УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТРУБОПРОВОДЕ

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление трубопровода при перекачивании по нему электропроводных жидкостей, и может найти применение при гидротранспорте воды, ее суспензий, эмульсий, растворов кислот, щелочей и солей в магистральных и региональных трубопроводах, внутризаводских и коммуникационных сетях трубопроводов, а также в трубопроводах промышленных и хозфекальных стоков.
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, закрепленном на трубке из диэлектрического материала, с образованием сплошного газового пристенного слоя, уменьшающего гидравлическое сопротивление (Патент РФ №2241868, F15D 1/06, F17D 1/20, 2004 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неустойчивость газового пограничного слоя за трубкой, который перемешиваясь с перекачиваемой жидкостью, создает дополнительное гидравлическое сопротивление и увеличивает энергозатраты на перекачивание жидкости.
Известно устройство для перекачки высоковязкой нефти с водой по трубопроводу, включающему установку внутри трубы спирально свернутой проволоки и приварки ее к стенке трубы, что обеспечивает закрутку потока. В результате более тяжелая вода отбрасывается непосредственно к стенке, а поток нефти двигается внутри водяного кольца, испытывая минимальное трение (Коршак А.А., Шаммазов А.М., Основы нефтегазового дела. Учебник для ВУЗов. Издание второе, дополненное и исправленное. - Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. - 544 с., стр.343 - 344.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность создания устойчивого пристенного слоя маловязкой жидкости - воды - по всей длине трубопровода из-за накопления отложений на внутренней поверхности трубопровода и сложности их удаления с поверхности проволоки, а также невозможность использования для создания газового, воздушного или пенного пограничного слоя, вследствие перемешивания с перекачиваемой жидкостью и увеличения гидравлического сопротивления.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающем 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
2
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 1/20, 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 увеличению гидравлического сопротивления.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является уменьшение гидравлического сопротивления за счет создания устойчивого пристенного слоя электролитического газа по всей длине трубопровода.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающем установленную внутри трубопровода цилиндрическую пружину, выполненную из проволоки, при этом проволока состоит из чередующихся участков, покрытых и непокрытых электроизоляционным материалом, длина которых составляет 10-40 мм, наружный диаметр пружины с электроизоляционным материалом равен внутреннему диаметру трубы, проволока присоединена к положительному полюсу источника постоянного тока, а трубопровод заземлен.
Покрытие проволоки электроизоляционным материалом предотвращает ее замыкание на внутреннюю стенку трубы при подаче на проволоку положительного потенциала от источника постоянного тока.
Уменьшение покрытых и непокрытых электроизоляционным материалом участков проволоки ниже заявляемого предела в 10 мм усложняет изготовление цилиндрической пружины с такой покрытой электроизоляционным материалом проволокой, а кроме того уменьшает объем выделяющихся электролитических газов в зазоре между непокрытой электроизоляционным материалом поверхностью проволоки и стенкой трубопровода и вызывает увеличение гидравлического сопротивления.
Увеличение покрытых и непокрытых электроизоляционным материалом участков проволоки сверх заявляемого предела в 40 мм может привести к разрыву сплошности газового слоя на участках покрытых электроизоляционным материалом и замыканию поверхности проволоки на внутреннюю стенку трубы из-за деформации проволоки под действием разности потенциалов проволоки и стенкой трубы, прекращению электролиза с образованием газового пристенного слоя и увеличению гидравлического сопротивления в трубопроводе.
Равенство наружного диаметра пружины с электроизоляционным материалом внутреннему диаметру трубопровода позволяет без напряжения устанавливать пружину соосно трубопроводу и создавать равномерный зазор между наружной поверхностью проволоки на участках, непокрытых электроизоляционным материалом, и стенкой трубы.
Присоединение проволоки к положительному полюсу источника постоянного тока и заземление трубопровода позволяет при подаче положительного потенциала на проволоку осуществлять электролиз перекачиваемых электропроводных жидкостей на участках, непокрытых электроизоляционным материалом, с образованием газового пристенного слоя по всей длине трубопровода, что снижает гидравлическое сопротивление трубопровода.
Кроме того, предлагаемое устройство обладает возможностью саморегулирования электролиза с образованием пристенного слоя электролитических газов. Там, где этот слой разрушается и зазор между проволокой на участках без электроизоляции заполняется перекачиваемой электропроводной жидкостью начинает интенсивно идти электролиз с образованием и восстановлением пристенного газового слоя. Там, где пристенный газовый слой, устойчивый - электрическая сеть разрывается, ток не идет, дополнительного газовыделения нет, что снижает энергозатраты на перекачивание жидкости.
Все вышесказанное при применении предлагаемого устройства для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе позволяет создавать устойчивый газовый пристенный слой по всей длине трубопровода, а так как этот газовый слой обладает гораздо меньшей вязкостью, чем перекачиваемая электропроводная жидкость, то гидравлическое сопротивление может быть снижено в 3-5 раз.
Общий вид в разрезе предлагаемого устройства для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе представлен на чертеже.
Устройство состоит из трубы 1 с внутренним диаметром D, в котором установлена цилиндрическая пружина, выполненная из проволоки 2 с чередующимися участками покрытых и непокрытых электроизоляционным материалом 3, так что длина покрытых и непокрытых электроизоляционным материалом участков составляет 10-40 мм, при этом наружный диаметр пружины с электроизоляционным материалом 3 равен внутреннему диаметру трубы 1. Проволока 2 пружины присоединена к положительному полюсу 4 источника постоянного тока, а трубопровод присоединен к заземлению 5.
Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе работает следующим образом. В трубу 1 подают электропроводную перекачиваемую жидкость, а на проволоку 2 от положительного полюса 4 источника постоянного тока подают положительный потенциал. Под действием разности потенциалов в зазоре между поверхностью проволоки 2 на участках, непокрытых электроизоляционным материалом, и стенкой трубы 1 идет электролиз с образованием электролитических газов. Например, при перекачивании воды - с образованием пузырьков кислорода и водорода по формуле
2
2
2
2HO=2H↑+O↑
или в электронном виде
на аноде
на катоде
Газы электролиза образуют маловязкий пристенный слой по всей длине трубы 1, поэтому поток перекачиваемой жидкости движется в кольцевом зазоре этих газов, что значительно снижает гидравлическое сопротивление.
В зонах местных сопротивлений (расширений, сужений, поворотов, установленных вентилей, кранов, задвижек), где газовый пристенный слой нарушается и перекачиваемая жидкость начинает соприкасаться со стенкой трубы 1 идет интенсивное газовыделение с восстановлением газового пристенного слоя. Там, где газовый пристенный слой устойчив дополнительного газовыделения, а значит, затрат электроэнергии не происходит. Таким образом, предлагаемое устройство обладает способностью саморегулирования по расходу электроэнергии и газовыделению за счет электролиза перекачиваемой электропроводной жидкости.
Предлагаемое устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе несложно в изготовлении. Для этого достаточно на проволоке с электроизоляцией удалить электроизоляционный слой через каждые 10-40 мм и скрутить ее в цилиндрическую спираль с наружным диаметром проволоки на участках с электроизоляционным материалом, равным внутреннему диаметру трубопровода, присоединить проволоку к положительному полюсу источника постоянного тока, а трубопровод заземлить. Нижний предел в 10 мм целесообразно применять для трубопроводов малого диаметра, верхний в 40 мм - для трубопроводов большого диаметра. Поэтому предлагаемое устройство можно установить как на действующих, так и на вновь прокладываемых трубопроводах для перекачивания электропроводных жидкостей. Особенно большой эффект уменьшения гидравлического сопротивления может быть получен при перекачивании высоковязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей - растворов солей, кислот, щелочей и других высококонцентрированных гелей, эмульсий и суспензий.