УСТРОЙСТВО РАЗОГРЕВА ВЯЗКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ ПРИ ИХ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ТРУБОПРОВОДАМИ
DEVICE FOR HEATING-UP OF VISCOUS DIELECTRIC PRODUCTS DURING THEIR TRANSPORTATION THROUGH PIPELINES

Изобретение относится к технике нагрева с помощью микроволновой энергии и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при транспортировке по трубопроводам вязких диэлектрических продуктов, нефти и нефтепродуктов.
Известны способ микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси и устройство для его осуществления (Пат. №2327865, опубл. 27.06.2008). Устройство содержит узел ввода СВЧ-энергии, расположенный с торца трубопровода, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ-тракта, и узел ввода обрабатываемой среды, расположенный на боковой стенке возле узла ввода СВЧ-энергии. При этом трубопровод используют в качестве волновода.
Использование устройства приводит к диссипации энергии в объеме нефтепродуктов и в конечном счете ведет к их нагреву и уменьшению вязкости. Устройство используют для обработки нефтепродуктов перед их вводом в трубопровод.
СВЧ-энергия, воздействуя на полярные жидкости, приводит к их дипольной переориентации с частотой поля и в конечном счете к объемному выделению тепла внутри потока и, как следствие этого, к уменьшению вязкости и улучшению эффективности перекачки. Однако введение СВЧ-энергии через торец трубопровода предполагает его остановку. Использование трубопровода в качестве волновода приводит к значительным потерям энергии в металле ввиду скин-эффекта СВЧ-токов, а также к ограничениям частотного диапазона используемых СВЧ-полей, что связано с частотной дисперсией круглых волноводов. Необходимо также добавить, что СВЧ-волна, введенная через торец волновода, заполненного средой с заданным тангенсом угла потерь на СВЧ, будет быстро затухать по мере удаления от места введения ее в трубопровод, что приведет к местному перегреву нефтепродуктов. В случае восстановления нефтепровода, закупоренного асфальтопарафиновыми пробками, или при газогидратных отложениях такой подход неэффективен.
Известно устройство для снижения вязкости нефти и нефтепродуктов при помощи комплексного воздействия микроволновой энергии и ультразвукового излучения, содержащее секцию микроволновой обработки и секцию ультразвуковой обработки (Пат. РФ №2382933, опубл. 27.02.2010). Секция микроволновой обработки содержит магнетронные генераторы, рупорные излучатели и окна связи с круглым волноводом, имеющим внутри коаксиально расположенную трубу из радиопрозрачного материала. В этом устройстве микроволновая энергия подается в трубопровод, который играет роль круглого волновода, посредством рупорных излучателей. Рупорные излучатели излучают электромагнитные волны в трубопровод через окно связи. Данное устройство наиболее близко к предлагаемому и принято за прототип.
Устройство-прототип имеет следующие недостатки:
1. Использование трубопровода в качестве цилиндрического волновода накладывает ограничения на частотный диапазон используемой электромагнитной энергии ввиду того, что волновод является диспергирующим устройством, в котором условия распространения волн сильно зависят от частоты, а в ряде случаев приводят к скачкообразному изменению этих условий, т.е. к «отсечке» распространения электромагнитных волн.
2. Излучение волн с помощью рупорных излучателей в среду с резким изменением диэлектрической проницаемости и проводимости приводит к значительным отражениям и может привести к неэффективному использованию энергии источника, а при коэффициентах стоячей волны более 3 и к полному выходу устройства из строя (нефть с высоким содержанием влаги и газогидраты).
3. Рупорные излучатели, обращенные выходом в трубопровод, предполагают создание значительного отверстия в трубопроводе, что существенно ухудшает прочностные характеристики последнего.
4. Излучение электромагнитных волн через рупорные излучатели предполагает неравномерность прогрева нефтепродуктов как в осевом, так и в поперечном направлениях.
5. Введенная в устройство ультразвуковая секция, охлаждаемая водой, с магнитострикционными излучателями, помещенными в трубопровод, делает устройство громоздким и сложным в технической реализации. Магнитострикционные излучатели существенно уменьшают сечение трубопровода. Хотя, как показано в описании изобретения, дополнительное ультразвуковое воздействие значительно ниже электромагнитного.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в равномерном по всему объему прогреве нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводу, повышении компактности и надежности работы устройства.
Для достижения указанного технического результата в устройстве разогрева вязких диэлектрических продуктов при их транспортировке трубопроводами, содержащем источник микроволнового излучения, излучатели, волновод, коаксиально установленную внутри трубопровода трубу из радиопрозрачного материала, на внутренней поверхности которой расположен волновод, выполненный в форме спиралевидной металлической полосы, на которой расположены на одинаковом от друг друга расстоянии, обеспечивающем беспрепятственное прохождение токов излучения, выполненные в виде щелей излучатели, источник микроволнового излучения соединен со спиралевидной полосой с излучателями через коаксиальный кабель. Кроме того, расстояние между излучателями составляет λ/4 средней длины волны, коаксиальный кабель и спиралевидная полоса с излучателями имеют одинаковое волновое сопротивление, труба из радиопрозрачного материала плотно прилегает к трубопроводу и выполнена из тефлона.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:
- расположение компактного волновода на внутренней поверхности трубы из радиопрозрачного материала,
- выполнение волновода в форме спиралевидной металлической полосы,
- на спиралевидной полосе расположены излучатели, выполненные в виде щели,
- излучатели находятся на одинаковом от друг друга расстоянии, которое обеспечивает беспрепятственное прохождение токов излучения,
- источник микроволнового излучения соединен с излучателями через коаксиальный кабель.
Кроме того, расстояние между излучателями составляет λ/4 средней длины волны, коаксиальный кабель и спиралевидная полоса с излучателями имеют одинаковое волновое сопротивление, труба из радиопрозрачного материала выполнена из тефлона и плотно прилегает к трубопроводу.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков устройства достигается равномерный объемный прогрев нефтепродуктов внутри трубопровода введением в него системы взаимодействия в виде компактного волновода, расположенного на внутренней поверхности трубы из радиопрозрачного материала и выполненного в форме спиралевидной полосы из металла, на которой равномерно от друг друга расположены излучатели микроволновой энергии в форме щелей. Подобное расположение излучателей позволяет равномерно распределить микроволновую энергию внутри трубопровода и тем самым обеспечить равномерный объемный прогрев нефтепродуктов. Спиралевидная металлическая полоса с излучателями совместно с трубой образуют несимметричную полосковую линию передач. Повышение надежности работы устройства обусловлено следующим. Трубопровод не является волноводом, поэтому практически нет ограничений по частотному диапазону волн, а также исключается возможность появления так называемых «отсечек» распространения электромагнитных волн. Использование компактного волновода в форме спиралевидной металлической полосы с равномерно распределенными на ней излучателями позволяет исключить отражение электромагнитных волн и тем самым предотвратить полный выход устройства из строя. Источник микроволнового излучения соединен с излучателями с помощью коаксиального кабеля, проходящего через небольшое отверстие в трубопроводе, а это повышает прочностные характеристики трубопровода и в итоге надежность работы устройства в целом.
Предлагаемое устройство разогрева вязких диэлектрических продуктов при их транспортировке трубопроводами иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показан общий вид устройства, продольный разрез; на фиг.2 - схематично узел ввода микроволновой энергии в трубопровод.
Устройство (фиг.1) содержит трубу 1 из радиопрозрачного материала, в частности тефлона, так называемая «тефлоновая вставка». Труба 1 (или «тефлоновая вставка») установлена внутри трубопровода 2, по которому транспортируется нефть. Труба 1 плотно прилегает к трубопроводу 2 и не допускает в случае возникновения, что маловероятно ввиду использования маломощных источников излучения, пробоя напряжения на стенку трубопровода 2. На внутренней поверхности 3 трубы 1 расположен волновод 4. Волновод 4 представляет собой металлическую спиралевидную полосу 5. На полосе 5 расположены излучатели 6. Излучатели 6 выполнены в форме щелей. Излучатели 6 находятся на одинаковом от друг друга расстоянии, равном λ/4 средней длины волны. Такое расстояние обеспечивает беспрепятственное прохождение токов излучения по спиралевидной полосе 5. Ввод микроволновой энергии показан на фиг.2, который может быть реализован через небольшое отверстие 7 в трубопроводе 2 с помощью коаксиального кабеля 8, центральный электрод 9 которого подсоединен к спиралевидной полосе 5. Коаксиальный кабель 8 соединяет источник микроволнового излучения (не показан) и волновод 4 в форме спиралевидной полосы 5 с излучателями 6.
Такой подход позволяет вводить микроволновую энергию равномерно во весь объем трубопровода 2 и решает проблему согласования нагруженного коаксиального кабеля 8 с источником микроволнового излучения, а также использовать сравнительно маломощные источники излучения, тем самым решить проблему пробоев.
Спиралевидная полоса 5 с излучателями 6, как и коаксиальный кабель 8, являются широкополосным фидером. Это позволяет использовать микроволновую энергию как СВЧ-, так и ВЧ-диапазонов, что делает эффективным электромагнитный нагрев для разных углеводородных систем.
Работа предлагаемого устройства разогрева осуществляется следующим образом. Устройство работает в поточном режиме. Движущийся поток обрабатываемой среды (нефтепродукты) при прохождении через устройство микроволновой обработки разогревается под воздействием микроволновой энергии. Это обусловлено воздействием микроволновой энергии на полярные молекулы, происходит их дипольная переориентация, молекулы совершают колебательные движения, что в итоге и приводит к выделению тепла, а это ведет к уменьшению вязкости обрабатываемой среды и в итоге к эффективной транспортировке нефтепродуктов.
Подобные устройства разогрева нефтепродуктов могут быть установлены с необходимой периодичностью вдоль трубопровода 2, что будет особенно эффективно в условиях крайнего Севера. Применение предлагаемых устройств микроволнового подогрева может оказаться очень эффективным также в местах выхода трубопроводов на поверхность земли или в местах выхода трубопроводов из северных морей. Кроме того, использование устройства эффективно и при борьбе с газогидратными и асфальтопарафиновыми отложениями в некоторых критических точках газо- и нефтепроводов.