tính bề mặt surfactant đã nhận được nhiều sự quan tâm bởi vì nó giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể trong các hệ thống tuần hoàn kín dùng để làm lạnh và cấp nhiệt. Các ứng dụng của các phụ gia làm giảm lực cản (DRAs) đang giảm đáng kể các nhu cầu năng tiêu thụ năng lượng của hệ thống, giảm bớt đường kính ống hoặc tăng lưu lượng… Ứng dụng nổi tiếng đầu tiên của DRAs là trong việc vận chuyển dầu thô trong đường ống dẫn dầu ở Trans-Alaska (TAPS hoặc Alyeska) vào năm 1979. Đường ống dài 800 dặm với đường kính 48 in. Sau khi thêm vào dung dịch cô đặc của một dòng chảy thuận của polymer khối lượng phân tử lớn của trạm các trạm bơm tại các nồng độ đồng đều khoảng 1ppm, lượng dầu thô đưa vào quá trình vận chuyển được tăng lên tới hơn 30%. Giảm lực cản bằng Polymer DRAs cũng được ứng dụng thành công trong các đường ống vận chuyển dầu thô khác như các đường ống dẫn dầu ở Iraq-Turkey, eo biển Bass ở Australia, ngoài khơi Mumbai và ngoài khơi biển Bắc và trong các dây chuyền sản xuất hydrocarbon tinh chế. Trong mỗi trường hợp, thành phần polymer phải được thiết kế cho hydrocacbon cụ thể được vận chuyển. Polymer DRAs cũng đã được đề xuất cho các ứng dụng sau: các quá trình vận hành mỏ dầu, đường ống vận chuyển than bùn hoặc capxun thuỷ lực, ngăn chặn sự xơ vữa động mạch, ngăn chặn sự chết người từ sốt xuất huyết, tăng tốc độ dòng phun nước tập trung trong thiết bị chữa cháy, ngăn chặn sự tắc nghẽn của các hệ thống nước thải sau các trận mưa lớn, tăng lưu lượng thể tích của nước trong các nhà máy thuỷ điện và hệ thống tưới tiêu và như các chất chống tạo sương trong nhiên liệu phản lực. Các surfactant làm giảm lực cản có thể sử dụng trong các hệ thống làm mát và sưởi ấm khu vực nội thành (DHC). Các hệ thống này cung cấp hoặc khử nhiệt trong các toà nhà hoặc một quận nội thành bằng một chu trình tuần hoàn kín của nước được gia nhiệt 3 hoặc làm mát tại các trạm trung gian. Sự yêu cầu năng lượng cho sự tuần hoàn kín của nước sản sinh ra khoảng 15% của năng lượng tổng cho một DHC. Để giảm yêu cầu năng lượng tương đối lớn này, có thể đáng kể giảm bớt ma sát trong hệ thống tuần hoàn nước kín. Như vậy, sự giảm lực cản bằng các surfactant là một lựa chọn khác để đáp ứng mục đích này. Surfactant DRAs có thể giảm bớt năng lượng yêu cầu cho bơm từ 50-70%. Sự hiệu quả phụ thuộc vào loại phụ gia được sử dụng và các thiết kế của hệ thống ban đầu. Sự tiết kiệm bởi DRAs tốt hơn nếu đường ống dẫn có ít các nhánh hoặc các đường ống dẫn dài hơn hoặc số lượng các đầu nối (ví dụ như các van, các cút…) tương đối ít. Các thử nghiệm của lĩnh vực surfactant DRAs đã được thực hiện thành công trong các hệ thống sưởi ấm nội thành quy mô lớn và đã giảm bớt đáng kể sự mất mát năng lượng của dòng chảy trong ống. Các ứng dụng đại diện là ở các khu vực như Herning - Đan Mạch, Volklingen - Đức và Prague - Cộng hoà Séc. Các Surfactant đã được thử nghiệm trong các hệ thống làm mát nội thành tại đại học California tại Santa Barbara và tại Nhật Bản. Takeuchi et al đã áp dụng sự giảm lực cản của surfactant với hệ thống sưởi ấm và làm mát trung gian của toà nhà ở quảng trường thành phố Sapporo. Saeki đã báo cáo việc sử dụng surfactant cation DRAs trong các hệ thống điều hoà thực tế với việc tiết kiệm năng lượng sử dụng bùn than lạnh. Surfactant DRAs cũng được sử dụng để ngăn chặn sự kết tụ của các bùn than lạnh, vấn đề này cũng đang được nghiên cứu. Sự kết hợp của hoạt động phân tán lạnh và sự hiệu quả của sự giảm lực cản đã cải thiện hiệu suất của các hệ thống bùn than lạnh trong các kho gia nhiệt lạnh tiên tiến, vận chuyển và các hệ thống trao đổi nhiệt. Gần đây, Saeki đã báo cáo các surfactant cation trong các hệ thống nước đã được sử dụng trong hơn 130 toà nhà ở Nhật Bản và giảm 20 – 60% năng lượng bơm. Ưu điểm chính của phương pháp giảm lực cản bằng hoạt chất bề mặt surfactant là các phân tử có hoạt tính bề mặt có khả năng tự sửa chữa sau khi chịu ứng suất cắt cao, điều mà thường xuất hiện trong hoạt động của máy bơm. Vì vậy, khả năng của dung dịch surfactant bao gồm các micelle dạng sâu để giảm lực cản trong dòng chảy rối được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật. Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phân tử hoạt chất bề mặt surfactant liên kết với nhau để hình thành các micelle dạng 4 que, chính các micelle dạng que này là yếu tố cần thiết để sinh ra hiện tượng giảm lực cản. Hình 1.1 cho thấy cấu trúc các micelle và cấu trúc phân tử của hoạt chất bề mặt surfactant. Các surfactant hình thành các micelle dạng que, và sự kết hợp của chúng có thể thấy trong dung dịch. Hình 1.1 Các cấu trúc micelle và phân tử hoạt chất bề mặt surfactant Từ khía cạnh của cấu trúc tế vi của dung dịch, nguyên nhân cơ bản trong dòng rối bất thường của các hoạt chất bề mặt surfactant là sự liên kết của các micelle dạng sợi theo hướng dòng chảy. Nếu các micelle hoặc liên kết của các micelle theo hướng dòng chảy này bị xáo trộn, sự giảm khả năng giảm lực cản và giảm khả năng giảm truyền nhiệt của các hoạt chất bề mặt surfactant đã đạt được. Một số nghiên cứu đã báo cáo về sự nâng cao truyền nhiệt bằng cách tạm thời phá vỡ các vi cấu trúc tế vi của hoạt chất bề mặt surfactant bằng thiết bị cơ học dạng lưới hình chữ nhật [1], hoặc dạng ống sáo trong ống trao đổi nhiệt [3]. Các thiết bị này có thể phá vỡ SIS tạm thời và hạn chế sự giảm truyền nhiệt. Như vậy có một sự tương quan chặt chẽ giữa sự hình thành SIS và giảm truyền nhiệt trong giảm lực cản bằng các hoạt chất bề mặt surfactant. Tuy nhiên, những quan sát về sự hình thành SIS đều được dựa trên các kết quả mang tính hiện tượng. 5 Hình 1.2 Nâng cao truyền nhiệt bằng các phương pháp cơ học Trong công bố gần đây trên tạp chí Journal of Rheology đã báo cáo quan sát hình ảnh các cấu trúc surfactant dạng sợi dài vài centimet trong dòng phun tia vào thành tường [4]. Các sợi dài này có một pha tương tự gel tương tự với cấu trúc SIS dạng ngón tay trong dòng Couette chảy chậm [5]. Các SIS dạng sợi mảnh thẳng hàng theo hướng dòng dập dòng rối trong dung dịch giảm lực cản. Những kết quả này cho thấy một mối quan hệ chặt chẽ giữa cấu trúc SIS dạng sợi mảnh dài và sự giảm lực cản. Sự nghiên cứu về nguồn gốc của cấu trúc surfactant dạng sợi là cần thiết để đưa ra sự hình thành và các sự phá vỡ động học SIS trong dòng chảy tầng và dòng chảy rối. 1.3 Mục đích nghiên cứu Ngày nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới đang gia tăng mạnh mẽ, trong bối cảnh đang phải phấn đấu vượt qua những thách thức to lớn về nguy cơ hủy hoại môi trường, nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống (than, dầu khí, thủy điện,..) ngày càng khan hiếm, các nguồn năng lượng mới chưa phát triển, thì chủ đề “tiết kiệm năng lượng” có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Giảm lực cản đem lại lợi ích to lớn trong các lĩnh vực khác nhau như: vận chuyển các chất lỏng bằng đường ống, các hệ thống làm lạnh và sưởi, hệ thống làm mát, hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v... Giảm lực cản dòng chảy giúp làm tăng lưu lượng hay tốc độ dòng chảy. Do đó sẽ giảm năng lượng yêu cầu của bơm, giảm đường kính ống, tiết kiệm năng lượng, tiết kiêm chi phí đầu tư và chi phí vận hành. 6 Các SIS đóng một vai trò quan trọng trong giảm lực cản dòng rối và sự chuyển pha là một vấn đề quan trọng chưa được giải quyết trong lý hóa học. Cấu trúc tế vi và nano mới có thể được sinh ra trong quá trình chuyển pha này. Hiện tượng hình thành SIS được cho có sự liên quan chặt chẽ với giảm lực cản. Chúng tôi báo cáo các quan sát hình ảnh trực tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun tia tác động lên tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo luận về sự liên quan giữa các kết quả mang tính hiện tượng của sự giảm lực cản và sự hình thành các cấu trúc dạng sợi do lực cắt giống như SIS [4]. Tuy nhiên, vai trò của SIS đối với giảm lực cản vẫn còn chưa rõ ràng. Các nghiên cứu về sự hình thành, sự phá vỡ SIS cũng như vai trò của SIS với giảm lực cản cần được nghiên cứu thêm. Trong dòng chảy rối, các dung dịch surfactant sinh ra sự giảm lực cản được ứng dụng để tiết kiệm năng lượng bơm trong hệ thống làm lạnh và cấp nhiệt tuần hoàn kín [8]. Tuy nhiên, các dung dịch giảm lực cản surfactant giảm sự truyền nhiệt cũng như ma sát đường ống trong dòng chảy rối. Tương tự như hiện tượng giảm lực cản, cơ chế sự giảm truyền nhiệt của dung dịch surfactant vẫn còn chưa được hiểu rõ. Trong thực tế ứng dụng giảm lực cản ma sát còn mang tính thực nghiệm, thí nghiệm và sai số là tất yếu. Với các ứng dụng ở qui mô lớn thì có rủi ro cao. Nếu cơ chế giảm lực cản ma sát được hiểu rõ, nó sẽ cho phép dự đoán sự giảm lực cản ma sát và giảm truyền nhiệt trong một hệ thống đường ống phức tạp trong thực tế. Hiện tượng giảm lực cản trong dòng chảy rối bằng các phụ gia nhận được sự quan tâm sâu sắc từ rất nhiều nhà nghiên cứu vì hiện tượng này giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia vẫn còn mới ở Việt Nam. Do vậy nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia là cần thiết. 7
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan