Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе

Изобретение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление трубопровода при перекачивании по нему жидкостей, и может найти применение при гидротранспорте нефтей, масел, растворов, эмульсий, суспензий, воды, расплавов полимеров других ньютоновских и неньютоновских жидких сред. Техническим результатом является расширение возможностей применения устройства для уменьшения гидравлического сопротивления трубопровода за счет подачи в пограничный слой маловязкой жидкости, газа, пара, эмульсий, химических реагентов, полимерных растворов и т.п. В устройстве для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающем цилиндрическую пружину, установленную внутри трубопровода с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле

где λ - шаг витка, м; V - скорость движения жидкости, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с², при этом цилиндрическая пружина выполнена из трубки, на боковой поверхности которой на расстоянии, равном ¹/₄ шага витка, выполнены отверстия таким образом, что их ось совпадает с направлением потока жидкости в трубопроводе. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление трубопровода при перекачивании по нему жидкостей, и может найти применение при гидротранспорте нефтей, масел, растворов, эмульсий, суспензий, воды, расплавов полимеров других ньютоновских и неньютоновских жидких сред.

Известно устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающее установку коаксиально внутри него трубки из диэлектрического материала вблизи входа жидкости в трубопровод. На внешней поверхности трубки выполнена канавка в виде спирали, в которой закреплен электрод из проволоки, присоединенный к положительному полюсу источника постоянного тока, а стенка трубопровода - к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Трубка из диэлектрического материала имеет внешний диаметр, составляющий 0,93-0,98 долей от внутреннего диаметра трубопровода. При подаче тока в электропроводной жидкости, например воде, идет ее электролиз между стенкой трубы и электродом, закрепленным на трубке из диэлектрического материала, с образованием сплошного газового пристенного слоя, уменьшающим гидравлическое сопротивление (Патент РФ №2241868, F15D 1/06, F17D 1/20, 2004 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность использования известного устройства для электропроводных жидкостей, образование взрыво- и пожароопасного гремучего газа при электролизе, а главное, недостаточная устойчивость газового пограничного слоя вблизи стенки трубы, который, перемешиваясь с перекачиваемой жидкостью, создает дополнительное гидравлическое сопротивление.

Известно устройство для уменьшения гидравлического сопротивления трубопровода по способу создания водяного кольца вблизи стенки трубопровода. Оно включает инжектор, установленный внутри трубопровода. Внутри корпуса инжектора имеется пористая прокладка, образующая кольцо, внутренний диаметр которого близок к внутреннему диаметру трубопровода с размером пор 0,12-0,25 мм. По патрубку внутри корпуса инжектора подается вода, которая, проходя сквозь поры прокладки, образует кольцевой слой у стенки трубопровода (Мастабаев Б.Н., Шаммазов A.M., Мовсумзаде Э.М. Химические средства и технологии в трубопроводном транспорте нефти. - М.: Химия, 2002. С.121-122).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и большая стоимость устройства, связанная с изготовлением и эксплуатацией инжектора с пористой прокладкой с размерами пор 0,12-0,25 мм. Поры в процессе эксплуатации забиваются, засмаливаются, парафинизируются, что уменьшает подачу воды в кольцевой зазор между прокладкой и стенкой трубопровода и приводит к возрастанию гидравлического сопротивления.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающее 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; V - скорость движения жидкости, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с (Патент РФ №2285198, F17D/20, F15D 1/06, 2006 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность применения известного устройства, связанная с подбором маловязкой жидкости, имеющей плотность больше плотности перекачиваемой жидкости, а также невозможность использования для создания газового, воздушного или пенного пограничного слоя из-за быстрой потери устойчивости, перемешивания с перекачиваемой жидкостью и увеличения гидравлического сопротивления.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является расширение возможностей применения устройства для уменьшения гидравлического сопротивления трубопровода за счет подачи в пограничный слой маловязкой жидкости, газа, пара, эмульсий, химических реагентов, полимерных растворов и т.п.

Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающем цилиндрическую пружину, установленную внутри трубопровода с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле

где λ - шаг витка, м; V - скорость движения жидкости, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с², при этом цилиндрическая пружина выполнена из трубки, на боковой поверхности которой на расстоянии, равном ¹/₄ шага витка выполнены отверстия таким образом, что их ось совпадает с направлением потока жидкости в трубопроводе.

Цилиндрическая пружина из трубки, на боковой поверхности которой выполнены отверстия, позволяет подавать в пограничный слой маловязкую жидкость, газ, пар, эмульсию, химические реагенты, полимерные растворы и т.д., которые уменьшают гидравлическое сопротивление, а также предотвращают образование отложений на стенках трубы, снижают вязкость перекачиваемой жидкости в пристенном слое за счет нагревания, эмульгирования, пенообразования, предотвращения турбулизации, снижают энергозатраты и стоимость гидротранспорта жидкости по трубопроводу.

Выполнение на боковой поверхности трубки отверстий на расстоянии друг от друга, равном ¹/₄ шага витка, позволяет на каждом витке сделать 4 отверстия: по одному в верхнем и нижнем секторах трубопровода и два в боковых секторах. Увеличение расстояния между отверстиями уменьшает их число на одном витке трубки, что снижает возможности создания равномерного кольцевого пограничного слоя маловязкой жидкости, газа, пены, химических реагентов, поверхностно-активных веществ эмульсий и т.д. по всей внутренней поверхности трубы и снижает эффективность предлагаемого устройства по уменьшению гидравлических потерь в трубопроводе. Уменьшение расстояния между отверстиями увеличивает их число на каждом витке трубки, что приводит к повышению расхода кольцевого пограничного слоя маловязкой жидкости, газа, пены, химических реагентов, эмульсий, полимерных растворов или поверхностно-активных веществ, турбулизации этого пограничного слоя, потере им устойчивости и перемешиванию с перекачиваемой жидкостью, что также увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает эффективность работы предлагаемого устройства.

Выполнение отверстий на боковой поверхности трубки таким образом, что их ось совпадает с направлением потока перекачиваемой жидкости, способствует подаче маловязкой жидкости или газа или других вышеперечисленных компонентов из трубки в направлении перекачивания жидкости по трубопроводу, уменьшает затраты энергии на продавливание этих компонентов из трубки в отверстия, предотвращает попадание перекачиваемой жидкости в трубку по этим отверстиям, снижает возможность перемешивания компонентов, подаваемых по трубке с перекачиваемой жидкостью, что способствует образованию устойчивого кольцевого пограничного слоя, снижающего гидравлическое сопротивление трубопровода.

Общий вид в разрезе на предлагаемое устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе представлен на чертеже.

Оно состоит из трубы 1 с внутренним диаметром D, в которой установлена цилиндрическая пружина, выполненная из трубки 2 с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы 1, и шагом витка, соответствующим уравнению (1). На боковой поверхности трубки 2 выполнены отверстия 3, при этом расстояния между отверстиями равны ¹/₄ шага витка, так что на одном шаге витка находятся по одному отверстию в верхнем и нижнем секторах трубы и два в боковых секторах. Кроме того, отверстия 3 выполнены в боковых стенках трубки 2 таким образом, что их ось совпадает с направлением потока перекачиваемой жидкости в трубопроводе.

Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе работает следующим образом. В трубу 1 подают перекачиваемую жидкость со скоростью V. В трубку 2 подают маловязкую жидкость, которая через отверстия 3 попадает в пристенный слой, выдавливая перекачиваемую жидкость к оси трубопровода, так как маловязкая жидкость подается через отверстия 3, расположенные по одному сверху и снизу и два в боковых секторах трубы 1, то маловязкая жидкость образует вблизи стенки трубы 1 кольцевой пограничный слой, имеющий гидравлическое сопротивление, меньшее, чем перекачиваемая жидкость, так как отверстия 3 выполнены в боковой стенке трубки 2 по направлению в сторону движения перекачиваемой жидкости, то маловязкая жидкость, вытекая из этих отверстий, не образует вихрей, не турбулизирует поток перекачиваемой жидкости, а создает устойчивый кольцевой пограничный слой вблизи стенки трубы 1.

Кроме того, если перекачиваемая жидкость - нефть или нефтепродукты, а маловязкая жидкость - вода, не растворимая в перекачиваемой жидкости и имеющая бóльшую плотность, чем последняя, то витки цилиндрической пружины являются средством для закручивания потока и заставляют вращаться обе жидкости. Под действием центробежной силы вода прижимается к стенке трубы 1, создавая устойчивый пограничный слой маловязкой жидкости, снижающей гидравлическое сопротивление трубопровода, как в прототипе. Кроме того, выполнение цилиндрической пружины из трубки 2 с отверстиями 3 позволяет подавать в пограничный слой газ, воздух, пар, растворы полимеров или поверхностно-активных веществ, эмульсии, химические реагенты, которые уменьшают гидравлическое сопротивление, предотвращают образование отложений на стенках трубы, снижают вязкость перекачиваемой жидкости, предотвращают образование в ней вихрей, турбулизацию и перемешивание пограничного кольцевого слоя с основным потоком, что расширяет возможности применения устройства.

Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающее цилиндрическую пружину, установленную внутри трубопровода, с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле

где λ - шаг витка, м; V - скорость движения жидкости, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с², отличающееся тем, что цилиндрическая пружина выполнена из полой трубки, на боковой поверхности которой на расстоянии, равном ¹/₄ шага витка, выполнены отверстия таким образом, что их ось совпадает с направлением потока жидкости в трубопроводе.