Устройство для снижения потерь напора жидкости в трубопроводе

Предложение относится к трубопроводному транспорту, а именно к устройствам, снижающим потери напора воздействием на динамические характеристики потока жидкости и на пограничный слой.

Известно устройство для снижения потерь напора при перемещении жидкости или газа по трубопроводу (патент на ПМ RU №25919, МПК F15D 1/10, опубл. 27.10.2002 в Бюл. №30), содержащее генератор ультразвуковой частоты, кабелем связанный с преобразователем ультразвуковой частоты, причем оно снабжено монолитным наконечником, для съемной установки на трубопроводе, цилиндрическая часть которого предназначена для размещения внутри трубопровода, а коническая связана с преобразователем ультразвуковой частоты при помощи герметичного разъемного соединения.

Недостатками данного устройства являются сложность изготовления и обслуживания, связанные с необходимостью точного изготовления устройства и его настройки для генерации соответствующей потоку и свойствам жидкости ультразвуковой частоты, и необходимость постоянного подвода электрической энергии к генератору.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе (патент RU №2285198, МПК F17D 1/20, F15D 1/06, опубл. 10.10.2006 в Бюл. № 28), включающее средство для закручивания потока жидкости, причем средство для закручивания выполнено из проволоки в виде цилиндрической пружины с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле

где λ - шаг витка, м;

ν- скорость движения жидкости, м/с;

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с².

Недостатками данного устройства являются узкая область применения из-за возможности использования только в устоявшемся потоке и невозможности использования для успокоения потока на выходи из насоса и большие материальные затраты, связанные с необходимостью наличия средства закручивания потока по всей длине трубопровода.

Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание простой и экономичной конструкции устройства для снижения потерь напора жидкости в трубопроводе, позволяющей снижать потери напора в том числе на выходе из насоса и в интервалах повышенной потери напора.

Техническая задача решается устройством для снижения потерь напора жидкости в трубопроводе, включающим средство для закручивания потока жидкости.

Новым является то, что на выходе из насоса расположен раструб с расширением от него с углом не более 20°, переходящим в часть трубопровода с внутренним диаметром, обеспечивающим ламинарный поток жидкости, при снижении гидростатического давления по длине части трубопровода в 2 и более раз, внутренний диаметр сужают раструбом с углом не более 20° до средних значений для аналогичных трубопроводов, причем средство для закручивания потока жидкости устанавливают изнутри сужающегося раструба и в интервалах трубопровода с наибольшими потерями напора.

На чертеже изображено устройство с частичным продольным осевым разрезом.

Устройство для снижения потерь напора жидкости в трубопроводе 1 включает раструб 2, расположенный на выходе 3 из насоса (не показан), с расширением от выходы 3 насоса с углом не более α ≤ 20° (для снижения потерь напора при изменении диаметра), переходящим в часть 4 трубопровода 1 с внутренним диаметром D, обеспечивающим ламинарный поток жидкости. При снижении гидростатического давления по длине L части 4 трубопровода 1 в два и более раз, внутренний диаметр D сужают раструбом 5 с углом не более 20° α ≤ 20° (для снижения потерь напора при изменении диаметра) до средних значений d для аналогичных трубопроводов 1. Причем средство для закручивания потока 6 и 6’ жидкости устанавливают изнутри сужающегося раструба 5 и в интервалах 7 трубопровода 1 с наибольшими потерями напора.

Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность устройства, на чертеже не показаны или показаны условно.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально определяют внутренний диаметр D части 4 трубопровода 1 из формулы:

[1]

где Re - число Рейнольдса;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

ν - скорость потока жидкости, м/с;

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

η - динамическая вязкость, Па⋅с.

С учетом того, что скорость потока трубопровода рассчитывается по формуле:

[2]

где Q - производительность насоса, м³/с;

π≈3,14;

D - внутренний диаметр трубопровода, м.

Для гарантированного ламинарного потока числе Рейнольдса не должно превышать для трубопроводов 2000 (Re≤2000).

Получаем из уравнений [1] и [2]следующую формулу для определения диаметра:

, [3]

где D - внутренний диаметр трубопровода, м;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

Q - производительность насоса, м³/с;

π≈3,14;

η - динамическая вязкость, Па⋅с.

Выбирают трубы для части 4 с внутренним диаметром не менее расчетного диаметра D.

Потери гидростатического давления по длине L части 4 трубопровода 1 определяют по формуле:

[4]

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления (для трубопроводов λ=64/Re, где Re - число Рейнольдса по формуле[1]);

L - длина части 4 трубопровода 1, м;

v - скорость потока жидкости, м/с (см. формулу [2]);

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

g - ускорение свободного падения, g ≈ 9,81 м²/с.

С учетом того, что потери гидростатического давления должны быть более половины начального давления (Δh≥H/2, где Н - начальный напор, определенный на выходе 3 насоса, м), получаем из формулы [4] формулу:

[5]

Собирают часть 4 трубопровода 1 с внутренним диаметром не менее расчетного диаметра D и длиной не менее L. К узкому концу раструба 2 приваривают, например, фланец 8, для герметичного соединения с фланцем 9 выхода 3 насоса, а к широкому насосу соосно герметично присоединяют собранную часть 4 трубопровода 1. Внутрь сужающегося раструба 5 устанавливают средство для закручивания потока жидкости 6 (патент Австрии №134543, патент RU №2285198 или т.п. - авторы на это не претендуют) для уменьшения потерь напора при переходе. Расширенный конец раструба 5 герметично соединяют с частью 4 трубопровода 1, а другой конец - с трубопроводом 1 с внутренним диаметром d, который применяется для типовых трубопроводов, работающих в подобных условиях (авторы на это не претендуют). После сборки трубопровода 1 и присоединения его к выходу 3 насоса. Через трубопровод 1 испытывают под давлением в тестовом режиме, измеряя падения давления на разных участках трубопровода 1. Выбирают интервалы 7 трубопровода 1 с максимальным перепадаем давлений между концами интервала 7, после чего эти интервалы 7 заменяют аналогичными по длине трубами с внутренним диаметром d, оборудованными соответствующими средствами для закручивания потока жидкости 6'.

Благодаря применению подобного устройства нагрузка на выходе насоса снизилась на выходе насоса и, как следствие, снизились нагрузки на подвижные элементы насоса, а межремонтный период благодаря этому в среднем для насосов вырос на 35%. При этом при прокачке через трубопровод 1 жидкости затраты энергии снизились на 7-9 %.

Предлагаемое устройство для снижения потерь напора жидкости в трубопроводе просто и надежно, так как нет сложных и движущихся деталей, при этом снижать потери напора в том числе на выходе из насоса и в интервалах повышенной потери напора.