Способ теплообмена ламинарных течений высоковязкой нефти в каналах с трехзаходной шнековой вставкой и устройство для его реализации
METHOD FOR HEAT EXCHANGE OF LAMINAR FLOWS OF HIGH-VISCOSITY OIL IN CHANNELS WITH THREE-THREAD SCREW INSERT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области способов интенсификации конвективного теплообмена и устройствам для транспортировки высоковязких нефтей, может быть использовано в условиях промышленной переработки.
Перекачка высоковязких нефтей с подогревом является самым распространенным способом трубопроводного транспорта, используемым на дату представления заявочных материалов. Сокращение потерь тепла на трубопроводах может быть достигнуто нанесением теплоизоляционного покрытия на трубы, что является достаточно дорогим мероприятием. Высоковязкие нефти характеризуются сложным реологическим поведением и проявляют свойства псевдопластичных жидкостей. Это открывает возможности за счет управления скоростью сдвига в потоке управлять эффективной вязкостью нефти и может привести к существенному снижению гидравлического сопротивление транспортирующих трубопроводов. Реологические характеристики высоковязких нефтей зависят также от температурных условий, при которых выполняют перекачку. При механическом воздействии система подвижна и течет, а при длительном покое (особенно при низких температурах) происходит ее застывание, образуется парафиновая структура, прочность которой возрастает во времени, что порождает значительные энергозатраты, связанные с необходимостью периодически снижать вязкость высоковязких нефтей для  преодоления сил вязкого трения. С целью перекачки нефти после длительного хранения в резервуарах традиционно используют ее (нефти) терморазогрев, способствующий снижению их эффективной вязкости.
Заявленное техническое решение использует метод винтовой закрутки потока высоковязких нефтей, реализуемый по всей длине канала заявленного устройства является одним из перспективных методов интенсификации теплоотдачи при перекачке вязких жидкостей, в каналах заявленного технического решения.
В случаях, когда не допускается сильное повышение гидравлического сопротивления канала для интенсификации теплообмена, используется метод разрушения пристенных слоев жидкости с помощью нанесения винтовой накатки или использование коротких закручивающих устройств.
Однако для высоковязких жидкостей, для которых характерен ламинарный режим течения, эффект от действия винтовой накатки или коротких закручивающих устройств не приводит к решению поставленной задачи [патент на полезную модель № RU158757].
В таких случаях, когда допускается увеличение гидравлического сопротивления каналов, используется закрутка всего потока жидкости. В качестве устройств, обеспечивающих закрутку всего потока жидкости, а не только ее пристенных слоев, наиболее часто используются винтовые, ленточные и шнековые вставки [заявка на изобретение № RU 93037911]. Процессы переноса тепла в каналах с ленточными вставками менее эффективны, чем в каналах со шнековыми вставками. Площадь поверхности теплообмена, приходящаяся на единицу длины канала в первом случае меньше, чем во втором. Публикаций, посвященных процессам переноса тепла в каналах со шнековыми вставками, значительно меньше, причем почти все они рассматривают однозаходные шнековые вставки. При этом очевидно, что влияние закручивания потока на процессы переноса тепла в каналах с однозаходной шнековой вставкой меньше, чем в каналах со вставками, имеющими два, три или большее количество заходов.
Необходимость подбора оптимальной формы интенсификатора по количеству заходов обуславливается тем, что при большом количестве заходов процессы переноса тепла происходят интенсивнее, но, с другой стороны, при увеличении числа ходов возрастает и гидравлическое сопротивление каналов, и металлоемкость оборудования [патент № RU2122167].
Таким образом, в случаях, когда запасы мощности на прокачку жидкости достаточны для обеспечения повышенного гидравлического сопротивления канала целесообразным является использование трехзаходной шнековой вставки, что позволяет достигнуть большей эффективности по сравнению с однозаходной шнековой вставкой при прочих равных условиях.
Этот факт диктует целесообразность исследования процессов переноса тепла в каналах с трехзаходными шнековыми вставками. Подбор оптимальной формы интенсификатора предполагается осуществить на основе создания математической модели теплогидравлических процессов, реализуемых в интенсифицируемых каналах, таким образом, в заявленном техническом решении по средствам выполнения экспериментальных исследований были выявлены оптимальные параметры для обеспечения поставленной задачи по транспортировке высоковязкой нефти в условиях действующего  производства.
Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.
Ламинарное течение
– это течение, при котором жидкость или газ перемещаются слоями без перемешивания и пульсаций [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5].
Реологически сложная среда
– это механическое поведение сред – от ньютоновских жидкостей до твердых тел, подчиняющихся закону Гука [https://megalektsii.ru/s26082t9.html]. Заявителем в качестве реологически сложной среды изучена высоковязкая нефть.
Интенсификатор
– в контексте настоящего описания заявитель понимает под указанным термином любое устройство для интенсификации процесса теплообмена (переноса тепла).
Канал
- в контексте настоящего описания заявитель понимает под указанным термином внутренне пространство трубопровода, по которой движется высоковязкая нефть.
Из исследуемого уровня техники в отношении способа и в отношении устройства заявителем выявлена заявка на изобретение по № RU93037911 «Способ интенсификации конвективного теплообмена и устройство для его реализации». Сущностью является способ, обеспечивающий вращательное движение пристенных слоев потока жидкости или газа, и устройство, в которое введено круговое поперечное сечение трубы, имеющей винтовую волнообразную поверхность. Известное техническое решение относится к области интенсификации конвективного теплообмена и к конструктивным элементам теплообменников. Целью является увеличение теплосъема с единицы площади теплообменной поверхности при умеренном возрастании гидравлических потерь и разработка устройства, которое этот эффект реализует во всех режимах течения - ламинарном, переходном и турбулентном.
Недостатком известного технического решения является, что в устройство введено круговое поперечное сечение трубы, имеющей винтовую волнообразную поверхность, которая не обеспечивает её эффективное использование по назначению. В заявленном техническом решении используется трехзаходная шнековая вставка.
Из исследуемого уровня техники заявителем выявлено источник [Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах / Ю.Г.Назмеев // М.: Энергоатомиздат, 1998. - 376 с.]. Сущностью является описание ламинарного течения в дискретно-шероховатых каналах, для которого присущи низкие коэффициенты теплоотдачи. Показано, что шероховатость на поверхности теплообмена не эффективна для интенсификации теплоотдачи при ламинарных течениях.
Недостатком известного технического решения является недостаточно эффективный теплообмен по отношению к незакрученному потоку, по сравнению с заявленным техническим решением, где закрутка потока осуществляется с помощью вставленного в трубу трехзаходного шнека.
Из исследуемого уровня техники заявителем выявлен источник [Вачагина Е. К. Особенности гидродинамических полей в каналах с трехзаходной шнековой вставкой / Е.К. Вачагина, А. И. Кадыйров, И. А. Конахина, Э. М. Хуснутдинова, - М.: Известия РАН. механика жидкости и газа, 2019, № 3, с. 28–37]. Сущностью является математическая модель, использующая винтовую систему координат, которая адекватно описывает установившиеся ламинарные течения вязкой жидкости в каналах со шнековыми вставками, в том числе в канале с трехзаходной шнековой вставкой. Показано, что использование трехзаходной шнековой вставки приводит к более интенсивному перемешиванию в поперечном сечении канала по сравнению с каналом с однозаходной шнековой вставкой.
Недостатком известного технического решения по сравнению с заявленным техническим решением является отсутствие описания заявленного способа и заявленного устройства в целом, так как в известном техническом решении описана лишь трехзаходная шнековая вставка.
Из исследуемого уровня техники заявителем выявлена полезная модель № RU169527 «Струйный гидравлический смеситель». Сущностью является струйный гидравлический смеситель, содержащий цилиндрическую трубу с входными и выходным патрубками, в которой последовательно по направлению движения потока размещены вихревая камера нефти, вихревая камера воды и успокоительная камера, отличающийся тем, что вихревые и успокоительная камеры образованы корпусом, установленным соосно в цилиндрической трубе и закрепленным в ней на выходе успокоительной камеры, выполненной в виде диффузора, причем вихревая камера нефти выполнена в виде встречно направленного потоку полого конического тела с продольными щелями, а вихревая камера воды выполнена в виде кольцевой полости в корпусе с соплами для впрыска воды в корпус. Струйный гидравлический смеситель, отличающийся тем, что коническое тело вихревой камеры выполнено эксцентрическим.
Таким образом, в известном техническом решении описано устройство в виде трубы, содержащее  успокоительную камеру и вихревую камеру.
Недостатком известного технического решения является, что вихревые и успокоительная камеры образованы корпусом, установленным соосно в цилиндрической трубе и закрепленным в ней на выходе успокоительной камеры, выполненной в виде диффузора. В заявленном техническом решении используется успокоительная камера, представляющая собой металлическую емкость, в которой достигают равномерный профиль скорости.
Аналогов заявленного технического решения по способам теплообмена ламинарных течений высоковязкой нефти в каналах трубопроводов и устройствам для их реализации заявителем из уровня техники не выявлено, поэтому формула изобретения составлена без ограничительной части.
Цель заявленного технического решения
- выявление закономерностей управления гидродинамическими характеристиками течения высоковязких нефтей, систематизация данных о влиянии конфигурации и геометрических параметров интенсификаторов в форме трехзаходной шнековой вставки на гидродинамические характеристики течения и разработка энергосберегающих конструкций, транспортирующие высоковязкую нефть.
Техническими результатами заявленного технического решения
является разработка способа теплообмена ламинарных течений высоковязкой нефти в каналах с трехзаходной шнековой вставкой и устройство для его реализации, позволяющее достигнуть:
- снижения гидравлического сопротивления и затрачиваемой мощности на транспортировку;
- сокращения потерь электроэнергии;
- повышения энергетической эффективности теплообмена;
- усиления интенсификации воздействия на поток;
- компактности теплообменного оборудования и дешевизны способа интенсификации;
- повышения рентабельности процесса транспортировки высоковязкой нефти.
Сущностью заявленного технического решения
заключающийся в том, что
содержащее
является способ теплообмена ламинарных течений высоковязкой нефти в каналах с трехзаходной шнековой вставкой,  высоковязкая нефть из емкости для приема нефти из внешних трубопроводов насосом через расходомер поступает в теплообменный аппарат, далее нефть поступает в первую успокоительную камеру, далее проходит через успокоительную зону для получения равномерных профилей скорости, далее поступает в зону трубопровода, где расположены датчики начальной температуры и начального давления, далее поступает в трубу с трехзаходной шнековой вставкой, поверхность трубы нагревают за счет электрического тока, проходящего по нихромовому проводу, температуру стенки трубы измеряют хромель-копелевыми термопарами, мощность тока определяют при помощи регулируемого лабораторного автотрансформатора, далее нефть поступает в зону трубопровода с датчиками конечной температуры и конечного давления, после чего поступает во вторую успокоительную камеру и далее поступает обратно в емкость для приема нефти из внешних трубопроводов. Устройство для реализации способа по п.1,  емкость  для приема нефти из внешних трубопроводов, которая соединена трубопроводом с насосом для перекачки нефти, насос через расходомер соединен трубопроводом с теплообменным аппаратом, который, в свою очередь, соединен трубопроводом с первой успокоительной камерой, первая успокоительная камера  соединена с успокоительной зоной, успокоительная зона соединена с зоной трубопровода, где расположены датчики начальной температуры и начального давления, зона трубопровода с датчиками соединена с трубой, выполненной с трехзаходной шнековой вставкой, на внешней поверхности трубы выполнены секции нагрева с хромель-копелевыми термопарами с возможностью измерения температуры стенки трубы, поверхность трубы содержит нихромовый провод, который проходит в левую и правую сторону до внутренних фланцев для нагрева за счет электрического тока, труба с трехзаходной шнековой вставкой соединена с зоной трубопровода, содержащей датчики конечной температуры и конечного давления, зона трубопровода с датчиками соединена со второй успокоительной камерой, которая, в свою очередь, соединена трубопроводом с исходной емкостью для приема нефти из внешних трубопроводов.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.
На Фиг. представлена принципиальная схема заявленной установки, где:
1 – входной участок трубопровода;
2 – первая успокоительная камера;
3 – фланцы (по 2 шт.);
4 – успокоительная зона;
5 – зона трубопровода с датчиками начальной температуры и начального давления;
6 – исследуемая труба с трехзаходной шнековой вставкой и внешним обогревом;
7 – зона трубопровода с датчиками конечной температуры и конечного давления;
8 – вторая успокоительная камера;
9 – выходной участок трубопровода;
10 – теплообменный аппарат;
11 – расходомер;
12 – насос;
13 – емкость с жидкостью;
14 – регулируемый лабораторный автотрансформатор (ЛАТР);
15 – трехзаходная шнековая вставка.
описание конструкции заявленного устройства
Далее заявителем приведено .
Заявленное устройство состоит из следующих узлов, связанных между собой сборочными операциями (см. Фиг.).
Емкость 13 (например, металлическая) для приема высоковязкой нефти из внешних трубопроводов соединена трубопроводом с насосом 12 для перекачки нефти. Насос 12 через расходомер 11 соединен трубопроводом с теплообменным аппаратом 10, который, в свою очередь, соединен трубопроводом 1 с первой успокоительной камерой 2. Первая успокоительная камера 2 представляет собой металлическую емкость, в которой достигают равномерный профиль скорости. Первая успокоительная камера 2 связана с успокоительной зоной 4 для получения равномерных профилей скорости. Успокоительная зона 4 связана с зоной трубопровода 5, где расположены датчики начальной температуры и начального давления. Зона трубопровода 5 связана с исследуемым участком рабочей трубы 6 при помощи фланцев 3, которые (фланцы) представляют собой плоскую деталь круглой формы с отверстиями для болтов и шпилек и служат для прочного и герметичного соединения труб друг к другу. Труба 6 выполнена с трехзаходной шнековой вставкой 15 из нержавеющей стали. На внешней поверхности трубы 6 выполнены секции нагрева с хромель-копелевыми термопарами для измерения температуры стенки трубы 6. Поверхность трубы 6 содержит нихромовый провод, где обмотка проводов обозначена штрихпунктирной линией, который проходит в левую и правую сторону до внутренних фланцев 3 для нагрева за счет электрического тока. Мощность тока определяют при помощи регулируемого лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) 14. В зоне трубопровода 7 после трубы 6 расположены датчики конечной температуры и конечного давления, измерение которых происходит при помощи измеритель-регулятора ТРМ 138-Р. Зона трубопровода с датчиками 7 связана со второй успокоительной камерой 8, которая, в свою очередь, соединена трубопроводом 9 с исходной емкостью 13 для приема высоковязкой нефти из внешних трубопроводов.
осуществления заявленного технического решения
Далее заявителем приведено описание .
Исследуемая высоковязкая нефть поступает из внешних трубопроводов в емкость 13. Из емкости 13 насосом 12 нефть поступает через расходомер 11 в теплообменный аппарат 10 для поддержания постоянной заданной температуры. Температура остается постоянной, т.к. начальная температура должна быть одинаковой при экспериментах и численных исследованиях, чтобы провести корректное сравнение своих результатов. Далее из теплообменного аппарата 10 нефть по трубопроводу 1 поступает в первую успокоительную камеру 2.  Успокоительная камера 2 и успокоительная зона 4 служат для успокоения жидкости и придания ей ламинарного характера, так как до них нефть проходит различные повороты, насос, теплообменник, где могли возникать микро и макро вихри, которые приводят к неустойчивости потока и разрушению ламинарного течения. Нефть проходит через успокоительную зону 4 для получения равномерных профилей скорости и поступает в зону трубопровода 5, где расположены датчики начальной температуры и начального давления, измерение которых происходит при помощи измеритель-регулятора ТРМ 138-Р. Далее нефть поступает в трубу 6 с расположенной в ней трехзаходной шнековой вставкой 15. Шнековая  вставка 15 приводит к более интенсивному переносу тепла в поперечных направлениях, по сравнению с известными каналами без вставок, в которых перенос тепла в заданном направлении происходит исключительно за счет теплопроводности нефти.
На поверхности трубы 6 находятся секции нагрева с хромель-копелевыми термопарами для измерения температуры стенки трубы 6. Поверхность трубы 6 нагревается за счет электрического тока, проходящего по нихромовому проводу. Мощность тока регулируется при помощи ЛАТРа 14.
Далее нефть поступает в зону трубопровода 7 с датчиками конечной температуры и давления, а затем во вторую успокоительную камеру 8, после чего нефть поступает обратно в емкость 13 по трубопроводу 9 для повторного эксперимента.
Далее заявителем приведено более подробное описание осуществления заявленного технического решения
.
Регулирование расхода жидкости производится изменением числа оборотов насоса 12 при помощи преобразователя частоты и системой перепуска. Показания давления с датчиков давления и температуры с термопар и термопреобразователей поступают на ПД200 и измеритель-регулятор ТРМ соответственно, и далее может выводиться на ПК. Интенсивность нагрева нагревательной секции регулируется при помощи ЛАТРа, подключенного к амперметрам и вольтметрам для определения силы тока и потребляемой мощности.
Текущие значения температуры стенки трубы 6 во время опытов в ее разных точках измеряли с точностью до 0,1°С. Время, необходимое для определения температуры стенки, составляло не более 10 с. Погрешность при определении температуры стенки в различных точках по длине не превышает 0,1°С. Температура нефти на входе и выходе из трубы 6 контролировалась с точностью до 0,1°С.
При проведении опытов измерения всех величин производили при стационарных условиях теплового и гидродинамического режимов, когда показания приборов остаются стабильными за все время проведения опыта.
3
Исследуемая нефть с эффективной вязкостью более 25 мПа*с поступает из внешних трубопроводов в емкость 13. Из емкости центробежным насосом 12 нефть поступает через расходомер LCT4 11 в теплообменный аппарат 10. КПД при перекачке подогретой нефти составляет 75…80 %. Заявленная установка предназначена для сравнительного исследования гидравлических режимов нескольких эталонных жидкостей (трансформаторное и компрессорное масло, мазут, нефть и пр.). При этом следует иметь в виду, что при переходе к перекачиваемой жидкости повышенной вязкости напор и КПД центробежного насоса, как правило, снижается, а потребляемая мощность возрастает, поэтому центробежный насос обычно (в известных источниках) рекомендуется устанавливать после теплообменных аппаратов. Однако такое расположение в ряде случаев оказывается неосуществимым, так как гидравлическое сопротивление коммуникаций на всасывающей линии оказывается очень большим. В результате насосу не хватает подпора, и он начинает работать с кавитацией.  В связи с данным обстоятельством на заявленной установке основной насос 12 для перекачки высоковязкой нефти установлен перед теплообменным аппаратом 10. В расходомере LCT4 11 реализован алгоритм заявителя для уменьшения воздействия эффекта вязкости на распределение исследуемых параметров. Это делает заявленную установку невосприимчивой к перемене вязкости рабочей среды, при этом также не требуется дополнительной проливки или смены настроек. При измерении различных степеней вязкости посредством одной градуированной кривой степень погрешности расходомера 11 остается неизменной. Рабочий расход диапазона 400 т/ч. Рабочее значение плотности нефти при температуре t = 20°С составляет 850 кг/м.
Температура в замкнутой системе циркуляции остается постоянной за счет отвода теплоты в теплообменнике 10 типа «труба в трубе», охлаждаемом водой. Из теплообменного аппарата 10 нефть поступает в первую успокоительную камеру 2. Успокоительная камера 2 и успокоительная зона 4 служат для успокоения жидкости и придания ей ламинарного характера, так как до них нефть проходит различные повороты, насос, теплообменник, где могли возникать микро и макро вихри, которые приводят к неустойчивости потока и разрушению ламинарного течения. Нефть проходит через успокоительную зону 4 для получения равномерных профилей скорости и поступает в зону трубопровода 5, где расположены датчики начальной температуры t = 20°С и начального давления р = 30 атм., измерение которых происходит при помощи измеритель-регулятора ТРМ 138-Р. Далее нефть поступает в трубу 6 с расположенной в ней трехзаходной шнековой вставкой 15. Шнековая вставка приводит к более интенсивному переносу тепла в поперечных направлениях, по сравнению с известными каналами без вставок, в которых перенос тепла в заданном направлении происходит исключительно за счет теплопроводности нефти. На поверхности трубы 6 находятся секции нагрева с хромель-копелевыми термопарами для измерения температуры стенки трубы. Поверхность трубы нагревается за счет электрического тока, проходящего по нихромовому проводу. Температура на выходе составляет t = 60°С, давление на выходе р = 30 атм. Мощность тока регулируется при помощи ЛАТРа, которая составляет N = 220 В. Далее нефть поступает в зону трубопровода 7, содержащей датчики конечной температуры и давления, зона трубопровода с датчиками 7 связана со второй успокоительной камерой 8, которая, в свою очередь, соединена трубопроводом 9 с исходной емкостью 13 для приема высоковязкой нефти из внешних трубопроводов.
Таким образом, заявителем разработан способ интенсификации конвективного теплообмена за счет интенсификатора в форме трехзаходной шнековой вставки и устройство для его реализации.
достигнуты поставленные цели и заявленный технический результат
Из изложенного выше можно сделать вывод, что заявителем , а именно - выявлены закономерности управления гидродинамическими характеристиками течения высоковязких нефтей, систематизированы данные о влиянии конфигурации и геометрических параметров интенсификаторов в форме трехзаходной шнековой вставки на гидродинамические характеристики течения и разработана энергосберегающая конструкция установки, транспортирующей высоковязкую нефть. При этом разработан способ теплообмена ламинарных течений высоковязкой нефти в каналах с трехзаходной шнековой вставкой и устройство для его реализации, позволяющее достигнуть:
- снижения гидравлического сопротивления и затрачиваемой мощности на транспортировку;
- сокращения потерь электроэнергии;
- повышения энергетической эффективности теплообмена;
- усиления интенсификации воздействия на поток;
- компактности теплообменного оборудования и дешевизны способа интенсификации;
- повышения рентабельность процесса транспортировки высоковязкой нефти.
Апробация заявленного технического решения планируется на реальном производстве в нефтегазодобывающем управлении в ПАО «Татнефть», в частности, одном из филиалов - НГДУ «Нурлатнефть», который является сложным производственным комплексом, оснащенным современным техническим и технологическим оборудованием. В состав управления входят 3 цеха по добыче нефти и газа, цех по добыче сверхвязкой нефти, цех комплексной подготовки и перекачки нефти и цех текущего ремонта скважин. Нефтегазодобывающее управление ведет разработку 31 нефтяных месторождений.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при изучении уровня техники не выявлены технические решения, котором присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.