Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе
DEVICE FOR REDUCTION OF HYDRAULIC LOSSES IN PIPELINE

Изобретение относится к устройствам, снижающим потери давления на преодоление гидравлического сопротивления при перекачивании жидкостей по трубопроводам, и предназначено для гидротранспортировки нефти, масел, жидких продуктов нефтепереработки в нефтехимической промышленности. Оно может найти применение при строительстве новых нефтепроводов типа «Россия-Китай».
Известно устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, выполненное односпирально из проволоки в виде цилиндрической пружины с постоянным шагом витка (см. патент РФ №2285198 от 10.10.2006 - Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе). Недостаток известного устройства:
1. Значительные потери давления на преодоление гидравлического сопротивления сил трения жидкости о витки для закручивания потока.
Задачей изобретения является разработка устройства для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, в котором устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является снижения потерь давления на трение жидкости о витки для закручивания потока.
Технический результат достигается за счет снижения площади поверхности трения применяемых витков путем использования закручивающих элементов с уменьшающимся поперечным сечением при одновременном увеличением длины шага витков вдоль трубопровода.
Заявляемая конструкция показана на чертежах фиг. 1-5: на фиг. 1 при виде по продольному типовому сечению, на фиг. 2 - при виде сбоку, на фиг. 3 - при виде по сечению А-А, на фиг. 4 показан закручивающий элемент начала верхнего первого спирального витка 3, на фиг. 5 показан закручивающий элемент начала нижнего второго спирального витка 4.
Детали заявляемой конструкции и основные потоки обозначены следующими позициями:
1 - входной поток жидкости,
2 - обечайка трубопровода,
3 - элементы первого спирального витка,
4 - элементы второго спирального витка,
5 - элементы третьего спирального витка,
6 - элементы четвертого спирального витка,
7 - ребро спирального витка,
8 - вращающийся пограничный поток жидкости,
9 - вращающийся основной поток жидкости,
10 - вогнутая поверхность спирального витка,
11 - выпуклая поверхность спирального витка,
12 - круг, описанный в поперечном сечении витка по наибольшей дуге.
Штриховыми пунктирными линиями на фиг. 1 и фиг. 3 показаны невидимые в сечениях элементы спиральных витков.
Точечной пунктирной линией на фиг. 4 показан круг 12, описанный в поперечном сечении витка по наибольшей дуге.
Условно на фиг. 1 и фиг. 3 изображен фрагмент участка трубопровода с четырьмя спиральными витками.
Далее по длине трубопровода следует повторяемость спиральных витков, изображенных на фиг. 1 и фиг. 3.
Вращающиеся пограничный 8 поток и основной 9 поток жидкости в продольном сечении трубопровода условно показаны только на фиг. 1.
Круг 12, описанный в поперечном сечении витка по наибольшей дуге, показан только на фиг. 4.
Входной 1 поток жидкости на фиг. 3 соответствует позиции 1 на фиг. 1.
Площадь в поперечном сечении начала спирального витка, показанная на фиг. 4 и фиг. 5 в заштрихованном виде составляет от 1/4 до 1/8 от площади круга 12, описанного по наибольшей дуге в поперечном сечении витка.
Длина каждого из спиральных витков равна 1,25…1,5 оборота в зависимости от физико-химических свойств транспортируемой жидкости.
Шаг витка через каждые 0,5 оборота увеличивается в 2 раза.
Увеличение шага витка происходит непрерывно и постепенно.
Начальная длина шага для половины оборота равна 0,35…0,5 от внутреннего диаметра трубопровода в зависимости от физико-химических свойств транспортируемой жидкости.
Спиральные витки выполнены двухзаходными с диаметрально противоположными началами, расположенными сверху - вид I и снизу - вид II (фиг. 2).
На длине 1,25…1,5 оборота от начала каждого витка ребро 7 располагается заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода, то есть продолжение элемента витка отсутствует.
Длина участка трубопровода с отсутствием витков равна 0,35…0,5 от внутреннего диаметра трубопровода в зависимости от физико-химических свойств транспортируемой жидкости.
Назначение и взаимодействие деталей заявляемой конструкции следующее.
Обечайка 2 служит для размещения элементов спиральных витков 3, 4, 5, 6 (на фиг. 1 и фиг. 2 условно показано ограниченное число витков).
Обечайка 2 служит также для начального приема входного потока жидкости 1 и передачи этой жидкости после транспортировки конечному потребителю (конечный потребитель фиг. 1-5 условно не показан).
Элементы первого 3 и второго 4, третьего 5 и четвертого 6 спиральных витков служат для приобретения вращательного спиралевидного движения основным потоком 9 транспортируемой жидкости 1, а также для создания вращающегося пограничного потока жидкости 8, который выполняет функцию так называемого «жидкостного подшипника» по отношению к вращающемуся основному потоку 9.
Основной поток 9 двигается вдоль трубопровода, вращаясь на «жидкостных подшипниках» 8 с наименьшим гидравлическим трением по сравнению с трением транспортируемой жидкости о внутреннюю стенку обечайки 2 трубопровода.
Вращательное движение пограничного потока 8 создается за счет конструктивного исполнения поперечного сечения элементов спиральных витков 3, 4, 5, 6 в виде вогнутой 10 и выпуклой 11 поверхностей спиральных витков, что является отличительным признаком заявляемой конструкции витков по сравнению с известной конструкцией и обеспечивает получение положительного технического результата.
В известной конструкции все поверхности являются выпуклыми и на образование вращающегося «жидкостного подшипника» на выпуклой поверхности вследствие ее большего размера контактной площади требуются дополнительные гидравлические потери напора.
В известной конструкции выпуклая поверхность требует значительной затраты механической энергии гидравлического напора на преодоление местных гидравлических сопротивлений вследствие несовпадения контура вращающегося пограничного потока 8 с выпуклой поверхностью спирального витка, выполненного из проволоки в виде цилиндрической пружины.
В заявляемой конструкции вращающийся пограничный поток 8 жидкости по наружному контуру совпадает с вогнутой поверхностью 10, представляющей собой поверхность второго порядка с наименьшими местными гидравлическими сопротивлениями.
На участке трубопровода без спиральных витков вращение пограничного потока 8 и основного потока 9 осуществляется за счет сил инерционного движения жидкости.
При этом не происходит потери напора по сравнению с известной конструкцией и достигается положительный технический результат.
Уменьшение площади поперечного сечения витков (на фиг. 4 и фиг. 5 площадь показана заштрихованной) от начала витков к их концу позволяет уменьшить потери напора на трение по сравнению с известной конструкцией, имеющей постоянную площадь поперечного сечения витков.
При этом в заявляемой конструкции достигается положительный технический эффект снижения гидравлических потерь напора на трение жидкости о витки.
Отличительная особенность заявляемой конструкции от известной конструкции состоит также в том, что начальное закручивание основного потока 9 осуществляется с помощью спиральных элементов первого витка 3 и элементов второго спирального витка 4, расположение которых диаметрально противоположно (фиг. 2, вид I и вид II), то есть система закрутки жидкости в основной 9 поток двух спиральная для одного и того же сечения трубопровода.
Соответственно при этом в заявляемой конструкции имеется два вращающихся пограничных потока 8, которые при начальном закручивании жидкости уменьшают ее контакт с внутренней обечайкой 2 трубопровода и снижается гидравлическая потеря напора на трение, то есть достигается положительный технический результат.
По сравнению с известной конструкцией, закручивание жидкости во вращающийся скоростной основной поток 9 происходит интенсивнее.
Двух спиральная система закрутки далее осуществляется с помощью элементов третьего 5 и четвертого 6 спиральных витков.
Вогнутая поверхность 10 служит для образования вращающегося пограничного потока 8 с повышенным давлением при движении жидкости под напором.
Выпуклая поверхность 11 служит для создания области пониженного давления, по сравнению с давлением на вогнутой поверхности 10.
Возникновение областей повышенного давления на поверхности 10 и пониженного на поверхности 11 связано с тем, что скорость движения жидкости на вогнутой поверхности 10 ниже по сравнению со скоростью движения на выпуклой поверхности 11.
Ребро 7 служит для разграничения областей повышенного и пониженного давлений жидкости на поверхностях 10 и 11.
Вращающийся пограничный 8 поток служит для уменьшения потерь напора на трение при движении вращающегося основного 9 потока жидкости.
Вращающийся основной 9 поток жидкости служит для преобразования ламинарного течения жидкости в турбулентное.
Ламинарное течение жидкости дает малую пропускную способность трубопровода, а турбулентное - повышенную.
Круг 12, описанный в поперечном сечении витка по наибольшей дуге, служит для определения профиля и величины площади поперечного сечения витка, выбираемых в зависимости от физическо-химических свойств транспортируемой жидкости.
Заявляемая конструкция работает следующим образом.
Входной поток 1 жидкости под напором попадает на начальные участки элементов первого 3 и второго 4 спиральных витков, расположенных в поперечном сечении трубопровода диаметрально противоположно.
На вогнутых поверхностях 10 элементов первого 3 и второго 4 спиральных витков образуются вращающиеся пограничные 8 потоки с увеличенным давлением.
На выпуклых поверхностях 11, по сравнению с вогнутыми 10, при движении жидкости с повышенной скоростью образуется пониженное давление и возникает переток жидкости с образованием основного вращающегося потока жидкости 9.
Вследствие увеличения шага витков при одновременном уменьшении площади их поперечного сечения (заштрихованной области на фиг. 4 и 5) происходит снижение потерь напора на трение по ходу движения вращающегося основного 9 потока и достигается положительный технический результат.
При инерционном прохождении участка с отсутствием спиральных витков потери напора на трение также уменьшаются.
На начальном участке с элементами третьего 5 и четвертого 6 спиральных витков происходит увеличение вращательного движения пограничного 8 и основного 9 потоков жидкости.
Далее по ходу движения жидкости по трубопроводу гидравлические процессы в жидкости повторяются.