АЭРАТОР ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Предполагаемая полезная модель относится к добыче и трубопроводному транспорту вязкопластичных жидкостей (высокопарафинистых сортов нефти, высоковязких нефтепродуктов, буровых растворов, кислых гудронов, красок, полимеров, пищевых продуктов, ила и т.п.) в различных технологических процессах горной промышленности, гидромеханизации, добыче сапропеля, разработке илистых грунтов.
Известно, что при добавлении воздуха в вязкопластичную жидкость, транспортируемую по трубопроводу, гидравлическое сопротивление уменьшается, что снижает удельные энергетические затраты на гидротранспорт (см. Гумеров А.Г., Мамонов Ф.А. и др. Трубопроводный транспорт высоко-парафинистой нефти (обзорная информация). - Уфа. 1998. 51 с.). Однако в рассматриваемой работе представлен расслоенный режим течения, когда газ поступает в трубу в виде струй и расположен в жидкости в виде пробок. Такой режим возможен только в трубопроводах без продолжительных отрицательных уклонов. Это снижает эффективность применения добавления газа в перекачиваемую жидкость.
Известно грунтозаборное устройство землесосного снаряда, включающее осевой шнековый насос и напорный грунтопровод, при этом на входе в напорный грунтопровод установлен аэратор, выполненный в виде радиально установленных лопастей с соплами, соединенными с коллектором сжатого газа и направленными в полость напорного трубопровода (патент РФ на изобретение №1613616, E21С 45/00, E02F 3/88, 1988.). Недостатком известного устройства является отсутствие равномерной подачи воздуха по поперечному сечению трубопровода, что снижает эффективность насыщения жидкости газом.
Известен и принят за прототип аэратор густых масс, содержащий корпус, конфузор, диффузор, сердечник и вращающийся пульсатор, при этом корпус аэратора имеет ряд радиальных воздуховодов (патент РФ на полезную модель №120913, B28C 5/38, 2012.). В известной конструкции осуществляется равномерное распределение воздуха по всему объему перекачиваемой жидкости.
Недостатком известного устройства является значительное увеличение гидравлического сопротивления аэратора, возникающее вследствие сужения проходного сечения в кольцевой щели аэратора, что повышает удельные энергетические затраты на гидротранспорт и снижает эффективность насыщения жидкости газом.
Техническая задача, решаемая предполагаемой полезной моделью - снижение коэффициента гидравлического трения и удельных энергетических затрат при перекачивании вязкопластичных жидкостей по напорным трубопроводам.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения - снижение вязкости и предельного напряжения сдвига перекачиваемой вязкопластичной жидкости за счет насыщения ее пузырьками газа по всему объему.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном аэраторе, содержащем корпус, диффузор, конфузор, прерыватель потока газа-пульсатор, в соответствии с новым предложением корпус снабжен газоподающими трубками с диспергирующими отверстиями, при этом трубки установлены между диффузором и конфузором, соединены с прерывателем потока, расположены перпендикулярно потоку перекачиваемой жидкости и повернуты относительно друг друга по отношению к оси потока, а площадь поперечного сечения корпуса больше площади поперечного сечения основного трубопровода.
Возможны дополнительные варианты конструкции аэратора, в котором целесообразно, чтобы:
- часть корпуса, расположенная между диффузором и конфузором, имела прямоугольное сечение;
- газоподающие трубки были установлены в виде пучка с шахматным расположением, причем каждый следующий ряд был повернут на 90° и отличался количеством трубок на одну относительно предыдущего;
- прерыватель потока газа был установлен на каждую газоподающую трубку индивидуально;
- отношение длины газоподающей трубки к ее внутреннему диаметру было не более 200;
- диспергирующие отверстия были установлены на половине диаметра газоподающих трубок и направлены в сторону движения потока жидкости;
- газоподающие трубки были снабжены обтекателями потока;
- угол раствора диффузора и конфузора был 20..40°;
- газоподающие труби имели поперечные дискретные выступы на внутренней поверхности;
- пучок газоподающих трубок имел коридорное расположение и количество трубок в каждом ряду было равное.
Указанные преимущества, а также особенности предлагаемой полезной модели поясняются вариантами ее осуществления со ссылками на чертежи: на фиг. 1 изображена схема аэратора; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1 (вариант 1); на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 1 (вариант 1), на фиг. 6 - сечение Б-Б на фиг. 1 (вариант 2); на фиг. 7 - вид В на фиг. 1; на фиг. 8 - сечение Г-Г на фиг. 7, на фиг. 9 - узел Д на фиг. 6.
Аэратор вязкопластичных жидкостей содержит входной патрубок 1, диффузор 2, корпус 3, снабженный газоподающими трубками 4, прерыватель потока газа-пульсатор 5, конфузор 6, выходной патрубок 7. Газоподающие трубки 4 снабжены диспергирующими отверстиями 8, а также могут быть снабжены обтекателями потока 9. Газоподающие трубки 4 установлены между диффузором 2 и конфузором 6 и соединены с прерывателем потока 5 и могут быть снабжены поперечными дискретными выступами 10 и заглушкой 11. Газоподающие трубки 5 установлены в корпусе 3 перпендикулярно потоку жидкости в виде отдельных рядов (горизонтальные и вертикальные), причем каждый последующий ряд трубок повернут относительно предыдущего, например, установлен перпендикулярно предыдущему.
Аэратор вязкопластичных жидкостей работает следующим образом. Перекачиваемая вязкопластичная жидкость через входной патрубок 1 и диффузор 2 поступает в корпус аэратора 3, где расположены газоподающие трубки 4. В газоподающие трубки 4 подается газ, например воздух, от источника (не показан). В системе подачи газа установлен прерыватель потока газа-пульсатор 5, который обеспечивает подачу газа в виде отдельных порций для получения пузырьков газа, диаметр которых меньше критического, т.е. меньше диаметра пузырька, всплывающего в данной вязкопластичной жидкости. Критический диаметр пузырька D определяется по формуле:
0
ср
г
где τ - предельное напряжение сдвига вязкопластичной жидкости, ρ - плотность жидкости, ρ - плотность газа, g - ускорение свободного падения, π = 3,14 (см. Арефьев Н.Н., Сухарев И.С. «Расчет радиуса пузырька газа при аэрации вязкопластичных жидкостей» стр. 241-243 Вестник ВГАВТ №40, 2014). От источника газ под давлением подается через пульсатор 5 в газоподающие трубки 4 и далее через диспергирующие отверстия 8 в поток перекачиваемой вязкопластичной жидкости. При этом, благодаря подаче газа через прерыватель 5 в виде отдельных порций, формируется мелкодисперсная газожидкостная смесь, в которой невсплывающие пузырьки газа диаметром менее критического равномерно распределены по всему объему перекачиваемой жидкости. Затем газожидкостная смесь через конфузор 6 и выходной патрубок 7 поступает в напорный трубопровод (не показан).
Благодаря перемешиванию вязкопластчиной жидкости с пузырьками газа, как показывают исследования, увеличивается текучесть жидкости за счет значительного снижения предельного напряжения сдвига и пластической вязкости. Это уменьшает потери на гидравлическое трение при перекачивании вязкопластичной жидкости по трубопроводу и снижает удельные затраты энергии на гидротранспорт.
Расположение газоподающих трубок 4 перпендикулярно потоку и повернутыми относительно друг друга по отношению к оси потока, обеспечивает насыщение потока пузырьками газа по всему сечению, при этом отношение суммарной площади поперечного сечения трубок к площади поперечного сечения корпуса 3 имеет минимальное значение при данной пропускной способности трубок, что снижает дополнительное гидравлическое сопротивление, обусловленное трубками.
Площадь свободного поперечного сечения корпуса аэратора 3 в плоскости осей ряда газоподающих трубок 4 больше площади поперечного сечения основного трубопровода 1, что обеспечивает снижение скорости вязкопластичной жидкости, равномерное распределение пузырьков газа по поперечному сечению потока и формирование мелкодисперсной газожидкостной смеси, а также минимальное гидравлическое сопротивление конструкции аэратора в целом.
Прямоугольное сечение корпуса 3 между диффузором 2 и конфузором 6, как показано на фиг. 3, обеспечивает равномерное насыщение потока жидкости пузырьками газа по всему сечению потока и упрощает технологию установки трубок в корпусе.
Расположение газоподающих трубок 4 в виде пучка с шахматным расположением (фиг. 4) обеспечивает разрушение парных вихрей - вихревых дорожек Кармана, возникающих при обтекании цилиндра при числах Рейнольдса Re = 5..50, которые приводят к повышению гидравлического сопротивления аппарата и вибрации обтекаемых газоподающих трубок 4, а также разрушению соединений газовых каналов.
Установка прерывателя потока газа-пульсатора 5 на каждую газоподающую трубку 4 как показано на фиг. 3, фиг. 5 и фиг. 6 позволяет избежать выравнивания давления и сохраняет пульсации потока газа при значительной длине участка газового канала от пульсатора 5 до всех диспергирующих отверстий, что позволяет надежно обеспечить необходимый диаметр пузырьков газа.
Отношение длины газоподающей трубки 4 на участке от прерывателя потока газа-пульсатора 5 к ее внутреннему диаметру не более 200 необходимо для сохранения пульсаций потока газа по всей длине трубки в случае отсутствия поперечных дискретных выступов 10 на внутренней поверхности газоподающих трубок 4.
Установка диспергирующих отверстий 8 на половине диаметра газоподающих трубок 4 и направление их в сторону движения потока жидкости (фиг. 6) снижает гидравлическое сопротивление аэратора и создает дополнительный подпор жидкости за счет давления газа из отверстий.
Снабжение газоподающих трубок 4 обтекателями потока 9 (фиг. 6) снижает гидравлическое сопротивление трубок.
Оптимальный угол раствора концентрических переходов - диффузора 2 и конфузора 3 - α составляет 20..40° для ламинарного течения жидкости, что снижает гидравлическое сопротивление аэратора.
Поперечные дискретные выступы 10 (фиг. 7) на внутренней поверхности газоподающих трубок 4 необходимы для сохранения пульсаций потока газа на всей длине газоподающей трубки 4.
Расположение газоподающих трубок 4 в виде пучка с коридорным расположением, как показано на фиг. 5, обеспечивает минимальную коалесценцию пузырьков газа, предотвращает их слияние в пузырьки диаметром больше критического и сохраняет необходимую структуру течения газожидкостной смеси при малых скоростях потока вязкопластичной жидкости.
В качестве прерывателя потока газа-пульсатора 5 допускается использование золотниковых, мембранных и других известных клапанов с механическим или пневматическим приводом, применяемых в промышленности.