СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ Российский патент 2006 года по МПК F17D1/16 F15D1/00 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти и может быть использовано для повышения пропускной способности трубопровода с помощью введения в поток противотурбулентной присадки.

Бытует мнение, что при вводе противотурбулентной присадки в турбулентный поток проявляется эффект Томса. При этом до сих пор принято считать, что необходимым условием проявления эффекта является турбулентность потока. Но нигде не указываются ограничения по характеристикам турбулентности ( степени турбулентности, частоте турбулентных пульсаций, масштабу турбулентности ) в зависимости от характеристик используемого полимера. Между тем исследования показывают, что между основными характеристиками турбулентности и числом Рейнольдса существует не только качественная, но и количественная связь. В частности подобно понятию о критическом числе Рейнольдса Re_кр≥2300 в трубе, которое характеризует переход ламинарного режима к турбулентному, можно утверждать о существовании порогового значения числа Рейнольдса, лишь при превышении которого проявляется эффект Томса.

Известно техническое решение (см. Манжай В.Н., Илюшников А.В., Гареев М.М., Несын Г.В. Лабораторные исследования и промышленные испытания полимерной добавки для снижения энергетических затрат на магистральном нефтепроводе. Инженерно-физический журнал, 1993, том 65, №5), в котором эффект от присутствия противотурбулентной присадки оценивают по пороговому напряжению сдвига на стенке конкретного трубопровода.

Недостаток - оценка присутствия эффекта Томса по пороговому напряжению сдвига на стенке конкретного трубопровода, которое имеет размерность и не имеет критериального вида, что исключает учет требований к противотурбулентной присадке по молекулярной массе, характеристической вязкости (величина характеризует растворимость полимера в жидкости) на основе критерия подобия, выполнение которого обеспечивает присутствие в потоке эффекта Томса.

Цель изобретения - повышение эффективности способа путем критериальной оценки присутствия эффекта Томса на основе определения порогового числа Рейнольдса, рассчитанного с учетом молекулярной массы и характеристической вязкости конкретной противотурбулентной присадки, и сопоставления с числом Рейнольдса турбулентного потока, в который планируется ввод присадки.

Поставленная цель достигается тем, что имея информацию о режиме течения (число Рейнольдса) в турбулентном потоке, целенаправленно формируют требования к свойствам противотурбулентной присадки, обеспечивающие присутствие в турбулентном потоке эффекта Томса, используя выражение

где Re - критерий Рейнольдса в турбулентном потоке, в котором планируется вводить противотурбулентную присадку; Re_пор - пороговое число Рейнольдса турбулентного потока, начиная с которого проявляется эффект Томса; d - диаметр трубопровода; ν - кинематическая вязкость; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; ρ - плотность; М - молекулярная масса полимера; [η] - характеристическая вязкость.

Пример.

Произведем численную оценку порогового числа Рейнольдса: растворитель - нефть, d=0,5 м, ν=6 сСт=0,06·10^-4 м²/с, ^{Т=293 К, ρ=860 кг/м3, [η]=0,6 м3/кг.}

Для образца полимера с молекулярной массой М=20·10⁶ кг/моль получим

В таблице для заданных ранее условий (d=0,5 м, ν=6 сСт=0,06·10^-4 м²/с) приведены результаты расчета турбулентных пульсаций при различных числах Рейнольдса.

Re0,1·10⁵0,2·10⁵0,223·10⁵0,5·10⁵0,661·10⁵1·10⁵ω₀, 1/С0,0580,1940,2350,9631,5713,242

Таким образом, сопоставляя полученные пороговые значения чисел Рейнольдса с соответствующими им величинами турбулентных пульсаций, можно утверждать, что эффект Томса при вводе полимера заданной концентрации (определяет величину характеристической вязкости) может проявиться только в том случае, если величина турбулентных пульсаций будет превышать соответствующее значение, которое может быть рассчитано по формуле

Изобретение может быть использовано для повышения пропускной способности трубопровода с помощью введения в поток противотурбулентной присадки. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности способа путем критериальной оценки присутствия эффекта Томса на основе определения порогового числа Рейнольдса. В способе снижения гидравлического сопротивления в турбулентном потоке, включающем введение в поток противотурбулентной присадки, имея информацию о режиме течения в турбулентном потоке, целенаправленно формируют требования к свойствам противотурбулентной присадки, обеспечивающие присутствие в турбулентном потоке эффекта Томса, используя выражение

где Re - критерий Рейнольдса в турбулентном потоке, в который планируется вводить противотурбулентную присадку; Re_пор - пороговое число Рейнольдса турбулентного потока, начиная с которого проявляется эффект Томса; d - диаметр трубопровода; ν - кинематическая вязкость; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; ρ - плотность; М - молекулярная масса полимера; [η] - характеристическая вязкость. 1 табл.

Способ снижения гидравлического сопротивления в турбулентном потоке, включающий введение в поток противотурбулентной присадки, отличающийся тем, что, имея информацию о режиме течения в турбулентном потоке, целенаправленно формируют требования к свойствам противотурбулентной присадки, обеспечивающие присутствие в турбулентном потоке эффекта Томса, используя выражение

где Re - критерий Рейнольдса в турбулентном потоке, в который планируется вводить противотурбулентную присадку; Re_пор - пороговое число Рейнольдса турбулентного потока, начиная с которого проявляется эффект Томса; d - диаметр трубопровода; ν - кинематическая вязкость; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; ρ - плотность; М - молекулярная масса полимера; [η] - характеристическая вязкость.