УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТРУБОПРОВОДЕ

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление трубопровода при перекачивании по нему высоковязких жидкостей и может найти применение при гидротранспорте нефтей, нефтепродуктов, масел, растворов эмульсий, суспензий, расплавов полимеров и других ньютоновских и неньютоновских жидких сред.
Известно устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, описанном в способе транспорта жидкостей по трубопроводу, включающем емкость с мешалкой для предварительного смешения жидкости с инертным газом до ее насыщения, соответствующего температуре и давлению жидкости на входе в трубопровод, и нагреватели для подогрева смеси на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями до температуры на 10-40 градусов выше температуры жидкости на каждом из этих участков трубопровода, обеспечивающей выделение инертного газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода (Патент РФ №2307975 Способ транспорта жидкости по трубопроводу, F17D 1/15, 2007 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность предварительного перемешивания инертного газа в жидкости и главное ее нагревание только на участках за местными сопротивлениями, что увеличивает гидравлические потери на основных линейных участках трубопровода, где нагреватели отсутствуют и перекачиваемая жидкость охлаждается.
Известен транспортный обогреваемый трубопровод, в котором перекачиваемая жидкость нагревается электронагревательными элементами на входе в каждую секцию трубопровода до температуры на 8-15 градусов большей критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе для образования пленки пара на внутренней поверхности трубопровода. Теплоэлектронагреватели представляют собой змеевик, установленный на наружной поверхности трубопровода (Патент РФ №2250870, В65G 53/52, Транспортный обогреваемый трубопровод, 2005 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность нагревания перекачиваемой жидкости на всей длине трубопровода, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления на участках трубы, удаленных от теплоэлектронагревателей. Кроме того, нагревание трубы, и только от нее пристенного слоя жидкости вызывает дополнительные затраты электроэнергии.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту и принятому за прототип является устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающее средство для закручивания потока жидкости, выполненное из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле
2
где λ - шаг витка, м; υ - скорость движения жидкости, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с (Патент РФ №2285198, F17D 1/20, F15D 1/06, 2006 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность применения этого устройства, связанная с подбором маловязкой жидкости, имеющей плотность больше плотности перекачиваемой жидкости, а также невозможность использования для создания газового, воздушного, парового или пенного пристенного слоя из-за быстрой потери устойчивости, перемешивания с перекачиваемой жидкостью и увеличения гидравлического сопротивления.
Техническим результатом предлагаемого устройства для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе является снижение гидравлического сопротивления за счет уменьшения вязкости перекачиваемой жидкости в пристенном слое при нагревании этого пристенного слоя на всей длине трубы.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающем цилиндрическую пружину, установленную внутри трубопровода с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, отличающемся тем, что цилиндрическая пружина представляет собой теплоэлектронагреватель, а шаг витка определяется по формуле
2
где λ - шаг витка, м; υ - скорость движения жидкости в трубе, м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м; g - ускорение свободного падения, м/с.
Изготовление цилиндрической пружины из теплоэлектронагревателя (ТЭН) позволяет нагревать равномерно пристенный слой перекачиваемой жидкости по всей длине трубопровода, снижать вязкость этого пристенного слоя, а значит снижать гидравлическое сопротивление. При нагревании этого пристенного слоя до температуры кипения перекачиваемой жидкости, образующиеся пары создают пристенный паровой слой, что еще больше снижает вязкость пристенного слоя и гидравлическое сопротивление.
Так как ТЭН имеет цилиндрическую форму, а наружный диаметр цилиндрической пружины равен внутреннему диаметру трубы, то контакт ТЭНа со стенкой трубы минимален и нагревание стенки от ТЭНа практически не происходит. Это экономит энергию и уменьшает стоимость перекачивания жидкости по трубопроводу. Поэтому большая часть энергии ТЭНа идет на нагревание пристенного слоя, снижения его вязкости и гидравлического сопротивления.
При уменьшении шага витка пружины ниже наименьшего значения рассчитанного по формуле (2), центробежная сила увеличивается, а так как плотность нагретого пристенного слоя перекачиваемой жидкости меньше плотности основного ее холодного потока, то происходит перемешивание горячего пристенного и холодного основного потока центробежной силой, которая отбрасывает тяжелый холодный поток к стенке, что повышает гидравлическое сопротивление.
При увеличении шага витка пружины сверх заявляемого максимального значения происходит сильное уменьшение длины и тепловыделяющей поверхности ТЭНа на единицу длины и поверхности трубы, что приводит к недостаточному нагреванию пристенного слоя перекачиваемой жидкости, недостаточному уменьшению ее вязкости и гидравлического сопротивления самого трубопровода. В этом случае тепловыделение ТЭНа становится недостаточным для кипения и парообразования пристенного слоя перекачиваемой жидкости, что также увеличивает гидравлическое сопротивление.
Общий вид в разрезе на предлагаемое устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе представлен на чертеже.
Оно состоит из трубы 1 с внутренним диаметром D, в которой установленная цилиндрическая пружина 2, которая представляет собой ТЭН с наружным диаметром D, равным внутреннему диаметру трубы 1, и шагом витка λ, соответствующим формуле (2). ТЭН 2 представляет собой проволоку высокого электрического сопротивления 3 (например, из нихрома), заключенную в круглую оболочку 4 диаметром d из диэлектрического материала, выдерживающего высокие температуры (например, асбеста с минеральными связующими). Так как круглая оболочка 4 касается стенки трубы 1 по линии, то передача тепла от поверхности ТЭНа 2 к стенке трубы минимальна. Концы проволоки 3 ТЭНа 2 присоединены к клеммам 5 источника тока.
Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе работает следующим образом. В трубу 1 подают перекачиваемую жидкость со скоростью υ. На клеммы 5 источника тока подают напряжение. Ток, идущий по проволоке 3 высокого электрического сопротивления ТЭНа 2 нагревает ее и оболочку 4, а от нее и пристенный слой перекачиваемой жидкости, вязкость которой с ростом температуры уменьшается, а значит снижается гидравлическое сопротивление. Так как цилиндрическая пружина установлена на всей длине трубопровода, то уменьшение гидравлического сопротивления происходит также по всей длине, что уменьшает энергозатраты на перекачивание жидкости и стоимость транспортировки ее внутри трубы 1. При высоких токовых режимах тепловая энергия, выделяющаяся телом 2 ТЭНа, нагревает пристенный слой до температуры кипения перекачиваемой жидкости с образованием парового пристенного слоя, вязкость которого значительно меньше вязкости перекачиваемой жидкости. Поэтому жидкость движется внутри парового пристенного слоя по всей длине трубопровода 1 где установлена цилиндрическая пружина, что уменьшает гидравлическое сопротивление и энергозатраты, а значит стоимость транспортировки жидкости по трубопроводу.
Так как даже при нижнем пределе шага витка пружины, равном согласно формуле (2)
центробежная сила при закручивании потока перекачиваемой жидкости в 2 раза меньше силы тяжести, то этой центробежной силы недостаточно для перемещения холодного основного потока жидкости большей плотности из центра трубы 1 на периферию к стенке, и наоборот горячего менее плотного пристенного кольцевого слоя жидкости или пара в центр трубы, что предотвращает перемешивание обоих потоков и способствует устойчивому движению горячей жидкости или пара у стенки трубы 1.
Увеличение шага витка пружины сверх указанного предела, равного согласно формуле (2)
нецелесообразно, так как приводит к уменьшению длины и поверхности тепловыделения ТЭНа на единицу длины трубопровода, а значит уменьшению нагревания пристенного слоя жидкости или даже ее превращению в пар, что уменьшает температуру пристенного слоя и тем самым недостаточно снижает вязкость, а значит мало уменьшает гидравлическое сопротивление и стоимость перекачивания жидкости на всей длине трубопровода.
Целесообразно толщину пристенного слоя горячей жидкости или пара выбирать равной или немного большей толщины круглой оболочки 4 диаметром d. В этом случае основной поток холодной жидкости не соприкасается с ТЭНом 2 и не увеличивает гидравлического сопротивления.
Предлагаемое устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе несложно установить как на действующих, так и на вновь строящихся магистральных, региональных, районных, межзаводских и внутризаводских трубопроводах, предназначенных для перекачивания высоковязких нефтей, нефтепродуктов, суспензий, эмульсий, растворов и расплавов полимеров и других ньютоновских и неньютоновских жидкостей. Оно не требует дополнительных инородных жидкостей или газов для перекачивания основной жидкости, так как пристенный маловязкий слой образуется из основной перекачиваемой жидкости. Устройство несложно в эксплуатации в различных погодных условиях. При снижении температуры и застывании или увеличении вязкости перекачиваемой жидкости достаточно увеличить ток ТЭНа, который разогреет пристенный слой жидкости, уменьшит ее вязкость и гидравлическое сопротивление, а значит снизит энергозатраты и стоимость перекачивания жидкости.