ТРУБОПРОВОД Российский патент 1994 года по МПК F17D1/20 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и предназначено для транспортировки жидкостей и газов на большие расстояния (т. е. для магистральных трубопроводов).

В настоящее время транспортировка жидкостей и газов на большие расстояния осуществляется по круглым цилиндрическим трубам.

Однако, в таких трубопроводах происходят большие потери энергии, обусловленные гидродинамическим сопротивлением.

Известен целый ряд технических решений, направленных на снижение гидродинамического сопротивления в трубопроводах. Например, гидродинамическое сопротивление снижают путем применения различных средств для создания кольцевого пристенного слоя маловязкой жидкости, транспортировкой смеси в расслоенном режиме (создают подстилающий слой из воды), наносят на внутреннюю поверхность труб специальные покрытия, вводят в поток поверхностно-активные вещества или полимеры. Однако, все эти способы требуют больших дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат, особенно для магистральных трубопроводов.

Из теории известно, что в расширяющихся трубах, то есть, в диффузорах, в которых отсутствует отрыв пограничного слоя (так называемых безотрывных диффузорах) сопротивление трения может быть меньше, чем в прямой круглой цилиндрической трубе с эквивалентным диаметром. И теоретически могут существовать такие диффузоры, в которых трение равно нулю. Таким образом, снижения гидродинамического сопротивления (далее по тексту ГС) можно добиться путем замены цилиндрической трубы на трубу состоящую из ряда диффузорных секций, т. е. на трубу с периодически меняющимся поперечным круговым сечением, иначе говоря, на волновую трубу. Подобное конструктивное решение меняет также характеристики тепломассообмена, и именно поэтому подобные трубы используются в различных теплообменниках.

Вообще исследования течений в трубах переменного сечения немногочисленны и все они, в основном, проводились в симметричных волновых трубах, когда длина диффузора равна длине конфузора. При этом никто не высказывал даже идею о том, что за счет выбора длинного диффузорного, короткого конфузорного участков в трубах переменного сечения (т. е. в асимметричных трубах) можно получать снижение ГС по отношению к круглой цилиндрической трубе с эквивалентным радиусом, то есть радиусом, равным среднему радиусу трубы переменного сечения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является симметричная волновая труба, состоящая из секций, образованных диффузорами и конфузорами, имеющими криволинейными образующие, со следующим соотношением основных параметров (определенным заявителем по материалам):
= = 0.125 ; = = 0.5 где а - амплитуда образующей диффузора и конфузора, м, (т. е. отклонение текущего значения радиуса от среднего значения);
Lo - общая длина диффузора и конфузора, м;
Lg - длина диффузора, м.

Однако, при транспортировке жидкостей и газов, такая труба с таким соотношением параметров не снижает ГС по сравнению с обычной цилиндрической трубой, так как эффект снижения ГС в диффузоре компенсируется повышением ГС в конфузоре, ввиду их полной симметричности. Кроме того, невыполнение диффузора безотрывным, не позволяет снизить ГС даже в диффузоре.

Цель изобретения - разработать трубопровод, в котором максимально снижено гидродинамическое сопротивление (ГС).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что предложен трубопровод пониженного гидродинамического сопротивления (ГС), состоящий из секций, образованных последовательно соединенными диффузорами и конфузорами, имеющими криволинейные образующие, причем диффузор выполнен безотрывным и длиннее конфузора, при
= = 0.001-0.08 ; = = 0.6-0.9 ;
Новым, по отношению к прототипу, является выполнение диффузора безотрывным и длиннее конфузора, а также геометрические параметры секции трубопровода.

На чертеже изображен трубопровод, общий вид, где 1 - диффузор, 2 - конфузор.

Выбор длины диффузора обусловлен максимальным использованием эффекта снижения ГС в длинных безотрывных диффузорах. Конфузор служит как бы переходом к следующему диффузору.

Характер движения жидкости или газа в единичных конфузорах и диффузорах отличается от течения в секции, состоящей из диффузора и конфузора и тем более отличается от характера течения в трубопроводе, состоящем из большого числа диффузорно-конфузорных секций. Экспериментально определено, что для волновой трубы как и для прямой трубы, существует начальный участок, на котором формируются профили скорости. Только через 4-5 секций поток становится квазистационарным (что говорит о том, что существует не только взаимное влияние конфузоров на диффузоры, но также существует влияние одной секции на другую).

Снижение сопротивления наблюдается только на стабилизированном (квазистационарном) участке волновой трубы и имеет место при следующих условиях:
- течение должно быть безотрывным;
- соотношение Lg/Lo должно быть оптимальным с точки зрения минимизации ГС;
Первое условие выполняется подбором амплитуды "а" и длины волны Lo. Авторами установлено, что для безотрывного течения должно выполняться следующее условие (зависящее в общем случае от значения числа Рейнольдса):
= = 0.001-0.08;
Второе условие выполняется за счет правильного выбора длины диффузорного участка, при соблюдении первого условия. Авторами экспериментально установлено, что длина диффузорного участка Lg должна составлять (60-90% ) от длины волны Lo, т. е.

= = 0.6-0.9;
Взаимное влияние конфузорного течения на диффузорное на стабилизированном участке таково, что профили скорости становятся менее заполненными не только в диффузорной, но и в начальной части конфузорной области. А это означает, что сопротивление трения становится меньше, чем в прямой трубе не только в диффузоре, но и в части конфузора ввиду инерционности, обусловленной вязкостью потока.

В зависимости от геометрии трубы и соотношения длин диффузора и конфузора это изменение ГС может быть различным. Снижение ГС в трубах переменного сечения наблюдается только при некоторых сочетаниях основных геометрических параметров а, Lg, Lo:
= = 0.001-0.08; = = 0.6-0.9;
Конкретные оптимальные значения этих параметров зависят от числа Рейнольдса и определяются экспериментально.

Так, например, для эквивалентного диаметра D = 40 мм, скоростях потока в пределах 5,7-40,3 м/сек, перемещаемая среда - воздух (кинематическая вязкость - 0,000015 м²/с); в этом эксперименте образующие диффузора и конфузора имели форму полупериода синусоиды (синусоида является достаточно плавной образующей для получения безотрывного течения). Диапазон чисел Рейнольдса, характеризующий поток составлял (15000-108000). При этом параметры трубопровода соответствовали
= 0.02 и = 0.7 .

Экспериментальный многосекционный трубопровод был выполнен из дюралюминиевых патрубков, соединенных на фланцах, причем внутренняя поверхность этих патрубков была обработана токарными станками (с числовым программным управлением) для получения заданного профиля. Для этих условий получен оптимум по снижению гидродинамического сопротивления на 48% по сравнению с круглой трубой равного эквивалентного диаметра. Экспериментально авторами получено еще несколько аналогичных результатов. (56) Авторское свидетельство СССР N 1657844, кл. F 17 D 1/08, 1988.

Использование: для транспортировки жидкостей и газов на большие расстояния. Сущность изобретения: трубопровод состоит из секций, образованных последовательно соединенными диффузорами и конфузорами, имеющими криволинейные образующие. Диффузор выполнен длиннее конфузора при заданном соотношении. 1 ил.

ТРУБОПРОВОД, состоящий из секций, образованных последовательно соединенными безотрывными диффузорами и конфузорами, имеющими криволинейные образующие, отличающийся тем, что диффузор выполнен длиннее конфузора при
= a/L_o= 0.001-0.08,
= L_g/L₀= 0.6-0.9,
где a - амплитуда образующей диффузора и конфузора, м;
L_o - общая длина диффузора и конфузора, м;
L_д - длина диффузора, м.