Вплив додатків поліакриламіду на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб

Abstract

В диссертации экспериментально исследована закономерность влияния добавок полиакриламида (ПАА) на потери напора во внезапных сужениях и расширениях труб диаметрами до 50 мм. Приведён обзор гипотез, объясняющих эффект Томса, и анализ факторов, влияющих на потери напора в местных сопротивлениях при введении в поток гидродинамически активных добавок (ГДАД). Проведены эксперименты по влиянию водных растворов ПАА на значения коэффициентов сопротивления внезапных сужения и расширения труб. Выявлено, что если в местных потерях напора преобладают потери на трение, что имеет место при m>0,7 для внезапного сужения труб и при n<(4,1…6,4), для внезапного расширения, то при Re>104 общие затраты энергии снижаются. Если же потери на изменение формы определяющие, соответственно при m<0,7 и n>(4,1…6,4), добавки ПАА вызывают увеличение сопротивления. Установлено, что относительное изменение коэффициентов местных сопротивлений при введении в поток растворов ПАА при концентрациях до 10–4 кг/кг включительно описывается зависимостью одинаковой структуры как для внезапных расширений трубы, так и для её внезапных сужений. Получено максимальное увеличение сопротивление внезапного расширения трубы добавками ПАА при степени расширения n=12,6±0,9 и С≤Сopt≈10–4 кг/кг, где Сopt – оптимальная концентрация. При концентрациях, не привышающих 10–4 кг/кг, и m≤0,3 значения относительного изменения коэффициентов сопротивления внезапных сужений труб не зависят от степени сужения потока m. Уточнён механизм действия полимерных добавок на потери энергии потоков жидкостей во внезапных сужениях и расширениях труб, базирующейся на том, что в тех местных сопротивлениях, где преобладают потери на трение, добавки уменьшают гидродинамическое сопротивление, а при доминировании сопротивления формы – увеличивают его. Выявлена похожесть явлений влияния ПАА на турбулентность в случае наличия твёрдых стенок и без них. Подтверждён механизм, предложенный Б.Липатовым. Предложен алгоритм расчёта потерь энергии во внезапном расширении труб как удельной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления потока при течении жидкости в трубопроводе. Его суть состоит в замене по известной модели местного сопротивления фиктивной цилиндрической трубой и использовании известной формулы расчёта потерь энергии в прямой цилиндрической трубе по удельной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления потока. Использование данного алгоритма даёт возможность рассчитать необходимую мощность двигателя при перемищении жидкостей в трубопроводных системах, насыщенных местными сопротивлениями. В общем случае решена задача регулирования расходов жидкости в гидравлической системе введением в поток ГДАД. При этом изменение расходов осуществляется с помощью блоков трубок постоянного и переменного сечений, установленных на отдельных трубопроводах. Разработан и запатентован способ перераспределения расходов текучей среды введением в поток ГДАД. При его использовании достигается непрерывное формирование необходимых соотношений расходов в отдельных трубопроводах без привлечения посторонних источников энергии. Показано, что исходя из количества затраченной электроэнергии экономический эффект от использования ПАА при течении жидкостей в местных сопротивлениях как регуляторах давления или расхода увеличивается с увеличинием глубины регулирования расхода (давления). Последняя величина зависит от геометрических характеристик сопротивления и значений даметров, расхода жидкости и гидродинамической эффективности добавок. Результаты работы внедрены на предприятиях с разветвлёнными трубопроводными системами. Получен экономический эффект в размере 40,9 тыс. грн.

In the thesis the legitimacy of influence of the polyacrylamide (PАА) additives on pressure losses of sudden narrowings and expansions in pipes by diameters up to 50 mm is experimentally explored. The experiments on influence of PАА water solutions on values of resistance factors of sudden narrowing and expansions in pipes are carried out. The mechanism of influence of the polymeric additives on power losses of fluids flows of sudden narrowings and expansions in pipes is improved. The mechanism offered by Lipatov B.V. is confirmed. The algorithm of calculation of power losses of sudden expansion in pipes as specific powers spent on overcoming of resistance at transportation of a fluid is offered. The method of redistribution of the flow rates of fluid medium by introduction in a flow hydrodynamic active additives (HDAA) is elaborated and patented. Thus the change of the flow rates is carried out with the help of blocks of tubes of constant or variable sections. It is shown, that the economic benefit of use PАА at transportation of fluids, being based on an incremental value of the wasted electric power, is determined depending on change of pressure losses by the additives. The results of thesis are introduced at the plants with the bifurcated pipeline systems.

В диссертации экспериментально исследована закономерность влияния добавок полиакриламида (ПАА) на потери напора во внезапных сужениях и расширениях труб диаметрами до 50 мм. Приведён обзор гипотез, объясняющих эффект Томса, и анализ факторов, влияющих на потери напора в местных сопротивлениях при введении в поток гидродинамически активных добавок (ГДАД). Проведены эксперименты по влиянию водных растворов ПАА на значения коэффициентов сопротивления внезапных сужения и расширения труб. Выявлено, что если в местных потерях напора преобладают потери на трение, что имеет место при m>0,7 для внезапного сужения труб и при n<(4,1…6,4), для внезапного расширения, то при Re>104 общие затраты энергии снижаются. Если же потери на изменение формы определяющие, соответственно при m<0,7 и n>(4,1…6,4), добавки ПАА вызывают увеличение сопротивления. Установлено, что относительное изменение коэффициентов местных сопротивлений при введении в поток растворов ПАА при концентрациях до 10–4 кг/кг включительно описывается зависимостью одинаковой структуры как для внезапных расширений трубы, так и для её внезапных сужений. Получено максимальное увеличение сопротивление внезапного расширения трубы добавками ПАА при степени расширения n=12,6±0,9 и С≤Сopt≈10–4 кг/кг, где Сopt – оптимальная концентрация. При концентрациях, не привышающих 10–4 кг/кг, и m≤0,3 значения относительного изменения коэффициентов сопротивления внезапных сужений труб не зависят от степени сужения потока m. Уточнён механизм действия полимерных добавок на потери энергии потоков жидкостей во внезапных сужениях и расширениях труб, базирующейся на том, что в тех местных сопротивлениях, где преобладают потери на трение, добавки уменьшают гидродинамическое сопротивление, а при доминировании сопротивления формы – увеличивают его. Выявлена похожесть явлений влияния ПАА на турбулентность в случае наличия твёрдых стенок и без них. Подтверждён механизм, предложенный Б.Липатовым. Предложен алгоритм расчёта потерь энергии во внезапном расширении труб как удельной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления потока при течении жидкости в трубопроводе. Его суть состоит в замене по известной модели местного сопротивления фиктивной цилиндрической трубой и использовании известной формулы расчёта потерь энергии в прямой цилиндрической трубе по удельной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления потока. Использование данного алгоритма даёт возможность рассчитать необходимую мощность двигателя при перемищении жидкостей в трубопроводных системах, насыщенных местными сопротивлениями. В общем случае решена задача регулирования расходов жидкости в гидравлической системе введением в поток ГДАД. При этом изменение расходов осуществляется с помощью блоков трубок постоянного и переменного сечений, установленных на отдельных трубопроводах. Разработан и запатентован способ перераспределения расходов текучей среды введением в поток ГДАД. При его использовании достигается непрерывное формирование необходимых соотношений расходов в отдельных трубопроводах без привлечения посторонних источников энергии. Показано, что исходя из количества затраченной электроэнергии экономический эффект от использования ПАА при течении жидкостей в местных сопротивлениях как регуляторах давления или расхода увеличивается с увеличинием глубины регулирования расхода (давления). Последняя величина зависит от геометрических характеристик сопротивления и значений даметров, расхода жидкости и гидродинамической эффективности добавок. Результаты работы внедрены на предприятиях с разветвлёнными трубопроводными системами. Получен экономический эффект в размере 40,9 тыс. грн.