ТУРБУЛЕНТНЫЙ РЕОМЕТР
TURBULENT RHEOMETER

Турбулентный реометр относится к области лабораторного оборудования, используемого для оценки эффективности применения противотурбулентных присадок (ПТП) за счет определения гидродинамических параметров течения жидкости в турбулентном потоке.
Известен турбулентный реометр и способ определения эффективности ПТП, реализуемый посредством турбулентного реометра [Патент РФ на изобретение №2577797 Турбулентный реометр и способ определения эффективности противотурбулентных присадок, реализуемый посредством турбулентного реометра. Опубл. 20.03.16], включающий расходную емкость с шаровым краном, трубку Мариотта, трубку малого внутреннего диаметра для прохождения маловязкой углеводородной жидкости в турбулентном режиме течения, электромагнитный клапан с реле времени для задания отрезка времени открытия клапана, приемную емкость и технические весы для измерения массы жидкости в приемной емкости. Способ определения эффективности ПТП заключается в том, что в расходную емкость через шаровый кран заливают маловязкую углеводородную жидкость, закрывают шаровый кран для обеспечения поддержания постоянного давления в расходной емкости, задают посредством реле отрезок времени и запускают открытие электромагнитного клапана. После автоматического срабатывания реле времени, закрывается электромагнитный клапан, после чего взвешивают на технических весах наполненную приемную емкость. После этого вводят в жидкость ПТП в определенной концентрации, выполняют вышеперечисленные действия и вычисляют снижение гидродинамического сопротивления после введения ПТП. Вышеперечисленные действия выполняют для ряда значений концентраций ПТП в жидкости и затем оценивают эффективность ПТП, получая зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления от значения концентрации ПТП.
Недостатком данного изобретения является отсутствие термостатированной рубашки, в результате чего нет возможности проводить испытания при фиксированной температуре, колебания температуры окружающего воздуха будут оказывать влияние на результаты измерений, также отсутствует возможность проводить испытания при повышенных температурах.
s
p
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату решением, взятым за прототип, является способ измерения величины снижения гидродинамического сопротивления и турбулентный реометр [Манжай В.Н. Турбулентное течение разбавленных растворов полимеров в цилиндрическом канале: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора хим. наук: 02.00.06 / Томский гос. ун-т. - Томск, 2009. - 44 с.]. Рабочим участком реометра является стеклянный капилляр длиной около 1 м и диаметром от 2 до 5 мм. Жидкость вытекает через капилляр при постоянном давлении, создаваемом в ресивере с помощью баллона со сжатым газом. Верхний открытый конец трубки сообщается с рабочей камерой реометра, куда заливается исследуемая жидкость. Через другой конец, снабженный краном, жидкость имеет выход во внешнюю среду и далее попадает в приемник. В приемнике имеется емкость фиксированного объема. Мениск жидкости, двигаясь по мере заполнения приемника, включает и выключает электронный секундомер с помощью датчиков с фотодиодами. На турбулентном реометре замеряют время истечения фиксированного объема чистого растворителя и растворов полимера с различной концентрацией при одинаковых заданных перепадах давления ΔP=ΔP=const. Значение снижения гидродинамического сопротивления рассчитывают по формуле (1):
s
p
где t - время истечения фиксированного объема растворителя (без ПТП), t - время истечения того же объема раствора полимера при том же давлении.
Недостатком такой конструкции реометра является невозможность проведения испытания турбулентных потоков при температуре жидкости выше температуры ее кипения, так как в таком случае при открытии электромагнитного клапана в капилляр вместо жидкости попадает газообразная фаза, и турбулентный поток жидкости не формируется.
Высокие испытательные температуры необходимы при испытании растворов ПТП, предназначенных для закачки в скважины глубиной более 1500 м с высокой скоростью течения.
Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции турбулентного реометра, позволяющей проводить измерения в условиях температуры испытуемой среды выше температуры ее кипения.
Для решения поставленной задачи предлагается:
Турбулентный реометр, включающий расходную емкость и капилляр, оборудованные рубашкой для циркуляции термостатирующей жидкости, напорную магистраль, термостат, термопару и регистратор для контроля температуры исследуемой жидкости, приемную емкость под расчетным избыточным давлением, емкость для слива испытанной жидкости, шаровые краны для подачи и слива исследуемой жидкости и азота, редукторы для создания необходимого давления в расходной и приемной емкостях, тензометрический датчик для измерения времени истечения жидкости, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер.
Технический результат достигается за счет того, что при истечении жидкости с температурой выше температуры ее кипения через капилляр в приемную емкость, находящуюся под расчетным избыточным давлением, не происходит образования газообразной фазы, в отличие от истечения жидкости в атмосферу, когда жидкость переходит в газообразное состояние и турбулентный поток жидкости не формируется. Экспериментально определено, что при избыточном начальном давлении в капилляре и приемной емкости жидкость при высокой температуре не переходит в газообразное состояние и способна перемещаться в турбулентном потоке по капилляру. При этом во время проведения испытания давление в расходной емкости корректируется на величину давления в приемной емкости, в результате чего перепад давления АР остается величиной постоянной.
На фиг. представлена схема турбулентного реометра.
Турбулентный реометр, включает в себя баллон с азотом (1), ресивер (2), напорную магистраль (3), расходную емкость (4) и капилляр (5), оборудованные рубашкой, термостат (6), термопару (7), тензометрический датчик (8), аналого-цифровой преобразователь (9), персональный компьютер (10), приемную емкость (11), емкость для слива испытанной жидкости (12), редукторы Р1 и Р2, шаровые краны К1-К7.
Определение гидродинамической эффективности ПТП с использованием заявляемого реометра осуществляется следующим образом.
За основу реометра для испытания взят капилляр диаметром 1,2 мм длиной 850 мм. Течение жидкости в капилляре осуществляется при постоянном перепаде давления (ΔР=8 МПа). Капилляр и расходная емкость для исследуемой жидкости оборудованы рубашкой, через которую из термостата циркулирует полиметилсилоксановая термостатирующая жидкость (ПМС-100). Контроль температуры исследуемой жидкости осуществляется термопарой и вторичным прибором Термодат-12К5 (регистратором).
Порядок проведения исследования.
При закрытом кране К1 открывают кран К2, заливают через воронку исследуемую жидкость объемом 200-250 мл и закрывают кран К2.
Запускают циркуляцию термостатирующей жидкости через рубашку расходной емкости и капилляра, исследуемая жидкость и капилляр термостатируют в течение 30 минут.
При закрытом кране Кб открывают краны К4 и К3, через редуктор Р1 из баллона с азотом в ресивер и напорную магистраль подают азот, создавая необходимое давление.
При закрытых кранах К5 и К7 открывают кран К6 и с помощью редуктора Р2 создают необходимое давление в приемной емкости. Открывают кран К1 и создают необходимое давление в расходной емкости с испытуемой жидкостью. Включают аналого-цифровой преобразователь и системы записи, открывают кран К8 и производят слив исследуемого образца жидкости через капилляр в приемную емкость для отработанного раствора с заданным перепадом давления. Измерение времени истечения жидкости производят с помощью тензометрического датчика, опрашиваемого аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с частотой 0,5-1 кГц. Полученный цифровой сигнал регистрируют на персональном компьютере, где его обрабатывают с помощью программного обеспечения и выводят результат в виде таблицы данных или графика на монитор.
s
p
Гидродинамическая эффективность ПТП оценивается по относительной величине снижения гидродинамического сопротивления DR. Величина DR является отношением разности коэффициентов сопротивления чистого растворителя и полимерного раствора (Δλ=λ-λ) к значению коэффициента сопротивления растворителя (Δs) и рассчитывается по формуле (2):
s
p
На реометре замеряется время истечения чистого растворителя -дистиллированной воды и раствора ПТП при одинаковых заданных перепадах давления между концами капиллярной трубки ΔP=ΔР=const.
С учетом последнего условия формула (2) для расчета DR уплощается до вида (3):
s
p
где t и t - время истечения фиксированного объема чистого растворителя и раствора полимера, соответственно, через капилляр в турбулентном режиме течения, t=τ2-τ1.
Пример 1. Проведение испытания при температуре 25°C.
Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 8 МПа, в приемную емкость, находящуюся под атмосферным давлением. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения воды составило 9551 мс.
Измеряли время истечения 230 мл 0,05% водного раствора ПТП из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 8 МПа, в приемную емкость, находящуюся под атмосферным давлением. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения образца составило 4842 мс.
Эффект снижения гидродинамического сопротивления (DR) от применения ПТП, рассчитанный по приведенной формуле (2), составил 74,6%.
Пример 2. Проведение испытания при температуре 25°C.
Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений ΔР между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения воды составило 9595 мс.
Разница во времени истечения дистиллированной воды в примерах 1 и 2 составила менее 0,5%.
Измеряли время истечения 230 мл 0,05% водного раствора ПТП из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения образца составило 4887 мс.
Эффект снижения гидродинамического сопротивления (DR) от применения ПТП, рассчитанный по приведенной формуле (2), составил 74,1%.
Разница в эффекте снижения гидродинамического сопротивления (DR) в примерах 1 и 2 составила менее 0,7%.
Пример 3. Проведение испытания при температуре 140°C.
Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 8 МПа, в приемную емкость, находящуюся под атмосферным давлением. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа измерение времени истечения невозможно в связи с фазовым переходом воды в капилляре в парогазовую фазу. Эффект снижения гидродинамического сопротивления противотурбулентными присадками в данных условиях экспериментально не реализуем.
Пример 4. Проведение испытания при температуре 140°C.
Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений ΔР между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения воды составило 9679 мс.
Измеряли время истечения 230 мл 0,05% водного раствора ПТП из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения образца составило 5147 мс.
Эффект снижения гидродинамического сопротивления (DR) от применения ПТП, рассчитанный по приведенной формуле (2), составил 71,7%.
Результаты экспериментов свидетельствуют о возможности применения реометра для количественной оценки эффективности снижения гидродинамического сопротивления растворами ПТП в турбулентном потоке жидкости при температуре выше температуры ее кипения.
Описания устройства турбулентного реометра, характеризующегося признаками, идентичными всем признакам заявляемого решения, в источниках информации не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию изобретения "новизна".
Достижение заявляемого технического эффекта возможно только при использовании всех существенных признаков предлагаемого решения в совокупности, что обеспечивает соответствие его критерию изобретения "изобретательский уровень".
Предлагаемое решение имеет следующие преимущества.
1. Возможность проводить испытания ПТП в турбулентных потоках жидкости в широком интервале чисел Рейнольдса, с высокой точностью измерения времени истечения, при температурах выше температуры ее кипения и при перепадах давления в капилляре до 12 МПа.
2. Применение АЦП позволяет получать данные с точностью измерения до 1000 раз/сек.
3. Возможность обработки полученных данных с помощью программного обеспечения ПК.