Способ транспортирования жидкости в емкость по трубопроводу с помощью газа и трубопроводная технологическая линия

Изобретение относится к области транспортирования жидкости по трубопроводу и может быть использовано в гидравлических системах, используемых в различных отраслях промышленности. Согласно изобретению, при осуществлении способа и реализации трубопроводной линии транспортируемую жидкость и трубопровод выбирают таким образом, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости и внутренний диаметр трубопровода находятся в следующем соотношении: σ/d≥10-18 Н/м², где, σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; d - внутренний диаметр трубопровода, м. Течение жидкости в трубопроводе организуют в ламинарном режиме без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя жидкости на границе газ-жидкость с помощью приспособления для организации подачи газа. В трубопроводной линии используют дроссельное устройство, которое выбрано в зависимости от внутреннего диаметра трубопровода и вязкости жидкости таким, что расход газа, протекающего через это устройство, обеспечивает ламинарный режим течения жидкости без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя на границе газ-жидкость. Узел нагнетания выполнен в виде источника газовыделения, газ от которого подается через дроссельное устройство в трубопровод с жидкостью. Изобретение позволяет обеспечить транспортирование жидкости с минимальными потерями. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение на способ и устройство относится к области транспортирования жидкости по трубопроводу и может быть использовано в гидравлических системах, эксплуатирующихся в различных отраслях промышленности.

Известен способ наполнения сосудов жидкостью (авторское свидетельство СССР №911954, приоритет от 10.09.80, опубликовано 29.05.96, МКИ 6 F 17 С 5/00). Способ включает нагнетание жидкости в сосуд по трубопроводу с возможностью преобразования потока в газожидкостный. Полученный газожидкостный поток разгоняют до скорости распространения в нем звука.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает полное, без потерь, транспортирование всего объема имеющейся жидкости по трубопроводу в емкость, расположенную выше трубопровода.

В качестве прототипа заявляемого способа выбран способ подачи жидкости или порошка и устройство для его осуществления (патент Франции №2333141, 29.07.77, МКИ F 15 В 1/00; В 67 D 5/00; F 15 В 3/00// В 65 D 77/06). Суть этого изобретения заключается в том, что в устройство, имеющее резервуар из жесткого материала и гибкую оболочку, заполненную жидкостью или порошком, вводят между резервуаром и гибкой оболочкой жидкость под регулируемым давлением. Эта жидкость деформирует гибкую оболочку, и вытесняет жидкость или порошок, содержащиеся в ней, через горловину резервуара в гидравлическую систему.

Однако этот способ также не обеспечивает транспортирование всего объема имеющейся жидкости. Какая-то часть жидкости после вытеснения останется в гибкой оболочке.

В качестве прототипа заявляемого устройства выбрана трубопроводная технологическая линия (свидетельство на полезную модель №17703, приоритет от 24.10.2000, опубликовано 20.04.2001, МПК В 65 G 51/00). Линия включает взаимосвязанные между собой и смонтированные на основании расходную емкость, узел нагнетания, трубопровод, приемную емкость и привод. Кроме того, трубопроводная технологическая линия снабжена приспособлением формирования оптимального течения, которое выполнено в виде смонтированной внутри трубопровода продольной перегородки, рабочие плоскости которой смещены друг относительно друга по оси трубопровода спиралеобразно. Спиралеобразные рабочие плоскости продольной перегородки выполнены по часовой стрелке, а длину продольной перегородки выполняют с учетом вязкости и формы продукта.

Недостатком такого устройства является его громоздкость и сложность изготовления. Причина - наличие внутри трубопровода приспособления, выполненного, как уже было отмечено выше, в виде специально спрофилированной продольной перегородки. По-видимому, эта продольная перегородка будет существенно затруднять гиб трубопровода для более оптимального его размещения в устройстве. Кроме того, по этой трубопроводной линии не удастся транспортировать весь объем имеющейся жидкости в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Решаемая техническая задача состоит в разработке способа и реализующего его устройства, позволяющих транспортировать жидкость с помощью газа в труднодоступные места с минимальными потерями.

Технический результат заключается в возможности транспортирования в емкость, размещенную в труднодоступном месте, всего объема имеющейся жидкости, а также в упрощении конструкции устройства и уменьшения его габаритов.

Достижение технического результата в способе транспортирования жидкости в емкость по трубопроводу с помощью газа, включающего заполнение трубопровода транспортируемой жидкостью, подключение трубопровода к приемной емкости и к узлу нагнетания, обеспечивается тем, что транспортируемую жидкость и трубопровод выбирают таким образом, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости и внутренний диаметр трубопровода находятся в следующем соотношении:

σ/d≥10-18 Н/м²,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

d - внутренний диаметр трубопровода.

Трубопровод для транспортирования жидкости свободно ориентируют в пространстве, а течение жидкости в нем организуют в ламинарном режиме, без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя жидкости на границе газ- жидкость, с помощью приспособления для организации подачи газа.

Для транспортирования двух и более несмешивающихся жидкостей жидкость с большим коэффициентом поверхностного натяжения располагают при заполнении трубопровода со стороны узла нагнетания.

В заявляемом способе поставленная задача решается всей совокупностью заявляемых признаков.

Как показали экспериментальные исследования, касающиеся транспортирования жидкости по свободно ориентированному в пространстве трубопроводу путем вытеснения ее газом, параметрами, определяющими наличие или отсутствие потерь жидкости в поднимающихся вверх участках трубопровода (а именно в них образуются основные потери жидкости при ее транспортировании при несоблюдении условий, приведенных ниже), являются: величина коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ и режим течения жидкости, характеризуемый числом Рейнольдса Re.

Для транспортирования жидкости без потерь коэффициент поверхностного натяжения σ должен находится в следующем соотношении с внутренним диаметром d, свободно ориентированного в пространстве трубопровода: σ/d≥10-18 Н/м². В противном случае происходит разрушение поверхностного слоя жидкости на границе газ-жидкость, и образование утечек жидкости в трубопроводе в виде тонкого пристенного слоя.

Для сохранения поверхностного слоя транспортируемой жидкости необходимо также обеспечить ламинарный режим ее течения по трубопроводу (число Рейнольдса в этом случае Re<2300). Это объясняется тем, что при ламинарном течении отсутствуют пульсации и вихри в потоке жидкости, которые разрушают поверхностный слой на границе газ-жидкость у транспортируемой жидкости. Ламинарный режим течения жидкости без разрушения поверхностного слоя жидкости на границе газ-жидкость организуют в свободно ориентированном в пространстве трубопроводе с помощью приспособления для организации подачи газа. Следует подчеркнуть, что свободная ориентация трубопровода в пространстве необходима для транспортирования жидкости в труднодоступные места.

Также экспериментально была подтверждена возможность полного (без потерь) транспортирования по свободно ориентированному в пространстве трубопроводу двух и более несмешивающихся жидкостей. При этом жидкость с большим коэффициентом поверхностного натяжения располагают при заполнении трубопровода со стороны узла нагнетания. В этом случае при транспортировании жидкостей поверхность именно этой жидкости будет контактировать с газом. А значит, вероятность потерь, связанная с разрушением поверхностного слоя на границе газ-жидкость, будет минимальной.

Реализация описанного выше способа осуществляется трубопроводной технологической линией, включающей взаимосвязанные между собой расходную емкость, приемную емкость, узел нагнетания и приспособление для формирования течения жидкости. Указанный выше технический результат достигается тем, что расходная емкость выполнена в виде свободно ориентированного в пространстве трубопровода, заполненного транспортируемой жидкостью. Внутренний диаметр трубопровода находится в следующем соотношении с коэффициентом поверхностного натяжения жидкости σ/d≥10-18 Н/м², где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; d - внутренний диаметр трубопровода.

Приспособление для формирования течения выполнено в виде дроссельного устройства, которое выбрано в зависимости от внутреннего диаметра трубопровода и вязкости жидкости таким, что расход газа, протекающего через дроссельное устройство, обеспечивает ламинарный режим течения жидкости, без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя на границе газ-жидкость, а узел нагнетания выполнен в виде источника газовыделения, газ от которого подается через дроссельное устройство в трубопровод с жидкостью.

Узел нагнетания газа может быть выполнен в виде пиротехнического газогенератора.

Трубопроводная технологическая линия может быть снабжена герметизирующим элементом, установленным перед входом в приемную емкость.

Выполнение расходной емкости в виде свободно ориентированного в пространстве трубопровода, заполненного транспортируемой жидкостью, позволяет разместить устройство в ограниченном объеме сложной конфигурации, т.к. трубопровод можно изогнуть и уложить, в сравнительно небольшие пазухи, пустоты и расширения. При этом объем жидкости в трубопроводе будет весьма существенным. Это особенно значимо в случае размещения устройства в уже существующем агрегате или помещении с малыми зазорами между составными частями. Так, например, трубопровод с внутренним диаметром 7 мм и толщиной стенки 0,1 мм (такой трубопровод можно разместить в зазоре 7,2 мм) содержит в одном погонном метре длины около 38 мл жидкости. Трубопровод длиной 100 м будет содержать уже 3,8 л жидкости.

Как уже было отмечено выше, для транспортирования жидкости без потерь (перемещаемый в сторону приемной емкости поверхностный слой жидкости на границе газ-жидкость не должен разрушаться) должны соблюдаться, во-первых, условие по соотношению коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ и внутреннего диаметра трубопровода d, которое должно быть σ/d≥10-18 Н/м², и, во-вторых, условие по режиму течения жидкости, которое в трубопроводе должно быть ламинарным.

Первое условие в устройстве обеспечивает внутренний диаметр трубопровода, находящийся в таком соотношении с коэффициентом поверхностного натяжения жидкости, что σ/d≥10-18 Н/м².

Как уже было сказано, режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса, которое для ламинарного режима должно быть Re<2300. Число Рейнольдса имеет вид:

Re=vd/ν,

где v - средняя скорость потока в трубопроводе;

d - внутренний диаметр трубопровода;

ν - кинематическая вязкость жидкости.

В формуле по определению Re входят диаметр трубопровода и вязкость жидкости. Поэтому, для соблюдения второго условия, приспособление для формирования течения, выполненное в виде дроссельного устройства, выбрано в зависимости от внутреннего диаметра трубопровода и вязкости жидкости.

В формулу по определению Re также входит скорость потока в трубопроводе. Известно, что:

где v - скорость газа или жидкости в трубопроводе;

G - секундный объемный расход газа или жидкости в трубопроводе;

ω - площадь внутреннего сечения трубопровода.

С учетом того, что расход газа, поступающего через дроссельное устройство в трубопровод, будет равен расходу транспортируемой жидкости (убывающий объем жидкости замещается таким же объемом газа), скорость жидкости будет зависеть от расхода газа. Поэтому именно расход газа, протекающего через дроссельное устройство, обеспечивает ламинарный режим течения жидкости, без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя на границе газ-жидкость. Газ через дроссельное устройство в трубопровод с транспортируемой жидкостью подается от узла нагнетания, выполненного в виде источника газовыделения.

Выполнение узла нагнетания в виде пиротехнического газогенератора позволит увеличить надежность работы системы.

Герметизирующий элемент, установленный перед входом в приемную емкость, исключит перетекание жидкости из трубопровода в емкость в процессе хранения устройства.

Таким образом, сочетание выбранных параметров элементов технологической линии с их взаимным расположением заявляемым образом, позволяет достичь новый технический результат.

Сущность изобретения поясняется схемой (см. фиг.1), где

1 - приемная емкость;

2 - трубопровод;

3 - узел нагнетания газа;

4 - приспособление для формирования течения жидкости.

Узел нагнетания газа 3 выполнен в виде пиротехнического газогенератора, а приспособление для формирования течения жидкости 4 - в виде дроссельного устройства. Согнутый в виде спирали трубопровод 2 (форма гибки трубопровода 2 предполагает его размещение в каких-то стесненных условиях, например, в агрегате с плотной внутренней компоновкой) заполняют транспортируемой жидкостью. Трубопровод 2 можно заполнить несколькими несмешивающимися жидкостями. При этом жидкость с большим коэффициентом поверхностного натяжения располагают со стороны дроссельного устройства первой. Затем трубопровод 2 подключают к приемной емкости 1 и, через дроссельное устройство 4, - к пиротехническому газогенератору.

Работает устройство следующим образом. Вначале срабатывает пиротехнический газогенератор. Выделившийся из него газ через дроссельное устройство поступает в трубопровод 2. Газ, замещая жидкость в трубопроводе, транспортирует ее в приемную емкость 1.

Коэффициент поверхностного натяжения транспортируемой жидкости находится в следующем соотношении с диаметром трубопровода 2:

σ/d≥10-18 Н/м²,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

d - внутренний диаметр трубопровода.

Например, для транспортирования воды, имеющей коэффициент поверхностного натяжения σ=0,073 Н/м, внутренний диаметр трубопровода не должен превышать 7,3 мм, для транспортирования ртути (σ=0,48 Н/м) - 48 мм.

Дроссельное устройство подобрано (отрегулировано) так, что расход газа через него обеспечивает течение жидкости при ее транспортировании в ламинарном режиме. Например, для транспортирования воды в ламинарном режиме (число Рейнольдса в этом случае не должно превышать 2300) по трубопроводу с внутренним диаметром трубопровода 7 мм максимальный расход газа через дроссельное устройство не должен превышать 12,5·10^-6 м³/с.

Проведенные экспериментальные исследования по транспортированию жидкости в емкость подтвердили заявленный технический результат: при соблюдении условий, касающихся отношения коэффициента поверхностного натяжения к внутреннему диаметру трубопровода и режима течения жидкости (подробное описание этих условий приведены выше), практически весь объем жидкости, находящейся в свободно ориентированном в пространстве трубопроводе, транспортируется с помощью газа в емкость, расположенную в труднодоступном месте.

1. Способ транспортирования жидкости в емкость по трубопроводу с помощью газа, включающий заполнение трубопровода по меньшей мере одной транспортируемой жидкостью, подключение трубопровода к приемной емкости и к узлу нагнетания, отличающийся тем, что транспортируемую жидкость и трубопровод выбирают таким образом, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости и внутренний диаметр трубопровода находятся в следующем соотношении: σ/d≥10-18 Н/м²,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

d - внутренний диаметр трубопровода, м,

течение жидкости в трубопроводе организуют в ламинарном режиме без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя жидкости на границе газ-жидкость с помощью приспособления для организации подачи газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубопровод заполняют по меньшей мере двумя несмешивающимися между собой жидкостями, при этом жидкость с большим коэффициентом поверхностного натяжения располагают со стороны узла нагнетания.

3. Трубопроводная технологическая линия, включающая взаимосвязанные между собой расходную емкость, приемную емкость, узел нагнетания и приспособление для формирования течения жидкости, отличающаяся тем, что расходная емкость выполнена в виде трубопровода, заполненного транспортируемой жидкостью, диаметр трубопровода находится в следующем соотношении с коэффициентом поверхностного натяжения жидкости: σ/d≥10-18 Н/м²,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

d - внутренний диаметр трубопровода, м,

приспособление для формирования течения выполнено в виде дроссельного устройства, которое выбрано в зависимости от внутреннего диаметра трубопровода и вязкости жидкости таким, что расход газа, протекающего через дроссельное устройство, обеспечивает ламинарный режим течения жидкости без разрушения перемещаемого в сторону приемной емкости поверхностного слоя на границе газ-жидкость, а узел нагнетания выполнен в виде источника газовыделения, газ от которого подается через дроссельное устройство в трубопровод с жидкостью.

4. Трубопроводная технологическая линия по п.3, отличающаяся тем, что узел нагнетания газа выполнен в виде пиротехнического газогенератора.

5. Трубопроводная технологическая линия по п.3 или 4, отличающаяся тем, что она снабжена герметизирующим элементом, установленным перед входом в приемную емкость.

6. Трубопроводная технологическая линия по п.3, отличающаяся тем, что упомянутый трубопровод имеет, например, форму спирали.