Bardzo często w życiu codziennym rzeczy małe, drobne, wręcz niezauważalne traktujemy tak, jak by ich nie było. Po prostu w zaokrągleniu. Często rzeczy małe bywają wielkimi, no a przecież wcześniej już uznaliśmy, że one nie istnieją. Dla wielu z nas np. liczba 0,00000045 to właściwie (w przybliżeniu) 0.
Po jakimś czasie nikt już nie będzie pamiętał, że to 0 to wynik przybliżenia liczby 0,00000045, a która wyraża wartość stosunku 300 m warstwy powierzchni kuli ziemskiej do jej promienia. To z tej warstwy czerpiemy większość potrzebnych do życia składników (woda, surowce, płody rolne itp.).
Grubość warstwy metalu lub tworzywa, od której zależą ich podstawowe własności fizyko-chemiczne - a więc i te wywołujące opory tarcia - jest równa zaledwie kilku średnicom cząsteczek je tworzących. Kilka nanometrów w stosunku do grubości całego elementu, np. ścianki kanału wirnika wynoszącej 5 mm, daje liczbę 0,0000034. Tu również nie można niczego pomijać!
Powszechnie uważa się, że głównym czynnikiem wywołującym opory przepływu jest jedynie chropowatość powierzchni kanału. Przyjmując takie założenie dochodzi się do wniosku oczywistego, że jeśli chcemy poprawić przepływ lub inaczej zmniejszyć opór kanału wystarczy wypolerować jego powierzchnie. Intuicja nam podpowiada, że jeśli powierzchnia kanału będzie gładka, to płynąca po niej woda napotka na mniejszy opór w stosunku do powierzchni niewygładzonej. Taki wniosek można przyjąć za prawdziwy tylko przy założeniu, że powierzchnie materiałów są po ich obróbce bierne, pasywne, tzn. niepodlegające żadnym przemianom fizykochemicznym, a źródłem oporów przepływu są zaburzenia w warstwie przyściennej wywołane poprzez hamujące działanie szczytów chropowatości powierzchni. W rzeczywistości jednak w styku dwóch faz (tj. powierzchnia kanału/woda) dochodzi do szeregu zjawisk międzyfazowych, które mają charakter zjawisk fizycznych (czasami może dojść do reakcji chemicznej) związanych z budową materii. O podstawowych cechach wielu przedmiotów rozstrzygają właściwości tzw. warstwy wierzchniej (stosowany w literaturze fachowej skrót nazwy WW) materiału, z jakiego są one wykonane. WW jest to zewnętrzną warstwa materiału ograniczona rzeczywistą powierzchnią przedmiotu, obejmującą te powierzchnie oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne w stosunku do cech tego materiału w głębi przedmiotu. Grubość WW w zależności od rodzaju materiału jest bardzo mała, bo wynosi zaledwie od kilku nanometrów do kilkuset. Grubość WW ciała stałego jest o tyle istotna, że cząstki należące do WW oddziaływają na fazę bezpośrednio stykającą się z powierzchnią ciała stałego (np. woda na granicy z metalem występuje w innej, gęstszej niż normalnie odmianie alotropowej, która nie rozszerza się przy krzepnięciu). Dla każdej powierzchni ciał stałych oraz cieczy można określić energie swobodną powierzchni, która jest motorem wszystkich zjawisk zachodzących na granicy stykających się faz. Energia powierzchni jest to różnica pomiędzy całkowitą energią wszystkich atomów lub cząsteczek powierzchni a energią, którą miałyby one, gdyby znajdowały się we wnętrzu ciała. Miarą zatem energii powierzchniowej jest praca, jaką trzeba by wykonać, aby przenieść atomy lub cząsteczki z wnętrza ciała na jego powierzchnię. Stąd staje się jasne, że ciała o dużej energii wiązań wewnętrznych, a więc o dużej gęstości wiązań (np. metale i ich stopy) posiadają odpowiednio większą energię swobodną powierzchni niż tworzywa np. sztuczne, które jak wiadomo posiadają wiązania o małej energii, a więc mają niewielką energię powierzchniową.
W obszarze międzyfazowym powierzchnia metalowego kanału-woda (ciało stałe-ciecz) atomy lub cząsteczki należącej do każdej z faz również podlegają działaniu innego układu sił niż atomy znajdujące się w głębi. Z jednej strony są one przyciągane przez atomy z fazy sąsiedniej, znajdują się więc w asymetrycznym polu sił. Traktując układ fazowy WW kanału WW wody, jako pozostający w równowadze, to aby dokonać rozdziału tych faz trzeba wykonać prace równej liczbowo różnicy ich energii swobodnych. Do wyznaczenia energii swobodnej powierzchni konieczna jest znajomość napięcia powierzchniowego g, które choć wyraża siłę styczną do powierzchni działającą na jednostkę długości posiada formalny związek z energią [mN/m] = [mJ/m2] i w zasadzie jest jej równa co do wartości liczbowej. W tablicy 1 podano wartości napięcia powierzchniowego wybranych materiałów (faz).
Chcąc zatem ograniczyć straty hydrauliczne w pompie wirowej (przy założeniu, że geometria kanałów wirnika, kierownicy i kanału zbiorczego jest narzucona), należy zadbać nie tylko o gładkość elementów pompy, ale przede wszystkim tak dobrać materiały elementów pomp, aby w kontakcie z wodą miały zbliżone do niej napięcie powierzchniowe. Elementy większości pomp wykonywane są z metali i ich stopów, które posiadają wysokie napięcia powierzchniowe (przekraczające 200 mN/m) przez co przepływająca woda musi oddać część energii ciśnienia na pokonanie (rozdział fazowy) się przyciągania dipoli wody przez wiązania metaliczne powierzchni stalowej. Zjawisko to nazywa się adhezją. Jej wielkość określa właśnie wartość pracy potrzebnej do rozłączenia przylegających faz i równa jest różnicy napięć powierzchniowych. Zatem nawet jeśli dużym wysiłkiem wypolerujemy powierzchnię metalu, ograniczając w ten sposób wpł0yw chropowatości powierzchni na zwiększenie oporów przepływu, to jednak nadal pozostanie ona aktywna wobec wody, tzn. będzie ją nadal przyciągać. Na takiej powierzchni będą się adsorbować a z czasem trwale osadzą różne cząsteczki rozproszone w wodzie, będzie ta powierzchnia korodować i znów stanie się chropowata. Dopiero nałożenie odpowiedniej powłoki gładkiej i niskoenergetycznej eliminuje w sposób skuteczny w/w problemy. Wielu użytkowników pomp mogło już o tym się przekonać po zastosowaniu powłok kompozytowych BELZONA®. Jedną z nich jest powłoka kompozytowa BELZONA® (1341) SUPERMETALGLIDE (fot. 1 i 2). Jest ona tak skonstruowanym materiałem, że w czasie, kiedy jest przygotowany do użycia tuż przed pokryciem jest płynny i w takim stanie posiada wysokie napięcie powierzchniowe umożliwiające dokładne spenetrowanie (szczepienie się) warstwy powłoki z podłożem metalowym. Dopiero po zestaleniu(utwardzeniu) powłoka posiada niskie napięcie powierzchniowe g (tab. 1). A więc i chropowatość powierzchni (poprzez nałożenie bardzo gładkiej powłoki) i energia swobodna powierzchni (poprzez redystrybucję na energię adhezji powłoki do podłoża) metalowych elementów pompy została unicestwiona w skutek wyłożenia ich powłoką kompozytową BELZONA® (1341).
Adhezja wody do powierzchni, z którą się styka jest synergetycznym efektem wielu różnych oddziaływań między polarnymi cząsteczkami wody i cząsteczkami stanowiącymi WW kanału, tarczy itp. Dowód na jej istnienie i wpływ na wielkość strat hydraulicznych wykazano w trakcie badań nad wyznaczeniem oporów tarczy wirującej. Wyniki tych badań wskazują na wyraźny spadek poboru mocy potrzebnej do obracania tarczy wirującej w wodzie z prędkością 2850 obr/min po zastosowaniu modyfikacji powierzchniowej. Zmierzono moc potrzebną do obracania tarczą, gdy jej powierzchnie mają chropowatość po jednej stronie 100 mm a po drugiej 10 mm - wynik 1060 W. A gdy ta sama tarcza została poddana obustronnemu szlifowaniu (chropowatość : 1,25 mm) do jej obracania potrzeba było już tylko 860 W. Natomiast 800 W to moc potrzebna do obracania tarczy pokrytej obustronnie powłoką BELZONA® (1341). Pokrycie zatem tarczy wirującej powłoką kompozytową BELZONA spowodowało obniżenie strat brodzenia o 25% w stosunku do tarczy chropowatej nieobrobionej i o dalsze 7% w stosunku do tarczy szlifowanej.
Należy się spodziewać, że gdyby wydłużyć czas ekspozycji tarczy w wodzie do kilku tygodni, miesięcy może lat, to różnica zwiększy się na korzyść BELZONA® (1341) bo ta w przeciwieństwie do aktywnej powierzchni metalowej będzie bierna, a zatem nie będzie wody „zaczepiać”.
Roman Masek
Belse Sp.zo.o
