ТРАНСПОРТ И ПОДГОТОВКА НЕФТИ
УДК 622.692.4.01
© Коллектив авторов, 2013
Теоретические основы исследования гидродинамики течения технологических сред с противотурбулентными присадками
В.Л. Русинов, д.х.н., С.В. Морданов
(Химико-технологически й и нститут
Уральского федерального университета
им. Б.Н. Ельцина),
Г.А. Артемьев (Институт
органического синтеза
им. И.Я. Постовского УрО РАН),
П.Г. Русинов, И.А. Терещенко,
М.А. Осинцева
(ООО «ФОРЭС-Химия»)
Адрес для связи: osinceva.mariya@mail.ru
Ключевые слова: противотурбулентная присадка, эффект Томса.
В последнее время с целью снижения затрат на транспорт нефти и нефтепродуктов, а также для повышения общей рентабельности транспортных систем особо важно обеспечение повышения эффективности использования трубопроводной сети.
Проблему повышения производительности трубопроводного транспорта можно решить увеличением мощности силовых установок, используемых на насосных станциях. Однако это сопряжено с техническими трудностями и большим объемом капитальных вложений. В связи с указанным значительный интерес представляет снижение гидродинамических затрат при транспорте нефти и нефтепродуктов при тех же мощностях силовых установок [1].
При перекачке нефти и различных углеводородных жидкостей в турбулентном режиме течения возникают повышенные гидравлические сопротивления, которые можно значительно уменьшить введением малых добавок (порядка 2-10 ррт) специальных веществ - стабилизаторов потока или противотурбу-лентных присадок.
В работе [2] показано, что коэффициенты гидравлического сопротивления чрезвычайно малы и отличаются от расчетных. Установлено, что коэффициент трения при турбулентном режиме течения разбавленного раствора полиметилметакрилата в хлорбензоле снижается до 50 % величины для чистого растворителя при массовой концентрации полимера 0,25 %. Обнаруженный эффект автор работы [2] связал с влиянием стенки, предполагая возможность существования в потоке утончающегося пристеночного слоя. Последний образуется в связи с тем, что полимерные молекулы не могут в него проникнуть из-за большого размера и меньшего из-за малой вязкости коэффициента трения по сравнению с растворителем. В дальнейшем эта теория была опровергнута.
Широкое применение противотурбулентных присадок сдерживается недостаточной изученностью явления снижения гидродинамического сопротивления. Изучение этого явления находится на стыке гидродинамики, физикохимии и реологии полимеров.
Theoretical basis of research of hydrodynamics flow technological environments antiturbulent additives
V.L. Rusinov, S.V Mordanov Chemical Technology Institute of the Yeltsyn Ural Federal University, RF, Ekaterinburg), G.A. Artemyev (Institute of Organic Synthesis, Ural Branch of RAS, RF, Ekaterinburg), P.G. Rusinov, I.A. Tereshchenko, M.A. Osintseva (Fores-Chemistry LLC, RF, Ekaterinburg)
E-mail: osinceva.mariya@mail.ru
Key words: ntiturbulent additive, Toms effect.
The article describes theoretical basis of research hydrodynamics flow technology fluids equipped antiturbulent additive ForeFTA. Analyzed the basic experimental approaches Toms effect. Select your preferred estimate reduction turbulence in the flow.
Снижение гидродинамического сопротивления с помощью присадок экономически очень эффективно, так как сравнительно простым способом можно значительно увеличить производительность трубопровода и уменьшить общие расходы за счет сокращения числа насосных станций и энергозатрат на перекачку.
Затраты электроэнергии N (Вт), расходуемой на перекачку
жидкости насосом, можно определить по формуле [3]
N = (1)
где Q - подача насоса, м3/с; рнас - напор, создаваемый насосом, Па; пнас - к.п.д. насоса.
Напор, создаваемый насосом, расходуется на придание скорости потоку, подъем жидкости на необходимую высоту Нг, преодоление трения жидкости о стенки трубопровода и местных сопротивлений трассы. Для простоты примем Нг = 0, тогда
рнас = Рск+ ДЛр+ ДРм.с' (2)
где рск - скоростной напор насоса, Па; Дртр - потери напора на преодоление трения жидкости о стенки трубопровода, Па; Дрмс - потери напора на преодоление местных сопротивлений трубопровода, Па.
Сумму Дртр + Дрмс в международной литературе принято называть статическим давлением (static pressure), скоростной напор рск - динамическим давлением (dynamic pressure) [4].
С энергетической точки зрения скоростной напор отражает кинетическую энергию потока, а суммарный статический напор - потенциальную.
Статическое давление можно вычислить следующим образом:
АРтр+ЛА,Сф(3)
где к - коэффициент трения, зависящий от критерия Рей-нольдса Re; I - длина расчетного участка трубопровода, м; й -диаметр трубопровода, м; р - плотность жидкости, кг/м3; w -средняя (среднемассовая) скорость течения жидкости, м/с; ' -коэффициенты местных сопротивлений. Скоростной напор в общем виде вычисляется по формуле рск= рw2/2. (4)
■ l.
Следует отметить, что расчет скоростного напора по формуле (4) справедлив только для средней скорости течения жидкости w, но не для мгновенной. Последняя в зависимости от режима течения (турбулентного или ламинарного) выражается по-разному. Прежде чем перейти к математической формуле мгновенной скорости течения, поясним природу турбулизации потока. Для этого нужно ввести определение пути смешения Прандтля [5, 6]. Путем смешения Прандтля называют такой путь потока, проходя который некая совокупность частиц жидкости полностью теряет свою индивидуальность, т.е. это расстояние, проходя которое, два слоя жидкости полностью перемешиваются.
При ламинарном течении потока вся кинетическая энергия расходуется на создание скорости течения. Слои жидкости в длинном прямом трубопроводе движутся, не перемешиваясь, т.е. путь смешения Прандтля стремится к бесконечности. Расходование кинетической энергии только на создание скорости возможно лишь в том случае, когда течение устойчиво [6, 7].
В трубопроводе постоянного диаметра с ростом скорости потока неизбежно возникает переизбыток кинетической энергии. В таком случае дальнейший рост скорости при сохранении устойчивости течения, т.е. при несмешивании слоев жидкости, становится невозможным. Избытки кинетической энергии рассеиваются на создание турбулентных вихрей [6]. Для гладких длинных труб экспериментально установлено значение Re = wф/^>2300 (^ - динамическая вязкость жидкости, Па-с), при котором течение потока перестает быть устойчивым, и начинается его турбулизация во всем объеме течения [3]. Если избыток энергии не удалось рассеять на создание относительно крупных вихрей, называемых вихрями первого порядка, то они в свою очередь образуют более мелкие вихри второго порядка, и т.д.
Турбулентные вихри имеют пульсационную природу, т.е. постоянно изменяются во времени по величине и направлению. Однако вихреобразование не может продолжаться бесконечно. Существует минимальный размер турбулентной пульсации, ниже которого кинетическая энергия рассеивается только за счет вязкости. Масштаб вихрей минимального размера называют колмогоровским масштабом [8].
Обобщив приведенные выше факторы, мгновенную скорость турбулентного потока можно представить следующим образом [5]:
^«гн = w + ^ (5)
где w' - пульсационная скорость течения, м/с.
Среднемассовая скорость течения w в установившемся течении характеризуется постоянными направлением и амплитудой, пульсационная скорость - постоянно меняющимися направлением и амплитудой.
Введение в поток противотурбулентной присадки направлено на повышение устойчивости потока, т.е. на снижение его пульсационный скорости w'. При этом согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия, не израсходованная на турбулизацию потока, будет затрачиваться на создание сред-немассовой скорости течения, обеспечивая более высокую подачу насоса по жидкости при тех же затратах кинетической энергии (при том же скоростном напоре).
Введение в поток противотурбулентной присадки снижает тур-булизацию жидкости и таким образом замедляет перемешивание ее слоев. Присадка повышает эффективную вязкость потока, т.е. в какой-то степени наделяет поток свойствами, характерными для неньютоновского течения. Максимальный эффект от введения противотурбулентной присадки должен наблюдаться в области значений Re, близких к 2000-3000, что соответствует области переходного режима течения. В связи с этим оценивать эффектив-
ность работы противотурбулентной присадки логично по изменению турбулизации потока, используя прямые и косвенные признаки. Прямым признаком может служить, в частности, снижение интенсивности турбулентности, частоты турбулентных пульсаций, косвенным - уменьшение гидравлического сопротивления участка трубопровода.
Интенсивность турбулентности I, представляющую собой отношение амплитуды пульсационной скорости течения к сред-немассовой скорости [5], экспериментально измеряют термоанемометрами в газовых потоках и чувствительными тензоре-зисторными датчиками в жидкостях. Эмпирическим путем установлено, что для ньютоновской жидкости, текущей в длинной прямой трубе круглого сечения, при Re = 2300 I = 6,3 %.
Частоту образования турбулентных пульсаций f (Гц) однозначно связывает с характерным геометрическим размером I (м) и скоростью течения w (м/с) критерий Струхаля [9]
Sh = (6)
Для течения в гладкой трубе круглого сечения характерному геометрическому размеру I соответствует внутренний диаметр трубы й. Значения критерия Sh получены эмпирическим путем для широкого диапазона чисел Re. Частоту образования турбулентных пульсаций обычно измеряют парными пьезоэлектрическими датчиками. На измерении частоты образования турбулентных пульсаций основан принцип работы вихревых расходомеров.
Косвенно снижение турбулизации потока можно оценить по снижению потерь напора на участке трубопровода при той же скорости течения, т.е. по снижению гидравлического сопротивления. В данном случае такой подход предпочтительнее, чем, например, измерение частоты образования турбулентных пульсаций или интенсивности турбулентности. Перепад давления на длинном прямом участке трубопровода измеряется достаточно просто и позволяет получить точн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.