Trong nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các ảnh hưởng của đường kính ống và nồng độ surfactant, counter-ion đến khả năng giảm lực cản của dòng dung dịch surfactant trong đường ống có mặt cắt hình tròn.
BÀI BÁO KHOA HỌC KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG GIẢM LỰC CẢN CỦA DUNG DỊCH SURFACTANT Nguyễn Anh Tuấn1, Nguyễn Trọng Dũng1 Tóm tắt: Hiện tượng giảm lực cản dung dịch surfactant dòng chảy rối bị ảnh hưởng nhiều yếu tố nhiệt độ, đường kính ống, nồng độ counter-ion, lối vào Trong nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng đường kính ống nồng độ surfactant, counter-ion đến khả giảm lực cản dịng dung dịch surfactant đường ống có mặt cắt hình trịn Kết thực nghiệm dùng thảo luận khả ứng dụng tượng giảm lực cản dung dịch surfactant điều kiện khác Từ khố: giảm lực cản, surfactant, dịng chảy rối, đường kính ống, counter-ion ĐẶT VẤN ĐỀ * Giảm lực cản tượng ma sát dòng chất lỏng chảy rối đường ống giảm thêm lượng nhỏ chất phụ gia dịng chảy Khi đó, tổn thất áp suất đường ống vận chuyển giảm, điều đồng nghĩa với lượng yêu cầu để vận chuyển chất lỏng giảm, hay nói cách khác công suất bơm giảm Hai loại phụ gia giảm lực cản thường sử dụng chất polymer chất có hoạt tính bề mặt surfactant Hầu hết nghiên cứu công bố cho với dòng chảy rối sử dụng phụ gia polymer khơng có tượng giảm lực cản khu vực dịng có ứng suất trượt cao phần tử polymer bị thoái biến chịu ứng suất trượt cao Các chất surfactant lại có cấu trúc nano có khả tự sửa chữa sau chịu ứng suất trượt cao dòng chảy rối nên trì khả giảm lực cản Vì vậy, dung dịch surfactant thường sử dụng làm phụ gia giảm lực cản hệ thống tuần hồn kín Tuy nhiên, khả giảm lực cản dung dịch surfactant chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố như: nồng độ dung dịch surfactant, counter-ion, mặt cắt hay đường kính ống,… Mục đích nghiên cứu khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng đường kính Khoa Cơ khí, Đại học Thủy lợi 208 ống nồng độ surfactant, counter-ion đến tượng giảm lực cản chất có hoạt tính bề mặt surfactant dịng chất lỏng chảy rối ống trịn kín THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 2.1 Mơ hình thí nghiệm Ngun lý vận hành hệ thống: dung dịch bể chứa bơm (sử dụng biến tần điều chỉnh vận tốc bơm) qua ống dẫn (bộ đo lưu lượng) tới ống cần đo (ống Ø18, Ø24) Tại đây, cảm biến áp suất đo độ chênh áp điểm định ống, khoảng cách L = 0.5m, truyền liệu thiết bị chuyển đổi, thiết bị xử lý liệu kết nối với máy tính sử dụng phần mềm Picolog6 Hình 2.1 Mạch thí nghiệm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Re w V D w (1) Trong đó: ʋw - độ nhớt động học nước, (m /s); D - đường kính ống, (m); V - vận tốc trung bình, (m/s) Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức: D 2.p L V (2) Trong ∆p độ chênh áp hai điểm đo có khoảng cách L Ở vùng chảy tầng, dung dịch surfactant chưa cho thấy giảm hệ số ma sát, hệ số ma sát xác định theo công thức: Hình 2.2 Hình ảnh thực tế thí nghiệm 2.2 Dung dịch sử dụng thí nghiệm Dung dịch thí nghiệm chuẩn bị hoạt chất bề mặt Surfactant, surfactant ion dương oleyl-bishydroxyethyl-methyl-ammonium chloride (Ethoquad O/12) sản xuất công ty Lion (Japan), hàm lượng 75% Counter-ion (NaSal) sản phẩm công ty Sigma Aldrich (Germany), hàm lượng 99.5% Sự kết hợp surfactant counter-ion mô tả nồng độ surfactant x số Mol phân tử Trong nghiên cứu này, sử dụng tổ hợp surfactant với nồng độ 500 ppm kết hợp với counter-ion có nồng độ gấp gấp 0.5, 10 lần theo phân tử Mol Ký hiệu tổ hợp dung dịch thí nghiệm 500ppm x0.5, 500ppmx1 500ppmx10, sử dụng dung dịch nồng độ 800ppm x 10 Tổ hợp dung dịch surfactant pha nước máy từ nguồn cung cấp thành phố lọc Sau pha chế xong, dung dịch thí nghiệm giữ thời gian 24 để đảm bảo cân lí hóa trước sử dụng 2.3 Reynolds hệ số ma sát Từ sở lý thuyết, nhận giảm lực cản phụ thuộc vào yếu tố: Số Reynolds hệ số ma sát Số Reynolds định nghĩa theo công thức: 64 Rew (3) Tỉ lệ giảm lực cản với dòng ống chảy rối tính theo phần trăm (%) sau: DR(%) S 100 S (4) Trong λs λ tương ứng hệ số ma sát nước dung dịch giảm lực cản Trong vùng chảy rối, hệ số ma sát nước xác định theo công thức Blasius: 0, 3164 Re 1/ (5) Zakin xây dựng đường tiệm cận giảm lực cản lớn dung dịch giảm lực cản surfactant (J L Zakin, 1996): 1, 26 Re 0,55 (6) Nhiệt độ thiết lập cho nước 31°C, độ nhớt tương ứng : 0,7672 x 10-6 (m2/s) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tiến hành thí nghiệm ta đo đại lượng lưu lượng Q, độ chênh áp ∆p, tính giá trị λ Re theo công thức (1) (2), đồng thời chọn giá trị Re tính λ theo cơng thức (3,5,6), sử dụng excel vẽ đồ thị dạng đường logarit (đường thẳng) nhằm thuận tiện cho trình nhận xét kết khảo sát, cụ thể trường hợp sau: 3.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Kết nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant mơ tả hình sau: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 209 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ Surfactant Counterion Khi tăng nồng độ Surfactant hay Counterion hệ số ma sát giảm hay giảm lực cản tăng Hình 3.1 cho thấy dung dịch 500ppm x 0,5 làm xuất giảm lực cản ống Ø18 từ Re khoảng 14000 tăng lên tới giá trị Re khoảng 28000 khơng tượng giảm lực cản (trở với đường blasius), giảm hiệu với Re khoảng 20000; Với dung dịch 500ppm x 10, ta thấy giảm lực cản tốt nhiều, nhiên chưa đạt tới đường Zakin Dung dịch 800ppm x 10 từ Re khoảng 11000 tăng lên vượt ngưỡng đo thí nghiệm, hiệu với Re khoảng 80000, dung dịch cho kết giảm lực cản gần tới tiệm cận Zakin Nhận xét tương tự với ống Ø24mm đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant 3.2 Ảnh hưởng đường kính ống Kết nghiên cứu ảnh hưởng đường kính ống đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant mô tả hình sau: Hình 3.3 Ảnh hưởng đường kính ống Hình 3.4 So sánh giá trị giảm lực cản theo % đường kính ống 210 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Biểu đồ dung dịch 500ppm x 10 hình 3.3 cho thấy với dung dịch có nồng độ 500ppm x 10, ống có đường kính lớn (24mm) giảm lực cản từ giá trị Rew khoảng 16000 ống nhỏ 18mm bắt đầu giảm từ giá trị Rew nhỏ hơn, khoảng 11000, nhiên ống 24mm lại cho kết giảm lực cản sâu (tại Re khoảng 32000) so với ống 18mm Nhìn vào biểu đồ %DR cho thấy ống 24mm giảm lực cản hiệu với số Rew lớn ngược lại với số Rew nhỏ Với dung dịch có nồng độ Counterion 800ppmx10, kết ảnh hưởng đường kính ống đến giảm lực cản tương tự Hình 3.5 Ảnh hưởng đường kính ống Hình 3.6 So sánh giá trị giảm lực cản theo % đường kính ống Các biểu đồ hình 3.5 cho thấy kết tương tự trên, với dung dịch nồng độ Surfactant, ống có đường kính lớn giảm lực cản ống có đường kính nhỏ với giá trị Rew nhỏ, Rew tăng đến miền giá trị định, ống lớn lại giảm lực cản hiệu KẾT LUẬN Nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch giảm lực cản surfactant counterion làm xuất giảm hệ số ma sát dòng chảy rối Mức độ giảm ma sát thay đổi số Reynolds tăng thay đổi nồng độ surfactant, counterion, đường kính ống Dung dịch có nồng độ surfactant counterion cao giảm lực cản tốt dung dịch nồng độ thấp Dung dịch 800ppmx10 cho kết giảm lực cản sát với đường Zakin Ống có đường kính lớn cho hiệu giảm lực cản nhỏ ống có đường kính nhỏ với miền giá trị Rew thấp, Rew tăng đến giá trị lớn ống có đường kính lớn lại cho khả giảm lực cản hiệu ống nhỏ Những kết góp phần vào việc ứng dụng cơng nghệ giảm lực cản vận chuyển chất lỏng ống kín hiệu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 211 TÀI LIỆU THAM KHẢO (J.L.Zakin, J.Myska, and Z.Chara), New limiting drag reduction and velocity profile asymptotes for nonpolymeric additives systems, AIChE J., vol 42, no 12, pp 3544–3546, 1996 Abstract: EXPERIMENTAL SURVEY OF INFLUENCE FACTORS TO THE POSSIBLE POSSIBILITY OF SURFACTANT SOLUTION The decrease in drag of surfactant solution in turbulent flow is affected by many factors such as temperature, pipe diameter, counter-ion concentration, entrance In this study, the focus was on investigating the effects of tube diameter and surfactant and counter-ion concentrations on the ability to reduce the resistance of surfactant solution in a circular cross-section Experimental results are used to discuss the applicability of the reduction of drag resistance of surfactant solutions under different conditions Keywords: The decrease in drag, surfactant, turbulent flow, pipe diameter, counter-ion Ngày nhận bài: 09/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 23/8/2019 212 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... Ø24mm đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant 3.2 Ảnh hưởng đường kính ống Kết nghiên cứu ảnh hưởng đường kính ống đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant mơ tả hình sau: Hình 3.3 Ảnh hưởng. .. tiện cho trình nhận xét kết khảo sát, cụ thể trường hợp sau: 3.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Kết nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant mô tả hình sau:... Dung dịch có nồng độ surfactant counterion cao giảm lực cản tốt dung dịch nồng độ thấp Dung dịch 800ppmx10 cho kết giảm lực cản sát với đường Zakin Ống có đường kính lớn cho hiệu giảm lực cản