РАБОЧИЙ УЧАСТОК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЕЕ РАСТВОРОВ ПОЛИИЗОБУТИЛЕНА В КЕРОСИНЕ

Предлагаемая полезная модель относится к области экспериментальной гидродинамики и, в частности, к рабочему участку, входящему в состав установки для исследования течения жидкостей, предпочтительнее растворов полиизобутилена в керосине каналах и трубах.
Предшествующий уровень техники.
В последние годы в литературе появилось много работ, посвященных эффекту снижения турбулентного трения при течении жидкости в каналах и трубах с помощью добавок растворимых полимеров (эффект Томса). Эксперименты показали, что при малых концентрациях полимера (0,01%-0,05% по массе) турбулентное трение снижается на 40%-70%.
Эффект Томса наблюдается при течении многих жидкостей, в том числе и на растворах на основе нефтепродуктов (нефти и керосине). Гидродинамику течения растворов ПИБ в керосине изучали на циркуляционных установках, содержащих центробежный насос, основной бак, рабочий участок трубопровода и мерный бачок. Перепад давления, расход жидкости и температура жидкости на входе рабочего участка измерялись в процессе эксперимента. (См. A.M.Полищук и др. «Влияние малых добавок ПИБ на турбулентные течения керосина в трубе», «Нефтяное хозяйство» №7, июль, 1972 г.).
Как правило, исследования гидродинамического трения проводились па установке без моделирования конвективного теплообмена. В гидродинамических экспериментах, в том числе по изучению течения полимерных растворов, используются установки, в которых длины рабочего участка составляют 150-200 и более калибров. В указанном выше источнике информации длина рабочего участка составляла 3 метра при диаметре трубки 10 мм. Большая длина гидравлического тракта позволяет надежно, с высокой точностью измерять перепады давления в широком диапазоне расходов.
В экспериментах с теплообменом длина рабочего участка не играет большой роли. Поэтому установки с теплообменом имеют сравнительно короткие тракты, стенки которых нагреваются посредством пропускания через них электрического тока. Из-за малой протяженности гидравлического тракта рабочего участка (обычно не превышает 5-15 см) такие установки совершенно не приспособлены для исследования гидродинамического трения. Моделирование интенсивного теплообмена посредством электрического нагрева в рабочих участках большой длины проблематично, так как требует большой мощности трансформаторов.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание рабочего участка, на котором одновременно изучаются гидродинамические и теплообменные процессы течения полимерных растворов жидкостей, т.е. устанавливаются критериальные зависимости, связывающие гидродинамическое трение и интенсивность конвективного теплообмена со скоростным режимом течения жидкостей при разных температурах нагрева рабочего участка.
Эта задача решена за счет того, что рабочий участок для определения параметров течения жидкостей, предпочтительнее растворов полиизобутилена в керосине, включающий трубчатый канал определенной длины, снабженный датчиками, регистрирующими перепад давления жидкости на его входе и выходе, расход жидкости и температуру, при этом рабочий участок представляет собой спиралевидный канал, образованный между внутренней и наружной оболочками экспериментальной цилиндрической секции, которая соединена с генераторной цилиндрической секцией, состоящей из форсуночной головки, работающей на компонентах: газообразном кислороде и жидком керосине, и камеры, внутренний объем которой соединен с газоводом образованным внутренними стенками экспериментальной секции, на выходе которой установлена подпорная шайба, регулирующая расход генераторного газа.
Другими отличиями полезной модели являются:
- весь гидравлический тракт спиралевидного канала разбит поперечными проточками на три участка, при этом средний из них является рабочим участком, на входе и выходе которого установлены датчики: перепада давления, расхода жидкости и температуры;
- экспериментальная цилиндрическая секция содержит несколько последовательно соединенных секций одинаковой конструкции;
- генераторная цилиндрическая секция состоит из нескольких последовательно соединенных охлаждаемых подсекций.
Технический результат состоит в том, что создан компактный и высокоэффективный рабочий участок, па котором можно одновременно проводить изучение гидродинамических и тепловых процессов течения жидкостей с присадками ПИБ при высоких значениях скорости, давления и температуры.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено продольное сечение одной цилиндрической секции с рабочим участком; На фиг.2 представлено продольное сечение цилиндрической секции рабочего участка, соединенной с генераторной секцией; На фиг.3 представлена гидравлическая характеристика цилиндрической секции по результатам испытаний на чистом керосине и керосине с полимерной присадкой ПИБ: о - керосин, без теплообмена, • - керосин,  - керосин с ПИБ 0,05% масс., без теплообмена; На фиг.4 представлен график зависимости подогрева чистого керосина в тракте рабочего участка в зависимости от величины расхода: сплошная линия - расчет; •, о - экспериментальные данные.
Пример реализации полезной модели
Рабочий участок 1 (фиг.1) входит в состав спиралевидного канала 2, образованного между внутренней 3 и наружной 4 оболочками цилиндрической секции 5. Указанная секция 5 может включать в себя несколько последовательно соединенных секций одинаковой конструкции. Спиралевидный канал 2 в сечении имеет квадратную форму. Он разбит двумя поперечными проточками 6 и 7 на три участка, средний из них является рабочим участком. Входной 8 и выходной 9 участки служат для того, чтобы исключить неравномерность скорости жидкости в каналах подогрева, возникающую при повороте потока на 90° в сопряжении каналов охлаждения с входным 10 и выходным 11 коллекторами. Относительная длина рабочего участка составляет 173 калибра. На входе и выходе рабочего участка и цилиндрической секции 5 в целом установлены штуцера 12, 13, 14 и 15 для замера давления жидкости и штуцера 12′, 13′, 14′ и 15′ для замера температуры жидкости.
Цилиндрическая секция 5 соединена с генераторной цилиндрической секцией 16. Эта секция имеет форсуночную головку 17, работающую на компонентах: газообразном кислороде - форсунка 18 и жидком керосине - форсунка 19, и камеру 20. Внутренний объем этой камеры соединен с газоводом 21, образованным внутренними оболочками 3 цилиндрической секции 5. На выходе газовода 21 установлена подпорная шайба 22, регулирующая расход высокотемпературного генераторного газа. Генераторнаяцилиндрическая 16 секция состоит из трех последовательно соединенных охлаждаемых водой подсекций 23.
В процессе испытаний снимались гидродинамические и тепловые характеристики в виде зависимостей перепада давления и подогрева жидкости в тракте охлаждения экспериментальных секций от величины расхода охлаждающей жидкости.
Ниже приводятся результаты обработки результатов испытаний на чистом керосине.
На фиг.3 представлены гидродинамические характеристики в полулогарифмических координатах в виде графиков зависимости коэффициента гидродинамического трения от числа Рейнольдса λ=f(Re), полученные по испытаниям на чистом керосине, и, в этих же координатах, результаты проливок на керосине с присадкой ПИБ концентрации 0,05%. Не вдаваясь в особенности методики обработки измеренных параметров, отметим основные результаты испытаний.
-0,1497
-0,25
Опытные точки для чистого керосина на фиг.3 образуют четко выраженную монотонную зависимость от числа Рейнольдса, которая хорошо аппроксимируется степенной формулой λ=0,1295·Re. Полученная зависимость лежит выше кривой для коэффициента сопротивления в гладкой трубе, рассчитанной по степенной формуле Блазиуса λ=0,3164·Re, и имеет с ней сопряжение при Re ≈ 7500. Такое расположение опытной зависимости относительно кривой для гладкой трубы объясняется совместным влиянием шероховатости внутренней поверхности и криволинейной (спиралевидной) формой каналов охлаждения экспериментальной секции, что согласуется с законами гидродинамики.
-1497
-0,4754
Полученная зависимость для чистого керосина λ=0,1295·Re явилась базовой для сравнения с результатами испытаний в исследовании закономерностей течения керосина с полимерной присадкой ПИБ. Все опытные точки, соответствующие испытаниям с присадкой ПИБ, лежат ниже точек для чистого керосина и также образуют четкую зависимость от числа Рейнольдса. Она хорошо описывается формулой λ=2,1809 Re. Полученные опытные зависимости позволяют оценить снижение сопротивления трения в каналах охлаждения при разных числах Re. Из сопоставления кривых можноотметить, что максимальное снижение гидросопротивления составило приблизительно 52%.
На фиг.4 тепловая характеристика экспериментальной секции в виде зависимости подогрева чистого керосина в тракте охлаждения от величины расхода охлаждающей жидкости представлена в сравнении с величиной расчетного подогрева, который бы имел место в аналогичном испытании, но на чистом керосине. Из этого графика видно, что добавка ПИБ несколько ухудшает охлаждающие свойства керосина. Но по мере увеличения расхода, т.е. с ростом скорости керосина с добавками ПИБ, охлаждающие свойства раствора восстанавливаются до свойств чистого керосина.
Промышленное применение
Предлагаемая конструкция рабочего участка может найти применение практически на всех промышленных предприятиях, где необходимо иметь данные одновременно о теплофизических и гидродинамических свойствах как чистых жидкостей, так и с полимерными присадками.