Устройство управляемого распыления вязкого потока в трубопроводе
DEVICE FOR CONTROLLED SPRAYING OF VISCOUS FLOW IN PIPELINE

Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а именно, к устройствам облегчения перемещения вязких продуктов воздействием на динамику их движения с помощью электрических средств и механических колебаний и предназначена для облегчения движения в трубопроводе высоковязкой нефти и вязких нефтепродуктов. Известно устройство (патент RU №2346756 С1, 20.02.2009 [1]) включающее форсунку, содержащую корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленную по оси корпуса, трубу для подачи жидкости, на торце которой расположен распыливающий насадок, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости.
Недостатком известного устройства [1] является то, что для работы устройства требуется наличие дополнительного высокоскоростного попутного газового потока в трубопроводе (является невозможным на практике), что сужает область применения и эффективность воздействия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для распыления вязких жидкостей (авторское свидетельство SU №939118 А1, 30.06.1982 [2]), содержащее корпус трубопровода и размещенный внутри распылитель. Недостатками прототипа [2], являются сложность его конструкции, выражающееся в том, что требуется введение приводного шнека для создания повышенного давления в распылителе, требуемого условиями установления режима распыления потока, и отсутствие возможности в реальном времени удержания режима распыления при изменении скорости течения вязкого потока нефти. Кроме того, при низкой производительности оно требует затраты энергии на подачу распыляемой жидкости, которую необходимо подавать в корпус под дополнительным давлением. Всё это сужает функциональные возможности, снижает быстродействие устройства и эффективность его воздействия на поток нефти.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путём повышения быстродействия смены режима распыления нефти и эффективности устройства распыления вязкого потока при управлении в реальном времени условиями распыления потока.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройство управляемого распыления вязкого потока в трубопроводе, содержащее трубопровод с внутренним распылителем потока, дополнительно введены, соосно и последовательно расположенные за отверстием проходного канала распылителя в выходной камере опорное тело с поверхностью обтекаемой криволинейной формы, подвижный стержень и упругая опора, закрепленная в выходной камере и соединенная через подвижный стержень с опорным телом, причем форма выходной части отверстия проходного канала распылителя потока выполнена согласованной с формой поверхности опорного тела, установленного на подвижном стержне.
Предложенное устройство можно использовать непосредственно в потоке нефти и нефтепродуктов разной вязкости и с разной скоростью его движения в трубопроводе с возможностью варьирования в широком диапазоне форм воздействия на динамику распыления вязкого потока в объёме, управляя в реальном времени условиями распыления путем создания требуемого зазора и формы области формирования диффузорного течения вязкого потока для усиления эффекта распыления его струи. Это достигается управлением в реальном времени величиной зазора между выходным отверстием распылителя и соосно с ним установленным опорным телом. Регулировкой расстояния между выходным отверстием распылителя и опорным телом, закрывающем частично или полностью отверстие проходного канала распылителя потока, создаются наилучшие условия распыления струи вязкого потока в трубопроводе. Наличие подвижной опоры - регулируемой длины стержня для управляемого воздействия на значение зазора и форму диффузорного разбрызгивания вязкого потока в широком диапазоне регулирования позволяет предотвращать адгезию и коагуляцию фракций нефти от тяжелых до легких в широком диапазоне скоростей течения вязкого потока в трубопроводе. Необходимое изменение режима распыления потока нефти в проходном канале распылителя и трубопроводе создаются: во-первых, действием регулируемой длины упругой опоры - стержня - крепления опорного тела, влияющим на положение опорного тела в текучей среде; во-вторых, возникновением турбулентного, струйного, переменной плотности течения вязкого потока нефти при переходе из проходного, более узкого, канала распылителя в резко расширяющуюся область трубопровода с опорным телом, соосно установленным на упругой подвижной опоре. Такое исполнение обеспечивает нужные условия возникновения турбулентно струйного течения потока для эффективного его распыления в диффузорной области устройства в течении времени, необходимого и достаточного для эффективного воздействия на весь поток нефти и вязкой жидкости, протекающих по трубопроводу.
Таким образом, с повышением эффективности распыления потока одновременно расширены функциональные возможности устройства.
На фигуре представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство для распыления вязкого потока нефти в трубопроводе (далее «устройство») состоит из, подключаемого к входному участку распылителя (сечение А-А, показано двумя рядами стрелок) трубопровода 1, корпуса распылителя 2 с узким проходным каналом, являющимся частью корпуса устройства и выполняющим роль форсунки - распылителя, связанной с опорным телом 3, размещенным в выходной камере 4 распылителя. Опорное тело 3 с обтекаемой криволинейной формы поверхности установлено соосно с выходным отверстием проходного канала (показан на рисунке двойным рядом длинных стрелок), являющимся входным отверстием камеры выходной камеры 4 распылителя и закреплено на упругой опоре 5 с подвижным стержнем 6. Упругая опора 5 установлена на выходе выходной камеры 4 корпуса 2 распылителя в области выходного сечения Б-Б выходной части камеры 4, подключаемой к входной части выходного трубопровода 1.
Выходная камера 4 соединена проходным каналом корпуса 2 распылителя с подключаемым к нему до входного сечения А-А трубопроводом 1. Внутри выходной камеры 4 на соответствующем расстоянии от выходного отверстия и соосно с проходным каналом помещено, закрепленное на подвижном стержне 6 опорное для вязкого потока тело 3, связанное подвижным стержнем 6 с упругой опорой 5, закрепленной в трубопроводе 1. Размер опорного тела 3, способного совершать продольные движения, может быть выполнен любым, но не превышающим размера выходной камеры распылителя 4. В частном случае, он может быть как меньше, так и больше сечения проходного канала распылителя 2. Формы поверхности опорного тела 3 и поверхности сегмента выемки выхода проходного канала распылителя 2 согласованы, исходя из модели оптимальной формы поверхности для наилучшей эффективности распыления вязкого потока при заданной динамике движения. Форма поверхности опорного тела 3 выбрана плавно сопряженной с продольной образующей внутренней стенки выходной расширяющейся части (попарное разделение кривых стрелок) проходного канала распылителя - форсунки, совмещенной с выходной камерой 4 распылителя, совмещаемой с входом в трубопровод распыленного вязкого потока жидкости.
При технической реализации макетного образца заявляемого устройства корпус 2 распылителя с выходной камерой 4, опорным телом 3, установленным в выходной камере 4 распылителя 2 на подвижном, регулируемой длины, стержне 6. закрепленным на упругой опоре 5. упругая опора 5. связанная с подвижным стержнем 6. выполнена с центральным узлом, обеспечивающим продольные реверсивные движения опорного тела 3. изготовлены но соответствующим требованиям из стали. В качестве опорного тела 3 использован стальной шар диаметром 3.2 мм подшипника ГОСТ Р 52859-2007. Шар подшипника устойчив к радиальной и осевой нагрузке и к абразивному действию вязкого потока.
Устройство распыления потока работает следующим образом.
Структура распылителя вязкого потока состоит из последовательно переходящих друг в друга трех камер разного диаметра: входная камера большого диаметра, проходной канал, исполняющий роль форсунки потока, значительно меньшего диаметра, и выходная камера большого диаметра. Переход поверхности выходного отверстия проходного канала выполнен по образующей внутренней стенки камеры как диффузора. Поверхность выходного отверстия проходного канала имеет криволинейную форму, в частном случае, форму дуги овала, плавно сопрягающейся с продольной образующей внутренней поверхности канала и выходной камеры 4 трубы для последующей передачи вязкой жидкости в трубопровод. В исходном состоянии поток вязкой жидкости из трубопровода I через входную камеру распылителя достаточно большого размера проникает во входную часть, предшествующую входу в проходной канал 2 распылителя. Сила давления (входная часть камеры I распылителя с большим диаметром) вязкого потока при его проникновении в проходной канал (малого диаметра) распылителя резко возрастает (в число раз равных отношению площадей сечений этих частей распылителя). Скачок роста давления в проходном канале приводит к такому же скачку роста скорости течения вязкого потока в проходном канале, переводя ламинарное течение в струйное с высокой скоростью переноса вязких частиц и агломератов потока в проходном канале 2 распылителя. К выходу из проходного канала распылителя раздробленный струйно-кавитационный поток вязких частиц и агломератов вязкого потока приобретает большую кинетическую энергию. Вылетевший из проходного канала 2 распылителя раздробленный на мелкие струи поток вязких частиц сталкивается с опорным телом 3. установленным с малым зазором от выходного отверстия, но осесимметрично на оси струйного движения из канала вязкого потока. Образуемый при этом зазором криволинейный пространственный канал движении струй в этой области перенаправляет их движение к периферийной области выходной камеры 4 распылителя, совмещенной с областью входа в трубопровод I. На траектории движения в криволинейном зазоре вязкие частицы и агломераты струйного потока испытывают многократные касательные столкновения с криволинейными поверхностями элементов (опорного тела 3 и камеры 4), образующих зазор в выходной камере 4. Для создания оптимальных условии многократного столкновения вязких части струй и более эффективного распыления струй на траектории их движения в криволинейном пространстве зазора служит подвижный стержень 6. установленный в упругой опоре 5. с помощью которого устанавливается требуемый зазор для заданных параметров (вязкости и скорости перемещения) потока в трубопроводе 1.
Таким образом, под действием повышенного давления поток через проходной канал 2 распылителя, создавая в проходном канале 2 турбулентный струйно - кавитационный режим движения вязкой жидкости, через выходную камеру 4 распылителя проникает к выходному сечению Б-Б трубопровода 1.
При этом многократные касательные столкновения струй вязкого потока с поверхностями элементов (опорного тела 3 и стенки камеры 4). образующих криволинейный зазор в выходной камере 4. кинетически разрушая крупные агломераты вязких частиц, существен повышают однородность внутренней структуры вязкого потока на выходе достигается управлением в реальном времени величиной зазора между выходным отверстием распылителя и соосно с ним установленным опорным телом. Регулировкой расстояния между выходным отверстием распылителя и опорным телом, закрывающем частично или полностью отверстие проходного канала распылителя потока, создаются наилучшие условия распыления струн вязкого потока в трубопроводе. Наличие подвижного стержня для управляемого воздействия на значение зазора и форму диффузорного разбрызгивания вязкого потока в широком диапазоне регулирования позволяет предотвращать адгезию и коагуляцию фракций нефти от тяжелых до легких в широком диапазоне скоростей течения вязкого потока в трубопроводе. Необходимое изменение режима распыления потока нефти в проходном канале распылителя и трубопроводе создаются: во-первых, действием упругой опоры подвижного стержня крепления опорного тела, влияющим на положение опорного тела в текучей среде: во-вторых, возникновением турбулентного, струйного, переменной плотности течения вязкого потока нефти при переходе из проходного, более узкого. канала распылителя в резко расширяющуюся область трубопровода с опорным телом, соосно установленным на упругой подвижной опоре. Такое исполнение обеспечивает нужные условия возникновения турбулентно струйного течения потока для эффективного его распыления в диффузорной области устройства в течении времени, необходимого и достаточного для эффективного воздействия на весь поток нефти и вязкой жидкости, протекающих по трубопроводу.
Таким образом, с повышением эффективности распыления потока одновременно расширены функциональные возможности и устройства.
На фигуре представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство для распыления вязкого потока нефти в трубопроводе (далее «устройство») состоит из подключаемого к входному участку распылителя (сечение А-А. показано двумя рядами стрелок) трубопровода 1. корпуса распылителя 2 с узким проходным каналом, являющимся частью корпуса устройства и выполняющим роль форсунки распылителя, связанной с опорным телом 3. размещенным в выходной камере 4 распылителя, Опорное тело 3 с обтекаемой криволинейной формы поверхности установлено соосно с выходным отверстием проходного капала (покачан на рисунке двойным рядом длинных стрелок), являющимся входным отверстием камеры выходной камеры 4 распылителя и закреплено па упругой опоре 5 с подвижным стержнем 6. Упругая опора 5 установлена на выходе выходной камеры 4 корпуса 2 распылителя в области выходного сечения 1>-Г> выходной части камеры 4. подключаемой к входной части выходною трубопровода 1.
Выходная камера 4 соединена проходным каналом корпуса 2 распылителя с подключаемым к нему входного сечения A-A трубопроводом I. Внутри выходной камеры 4 па соответствующем расстоянии от выходного отверстия и соосно с проходным каналом помещено, закрепленное на регулируемом по длине стержне 6 опорное для вязкого потока тело 3, связанное управляемым по длине стержнем 6 с упругой опорой 5. закрепленной в трубопроводе 1. Размер опорного тела 3. способного совершать продольные движения. может быть выполнен любым, по не превышающим размера выходной камеры распылителя 4. В частном случае, он может быть как меньше, так и больше сечения проходного капала распылителя 2. Формы поверхности опорного тела 3 и поверхности сегмента выемки выхода проходного капала распылителя 2 согласованы, исходя из модели оптимальной формы поверхности для наилучшей эффективности распыления вязкою потока при заданной динамике движения. Форма поверхности опорного тела 3 выбрана плавно сопряженной с продольной образующей трепней стенки выходной расширяющейся части (попарное разделение кривых стрелок) проходного капала распылителя форсунки, совмещенной с выходной камерой 4 распылителя, совмещаемой с входом в трубопровод распыленного вязкого потока жидкости.
Источники информации.
1. Патент RU №2346756 С1, 20.02.2009.
2. Авторское свидетельство SU №939118 U1, 30.06.1982