V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Поиск способов уменьшения потерь жидкости от испарения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рослякова  А.А. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей» г.о. Реутов

Кленова  И.В. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей» г.о. Реутов

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

В промышленности, в технике, в медицине, в быту человек постоянно использует различные жидкости. А как известно любая жидкость при любой температуре испаряется.

Но бывают ситуации, когда нужно, чтобы испарение жидкостей стало минимальным или прекратилось совсем. Так при хранении в засушливых районах пресной воды, используемой в дальнейшем на орошение, требуется уменьшить ее потери, большая часть которых происходит от испарения.

Очень остро стоит вопрос об уменьшении испарений бензина. Потери от испарения нефтепродуктов составляют до 75 % от общих потерь. Проведённые в МГТУ им. Н.Э. Баумана исследования показывают, что в России АЗС общего пользования выбрасывают в течение года более 140 тыс. тонн паров углеводородов, т.е. около 6 миллиардов рублей. По данным же зарубежных исследователей: АЗС Германии ежегодно выбрасывают 145 тыс. т паров углеводородов, АЗС Англии – более 120 тыс. т. С одной стороны, выбросы паров углеводородов - это безвозвратные потери топлива, а с другой - существенный источник загрязнения окружающей среды. Положение усугубляется тем, что в результате интенсивного градостроительства в России, особенно за последние 20–30 лет, большое число нефтебаз оказалось в черте городской застройки. В этих районах у населения выявлена повышенная частота заболеваний органов дыхания, крови, сердечно-сосудистой системы, а также более высокая подверженность инфекционным заболеваниям.

Поэтому целью данной работы является: - определить способы, при помощи которых можно уменьшить скорость испарения жидкости.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

Узнать физические основы процесса испарения.

Определить факторы, влияющие на интенсивность испарения.

Определить области хозяйственной деятельности, в которых нужно уменьшать интенсивность (скорость) испарения.

Предложить способы, при помощи которых возможно изменить интенсивность испарения. Экспериментально проверить их эффективность.

Оценить полученные результаты, сделать выводы о возможности применения предложенных способов в хозяйственной деятельности.

В работе были использованы следующие методы исследования:

- наблюдение;

- анализ литературных сведений о методах сокращения потерь от испарения;

-экспериментальная проверка предложенных методов сокращения испарения;

-анализ полученных результатов эксперимента.

Практическая значимость работы:

Предложены дополнительные способы воздействия на жидкость с целью изменения скорости ее испарения:

- изменение состава жидкости (добавление различных примесей),

- воздействие на жидкость магнитным полем.

Проведена экспериментальная проверка эффективности предложенных методов.

Предлагаемые методы возможно применять как дополнительное воздействие при хранении пресной воды, углеводородного топлива в резервуарах или при транспортировке.

Традиционные способы уменьшения потерь от испарения.

Для уменьшения интенсивности испарения, а вместе с этим и потерь, традиционно проводят следующие мероприятия:

- снижают температуру жидкости;

- уменьшают площадь свободной поверхности жидкости;

- увеличивают давление паров жидкости над ней.

Здесь подземные резервуары-хранилища более эффективны чем наземные, так как в них почти отсутствуют суточные изменения температуры.

Для уменьшения площади свободной поверхности жидкости резервуары для хранения и транспортировки должны быть более глубокими и узкими. Также частично проблему решают так называемые понтоны, — сооружения, которые идеально соответствуют размерам резервуара и плавают на поверхности жидкости. Проблема сокращения потерь бензина от испарения решается также путем постоянной герметизации резервуаров и хранением под повышенным давлением.

Эти мероприятия не всегда легко выполнить. Многие из них требуют значительных материальных и энергетических затрат, ведут к удорожанию хранилищ, к трудоемкости обслуживания.

Предлагаемые способы уменьшения испарения.

Было выдвинуто предположение влиять на скорость испарения, изменяя состав жидкости (добавлять различные примеси).

По концентрации растворенных солевых частиц вода из различных источников значительно отличается по своему составу (жесткая или мягкая, пресная, морская, минеральная природная, дистиллированная). Было принято решение – проверить экспериментально, влияет ли химический состав воды на скорость ее испарения.

Но добавлять различные примеси в жидкость не всегда приемлемо, т.к. изменяет ее состав. Поэтому предлагается еще один способ дополнительного воздействия на жидкость, не изменяющий ее состав, - магнитным полем.

Эффективность данного метода также было решено проверить экспериментально на воде, и на бензине.

Экспериментальные исследования эффективности предлагаемых способов уменьшения скорости испарения.

Эксперимент № 1. Сравнение интенсивности испарения воды из разных источников.

Постановка эксперимента № 1

Подготовлены пробы жидкости для опыта:

- водопроводная вода;

- прокипяченная водопроводная вода, остывшая до комнатной температуры:

- вода из естественного водоема (р. Протва Калужская обл.);

- водопроводная вода с добавлением морской соли (имитация морской воды).

В четыре стаканы равного диаметра и объема налиты вышеперечисленные пробы. Объем каждой пробы 15 мл, отмерен при помощи медицинского шприца.

Стаканы оставлены при одинаковых внешних условиях (в течение времени пока длится опыт внешние условия не остаются постоянными, но они остаются одинаковыми для всех образцов).

Несколько суток, через каждые 24 ч при помощи шприца определяется оставшееся количество пробы в каждом стакане. Определяется испарившийся объем каждой пробы.

Исследование интенсивности испарения проб воды проводились в домашних условиях. Пробы водопроводной воды были взяты из-под крана. Проба воды с меньшей жёсткости получена обычным кипячением водопроводной воды. Проба воды из отрытого водоема была взята в январе из реки Протва Калужской области. Для получения аналога морской воды в пробу водопроводной воды добавили морскую соль, приобретенную в аптеке.

Интенсивность испарения оценили по следующей формуле:

W=Q/(S*t), (1)

Где S — площадь поверхности испаряющейся жидкости; S=(πD²)/4, м²

D – внутренний диаметр сосуда, м (см. Приложения)

t- время, длительность эксперимента, ч

Qобъем испарившейся жидкости (Q= Qн – Qк), мл;

Qн- первоначальный объем жидкости (15 мл), мл;

Qк- оставшийся объем жидкости в конце эксперимента, мл

Результаты представлены в таблице 1 и на рис.1.

Рис.1

Изменение объема проб воды из разных источников

Таблица 1 – Интенсивность испарения воды из различных источников

По результатам эксперимента № 1 было установлено, что состав воды влияет на скорость ее испарения. Для дальнейшего исследования зависимости скорости испарения от примесей был проведен еще один эксперимент- сравнение времени испарения проб воды со специально добавленными примесями (NaCl; NaHCO₃; столовый уксус, сахар).

Эксперимент № 2. Сравнение интенсивности испарения воды с различными примесями.

Постановка эксперимента № 2

Подготовлены пробы жидкости для опыта: водопроводная вода (как контрольный образец); водопроводная вода с добавлением столового уксуса; водопроводная вода с добавлением пищевой соды: NaHCO₃; водопроводная вода с добавлением соли NaCl; водопроводной воды с добавлением сахара.

В пять стаканов равного диаметра и объема налиты пробы. Первоначальный объем каждой пробы - 15 мл, отмерен при помощи медицинского шприца.

таканы оставлены при одинаковых внешних условиях.

Несколько суток, через определенные промежутки времени при помощи шприца измеряется оставшееся количество пробы в каждом стакане. Определяется испарившийся объем каждой пробы. Оценивается интенсивность испарения по формуле (1).

Методика исследования аналогична эксперименту № 1.

Результаты представлены в таблице 2 и на рис.2.

Рис.2

Изменение объема проб воды с различными примесями

Таблица 2 – Интенсивность испарения воды с различными примесями

Добавляя примеси в жидкость (изменяя состав), возможно изменить скорость ее испарения. Чем больше концентрация примеси, тем больше изменяется скорость испарения.

Эксперимент № 3 - Сравнение времени испарения пробы воды, находящейся в обычных условиях и в условиях постоянного магнитного поля.

Эксперимент проиллюстрирован фотографиями в Приложении.

Постановка эксперимента № 3

Подготовлены пробы водопроводной воды для опыта.

В два стакана равного диаметра и объема налито одинаковое количество жидкости по 20 мл, объем отмерен при помощи медицинского шприца.

Стаканы находятся при одинаковых внешних атмосферных условиях.

На один стакан с пробой воздействует магнитное поле от постоянных магнитов (см. фотографии в Приложении)

Через определенные промежутки времени при помощи шприца измеряется оставшееся количество воды в каждом стакане. Оценивается количество испарившейся воды каждой пробы. Оценивается интенсивность испарения по формуле (1).

Результаты представлены в таблице 3 и на рис.3.

Рис.3

Изменение объема проб воды при воздействии магнитного поля

Таблица 3 – Интенсивность испарения воды, находящейся в обычных условиях и в условиях постоянного магнитного поля

В условиях эксперимента получено, что при воздействии магнитного поля интенсивность испарения воды уменьшилась на 11 % .

Эксперимент № 4 - Сравнение времени испарения пробы бензина, находящейся в обычных условиях и в условиях постоянного магнитного поля.

Постановка эксперимента № 4 аналогична эксперименту № 3

Результаты эксперимента представлены в таблице 4 и на рис.4.

Рис.4

Изменение объема проб бензина при воздействии магнитного поля

Таблица 4 – Интенсивность испарениябензина, находящейся в обычных условиях и в условиях магнитного поля.

В условиях эксперимента получено, что при воздействии магнитного поля интенсивность испарения бензина уменьшилась на 15 %.

Следовательно, при дополнительном воздействии магнитного поля можно сократить потери от испарения бензина.

Эксперимент № 5 – определение зависимости интенсивности испарения бензина от силы магнитного поля.

Постановка эксперимента № 5

Подготовлено шесть емкостей одинакового диаметра. На пяти размещены неодимовые магниты разного количества: 3, 5, 7, 12, 18. Одна емкость без магнитов – для контрольной пробы (не подвергавшейся воздействию магнитного поля).

Подготовлены пробы бензина для опыта. В каждую емкость налито одинаковое количество бензина по5 мл, объем отмерен при помощи медицинского шприца.

Стаканы находятся при одинаковых внешних атмосферных условиях.

Через определенные промежутки времени при помощи шприца измеряется оставшееся количество бензина в каждом стакане. Оценивается количество испарившейся жидкости. Оценивается интенсивность испарения бензина по формуле (1).

Результаты эксперимента представлены в таблице 5 и на рис.5.

Изменение интенсивности испарения в зависимости от количества установленных магнитов приведено на диаграмме, рис. 6.

Рис.5

Изменение объема проб бензина при воздействии магнитного поля разной силы

Таблица 5 – Зависимость интенсивности испарения бензина от силы магнитного поля

Рис.6

Изменение интенсивности испарения проб бензина при воздействии магнитного поля разной силы

В ходе эксперимента получено, что при увеличении силы магнитного поля интенсивность испарения бензина существенно уменьшается.

В условиях проведения эксперимента при увеличении силы магнитного поля в три раза интенсивность испарения уменьшается примерно на 25-30 %.

5.  
Выводы, рекомендации

По результатам опытов сделаны следующие выводы:

Наличие примесей в составе жидкости влияет на скорость ее испарения.

Чем больше примесей в жидкости, тем медленнее идет процесс испарения.

Для изменения скорости испарения можно дополнительно воздействовать на жидкость магнитным полем, это не приводит к изменению состава жидкости.

При увеличении силы магнитного поля интенсивность испарения воды и бензина уменьшается.

Дополнительное воздействие магнитного поля на бензин позволяет значительно сократить интенсивность испарения.

По результатам работы можно предложить следующее рекомендации для практического использования:

Уменьшить скорость испарения жидкостей, а вместе с этим и потери при испарении можно:

- уменьшая площадь свободной поверхности жидкости (защитные пленки, понтоны, узкие резервуары);

-отдавая предпочтение подземным хранилищам (для уменьшения температуры жидкости);

- используя герметичные резервуары для хранения;

- изменяя состав жидкости при помощи допустимых микропримесей;

- дополнительно воздействуя на жидкость магнитным полем.

Способ воздействия на жидкость магнитным полем с целью изменения скорости испарения является простым, относительно дешевым и не влечет дополнительных энергетических затрат.

Данный способ возможно применять как дополнительное воздействие при хранении пресной воды, углеводородного топлива в резервуарах или при транспортировке.

Предложенный способ уменьшения скорости испарения бензина позволит уменьшить загрязнение окружающей среды.

Библиографический список

Гончаренко С.У., Воловик П.Н.. Физика: Учеб. Пособие для 9 кл. веч. Сред. Общеобразов. Шк. – 5-ое изд. – М.: Просвящение, 1986 – 192 с

Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: учебник – 2-е изд., - М.6 Дрофа, 2014-237 с

www.natural-sciences.ru/ru/article

Данилов В.Ф., Шурыгин В.Ю. «К вопросу о решении проблемы потерь нефтепродуктов от испарения».//Успехи современного естествознания.– 2016.– № 3. – С. 141-145

www.zinref.ru/000_uchebniki/0000AZS/000_proektirovanie_i_ekspluatacia_neftebaz_shalai_2010/054.htm

В. В. Шалай, Ю. П. Макушев ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЕБАЗ И АЗС Учебное пособие Омск Издательство ОмГТУ 2010 (п. 14.1 Потери нефтепродуктов от испарения)

www. discoverrussia.interfax.ru/wiki/34/ Борьба с потерями нефти

Приложение I

Иллюстрация экспериментального исследования интенсивности испарения воды из разных источников и с добавлением различных примесей.

D – внутренний диаметр емкости, м

D= 0,0676 м

S — площадь поверхности испаряющейся жидкости; S=(πD²)/4, м²

S=0,0036 м²

Приложение II

Иллюстрация экспериментального исследования интенсивности испарения воды и бензина при воздействии магнитного поля

D – внутренний диаметр емкости, м

D= 0,0465 м

S — площадь поверхности испаряющейся жидкости; S=(πD²)/4, м²

S=0,0017 м²

18