Материал данной статьи посвящен теоретическим предпосылкам и описанию результатов исследований с перспективами возможного применения принципов живой природы для решения одной из инженерных задач - интенсификации процесса транспортировки жидкостей в трубопроводах при реализации нового оперативного и экономичного направления строительного производства, каким являются бестраншейные технологии.
Одним из решающих факторов, обеспечивающих эффективную транспортирующую способность как действующих трубопроводов, так и подвергнутых ремонту с помощью внутренних защитных покрытий, является состояние внутренней поверхности их стенок. У исследователей давно сложилось и много лет сохранялось такое мнение, что внутренняя поверхность труб должна быть как можно более гладкой, что обеспечивает в постоянно работающей безнапорной водоотводящей сети отсутствие или минимальное количество осаждающихся и накапливающихся компонентов загрязнений различного происхождения (например, песка). Интенсивность выпадения в донной части трубопровода взвешенных частиц связана с величиной скорости течения сточной жидкости. Если скорость потока в течение долгого времени остается ниже критической (самоочищающей), то примеси не удерживаются во взвешенном состоянии и выпадают в осадок, образуя отложения. Некоторые отложения, в основном верхние слои, могут быт вынесены потоком в часы максимального водопотребления в городе, а слежавшиеся (как правило сердцевидные) - оставаться в лотковой части трубы, что в конечном итоге требует периодической прочистки трубопровода различными методами.
Наиболее подвержены сильным изменением скоростей течения водоотводящие сети общесплавной системы канализации. В ночные часы при минимальном водопотреблении и в сухую погоду трубопроводы работают при малом наполнении, т.е. живое сечение трубопровода заполняется лишь частично, что влечет к увеличению количества отложений. Присутствие отложений в трубопроводах систем водоотведения и даже в системах водоснабжения в виде разнообразного налета (взвешенные вещества, биообрастания, окислы металлов и т.д.) может привести к снижению производительности трубопроводной системы или к дополнительным затратам на преодоление сил трения в результате сужения живого сечения трубопроводов.
Накопленные знания в области создания самоочищающих поверхностей и обеспечения самоочищающих скоростей позволили выдвинуть идею создания такой структуры внутренней поверхности трубопровода, при которой количество осаждающихся отложений было бы минимальным независимо от скоростей и наполнений в трубопроводе. Импульсом к целенаправленной работе по обеспечению эффективной транспортировки жидких и твердых веществ по трубопроводам послужили примеры из живой природы, такие как устройство кровеносных сосудов крыльев насекомых и система транспорта воды и питательных растворов минеральных солей от корней к листьям в тканях высших растений, т.е. в так называемых ксилемах. Так, в ксилемах растений (рисунок 1) формируются сосуды, имеющие многослойные спиралевидные уплотнения внутренних стенок. Эти уплотнения способствуют образованию местной турбулентности (завихрения) потоков, что обеспечивает прохождение растворов к месту назначения без застойных зон.
Рис. 1 Фрагмент водоподводящей системы почвенных растений
(фото при увеличении под микроскопом)
На основании изучения данного и других природных явлений выдвинута гипотеза, что при соответствующем выборе размеров или соотношений уплотненных и неуплотненных областей в трубопроводе, которые можно характеризовать как препятствия движению жидкости, можно подобрать такое соотношение суженных и свободных путей (просветов), которые будут являться оптимальными для обеспечения максимального эффекта выноса осаждающихся взвешенных частиц из трубопровода за счет местной турбулентности даже при малых скоростях потока. Таким образом, на повестку дня был поставлен вопрос проведения исследований в каналах с плоским дном с созданием завихрения в пристеночной области за счет геометрической формы и расположения выступов (препятствий), обеспечивающих эффект местной турбулентности.
Предварительные исследования показали, что лучший результат по перемещению осевших взвешенных частиц и их закручиванию (турбулентности) с интенсивным выносом с потоком воды наблюдается в трубах с гофрированными поверхностями, выполненными в виде угольчатых прямоугольных выступов (препятствий) в их лотковой части и расположенных в определенном порядке (рисунок 2). При такой структурной поверхности лотка должно укорачиваться время необходимое для отрыва песчаных наносов от его донной части за счет местной турбулентности потока воды в пристеночной области между препятствиями, подъем наносов и их транспортировка водой.
Рис. 2 Структурные рифления на плоском дне канала со смещением и разрывом
(аксонометрия; стрелкой показано направление течения воды)
Для подтверждения данного явления проводились гидравлические эксперименты по исследованию эффективности транспортирующей способности потока воды для нескольких гофрированных структурных покрытиях, имитирующих внутреннюю поверхность трубы.
Гидравлический стенд представлял собой систему сменных безнапорных лотков длиной 24 м, установленных с уклоном 1 % и включающих 6 различных по конфигурации гофрированных препятствий (рисунок 3). На лотковую часть искусственно наносилось строго определенное количество песка и для смыва его подавался расход воды 10 л/с, что обеспечивало минимальное наполнение, равное высоте выступа препятствий.
Рис. 3 Продолжительность процесса очистки лотка до момента выноса осевших загрязнений
1 - канал с плоским днищем без препятствий; 2 - рифления в виде полусферы; 3 - совокупность препятствий (различных профилей); 4 - сплошные угловые профили, 5 - угловые профили с разрывом; 6 - угловые профили со смещением и разрывом
Результаты экспериментов показали, что отсутствие структурированной поверхности (гладкий лоток, позиция 1 на рис. 3) приводило к смыву песчаных частиц и выносу их за пределы лотка лишь через 8 минут. Лучшие результаты по отрыву и эффективной транспортировке наносов достигались при использовании лотка со структурной поверхностью 6 (1 мин).
Результаты экспериментов явились научно-обоснованной базой для разработки самоочищающих трубопроводных систем (Self Cleaning Systems), которые были внедрены в практику бестраншейной реновации по методу Trolining, где применяются внутренние полимерные защитные покрытия с наружной и внутренней гофрированными профилями. При этом наружный гофрированные профиль позволяет обеспечить эффективное сцепление с внутренней поверхностью старого трубопровода за счет заполнения межтрубного пространства цементирующим раствором, а внутренний профиль позволяет достичь эффекта самоочищения трубопровода в случае малых скоростей и наполнений (рис. 4, 5 и 6).
Рис. 4 Фрагмент ввода листового рифленого материала в колодец по технологии Trolining
Рис. 5 Фрагмент восстанавливаемой трубы с нанесенной на внутреннюю поверхность листового рифленого материала
1- повреждённая (восстанавливаемая) труба, 2 - инжектируемый слой фирмы Trolining, 3 - рифленая (зубчатая) секция из полипропилена, 4 - промежуточный защитный слой
Рис. 6 Фрагмент внутренней поверхности защитного покрытия из полипропилена с рифленым самоочищающим слоем
Результаты визуальных параллельных экспериментов по использованию самоочищающих покрытий по системе Trolining и трубах с гладким лотком (диаметром 800 мм и протяженностью 160 м) показали, что самоочищающие покрытия позволяют повысить транспортирующую способность потока и увеличить вынос осевших взвешенных веществ из трубопровода.
Используя свойства и функции живой природы (т.е. принципы бионики) немецкими исследователями для повышения эффективности работы трубопроводов (при проведении на них восстановительных работ путем нанесения внутренних полимерных защитных покрытий) не исключается использование ремонтных материалов с иной структурой поверхности. В частности, рекомендуется придать внутреннему слою полимерного защитного покрытия трубопроводов структуру с трапециидальными рифлениями по образу окульей чешуи (рисунок 7).
Рис. 7 Рифленая поверхность защитного слоя (покрытия) в виде окульей чешуи
(фото при увеличении под микроскопом)
Как показали аэродинамические исследования в самолетостроении за счет этого явления можно снизить сопротивления до 8 %, в результате чего самолет потребляет топлива на 3 % меньше.
Немецкие ученые в своих разработках по повышению эффективности работы трубопроводов пытаются использовать так называемый «эффект лотоса» («lotus effect»), т.е. эффект практически полной несмачиваемости (супергидрофобности) жидкостью внутренней поверхности трубопровода (защитного покрытия) из-за особенностей её рельефа на микро и даже наноуровне, приводящего к снижению площади контакта жидкости с внутренней поверхностью трубопровода Как установлено, гидрофобные поверхности имеют особый рельеф в виде совокупности рифлений по типу «шишек» или «шипов», поэтому капли воды при наличии незначительного уклона поверхности самопроизвольно скатываются с неё. Одним из таких материалов является полипропилен. Это позволило дать импульс для разработки материалов и защитных покрытий на основе «эффекта лотоса» в различных областях техники, включая инженерные сети.
Выводы
1. Создание структурированных внутренних поверхностей трубопроводов различного назначения, а также использование гидрофобных материалов в виде защитных покрытий в период бестраншейной реновации инженерных сетей является эффективным средством интенсификации их транспортирующей способности.
2. Для внедрения результатов исследований в области бионики в теорию и практику строительства, реновации и эксплуатации трубопроводных систем требуется совершенствование теории пограничного слоя, в частности, описания границ областей ламинарного и турбулентного потока, механизма сопротивлений, оказываемых гидрофобной стенкой движущейся жидкости, и выбора на основе эксперимента наиболее оптимальных ремонтных материалов, гарантирующих минимальные потери напора при транспортировке жидких сред.
Источник: http://www.robt.ru/pages/18/18/67/
Комментарии 0