CC BY
41
УДК 532.542.1
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10106
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ
FIELD RESEARCH OF THE ENERGY PROCESSES OF LIQUID FLOW IN A PIPELINE
Н.Г. Коноплёв, Г.Е. Коробков
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Резюме: В настоящей статье дается краткое описание экспериментальных стендов для исследования энергетической трансформации при вращательном движении жидкости, приводится оценка погрешностей измерения давления и расхода, кратко описывается программа проведения экспериментальных работ. Для моделирования вращающегося движения в неподвижном трубопроводе в работе использовалась модель течения жидкости во вращающемся трубопроводе. По результатам работ выдвигаются две гипотезы наблюдаемых эффектов, сопровождающих движение жидкости в трубопроводе, вращающемся вокруг своей продольной оси. Для вихревых камер получены зависимости потерь давления от расхода, которые позволят смоделировать потери энергии при вихреобразовании.
Ключевые слова: экспериментальный стенд, измерение потерь давления на трение, вихревые камеры, вращающийся вокруг продольной оси трубопровод.
Для цитирования: Коноплёв Н.Г., Коробков Г.Е. Экспериментальные исследования энергетических процессов потока жидкости в трубопроводе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 1. С. 28-33.
D0I:10.24411/0131-4270-2019-10106
Nikolay G. Konoplyov, Gennadiy E. Korobkov
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Abstract: In this article a brief description of the test bench for the study of energy transformation during the rotational motion of fluid is provided, also an estimation of the errors in measuring pressure and flow is given, the program of experimental work is briefly described. To simulate a rotating motion in a fixed pipeline, we used a model of fluid flow in a rotating pipeline. According to the results of the work, two hypotheses of observed effects that follow the movement of fluid in a pipeline, which rotates around its longitudinal axis are put forward. Dependences of pressure loss due to flow for the vortex chambers were obtained, this results will help to simulate the energy loss during vortex formation.
Keywords: test bench; measurement of pressure loss due to friction; vortex cham-bers; pipeline rotating around a longitudinal axis.
For citation: Konoplyov N.G., Korobkov G.E. FIELD RESEARCH OF THE ENERGY PROCESSES OF LIQUID FLOW IN A PIPELINE. Transport and Sto-rage of Oil Products and Hydroca bons. 2019, no. 1, pp. 28-33.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-10105
Введение
Еще в начале XX века естествоиспытателем В. Шаубергером была обозначена возможность снижения гидравлического сопротивления трубопроводов особой конструкции. В 1955 году Ф. Поппелом были проведены испытания спиралеобразных труб из различных материалов с геликоидальным сечением конструкции, предлагаемой В. Шаубергером. Результатом этих работ были зависимости потерь напора на трение по длине от расхода воды, которые имели неклассический вид [1]. В работе [2] показано математическое описание вихревых процессов на основе уравнения Громеки и показана с математической точки зрения возможность существования вихревых образований в трубопроводе, управление которыми позволит уменьшить гидравлическое сопротивление трубопроводов.
В работе [3] автором предлагается возбуждение в пристенном слое жидкости колебаний, волна от которых должна быть направлена против движения жидкости. Пульсирующие, винтовые, вращающиеся потоки жидкости по периметру трубы, по мнению автора, должны стать своего рода «гидравлическими подшипниками», обеспечивающими снижение гидравлического сопротивления.
Поиск технологий и физических явлений, позволяющих уменьшить потери энергии при движении жидкости, идет постоянно.
Авторами была поставлена цель - оценить потери энергии при движении жидкости по спиральным траекториям, а также при течении жидкости при вращении трубопровода.
Вращательное движение - это движение с ускорением. Исследования ускоренного и вращательного движения сейчас как никогда актуальны, поскольку такого рода движения тесно связаны с турбулентностью, возникающей при движении жидкости в трубопроводе круглого сечения. С точки зрения уменьшения гидравлического сопротивления трубопроводов управление колебательным движением (ускорение - замедление), а также использование движения жидкости с вращением - это один из оставшихся возможных путей помимо противотурбулентных присадок и методов, описанных в [2, 3].
Для оценки потерь энергии при вихреобразовании, а также для возможности исследовать зависимость потерь напора на трение от вихреобразования с практической точки зрения авторами статьи создавался универсальный экспериментальный стенд, имеющий в своем составе специальные вихревые устройства и возможность вращения трубопровода вокруг своей центральной оси.
Общее описание установок
Универсальный экспериментальный стенд включает в себя оборудование, указанное на рис. 1 и 2.
Основной напорный трубопровод сооружался из метал-лопластиковых труб наружным диаметром 26 мм, толщиной стенки 3 мм или из стальных труб наружным диаметром 26,8 мм, толщиной стенки 2,8 мм протяженностью 30 м. Всасывающий трубопровод сооружался из металло-пластиковых труб наружным диаметром 32 мм, толщиной стенки 3 мм.
В качестве рабочей жидкости использовалась родниковая вода.
Между кранами 5 и 6 (рис. 1) устанавливались специальные устройства, завихряющие поток, различных конструкций. При испытании вихревых камер регулирование расхода осуществлялось кранами 5 и 15, а для работ с вращающейся трубой (рис. 2) - кранами 7 и 15, которые имели специальную градуировочную шкалу открытия-закрытия с шагом в 10%.
На всей протяженности экспериментального трубопровода были установлены дополнительные манометры для измерения падения давления по длине.
Температура жидкости измерялась в пяти точках по схемам на рис. 1 и 2 - Т1, Т2, Т3, Т4 и в емкости объемом 200 л при помощи спиртового градусника, погруженного в воду.
Для анализа потерь давления по длине вращающегося трубопровода стенд реконструировался и оснащался стальной трубой с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. Возможность вращения обеспечивалась специальными подшипниковыми узлами с торцевыми уплотнениями. Протяженность вращающейся трубы составляла 2 м.
Привод вращающейся трубы - асинхронный электродвигатель 5 АИ 63 А4 0,25 кВт, 1500 об/мин. Для регулирования частоты вращения использовался частотный преобразователь Mitsubishi electric, 0,4 кВт, FR-CS82S-0,25-60.
Вращающий момент электродвигателя передавался трубе при помощи ременной передачи. Трубопровод имел возможность вращаться вокруг своей оси как по, так и против часовой стрелки. Трубопроводы и узлы торцевых уплотнений были закреплены. Трубопроводы крепились хомутами на деревянные бруски, установленные на земле.
Частота тока, подаваемого на электродвигатель, менялась с 50 до 5 Гц. Частота вращения ротора двигателя в процессе эксперимента менялась от 1500 об/мин (25 Гц) до 150 об/мин (2,5 Гц). Поскольку двигатель четырехполюс-ный, частота вращения его ротора была в два раза меньше частоты питающего тока.
Измерение перепада давления на вращающейся трубе предусматривалось при помощи манометров точных измерений (МТИ) с классом точности 0,4 и пределом измерения до 0,1 МПа (10 кгс/см2) - М4 и М5, располагающихся на неповоротных концах стального трубопровода в 0,5 м (25DN) с двух сторон от вращающейся трубы. Рядом с манометрами 4, 5 (в 45 мм - 2,25DN) располагались датчики температуры Т2, Т3. Узлы манометров и термометров для измерения параметров потока во вращающейся трубе назывались главными измерительными узлами. Для определения расхода жидкости в трубопроводе до вращающейся трубы и после нее устанавливались счетчики воды СВМ-25, соответственно С1 и С2. Такое расположение позволяло определять утечки через торцевые уплотнения вращающейся трубы.
Погрешности приборов контроля и погрешность снятия показаний
Погрешность манометров
Результирующая погрешность измерения давления определяется по формуле
| Рис. 1. Технологическая схема стенда испытания вихревых камер
- daiHx личтеротуры TiS-N2N
- клапан rptjsmwj {oSporwvu!
- qu/hmp сетчатый рознер ячеек сепхи Ь5й-ЯЮ nw
О
- крон шароОый на нторнаио5бяш МНА и нтрном трубопроводе - йЗЛ'- К шт. СЭД на бсасыВощих линиях МНА - GT - 2 ит, бозд^шники ВТ и 82 - Gt/2"
-е)
- насос иешрадехша дащими? Catpeda MXAH4Q3A (трехсекииотй!
- счепнх Ведь//т]сш)й на/шля учета 2 - C8M-2S, на линии учета СГ8-& 0^=15 н}/ч
| Рис. 2. Технологическая схема стенда для экспериментальных работ с вращающейся трубой
?
? ф
-ё
- НЮвф пошз/юсщии со околи/ О-Вкгс/сн М1 - кл т 15. № - «я т061МШ. /в М7 -кл т 10 юенелр тол&жши/соикаей0-1 Юа №. М5-м тО.1 М/Я МЬ-м айбЫМ, гипогюпрпхолЛтшсоикаю/ 0-0.25 /Я? М8 -кат 10. юкжяр о&оа&хмш со ахалой 0-0.1 ГП] Р19-кп т 10
- дат* пегщхтры -ишщйнЩшм1
- филлр сепнтй рюер явят секи <50-500лги
- «{хм шорс(ыв нчт/ЯйЫЯяза ГШ а нопсски щ/бопроЬоде - 63Л"-13от. на бсосыбащих пнях ША -ОГ -2 т,
СшО/нии В! и В2 - 61/2"
- ША-1 2 - юса цешрЛти сотый СйриЬ НХЛМ-ШЗА МА-3 - СЫряй МХАМ-*05/ярехсмцисте!
- счет* ¡о& тоста/ т/гнтх ¡¿та тп 2 - С8М-25, н'/ч
-М
-8|,
(1)
Таблица 1
Результирующая относительная погрешность измерения давления на манометрах со шкалой в кгс/см2
где 81 - приборная относительная погрешность, %; 62 -относительная погрешность измерения, %.
В табл. 1 и 2 представлены расчеты результирующей погрешности измерения.
Фактическая относительная погрешность при статических измерениях
Измерения проводились в статическом состоянии. Погрешность оценивалась по уровню взлива воды в емкости с учетом перепадов высот между основанием емкости и штуцером манометров. Относительная погрешность оценивалась у двух манометров М2 и М3 класса точности 0,6 (предел измерения 10 кгс/см2) и одного манометра М9 класса точности 1,0 (предел измерения 0,1 МПа). При уровне в емкости 61,5 см манометр М2 с классом точности 0,6 показывал давление 0,05 кгс/см2, что составляет 50,12 см (плотность воды 997,49 кг/м3. Относительная погрешность определения плотности 0,023%). Фактическое значение разности высот между уровнем взлива и штуцером манометра с учетом перепада высот составляло 62,10 см. Манометр М3 с тем же классом точности показывал давление 0,03 кгс/см2, что составляет 30,08 см (та же плотность), а с учетом перепада высот 54,08 см. Манометр с кл. т. 1,0 показывал давление 0,004 МПа, что составляет 40,89 см с учетом перепада высот 55,19 см. Таким образом, фактическая относительная погрешность манометра кл. т. 0,6 М2 была -0,97%, М3 - 12,07%, а кл. т. 1,0 М9 - 10,26%, что меньше рассчитанных относительных погрешностей.
Давление, кгс/см2 Результирующая относительная погрешность измерения, %
кл. т. 0,6 кл.т. 1,0 кл.т. 1,5
10 0,65 1,41 1,80
5 1,30 2,83 3,61
2,5 2,60 5,66 7,21
1 6,50 14,14 18,03
0,5 13,00 28,28 36,06
0,25 26,00 56,57 72,11
0,1 65,00 - 180,28
0,05
130,00
360,56
Таблица 2
Результирующая относительная погрешность измерения давления на манометрах со шкалой в МПа
Давление, МПа Результирующая относительная погрешность измерения, %
кл. т. 0,4 кл. т. 1,0 кл. т. 1,0
1 0,47 - -
0,5 0,94 - -
0,25 1,89 1,41 -
0,1 4,72 3,54 1,41
0,05 9,43 7,07 2,83
0,025 18,87 14,14 5,66
0,005 94,34 70,71 28,28
8
Фактическая относительная погрешность при динамических измерениях
Для оценки достоверности измерений манометров классов точности 0,4, 0,6 и 1,0 проводились сравнительные замеры давления движущейся жидкости. Для этого в одно и то же место устанавливались поочередно манометры различного класса точности и снимались их показания. Эти работы проводились для различных режимов работы стенда, то есть при различных расходах и давлении. На каждом режиме проводились измерения с каждым манометром. Поскольку манометры класса точности 0,4 дают наименьшую погрешность, их было принято считать эталонными. Расчет относительной погрешности манометров других классов точности производился в сравнении с показаниями манометров класса точности 0,4.
Некоторые значения погрешностей сведены в табл. 3.
Как видно из табл. 3, относительная погрешность измерения зависит от режима работы трубопровода. При небольших расходах воды (в табл. 3 это соответствует большему давлению) погрешность измерения увеличивается.
Погрешность измерения объема
Погрешность измерения объема зависела прежде всего от скорости вращения циферблата. Чем больше расход воды в трубопроводе, тем быстрее вращается циферблат, тем больше погрешность возникает при фиксации показания счетчика по времени, то есть нажатии кнопки секундомера. Сам счетчик позволяет фиксировать показания до четырех знаков после запятой (до десятых долей литра), то есть относительная погрешность самого измерения будет равна 0,01%. Но это будет справедливо только в том случае, если показания снимаются статически, то есть после остановки потока жидкости. Если съем показаний производится при движущейся жидкости, то показания возможно фиксировать только с точностью до трех знаков после запятой (до одного литра), то есть относительная погрешность измерения составит уже 0,1 %. Но поскольку сам циферблат еще при этом вращается, возникает дополнительная погрешность измерения самого показания, равного удвоенной цене деления циферблата, - 1,0 л (2x0,5 л), а это еще 0,1%. Результирующее значение погрешности измерения
расхода счетчика СГВ-20 (в диапазоне от переходного 0,12 м3/ч до максимального расхода 3,0 м3/ч) и счетчика СВМ-25 (в диапазоне от переходного 0,28 м3/ч до максимального расхода 7,0 м3/ч) составляет 2,01%.
Погрешность определения расхода
Погрешность определения расхода зависит не только от измерения показаний счетчика, но и от измерения времени. Абсолютная погрешность измерения времени составляет 3 с.
Относительная погрешность расхода определяется по формуле
80 =
АО
а
• 100% =
ФАКТ
2 А +2 А
1-2-8Т
100%,
(2)
где - относительная погрешность определения объема; 5т - относительная погрешность определения времени.
При проведении экспериментальных работ погрешность определения расхода составила:
- для интервала измерения времени в 5 мин 50 = 6,1%;
- для интервала измерения времени в 7 мин 50 = 5,5%;
- для интервала измерения времени в 10 мин 50 = 5,2%;
- для интервала измерения времени в 30 мин 50 = 4,4%.
Краткая программа экспериментов с вихревыми камерами
При работающих насосах определялись давление, расход, температура проточной воды в трубопроводе и потребление электроэнергии насосами без монтажа вихревых камер при разной степени открытия регулировочных кранов.
Далее поочередно производился монтаж вставки (фото 1) и вихревых камер (фото 2, 3), логарифмически сужающегося и расширяющегося змеевика (фото 4). В каждом случае производились аналогичные измерения параметров.
Определялось гидравлическое сопротивление вихревых камер и спиральных змеевиков. В некоторых случаях производилось измерение электрического потенциала трубопровода относительно земли при различных расходах воды в трубопроводе.
Таблица 3
Результирующая относительная погрешность измерения давления манометров класса точности 0,6 и 1,0
Давление по манометру кл. т. 0,4, МПа Давление по манометру кл. т. 0,4, кгс/см2 Результирующая относительная погрешность измерения, %, для приборов класса точности
кл. т. 0,6 кл.т. 1,0
0,19 1,94 2,45 5,17
0,215 2,19 3,26 4,67
0,22 2,24 1,18 4,49
0,265 2,7 3,89 7,24
0,302 3,08 3,53 3,42
0,375 3,82 3,07 6,08
0,46 4,69 15,41 34,35
0,58 5,91 14,20 21,62
| 1. Вставка
| 2. Вихревые камеры: а - модель 1.1; б - модель 1.2; в - модель 3.1; г - модель 3.2
I 5. Вид вращающейся трубы
Краткая программа экспериментов с вращающейся трубой
Программой предусматривалось измерение гидравлического сопротивления трубопровода (фото 5) при различной скорости его вращения и разном расходе прокачиваемой по нему воды. Производились работы по измерению энергопотребления электродвигателя, вращающего трубу, и насосов, перекачивающих воду по трубопроводу.
Некоторые результаты
Приведенные в статье конструкции вихревых устройств предназначались для проверки гипотезы управления колебательным процессом при стационарном движении жидкости, а вращающийся трубопровод - для проверки гипотезы циркуляции кинетической энергии в движущемся потоке жидкости.
Кратко можно отметить, что вихревое устройство, установленное в какой-либо точке трубопровода, не влияет на колебательный процесс в нем, то есть не оказывает влияния на турбулентность потока жидкости в трубопроводе в тех сечениях, где отсутствует вихревое устройство. При этом в самом вихревом устройстве наблюдается вихревое движение жидкости, и потери энергии в нем связаны не только с вязким трением, но и с инерционными силами. При вращении трубопровода вокруг своей оси потери энергии зависят от частоты вращения, и при некоторых частотах оказываются меньше, чем для случая невращающегося трубопровода. Увеличение расхода жидкости во вращающемся трубопроводе снижает энергопотребление двигателя, который вращает этот трубопровод, что дает возможность выдвинуть два альтернативных обоснования этого факта, предлагаемых для обсуждения:
- при вращении трубопровода жидкость в нем начинает циркулировать таким образом, что основная ее масса переходит в центральную часть поперечного сечения трубопровода, тем самым уменьшая общий момент инерции трубопровода с жидкостью;
- при турбулентном движении жидкости вдоль трубопровода появляется поперечная циркуляция жидкости, которая создает вращающий момент. Вращение жидкости происходит как по, так и против часовой стрелки и является отражением прямой и обратной волны колебания жидкости, которые, в свою очередь, являются следствием вязко-упруго-инерционного перемещения жидкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шаубергер В. Энергия воды / под ред. А. Крысенко. М.: Яуза, Эксмо, 2007. 320 с.
2. Ширяев А.М., Жолобов В.В., Савинов С.А. О применении замкнутых вихревых образований для повышения энергоэффективности технологических процессов трубопроводного транспорта // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 1 (17). С. 26-35.
3. Лысенко В.С. Технология снижения гидравлических потерь в напорных трубопроводах // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 3. С. 59-61.
REFERENCES
1. Shauberger V. Energiya vody [Water energy]. Moscow, Yauza, Eksmo Publ., 2007. 320 p.
2. Shiryayev A.M., Zholobov V.V., Savinov S.A. On the use of closed vortex formations to improve the energy efficiency of technological processes of pipeline transport. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta neftiinefteproduktov, 2015, no. 1 (17), pp. 26-35 (In Russian).
3. Lysenko V.S. echnology to reduce hydraulic losses in pressure pipelines. Sovremennyye naukoyemkiye tekhnologi, 2014, no. 3, pp. 59-61 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Коноплёв Николай Геннадьевич, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Коробков Геннадий Евгеньевич, д.т.н., проф. кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Nikolay G. Konoplyov, Postgraduate Student of Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Gennadiy E. Korobkov, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
2019
33
