Способ транспорта вязкой жидкости Советский патент 1992 года по МПК F17D1/16 

Изобретение относится к способам транспортировки жидкости, в частности к способу ламинарной подачи вязкой жидкости по трубопроводу к обьекту.

Известны различные способы транспортировки нефти. В соответствии с указанным источником транспортировки нефти предлагается производить путем перехода в режим больших расходов следующими способами: быстро повысить температуру нагрева нефти, начать закачку в трубопровод менее вязкого продукта, не снижая температуры нагрева нефти: быстро увеличить напор на станциях перекачки подключением дополнительных насосов.

Кроме того, для всех этих способов предлагается выражение для определения потерь напорн на перекачку подогретых нефтей:

М / 2-т., т

H j21/8i-Qj- J--lj(,)j+Ah, (1)

где ,2,...,M - участки, в пределах которых вязкость нефти с заданной точностью считается постоянной и равной ее среднему значению; j - участки длиной j; Q - расход; Д h - разность геодезических отметок начала и конца трубопровода; Д- - поправка на неи- зотермичность потока в радиальном направлении; vcp m - среднеинтегральная вязкость нефти; dj - диаметр трубопровода j участка; - коэффициент.

Недостатками первых двух способов является сложность их практической реализации, так как весьма трудно быстро повысить температуру большого количества нефти, так же как и не для всякой вязкой жидкости легко найти менее вязкую жидкость, не влияющую на ее свойства или легко отделяющуюся на конечном этапе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является третий способ: быстро увеличить напор на станциях перекачки. Причем необходимую величину напора определять по предлагаемому выражению (1).

(Л

С

vl

4 00

jik

w о

К недостаткам данного способа относятся: отсутствие конкретных рекомендаций для определения разницы между начальной температурой жидкости на входе в трубопровод и температурой стенки тру- бопровода, либо какой-то взаимосвязи между ними при проведении процесса, так как только при указанных определенных условиях можно воспользоваться предлагаемым способом; применимость данного способа только для нефти: наличие лишь приближенного выражения для определения потерь напора, использующие усредненные показатели без учета таких необходимых параметров, как коэффициенты теплоотда- чи, теплоемкости, плотности и других. Усредненные показатели, являющиеся основой расчета данного выражения, дают искаженную информацию. Это связано с тем, что при различной температуре крутизна зависимости напора может значительно отличаться и, следовательно, достигается далеко не всегда существенное увеличение расхода транспортируемой жидкости при максимальном напоре.

Целью изобретения является снижение энергозатрат при транспортировке вязких неизотермических жидкостей путем перевода сэмоохлаждающейся трубопроводной системы в режим минимального гидравлического сопротивления.

Цель достигается тем. что в известном способе неизотермическую вязкую жидкость, находящуюся в трубной системе предварительно нагревают, а затем воздействуют на нее импульсом давления. Величина этого импульса должна превышать значение, определяемое по предлагаемому выражению:

А Р- -ЗгЧ г Е, (од,) - Е, К), (2)

ал2 D 5

а) е-к

где EI (со) / -- d o- интегральный лога- о

рифм;

/5 (То Тст) и MI / (TL-TCT) - безразмерные температурные напоры на входе (О) и выходе (L) из охлаждаемой трубы, при- чем необходимо, чтобы ( ovp.

ft /ь т° - вязкость жидкости из формулы Рейнольдса;

jS- показатель крутизны вискограммы;

а- коэффициент теплоотдачи;

Т- температура:

С - теплоемкость;

L- расстояние от входа в трубопровод;

о - начальное значение,

0 5

0

е

0

5

0

5

0

5

Тст средняя температура стенки трубопровода;

Д - внутренний диаметр трубопровода;

р - плотность жидкости;

я-3.14;

,73 - основание натурального логарифма;

Q - расход жидкости;

АР- гидравлические потери напора в трубопроводе.

Длительность подачи этого импульса определяется временем переходного процесса (до перехода трубопровода в рабочий режим). Этот режим характеризуется превышением количества тепла вносимого, потоком жидкости .поступающей в трубопровод, над количеством отводимого тепла через его стенки при транспортировании (самоохлаждение).

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что пуск трубопровода для транспортировки неизотермической жидкости необходимо производить в предлагаемой последовательности. Рассмотрим фиг. 1, на которой представлена напорно-рас- ходная характеристика А Р f(Q) при больших значениях WQ На фиг. 1 наблюдаются максимум и минимум гидравлического сопротивления.

Транспортировка неизотермической жидкости в режиме, близком к минимуму гидравлического сопротивления АР, позволяет значительно увеличить пропускную способность трубопровода при меньших затратах энергии. Перевод трубопровода в этот режим осуществляется путем подачи импульса давления таким образом, чтобы превысить значение А Ртах. Время подачи гт|П импульса давления А Ртах должно соответствовать переходу всего трубопровода в режим т. В из точки А. Ориентировочно времени прохождения жидкостью всей длины трубопровода. Таким образом, после подачи импульса осуще- сгвляется спонтанный гистерезисный переход режима работы трубопровода в область больших расходов/А - В) при тех же гидравлических потерях АР.

Характер напорно-расходной характеристики охлаждаемого трубопровода зависит от значения безразмерного параметра а)0, а экстремум на кривой A P(Q) появляется

ТОЛЬКО При ВЫПОЛНеНИИ УСЛОВИЯ Ы(Укр.

где Шкр - критическое значение параметра. При со кривая A P(Q) монотонна.

Процесс выполняется в следующей последовательности.

Для конкретно заданного типа насоса, точнее напорно-расходной характеристики

этого насоса и перекачиваемой жидкости, подбирается а)0 такое, чтобы произошло касание падающей ветви характеристики насоса с кривой A P(Q) жидкости в точке А (фиг. 2).

Затем нагревают жидкость до температуры ТКр так, чтобы стало больше . При этом произойдет пересечение кривых 1 и 2 в 3-х точках: А, В и С, где режим, соответствующий т. А, - неустойчивый (фиг. 3).

С целью стабилизации режима жидкости передается импульс, определяемый предлагаемым выражением (2), например, с помощью дополнительного насоса (на фиг. 3)- кривая 3 - совместная напорно-расход- ная характеристика двух насосов). При этом режим трубопровода изображается точкой Д. Этот режим сопряжен с высоким гидравлическим сопротивлением при большом расходе, хоть и стабилизирован,

С целью снижения ЛР импульс сбрасывается. Тогда процесс переходит из т. Д в т. С, характеризующуюся значительно более низким гидравлическим сопротивлением, но высоким расходом и устойчивым режи- мом.

Описываемый эффект наблюдается только при наличии участка немонотонности у напорно-расходной характеристики трубопровода, что достигается лишь при значении М0 w«p . причем для коротких труб «кр 3,2; а для длинных труб 3,6. В свою очередь Шхр является функцией от разности температур между начальной температурой жидкости на входе в трубу и тем- пературой стенки трубы: оц, f (AT /9)

f(To-TcT)/.

Причем для различных вязких жидкостей коэффициент / отличен. Приведем полученные авторами данные.

В предлагаемом описании используются: фиг. 1 - общий случай напорно-расходной характеристики и фиг. 2-4 - последовательные случаи вывода трубопровода в рабочий режим.

Преимущества данного способа по сравнению с прототипом.

Наличие конкретных выраженийдля определения начальной температуры нагрева жидкости перед закачкой в трубопровод, величины импульса давления для перехода в оптимальный режим работы и последовательности действий для перехода в этот режим.

Предлагаемый способ применим для оптимизации режима перекачки не только для нефти, но и многих других иязких жидкостей (глицерин, масла и т.п ).

5

Ю

15 20

5

0 5

5

0

5

Отсутствием необходимости увеличения напора на станциях перекачки подключением дополнительных насосов, так как (точный) правипьный расчет напора и Одер позволит в большинстве случаев использовать один-два насоса, лишь регулируя их производительность.

Эффективность способа выражается в увеличении расхода вязкой жидкости по трубопроводу при ее транспортировке в 10- 100 раз при одних и тех же затратах. Так. например, в предлагаемом примере она составляет 35-53 раза.

П р и м е р. По трубопроводу длиной 10,00 м и диаметром 0.2 м перекачивается подогретый до 120°С глицерин. При этом температура окружающей среды (стенки трубопровода)составляет 20°С

Используя предлагаемое нами расчетное выражение А Р f(Q), строим графическую зависимость - напорно-расходную характеристику охлаждаемого трубопровода (фиг. 4) и определяем границы неустойчивости, участки возрастающих характеристик, необходимое значение импульса давления.

Если падение давления на трубопроводе составляет в пределах 1000-1800 Па, то происходит течение жидкости в одном из двух устойчивых режимов.

Две устойчивые (растущие) ветви напор но-расходной характеристики при этом расположены на значительном расстоянии друг от друга, т.е. в диапазоне падения давления 1000-1800 Па устойчивые значения расходов составляют для первой возрастающей ветви 0,3-2 -10 м /с, для второй возрастающей ветви в этом же диапазоне перепад давления составляет 16-70 м3/с. Здесь наглядно представлено преимущество работы охлаждаемого трубопровода на второй возрастающей ветви характеристики. Выигрыш в увеличении расхода при одних и тех же энергозатратах на перекачку составляет: 35-53, т.е. в среднем выигрыш составляет 44 раза (см. табл. 2)

Аналогичные опыты были проведены и при других параметрах: Т, L, Д. А Р и Q, которые подтвердили увеличение расхода при неизменных энергозатратах (табл. 2).

Формула изобретения

Способ транспорта вязкой жидкости по трубопроводу путем создания импульса давления, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, перед подачей в трубопровод жидкость нагреваю до температуры, достаточной, чтооч выражение а) -/3 (Т0-Тст) стало больше, чем 3,2 и 3,6 соответственно ллч коротких и

линных труб, подают в трубопровод и про- изводят увеличение напора в виде импульса длительностью, равной времени прохождения трубопровода t причем подаваемый им- пульс давления превышает значение, определяемое экстремумом функции АР

-ПО)

А р. Ж0| Е| ы Е, м, (2)

азг D5

ш -ш где EI (ш) - j - d ш- интегральный логао

О)

рифм;

ftfe / (То-Тст) и WL / (TL-TCT) - безразмерные температурные напоры на входе (0) и выходе (L) из охлаждаемой трубы, причем необходимом, чтобы ft)| О)кр,

/3- показатель крутизны вискограммы;

а. - козфсрициент теплоотдачи;

/

)

вязкость жидкости;

Т - температура; С - теплоемкость;

L - расстояние от входа в трубопровод; О - начальное значение;

Тст - средняя температура стенки трубопровода;

Д - внутренний диаметр трубопровода; р- плотность жидкости; е - 2,73;

Д Р - гидравлические потери в трубопроводе;

Ож --значения расходами которых на- блюдается на напорно-расходной характеристике локальный максимум;

х - координата по длине трубы; Ре - критерий Пекле;

1тл:Р2

U - длина трубы;

Q - расход жидкости в трубе.

Сущность изобретения: создают импульс давления. Перед подачей в трубопровод жидкость нагревают до т-ры. достаточной, чтобы выражение (То- Тст) стало больше, чем олср 3.3 и 3,6 соответственно для коротких и длинных труб, где показатель крутизны вискограммы; ТСт - средняя температура стенки трубопровода. Подают в трубопровод и производят увеличение напора в виде импульса длительностью, равной времени прохождения трубопровода. Подаваемый импульс давления превышает значение, определяемое экстремумом функции, определяемой по заданной формуле. 4 ил., 2 табл.

Сравнительный коэффициент крутизны вискограммы

Таблица результатов экспериментов

АР1

Таблица 1

Таблица 2

Фи.1

АР

ДР

Z ФигЗ

0,5 1 2

Ч 8 16 Фиг4

а

$4