Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе

Изобретение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление при перекачивании жидкостей по трубопроводу, и может найти применение при гидротранспорте нефти, масел, жидких продуктов нефтепереработки в химической и нефтехимической промышленности. Техническим результатом является упрощение конструкции и облегчение ее эксплуатации. Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе включает средство для закручивания потока жидкости, выполненное из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле , где λ - шаг витка, м; υ - скорость движения жидкости, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с². 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление при перекачивании жидкостей по трубопроводу, и может найти применение при гидротранспорте нефтей, масел, жидких продуктов нефтепереработки в химической, нефтехимической промышленности и других отраслях, связанных с перемещением вязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

Известно устройство для перекачивания транспортирующей жидкости по способу напорного гидротранспорта грузов по трубопроводу, когда в поток транспортирующей жидкости вводят сжатый воздух (Авт. св. СССР №224378, В 65 G 51/00, 1975 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся перемешивание воздушной прослойки с основным потоком транспортирующей жидкости, создание гетерофазной системы жидкость - воздух, гидравлическое сопротивление которой возрастает из-за разрушения воздушного маловязкого пограничного слоя. Для удержания воздушной прослойки вблизи внутренней стенки трубы необходимы дополнительные устройства, усложняющие конструкцию известного технического решения.

Известно устройство для ввода транспортирующего агента в транспортный трубопровод на промежуточных участках, содержащее горизонтально устанавливаемую соосно транспортному трубопроводу трубу с группой радиальных отверстий на полуокружности ее цилиндрической поверхности в одной вертикальной плоскости, герметическую камеру, сообщенную с источником транспортирующего агента, при этом группы отверстий смещены вдоль оси трубы (Авт. св. СССР №1301752, В 65 G 53/58, 1987 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится перемешивание маловязкого транспортирующего агента с основным потоком жидкости и, главное, сложность конструкции и установки известного устройства на трубопроводе.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство, входящее в способ перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов, включающий добавление в лоток нефти воды с созданием коаксиального концентрического кольца воды у внутренней поверхности трубы с винтовой нарезкой, которая придает потоку вращательное движение. При этом вода, как более тяжелая жидкость, чем нефть, отбрасывается к стенке трубы центробежной силой (Трубопроводный транспорт нефти и газа. 2-е издание / Алиев Р.А., Белоусов В.Д., Немудров А.Г. и др. - М.: Недра, 1988. - 368 с., с.243-244).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность изготовления винтовой нарезки на внутренней стенке трубы. Кроме того, такая нарезка уменьшает прочность трубы, загрязняется отложениями и сложна для ее очистки при эксплуатации.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устойчивого коаксиального концентрического кольца воды у внутренней поверхности трубы, вращающегося под действием центробежной силы.

Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции, создающей вращающееся устойчивое коаксиальное кольцо воды у внутренней поверхности трубы и уменьшающей гидравлические потери в трубопроводе, и облегчение ее эксплуатации.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включает средство для закручивания потока жидкости, которое выполнено из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы и шагом витка, определяемым по формуле

где λ - шаг витка пружины, м; υ - скорость жидкости в трубе, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с².

Средство для закручивания потока жидкости, выполненное из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым формулой (1), позволяет при перекачивании по трубопроводу нефтей, масел, жидких продуктов нефтепереработки и других не смешивающихся с водой и менее плотных, но более вязких, чем вода, жидкостей создавать вращательное движение с образованием под действием центробежной силы устойчивого кольцевого пограничного слоя воды у внутренней стенки трубопровода. Так как наружный диаметр цилиндрической пружины равен внутреннему диаметру трубы, то она сравнительно легко устанавливается внутри трубы и, при необходимости, может быть также легко из нее удалена.

При шаге пружины, удовлетворяющем формуле (1), центробежная сила вращения воды и перекачиваемой жидкости в 1,5-2 раза превышает силу тяжести, что позволяет создать и удерживать устойчивый вращающийся кольцевой слой воды, как более тяжелой по плотности жидкости, у внутренней стенки трубы, а так как вода является маловязкой жидкостью по сравнению с перекачиваемой жидкостью, то это способствует уменьшению гидравлических потерь в трубопроводе.

Уменьшение шага витка по сравнению с нижним пределом, рассчитываемым по формуле (1), приводит к увеличению угловой скорости вращения и затратам энергии, а значит, возрастанию гидравлического сопротивления трубопровода, а увеличение шага витка по сравнению с верхним пределом, рассчитываемым по формуле (1), приводит к уменьшению угловой скорости и снижению центробежной силы. В этом случае центробежная сила не может удержать маловязкий вращающийся кольцевой пограничный слой воды у внутренней стенки трубы, что приводит к перемешиванию перекачиваемой более вязкой, но менее плотной жидкости с водой и увеличению гидравлического сопротивления трубопровода.

Схема предлагаемого устройства для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе представлена на чертеже.

Оно состоит из трубы 1 с внутренним диаметром D, в которой установлено средство для закручивания потока жидкости из проволоки в виде цилиндрической пружины 2 с наружным диаметром равным внутреннему диаметру трубопровода и шагом витка, определяемым формулой (1).

Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе работает следующим образом.

При подаче в трубу 1 высоковязкой перекачиваемой жидкости и в кольцевой пограничный слой маловязкой, но более плотной по сравнению с перекачиваемой жидкостью воды, последняя, набегая на проволоку цилиндрической пружины, начинает вращаться с угловой скоростью так, что центробежная сила в 1,5-2 раза больше силы тяжести. Это позволяет создать и поддерживать устойчивый вращающийся кольцевой пограничный слой маловязкой жидкости у внутренней стенки трубы и снизить гидравлическое сопротивление трубопровода.

Так, при внутреннем диаметре трубы 1 D=0,5 м и скорости перекачиваемой жидкости 1,5 м/с (рекомендуемые скорости жидкостей в трубопроводе 1-2 м/с) шаг витка цилиндрической пружины 2, рассчитанный по формуле (1), должен лежать в пределах λ=(0,71÷0,82) м.

Меньшее значение λ=0,71 м соответствует центробежной силе, в 2 раза большей силы тяжести, большее значение λ=0,82 м соответствует центробежной силе, в 1,5 раза большей силы тяжести. Если λ будет меньше 0,71 м, рассчитанного по формуле (1), то угловая скорость вращения станет такой большой, что затраты энергии, вращающей перекачиваемую жидкость и воду и идущей на трение воды о проволоку витков цилиндрической пружины 2, станут соизмеримы с экономией энергии от снижения гидравлического сопротивления трубопровода. И наоборот, если λ будет больше 0,82 м, рассчитанного по формуле 1, то угловая скорость вращения станет такой малой, что центробежная сила не сможет удержать маловязкий вращающийся кольцевой пограничный слой воды у внутренней поверхности трубы 1, вода будет перемешиваться с перекачиваемой жидкостью и гидравлические потери возрастут.

Целесообразно толщину проволоки 2 выбирать такой, чтобы толщина маловязкого кольцевого пограничного слоя воды была больше толщины проволоки. В этом случае дополнительные затраты энергии на трение жидкости о поверхность витков цилиндрической пружины 2 будут наименьшими, и перекачиваемая высоковязкая жидкость не будет контактировать с поверхностью витков пружины и терять энергию на трение.

Таким образом, установка средства для закручивания потока жидкости на внутренней поверхности трубы, выполненного из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, с шагом витка, определяемым формулой (1), позволяет создать устойчивое вращательное кольцевое течение маловязкой воды у внутренней стенки трубы за счет центробежной силы, в 1,5-2 раза превышающей силу тяжести. Цилиндрическую пружину с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода, несложно установить как на действующих, так и на вновь монтируемых трубопроводах. В случае необходимости ее несложно при ремонте удалить из трубы. Проволока может иметь как круглое, так и квадратное, треугольное или полукруглое сечение, а ее толщину целесообразно выбирать меньшую, чем толщина кольцевого пограничного слоя маловязкой жидкости δ. Особенно целесообразно устанавливать предлагаемое устройство для уменьшения гидравлических потерь на участках трубопровода на выходе из крутых поворотов, расширений, сужений, П-образных компенсаторах, запорной арматуры, насосов и после других, так называемых местных сопротивлений, в которых маловязкий кольцевой пограничный слой воды начинает перемешиваться с перекачиваемой жидкостью и возникает необходимость центробежной силой восстановить и поддерживать этот пограничный слой воды у внутренней стенки трубопровода.

Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающее средство для закручивания потока жидкости, отличающееся тем, что средство для закручивания выполнено из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле

где λ - шаг витка, м;

υ - скорость движения жидкости, м/с;

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с².