Введение Обзор научнотехнической информации
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Способ снижения сопротивления тела посредством формирования вязкоупругого покрытия. Изобретение относится к транспорту и касается снижения сопротивления движению тел посредством формирования вязкоупругого покрытия их поверхности2. Операциями способа являются: а) определение характеристик турбулентного пограничного слоя при заданной скорости свободного потока, используя граничные условия для жесткой поверхности, имеющей такой же размер и форму, как и поверхность с покрытием, при этом указанные характеристики включают толщину пограничного слоя, фазовую скорость и частоту, соответствующие максимальным энергонесущим возмущениям, профили средней скорости, распределение напряжений Рейнольдса, распределение напряжений сдвига на стенке, и сопротивление трения; б) выбор свойств материала покрытия, включая плотность, комплексный модуль сдвига и толщину покрытия, при которых покрытие, подвергаемое действию вынуждающей функции, идентичной нагрузке, порождаемой этим пограничным слоем и определенной на этапе а), будет обеспечивать максимальный поток энергии в покрытие, не вызывая возмущения поверхности, которые превышают по амплитуде толщину вязкого подслоя; в) определение характеристик этого пограничного слоя на покрытии при заданной скорости свободного потока, используя амплитуды колебаний и поток энергии, соответствующие свойствам материала покрытия, выбранным на этапе б), включая профили средней скорости, распределение напряжений Рейнольдса, распределение напряжений сдвига на стенке и сопротивление трения; г) определение снижения сопротивления трения в процентах как отношение разницы между значениями сопротивления трения с покрытием и без него, определенными на этапе а) и в), к сопротивлению трения, определенному на этапе а), для определения количественных значений состава и конфигурации покрытия; д) формирование вязкоупругого покрытия из материала или комбинации материалов, выбранных на этапах а)-г). Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективности снижения сопротивления движению тел с вязкоупругим покрытием.  Рис.1.2. Вязкоупругое покрытие. Способ транспортирования высоковязких нефтепродуктов и устройства для его реализации Изобретение относится к области транспортирования нефте-продуктов и позволяет снизить удельные энергозатраты при их перекачи-вании. Это достигается тем, что часть нефтепродуктов отводят из нагнетательной полости насоса, нагревают и направляют во всасы-вающую полость насоса в виде пристенного слоя на поверхности враща-ющихся деталей и в нагнетательный трубопровод в виде кольцевой оболочки на его внутренней поверхности. Устройство, реализующее способ транспортирования, выполнено в виде шнековой установки, которая содержит нагнетательный 1 и загрузочный 2 шнеки, нагнетательный патрубок 5, соединенный с нагнетательным трубопроводом 6, неподвижный направляющий аппарат 7, камеру давления 8 с соплом 9, которая размещена между направляющим аппаратом 7 и нагнетательным шнеком. Сопло соединено с межвитковым пространством шнека. Камера давления 8 соединена с нагнетательным патрубком 5 каналом 10, содержащим нагревательный аппарат 11. Нагнетательный трубопровод 6 снабжен устройством 12 для образования пристенного смазывающего слоя на его внутренней поверхности. Устройство 12 соединено каналом 10 после нагревательного аппарата. Другой вариант реализации способа транспортирования высоковязких нефтепродуктов выполнен в виде спирального насоса, содержащего корпус, рабочее колесо с лопастью, установленной на диске с отверстиями. Диск снабжен смазывающими радиальными канавками, сообщающимися между собой, а также с нагнетательной полостью насоса через полый вал и канал, содержащий нагревательный аппарат3. Предполагаемое изобретение относится к области транспортиро-вания нефтепродуктов, а также к области насосостроения. Известен способ транспортирования вязкой нефти по трубопроводу внутри пристенной кольцевой оболочки из маловязкой жидкости, не смешивающейся с нефтью, при этом кольцевую оболочку образуют из жидкости, плотность которой близка или равна плотности транспортиру-емой нефти. Недостатком такого способа транспортирования является необходи-мость создания специального состава жидкости, плотность которой равна плотности транспортируемой нефти, при этом требуются затраты энергии на введение этой жидкости внутрь трубопровода для образования кольцевой оболочки, для чего необходимо использовать насос с давлением в нагнетательном патрубке, превышающем давление в транспортируемом трубопроводе, а также необходимы затраты энергии и применение специального оборудования для отделения нефти от этой жидкости после окончания транспортирования. Такой способ особенно неэффективен при транспортировании нефти на короткие расстояния. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ транспортирования высоковязких жидкостей, состоящий из всасывания и нагнетания их насосами по трубопроводу, при этом на поверхностях вращающихся деталей насосов создается пристенный слой из маловязкой жидкости, снижающей трение перекачиваемой жидкости о поверхности вращающихся деталей. Недостатком этого способа для транспортирования высоковязких нефтепродуктов является низкая эффективность вследствие создания специального состава жидкости, плотность которой должна быть равна плотности перекачиваемых нефтепродуктов, а также затрат энергии на введение этой жидкости в полость насоса и на отделение ее от нефтепродуктов после окончания транспортирования. Такой способ особенно неэффективен при транспортировании на короткие расстояния. Техническая задача, решаемая изобретением, создание способа транспортирования высоковязких нефтепродуктов, в котором снижение потерь на трение достигается при снижении удельных энергозатрат по сравнению с известным способом. Поставленная техническая задача достигается тем, что при транспортировании высоковязких нефтепродуктов путем всасывания и нагнетания их насосами по трубопроводу часть нефтепродукта отводят из нагнетательной подсети насоса, нагревают и направляют во всасывающую полость насоса в виде пристенного слоя на поверхности вращающихся деталей и на внутреннюю поверхность нагнетательного трубопровода в виде кольцевой оболочки. Согласно предполагаемому изобретению гидросмазку в виде пристенного слоя на поверхностях деталей образуют путем нагревания части транпортируемого нефтепродукта, т.е. исключая использование специальной смазывающей жидкости и устройств для ее подачи. Способ реализуется следующим образом. При транспортировании высоковязких нефтепродуктов часть их отводят из нагнетательной полости насоса и нагревают в теплообменном аппарате. В качестве носителя тепла, от которого нагреваются нефтепродукты в теплообменном аппарате, могут быть использованы, например, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, в результате чего осуществляется утилизация тепла. При нагревании нефтепродуктов их вязкость уменьшается и увеличивается текучесть. При этом под действием давления, полученного нефтепродуктами в нагнетательной полости насоса, нагретая высокотекучая жидкость поступает во всасывающую полость насоса, формируя при этом пристенный слой на поверхностях вращающихся деталей. Пример. Транспортирование высоковязкого нефтепродукта, в качестве которого был использован мазут марки Ф 12 ГОСТ 10585-75, осуществлялось на лабораторном стенде по трубе диаметром 50 мм и длиной 8 м. Подача мазута осуществлялась шнековым насосом диаметром шнека 90 мм и его длиной 600 мм с частотой вращения 1000 об/мин. Шнековый насос снабжен на входе в нагнетательный шнек кольцевым соплом, обеспечивающим подачу смазывающей жидкости слоем 2 мм на ступицу шнека, а труба на входе снабжена кольцевой щелью, через которую можно подавать смазывающую жидкость на внутреннюю поверхность трубы в виде кольцевого слоя толщиной 2 мм. Транспортирование осуществлялось двумя способами: без подачи смазывающей жидкости на поверхность ступицы шнека и внутреннюю поверхность трубы транспортировался мазут с температурой 40oС; при втором способе транспортировался мазут также при 40oС, но часть его отводилась из нагнетательного трубопровода и нагревалась в теплообменнике до температуры 80oС и подавалась в виде смазывающего слоя на поверхность ступицы шнека и на внутреннюю поверхность нагнетательного трубопровода. Подача насоса замерялась с помощью мерного бака, потери напора замерялись манометрами, установленными в начале и конце трубопровода, потребляемая мощность шнекового насоса замерялась с помощью мотор-весов. При транспортировании мазута без смазки в первом случае потери напора на длине 8 м составили 4,58 м или 0,57 м на один погонный метр трубы при расходе 8 м3/ч. Потребляемая мощность насоса при этом составила 0,3 кВт. При транспортировании мазута во втором случае потери напора на длине 8 м составили 3,8 м или 0,475 м на один погонный метр трубы при расходе 15,1 м3/ч. Потребляемая мощность насоса составила 0,4 кВт. При этом из нагнетательного трубопровода отбиралось 1,4 м3/ч мазута и нагревалось до 80oС, после чего 0,5 м3/ч подавалось на поверхность ступицы шнека, а 0,9 м3/ч на внутреннюю поверхность трубы. Таким образом, в первом случае удельная энергия для перекачивания мазута составила 0,0375 кВт на 1 м3/ч, а во втором 0,0265 кВт на 1 м3/ч. Следовательно, удельные энергозатраты при перекачивании мазута предлагаемым способом снизились на 29% при этом производительность насосной установки возросла в 1,9 раза. Благодаря низкой вязкости и высокой текучести нагретых нефте-продуктов пристенный слой, сформированный из них, является смазывающей жидкостью, отделяющей перекачиваемые высоковязкие нефтепродукты от поверхностей вращающихся деталей, что значительно снижает потери на трение, повышает производительность насосов и уменьшает удельные энергозатраты на перекачивание нефтепродуктов. При таком способе нет необходимости создавать специальную смазывающую жидкость и после транспортирования отделять ее от нефтепродуктов, так как в качестве смазывающей жидкости используют часть нагретых перекачиваемых нефтепродуктов. При таком способе нет необходимости в установке дополнительных насосов высокого давления для подачи смазывающей жидкости, так как она течет за счет давления, полученного в перекачивающем насосе. При этом часть нагретого нефтепродукта поступает на внутреннюю поверхность нагнетательного трубопровода в виде кольцевой оболочки, отделяя перекачиваемый высоковязкий нефтепродукт от стенки трубопровода, благодаря чему снижаются энергозатраты натранспортирование. Прототипом шнековой насосной установки является шнековая насосная установка грунтозаборного устройства земснаряда, содержащая осевой грунтовый насос, выполненный в виде шнека, неподвижный направляющий аппарат, камеру давления с кольцевым соплом и источник жидкости или газа, при этом камера давления с кольцевым соплом размещен между неподвижным направляющим аппаратом и шнеком, камера давления соединена с источником давления жидкости или газа, а кольцевое сопло с межвитковым пространством шнека Предлагаемая шнековая насосная установка состоит из нагнетательного 1 и загрузочного 2 шнеков, установленных на валу 3 в корпусе 4, нагнетательного патрубка 5, соединенного с нагнетательным трубопроводом 6, неподвижного направляющего аппарата 7, камеры давления 8 с кольцевым соплом 9. Камера давления 8 с кольцевым соплом 9 размещен между направляющим аппаратом 7 и нагнетательным шнеком 1, при этом сопло 9 соединено с межвитковым пространством шнека. Камера давления 8 соединена с нагнетательным патрубком 5 каналом 10, содержащим нагревательный аппарат 11. Нагнетательный трубопровод 6 снабжен устройством 12 для образования пристенного смазывающего слоя на внутренней поверхности, соединенным с каналом 10 после нагревательного аппарата 11. Устройство 12 соединено с каналом 10 посредством канала 13 и насоса 14. Шнековая насосная установка работает следующим образом. При включении приводного двигателя 24 вращается вал 3 с шнеками 1 и 2. Шнек 2 захватывает лопастями нефтепродукты из бункера 18 и подает их через направляющий аппарат 7 на шнек 1. Шнеком 1 нефтепродукт перемещается в нагнетательный патрубок 5 и далее транспортируется под действием давления, создаваемого шнеком 1, по трубопроводу 6 к потребителю. При этом на шнек 1 действует осевая сила, направленная от нагнетательной части к всасывающей, обусловленная разностью давлений на входе в шнек 1 и выходе из него. Часть нефтепродуктов из патрубка 5 поступает в канал 10 и далее в нагревательный аппарат 11, где они нагреваются, а их вязкость значительно снижается. Из нагревательного аппарата 11 нагретые нефтепродукты в виде маловязкой высокотекучей жидкости поступают по каналам 10 и 22 в камеру давления 8, а из нее по кольцевому соплу 9 на поверхность втулки 16 шнека 1, создавая на ней смазывающий пристенный слой из маловязкой высокотекучей жидкости, отделяющий поверхность втулки от высоковязкого малотекучего перекачиваемого нефтепродукта. Благодаря этому снижается трение на втулке шнека 1, снижается закрутка перекачиваемого нефтепродукта втулкой, что повышает производительность шнековой насосной установки и снижает потери на гидравлическое трение. В камере давления 8 маловязкая жидкость давит на диафрагму 23, снижая осевую нагрузку на опорно-упорный подшипник 15, что увеличивает его долговечность и снижает потери на механическое трение в этом подшипнике. Часть нагретого нефтепродукта из канала 10 поступает по каналу 13 в насос 14 и нагнетается им в устройство 12, в котором маловязкая жидкость, например, через кольцевое сопло поступает в нагнетательный трубопровод 6, образуя на его внутренней поверхности пристенный смазывающий слой из высокотекучего нагретого нефтепродукта. Благодаря этому значительно снижаются потери на трениев трубопроводе 6 и повышается производительность шнековой насосной установки. Нагревательный аппарат 11 может быть выполнен, например, в виде теплообменника, где в качестве рабочего тела с высокой температурой могут быть использованы выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания или специально нагретый пар. Формула изобретения 1.Способ транспортирования высоковязких нефтепродуктов, вклю-чающий всасывание и нагнетание их насосами по трубопроводу, отличающийся тем, что часть нефтепродуктов отводят из нагнетательной полости насоса, нагревают и направляют во всасывающую полость насоса в виде пристенного слоя на поверхности вращающихся деталей и в нагнетательный трубопровод в виде кольцевой оболочки на его внутренней поверхности. 2. Устройство, реализующее способ транспортирования высоко-вязких нефтепродуктов по п.1, выполненное в виде шнековой насосной установки, содержащей нагнетательный и загрузочный шнеки, нагнетательный патрубок, соединенный с нагнетательным трубопроводом, неподвижный направляющий аппарат, камеру давления с кольцевым соплом, размещенным между направляющим аппаратом и нагнетательным шнеком, при этом сопло соединено с межвитковым пространством шнека, отличающееся тем, что камера давления соединена с нагнетательным патрубком каналом, содержащим нагревательный аппарат. 3. Устройство, реализующее способ транспортирования по п.1, выполненное в виде спирального насоса, содержащего корпус, смонтированное на полом валу рабочее колесо с лопастью, установленной на диске с отверстиями и смазывающими радиальными канавками, сообщающимися между собой, и нагнетательного трубопровода, отличающееся тем, что радиальные канавки сообщаются через полый вал и канал, содержащий нагревательный аппарат, с нагнетательной полостью насоса. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нагнетательный трубопровод снабжен устройством для образования пристенного смазывающего слоя на внутренней поверхности трубы, соединенным с каналом, содержащим нагревательный аппарат.  Рис.1.3. Шнековая насосная установка в осевом разрез. Математическая модель процессов транспортирования нефти. |