Устройство для создания в трубопроводе маловязкого пристенного слоя

 

Использование: в области трубопроводного транспорта высоковязких нефтей. Сущность изобретения: эластичный патрубок-наконечник выполнен с параболической формой внутренней стенки, при этом длина эластичного патрубка наконечника равна не менее двух его диаметров. 1 табл. 2 ил.

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта высоковязких нефтей и материалов и предназначено для создания устойчивого стержневого потока с маловязким пристенным слоем.

Известны устройства /авт. св. N 1016620, БИ N 17, 1983, авт. св. N 612101, БИ N 23, 1978, авт. св. N 1124152, БИ N 42, 1984/ для создания маловязкого пристенного слоя жидкости в трубопроводе, представляющие собой цилиндрическую камеру с концентрически зафиксированным внутри нее патрубком меньшего диаметра. По внутренней трубе, т.е. по межтрубному кольцевому каналу маловязкая жидкость. В конце патрубка потоки соединяются и в трубопроводе после камеры формируется ядро из высоковязкого материала, отделенное от стенок трубы кольцевым слоем маловязкой жидкости. В некоторых устройствах камера после среза патрубка имеет форму сужающего конуса, которая затем переходит в трубопровод. Сужение камеры приводит к увеличению скорости течения, что способствует устойчивости потока с маловязким пристенным слоем.

Недостаток изобретения не обеспечивается саморегулирование ядра потока.

Известно также устройство / патент США N 3886972, кл. F 17 D, 1/16, 1975/, включающее патрубок /сопло/ и камеру. В известном устройстве камера выполнена в форме конуса, а внутренний цилиндрический патрубок может перемещаться в осевом направлении. В зависимости от его положения в камере ширина кольцевого канала у торцевой кромки патрубка будет различной, что позволяет изменять скорость истечения маловязкой жидкости в месте формирования кольцевого потока при изменении скорости течения высоковязкого материала в патрубке /например, вследствие уменьшения или увеличения расхода/.

Недостаток изобретиния ширина кольцевого канала, образуемого патрубком /соплом/ и камерой, может изменяться только за счет изменения его наружного диаметра, а диаметр патрубка остается постоянным. Вместе с тем, с изменением расхода высоковязкого материала должен изменяться и размер образуемого ядра потока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство /патент США N 3826279, кл. F 17 D, 1/16, 1972/, содержащее трубопровод, внутри которого расположен концентрически патрубок с эластичным насадком, внутренняя поверхность которого выполнена конической формы.

Недостаток изобретения- невозможность саморегулирования ядра потока и дополнительные энергозатраты в самом устройстве, связанные с перераспределением скоростей течения в кольцевом маловязком слое и в ядре потока.

Технической задачей изобретения повышение эффективности устройства путем создания устойчивого пристенного маловязкого слоя, обеспечение возможности саморегулирования ядра потока и снижения энергозатрат.

Поставленная задача достигается тем, что эластичный патрубок-наконечник выполнен с параболической формой внутренней стенки, при этом длина эластичного патрубка-наконечника равна не менее двух его диаметров.

Такое конструктивное решение может быть обосновано следующими соображениями.

Известно, если распределение скорости в сечении на входе в трубу отличается от профиля скорости, установившегося на некотором расстоянии от входа, то на начальном участке трубы всегда потери энергии на трение больше, чем на удалении от него /Л. Шиллер Движение жидкости в трубах. ОНТИ НКТН СССР, 1936/. Приближение входного распределения скорости и установившемуся обеспечивает уменьшение трения на начальном участке. Однако в установившемся потоке на некотором удалении от устройства соотношение скоростей ядра и слоя в соответствии с законом трения будет близко к двум /В.И. Черникин. Гидротранспорт нефтепродуктов по трубам. Труды МНИ им. И.М. Губкина, вып. 9, 1949/ будет и иным соотношение размеров ядра и слоя.

Следовательно, на некотором протяжении от устройства будет происходить преобразование начального профиля скорости и размеров ядра и слоя в установившееся, что и вызывает увеличение энергозатрат на формирование потока с кольцевым маловязким пристенным слоем.

В предлагаемом изобретении эти недостатки исключены за счет использования эластичного насадка с внутренней стенкой, выполненной в виде параболической формы, и установления оптимальной длины эластичного насадка. В данном случае эластичный насадок выполняет роль мембраны, чем и обеспечивается близкое к установившемуся соотношение скоростей и размеров ядра и слоя. Т.е. саморегулирование, обеспечиваемое эластичной насадкой с параболической формой внутренней стенки, способствует снижению энергозатрат на формирование кольцевой структуры потока и уменьшению потерь давления на начальном участке.

Относительно длины насадка /Z_min и Z_max/, а также ее формы можно сказать следующее. Эффективность использования предлагаемого устройства достигается путем формирования близкого к установившемуся полю скоростей в ядре и пристенном слое маловязкой жидкости благодаря эластичной насадки с параболической формой внутренней стенки. Чем ближе к установившемуся будет поле скоростей маловязкой жидкости в конце кольцевого зазора между трубопроводом и эластичным насадком, тем будет меньше начальный участок трубопровода для формирования установившейся кольцевой структуры потока, т.е. больший положительный эффект устройства.

Исходя из вышеизложенного определяется оптимальная длина эластичного насадка, на протяжении которого будет формироваться поле скоростей в кольцевом зазоре. Длина начального участка для потока в кольцевом зазоре между соосно расположенными круглыми трубами по аналогии с круглой трубой и процесс развития поля скоростей будет зависеть от того, каким будет режим течения - ламинарный или турбулентный. Тогда согласно /Повх И.Л. Техническая гидромеханика/- Л. Машиностроение, 1969, с. 387; Яблонский В.С. Краткий курс технической гидромеханики. М. 1961, с. 158; Мирзаджанзаде и др. Гидравлика глинистых и цементных растворов.-М. Недра, 1966, с. 100/, длина начального участка для турбулентного потока а ламинарного l_нл 0,03 d Re где Re число Рейнольдса для круглой трубы.

Установлено, например /Шишенко Р.И. Есьман Б.Н. Практическая гидравлика в бурении/-М. Недра, 1966, с. 77-88/, что длина начального участка не зависимо от числа Рейнольдса примерно равна для турбулентного потока l_нт ≃ (40-50)d для ламинарного потока l_нл ≃ (66-70)d Принимая d=δ=(d_тр-d_н) и δ=(0,02-0,05)d_тр
получим предельные значения длины эластичного насадка

Рекомендуемая длина эластичного насадка находится в пределах 2-3-х его диаметров. Конструктивное решение эластичного насадка с параболической формой внутренней стенки позволяет достичь близкое к установившемуся соотношение скоростей и размеров ядра и маловязкого пристенного слоя.

Вышеизложенное было подтверждено экспериментами.

Эксперименты проводились на трубном стенде диаметром 32х3,5 мм, длиной 21 м /замеры давления проводились на начальных секциях длиной 2 и 6 м, т.е. на входном и контрольном участке/. Внутренний патрубок в точке создания маловязкого пристенного слоя имел внутренний диаметр 24 мм, наружный 25 мм. Размер кольцевой щели изменялся в опытах с целью выравнивания средних скоростей в щели и в патрубке и составлял 0,5 и 1 мм. Опыты проведены на высокопарафинистой нефти: ядро потока составляла исходная нефть, а маловязкий слой эта же нефть, обработанная депрессорной присадкой, в результате чего ее вязкость была уменьшена почти в два раза. Использование одной и той же нефти для ядра и пристенного слоя позволило создавать практически концентрическую структуру потока вследствие равенства площадей необработанной и обработанной нефти.

Устройство для создания маловязкого пристенного слоя по заявке представляло эластичный наконечник с параболической формой, внутренней стенкой длиной 45 мм и диаметром 24 мм, которая была закреплена /надета/ на внутренний цилиндрический патрубок диаметром 25 мм.

Результаты экспериментов представлены в таблице и на фиг. 2.

Выводы:
1. Использование эластичного насадка с параболической формой внутренней стенки при создании маловязкого пристенного слоя в трубопроводе обеспечивает снижение потери давления на участке формирования кольцевой структуры потока на 23-32%
2. Использование эластичного насадка приближает входное распределение скорости и размер кольцевого слоя к установившемуся, что косвенно подтверждается сближением линий 1', 2', 3' /потери при формировании структуры потока в устройстве по заявке/ и линий 1',2",3"/линии без входных потерь на формирование кольцевой структуры, полученные экстрополяцией с контрольного участка, где не отмечается влияние конструкции устройства по созданию пристенного слоя/.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства.

Устройство включает трубопровод 1, в который вварена труба 2 меньшего диаметра для подачи высоковязкого материала и труба 3 для подачи маловязкой жидкости. Труба 2 расположена концентрически в трубопроводе 1 и заканчивается патрубком 4, длина которого составляет два его диаметра. На патрубке 4 закреплен эластичный насадок 5 длиной не менее двух его диаметров с параболической формой внутренней стенки. Длина эластичного насадка равная двум его диаметрам, является оптимальной и обосновывается следующими соображениями. При выбранном экспериментальным путем длине насадка обеспечивается оптимальная толщина кольцевого канала и скорость маловязкой жидкости. Что позволяет сразу же за эластичным насадком в трубопроводе формировать поток с установившемся маловязким пристенным слоем и ядром. Увеличение длины эластичного насадка практически не оказывает никакого влияния на выше приведенные факторы.

Устройство работает следующим образом. В трубу 2, вваренную в магистральный трубопровод 1, подается высоковязкий материал, а в кольцевой зазор, образуемый магистральным трубопроводом 1 и патрубком 4 с эластичным насадком 5, через трубу 3 подается маловязкая жидкость для формирования пристенного слоя в магистральном трубопроводе.

С изменением расхода высоковязкого материала, а следовательно, и давления в патрубке, будет изменяться и диаметр эластичного насадка, что повлечет изменение толщины кольцевого канала и соответственно скорости маловязкой жидкости. Аналогичное саморегулирование будет происходить и в случае изменения расхода маловязкой жидкости. Сразу же за эластичным насадком в трубопроводе формируется поток с маловязким пристенным слоем и ядром, размеры которых будут близки установившимся значениям.

Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известными позволяет снизить энергозатраты на создание в трубопроводе маловязкого пристенного слоя, обеспечить саморегулирование ядра потока, создать благоприятные гидродинамические условия для формирования пристенного слоя за счет наличия эластичного насадка с параболической формой внутренней стенки.

Формула изобретения

Устройство для создания в трубопроводе маловязкого пристенного слоя, содержащее цилиндрический патрубок, концентрически расположенный в трубопроводе, снабженный эластичным патрубком-наконечником, отличающееся тем, что эластичный патрубок-наконечник выполнен с параболической формой внутренней стенки, при этом длина эластичного патрубка-наконечника равна не менее двух его диаметров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2