Регулювання витрати рідини в трубопроводах введенням у потік гідродинамічно активних додатків

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних і експеримен-тальних досліджень доповідалися та обговорювалися на дев’яти конференціях (див. список опублікованих робіт) та на трьох наукових семінарах: на 138 та 140 засіданнях українського наукового семінару з гідравліки в Українському транспортному університеті відповідно 17. 03. 98р та 17. 02. 99р; на міжкафед-ральному фаховому науковому семінарі “Гідравліка та інженерна гідрологія” в Рівненському державному технічному університеті 27. 05. 99р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи отримано патент України на винахід на спосіб та пристрій і опубліковано 15 друкованих праць, з них 3 – у Віс-нику ДУ «Львівська політехніка»; 3 – в науково-технічному збірнику «Гідравліка і гідротехніка» та 9 – в матеріалах конференцій (5 доповідей та 4 тези доповідей).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг дисертації: 157 сторінок, включаючи список літератури із 137 назв на 13 сторінках, 3 таблиць і 6 додатків на 6 сторінках.

 

 

У вступі обгрунтовується актуальність теми, подається загальна характе-ристика роботи, розробляється структурно-логічна схема дисертації.

Розділ 1. Стан проблеми. Подано огляд літератури з питань, пов'язаних з дослідженням ефекту Томса та керуванням кінематичними та динамічними параметрами потоку рідини. Показано, що особливий практичний інтерес викликають питання, пов'язані з керуванням інтегральними характеристиками потоку – зміною втрат енергії та витрати рідини, які широко розповсюджені в процесах добування, транспортування та переробки рідин і газів.

Зменшення турбулентного тертя актуальне як для внутрішньої, так і для зовнішньої задачі гідродинаміки. Способи зниження турбулентного тертя можна віднести до трьох основних груп: а) вплив на склад та фізичні параметри транспортованого середовища; б) дія на стінки труби (каналу) ; в) фізичне подавлення турбулентності. Найперспективнішим є зменшення турбулентного тертя в трубах за допомогою ГДАД (ефект Томса). Першими дослідниками на Україні, які вивчали цю проблему, були М. Бабенко, В. Базилевич, Л. Козлов, І. Повх, О. Ступін, О. Торяник, О. Яхно. Свій внесок в теоретичне та експери-ментальне дослідження потоків з ГДАД зробили В. Амфілохієв, Ю. Іванюта, В. Іоселевич, В. Калашников, Г. Кобец, С. Кутателадзе, Б. Ліпатов, Б. Миронов, В. Пилипенко, О. Покривайло, Л. Сєдов, Е. Хабахпашева, Л. Чекалова, З. Шульман. За кордоном цією проблемою займалися Г. Беверсдорф, Н. Берман, П. Вірк, Ф. Дерст, Д. Джеймс, Дж. Ламли, М. Ландаль, В. Тідерман, Е. Хінч, Дж. Хойт та ін.

До гдад відносять малі анізометричні частинки, які при введенні їх у потік рідини здатні зменшувати турбулентне тертя. Це полімери з ланцюжковою будовою молекул, міцелотвірні поверхнево-активні речовини (МПАР), тонкі во-локна, деревна пульпа, торфи, сапропеліти, білкові сполуки. Ефективність ГДАД визначається його хімічною природою, тобто структурною хімічною формулою та молекулярною масою. Найкраще зменшують тертя лінійні ланцюжкові полімери з молекулярною масою 105 – 106 і вище.

Вагомою перевагою МПАР є стійкість до механічної деструкції. Це зумовило їх використання в оборотних системах. У розімкнених трубопровідних системах ефективнішими є ланцюжкові полімери. Із них поліакриламід (ПАА) та поліоксиетилен (ПОЕ) викликають до себе підвищену зацікавленість через високу гідродинамічну ефективність, порівняно невисоку вартість та екологічну безпечність.

Аналіз вітчизняних і закордонних винаходів, пов’язаних із регулюванням витрати, дозволяє виділити кілька десятків способів, за допомогою яких досягається бажаний ефект. Їх теж можна віднести до трьох вищевказаних груп. Однак нами не виявлені дані про регулювання витрати зміною гідравлічного тертя по довжині трубопроводу, в тому числі введенням у потік додатків.

Розділ 2. Теоретичні дослідження. Подано теоретичні засади використання ГДАД для конкретних задач регулювання: 1) стабілізації витрати рідини в трубопроводі при змінній різниці тисків на його початку та в кінці; 2) перероз-поділу витрати рідини між кількома трубами; 3) підвищення рівномірності роздачі рідини в трубопроводах з шляховим відбором.

Задача стабілізації витрати розв’язувалася в загальній постановці: для довільного трубопроводу із заданими конструктивними параметрами при змінній різниці тисків р= (р1-р2) на його кінцях.

При зменшенні перепаду тисків р у трубопроводі витрата зменшується. Причому, при р” ( НГ) Q , а при р НГ, тобто, коли різниця п’єзометричних висот лише трохи більша за геометричну висоту підйому рідини, витрата значно сильніше залежить від зміни прикладеної різниці тисків. Це добре ілюструє графік залежності безрозмірної витрати Q' від безрозмірної різниці тисків р’= р/ НГ, де Q' знаходять з вираз.

 

де – коефіцієнт гідравлічного тертя; – сума коефіцієнтів місцевих опорів.

Аналіз показав, що запропонована стабілізація витрати введенням ГДАД легше досягається в трубопроводах з більшими значеннями безрозмірної різниці тисків р’, тобто, коли втрати напору переважають над геометричною висотою подачі (рис. 2).

Швидкість зміни витрати зі зміною перепаду тисків визначається похідною

 

яка при р’<2 починає різко зростати, прямуючи до нескінченості при р’ =1.

 

Умова постійності витрати Q:

 

(р’ -1) / ( L/D + ) = const