CN110261062B - 一种减阻剂筛选与评价装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种减阻剂筛选与评价装置及使用方法，离心泵、压差变送器、待测管段、轴流式旋流分离器、水箱以及PLC测控系统，离心泵的出口与待测管段的入口相连，待测管段的出口与轴流式旋流分离器的入口相连，轴流式旋流分离器出口经水箱与离心泵的入口相连；待测管段的入口还与压差变送器高压端相连，待测管段的出口还与压差变送器低压端相连；压差变送器与PLC测控系统相连。通过尺度放大原理，将大的设备管路的减阻剂的筛选与评价，缩放到小的测量筛选仪上进行筛选与评价，采用小管径待测管段对减阻剂的进行筛选与评价，节约空间，便携性好。本发明可满足研究和工程应用等方面的需要，克服大型实验装置的缺点，实现对减阻剂的选择工作。

Description

一种减阻剂筛选与评价装置及使用方法

技术领域

本发明涉及流体测量及气液分离领域，具体为一种减阻剂筛选与评价装置及使用方法。

背景技术

在实际的生活和生产过程中，流体运输的过程是产生能源浪费的主要过程，在长距离管道流体输运中，如输油管道，绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。目前优化设计各种运输工具是节约能源消耗的有效手段之一，其主要目的是为了减小摩擦阻力,虽然系统优化设计的措施取得了一定的减阻效果，但是在实际应用中这种方式常常受到空间、成本等限制。研究发现，在输运工具的大部分区域，流动处于湍流流动状态，因此有学者提出可以通过改变流体物性实现减小流动产生的阻力，即减阻剂湍流减阻技术。为了将添加剂减阻技术更好更广的应用，国内外很多研究学者开展大量实验和数值模拟研究致力于深入分析其减阻机理、影响因素以及对湍流流动内部结构的影响。减阻添加剂的使用能极大地减少流体在壁面的摩擦阻力，能显著提高能源利用率和节约现有能源，对节能存在重大意义。

目前针对在湍流流动中加入减阻剂的湍流减阻现象，为了更好的理解湍流与减阻剂之间发生的复杂过程，学者们搭建了庞大的实验管路，用于测量表面活性剂湍流减阻效果。但大型的实验装置具有操作时间长、实验过程中气泡难以除尽、仪器庞大笨重、操作和安装繁琐、控制响应时间长、实验流体消耗大、能耗高等缺陷。其次由于在实际的工程运用中常常需要实时实地对表面活性剂进行选择，而目前的大型实验装置难以实现实时实地的测量。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种减阻剂筛选与评价装置及使用方法。

为实现上述目的，本发明以下技术方案实现的：

一种减阻剂筛选与评价装置，包括离心泵、压差变送器、待测管段、轴流式旋流分离器、水箱以及PLC测控系统，离心泵的出口与待测管段的入口相连，待测管段的出口与轴流式旋流分离器的入口相连，轴流式旋流分离器出口经水箱与离心泵的入口相连；待测管段的入口还与压差变送器高压端相连，待测管段的出口还与压差变送器低压端相连；压差变送器与PLC测控系统相连。

本发明进一步的改进在于，待测管段公称直径为10毫米到15毫米。

本发明进一步的改进在于，离心泵的出口与待测管段的入口之间设置有电动调节阀与流量计；电动调节阀和流量计均与PLC测控系统相连。

本发明进一步的改进在于，水箱包括箱体，箱体位于来流方向的侧壁上开设有进口孔，进口孔的中心轴线沿来流方向为流体流动方向，箱体内沿流体流动方向依次设置有导流墩、堰口以及消能孔板，与进口孔所在侧壁相对的侧壁上开设有出口孔，进口孔与出口孔的中心轴不在同一条直线上；工作时，流体经过进口孔进入到箱体内，经导流墩、堰口以及消能孔板后，从出口孔排出箱体。

本发明进一步的改进在于，轴流式旋流分离器出口与进口孔过盈连接；进口孔与出水口轴线错开；堰口为坡型堰口，坡度70°到85°；消能孔板由两个孔板组成，一个孔板与另一个孔板的开孔位置在空间上错开；消能孔板高度高于堰口高度；堰口的前方设置有导流栅。

本发明进一步的改进在于，箱体底面上设置有排水斜坡，排水斜坡的倾斜方向与流体流动方向相垂直；排水斜坡的倾角为2°到10°；排水斜坡的底部设置有排水三角槽，排水三角槽的一端设置有排水口；工作结束时，流体经排水斜坡流入排水三角槽，然后经排水口排出水箱。

本发明进一步的改进在于，水箱内部设置有加热棒，并且加热棒正对出水口；待测管段的入口处设置有第一热电偶，待测管段的出口处设置有第二热电偶，水箱的进口孔处设置有第三热电偶，水箱的出口孔处设置有第四热电偶，离心泵连接有电机，电机、加热棒、第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶以及第四热电偶均与PLC测控系统相连。

本发明进一步的改进在于，轴流式旋流分离器包括管道，管道内设置有两个镜像对称的旋流发生器，旋流发生器包括导流罩，导流罩包括圆柱体，圆柱体的前端设置有分流罩，分流罩冲向来流方向，圆柱体的中心沿轴线开设有第一通道，圆柱体的前端面上沿径向设置有第二通道，第一通道的一端与第二通道的一端相连通，第一通道与第二通道组成到导气通道；管道的末端与箱体相连通；圆柱体的侧壁上沿周向均匀设置有若干旋流叶片，旋流叶片入口角为0°，旋流叶片出口角为30-60°，旋流叶片工作面半径为5-10毫米；

水箱沿流体来流方向的侧壁上还开设有两个排气孔；并且排气孔距离水箱底面的高度高于消能孔板的高度；一个排气孔与一个旋流发生器的第二通道相连通，另一个排气孔与另一个旋流发生器的第二通道相连通。

本发明进一步的改进在于，分流罩为半球形导流装置，半球形导流装置的圆顶冲向来流方向，圆顶半径与圆柱体半径一致；或者分流罩为锥形导流装置，锥形导流装置的锥顶冲向来流方向，锥底半径与圆柱体半径一致；

第一通道与第二通道的直径均为1.0毫米到1.5毫米；第一通道与圆柱体的长度相同。

一种基于上述的减阻剂筛选与评价装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)获取待测系统的参数：管径、介质、流速以及温度，根据介质、温度查找物性，计算待测系统雷诺数Rep；

(2)设定减阻剂筛选与评价装置的工况参数：介质、流速以及温度，计算推出减阻剂筛选与评价装置的雷诺数Ret；

(3)开始测量：未加入减阻剂时，通过压差变送器测得筛选与评价装置的压差ΔPt0、计算得到筛选与评价装置的阻力系数λt0，由尺寸放大方法推得未加入减阻剂时待测系统阻力系数λp0；

(4)加入一定浓度减阻剂，通过压差变送器测量得到筛选与评价装置的压差ΔPt1、计算得到筛选与评价装置的阻力系数λt1，由尺寸放大方法推得加入减阻剂时待测系统阻力系数λp1；根据未加入减阻剂时待测系统阻力系数λp0与加入减阻剂时待测系统阻力系数λp1计算待测系统的减阻率；

(5)改变减阻剂种类、浓度，重复步骤(4)，筛选得到减阻率最大的减阻剂，完成筛选与评价。

与现有技术相比，本发明具备以下的有益效果：

本发明通过设置轴流式旋流分离器和水箱，对流体气泡进行消除，同时，稳定流体流动，防止气泡卷入。当流体流入轴流式旋流分离器后，在搅浑叶片的导流作用下会形成一种存在较大径向压力梯度的旋转流动，且径向压力梯度提供的向心力大于流体旋转运动产生的离心力，使得流体中的气泡流向分离器中心；轴流式旋流分离器中心区域的径向压力梯度很大且气泡相对运动速度很低，满足气泡发生聚合的条件，因而汇集到中心的气泡会聚合并最终形成稳定的气芯，通过导气通道，将气体导出，从而实现对流体中气相的连续分离。本发明的装置具备便于携带、便于多工况测量、便于减少管道气泡以及装置可以根据不同工况改变流速、温度、介质的优点，解决了大型减阻剂测量装置便携性差，单次测量周期长，无法除尽气泡的问题。

进一步的，流体流入水箱后，通过导流墩，使水箱流场均匀，同时防止漩涡的形成卷入空气；将加热棒放置在正对出水口处，使得流出液可以直接冲刷加热棒，可达到良好的换热效果。

进一步的，流体流上堰口，通过堰口，可有效削弱流体动能，同时防止入口流动对出口造成影响，部分流体冲刷堰口回流，设置导流栅使流体无法形成表面旋流，避免了气泡的卷入。流体跃出堰口冲击下表面将会产生大量气泡同时卷入空气，设置平滑斜坡，使流体平稳流下。

进一步的，为了消除流体跃出堰口冲击下表面将会产生大量气泡同时卷入空气的影响，增设两道孔板，两道孔板的开孔相互错开。增加孔板后，可以将自由的水跃过程转变为受到约束的水跃，即可以在一定程度上将水跃水平方向的分速度耗散掉从而减缓液面水平方向上的流速，使残留气泡在稳定流动段上浮排出，完成除泡功能。

本发明在进行筛选与评价时，通过尺度放大原理，将大的设备管路的减阻剂的筛选与评价，缩放到小的测量筛选仪上进行筛选与评价，采用小管径待测管段对减阻剂的进行筛选与评价，节约空间，便携性好。本发明的提供的筛选与评价装置为便携式湍流阻力测试仪，可满足研究和工程应用等方面的需要，克服大型实验装置的缺点，实现对减阻剂的选择工作。

附图说明

图1是本发明的减阻剂筛选与评价装置的结构示意图；

图2是本发明的水箱立体结构示意图；

图3为本发明的水箱的正视图。

图4是本发明的轴流式旋流分离器的立体结构示意图；

图5为本发明的轴流式旋流分离器的正视图；

图6为本发明的轴流式旋流分离器的侧视图。

图7是本发明的方法的流程图；

其中，1为离心泵；2为电动调节阀；3为流量变送器；4为流量计；5为压差变送器；6为待测管段；7为手动阀；8为轴流式旋流分离器；9为水箱；10为加热棒；11为PLC测控系统；12为第一热电偶；13为第二热电偶；14为第三热电偶；15为第四热电偶；801为导流罩；802为旋流叶片；803为第一通道；804为第二通道；901为进口孔；902为导流墩；903为堰口；904为导流栅；905为消能孔板；906为出口孔；907为排水斜坡；908为排水三角槽；909为排水口；910为排气孔。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明的一个优选实施例，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的减阻剂筛选与评价装置，包括离心泵1、电动调节阀2、流量变送器3、流量计4、压差变送器5、待测管段6、手动阀7、轴流式旋流分离器8、水箱9、加热棒10以及PLC测控系统11，离心泵1的出口通过管道与电动调节阀2的入口相连，电动调节阀2的出口通过管道与流量计4的入口相连，流量计4的出口与待测管段6的入口相连，待测管段6的出口与轴流式旋流分离器8的入口相连，轴流式旋流分离器8出口经水箱9与离心泵1的入口相连。所述流量变送器3安装在流量计4上，用于接受传输信号，通过信号线与PLC测控系统11相连。

如图2所示，水箱9包括箱体，箱体位于来流方向的侧壁上开设有进口孔901，进口孔901的中心轴线沿来流方向为流体流动方向，箱体内沿流体流动方向依次设置有导流墩902、堰口903以及消能孔板905，与进口孔901所在侧壁相对的侧壁上开设有出口孔906，进口孔901与出口孔906的中心轴不在同一条直线上，即进口孔901与出水口906轴线错开。工作时，流体经过进口孔901进入到箱体内，经导流墩902、堰口903以及消能孔板905后，从出口孔906排出箱体。

轴流式旋流分离器8出口与进口孔901过盈连接。

参见图2和图3，箱体底面上设置有排水斜坡907，排水斜坡907的倾斜方向与流体流动方向相垂直，即水箱的正面开设有进口孔，背面开设有出口孔，两个侧壁之间的底面上设置有排水斜坡907。排水斜坡811的倾角为2°到10°，优选2°。

排水斜坡907的底部设置有排水三角槽908，排水三角槽908的一端设置有排水口909，排水口909通过管道与手动阀7相连。筛选与评价工作结束时，流体经排水斜坡907流入排水三角槽908，然后经排水口909以及手动阀7排出水箱。

水箱9内部设置有加热棒10，并且加热棒10正对出水口906。待测管段6的入口还通过引压管与压差变送器5高压端相连，待测管段6的出口还通过引压管与压差变送器5低压端相连，待测管段6的入口处设置有第一热电偶12，待测管段6的出口处设置有第二热电偶13，水箱9的入口处设置有第三热电偶14，水箱9的出口处设置有第四热电偶15，离心泵1连接有电机，电机与加热棒9分别通过电力线与PLC测控系统11相连。另外，电动调节阀2、流量计4、压差变送器5、第一热电偶12、第二热电偶13、第三热电偶14、第四热电偶15均分别通过信号线与PLC测控系统11相连。

如图4和图5所示，轴流式旋流分离器8设置在箱体一侧，轴流式旋流分离器8包括管道，管道内设置有两个镜像对称的旋流发生器，旋流发生器包括导流罩801，导流罩801包括圆柱体，圆柱体的前端设置有分流罩，分流罩冲向来流方向，圆柱体的中心沿轴线开设有第一通道803，圆柱体的前端面(即设置分流罩的端面)上沿径向设置有第二通道804，第二通道804伸出圆柱体侧面，第一通道803的一端与第二通道804的一端相连通，第一通道803与第二通道804组成到导气通道，即形成L型导气通道。

如图5所示，圆柱体的侧壁上沿周向均匀设置有若干旋流叶片802，所述旋流叶片802的数量为4到6枚，旋流叶片入口角，即流体入流速度方向与叶片工作面的入口切线沿主流方向的夹角为0°，旋流叶片出口角，即流体流出速度方向与叶片工作面的入口切线沿主流方向的夹角为30-60°，优选为45°，旋流叶片工作面，半径为5-10毫米，优选的为6毫米。

如图4、图5和图6所示，分流罩为半球形导流装置，半球形导流装置的圆顶冲向来流方向，圆顶半径与圆柱体半径一致。分流罩也可为锥形导流装置，锥形导流装置的锥顶冲向来流方向，锥底半径与圆柱体半径一致。第一通道803与第二通道814的直径均为1.0毫米到1.5毫米。第一通道803与圆柱体的长度相同，即圆柱体的底面为第一通道803的进气口面。待测管段6公称直径为10毫米到15毫米，优选的，公称直径为10毫米。从待测管段6可以看出，本装置较小，便于携带。

如图3所示，进口孔901与轴流式旋流分离器8过盈配合，进口孔901与出水口906轴线错开。导流墩902由一个圆形墩，两个三角墩组成，堰口903前设置有加热棒10，用于加热流体。排水口909与排水三角槽908相连，并且排水口909低于排水三角槽908，以便流体排净。

如图3所示，堰口903为坡型堰口，上端圆角处理，坡度70°到85°，优选82.5°，消能孔板905由两个孔板组成，一个孔板与另一个孔板的开孔位置在空间上错开。所述消能孔板905高度应高于堰口903高度。

如图3所示，箱体沿流体来流方向的侧壁上还开设有排气孔910。即排气孔910与进口孔901在箱体的同一个侧壁上。并且排气孔910距离水箱底面的高度高于消能孔板905的高度。具体的，排气孔910为两个，两个高度相同，一个排气孔与一个旋流发生器的第二通道804相连通，另一个排气孔与另一个旋流发生器的第二通道804相连通。堰口903的前方沿设置有导流栅904，导流栅904用于使流体无法形成表面旋流，避免了气泡的卷入。导流栅904包括三根斜放导流板条，导流板条的顶端高度略低于堰口903高度。气体从轴流式旋流分离器8的圆柱体末端，依次进入两个旋流发生器的第一通道803和第二通道804，然后经排气孔910排出。

如图7所示，本发明所述的减阻剂筛选与评价装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)获取待测系统的参数：管径、介质、流速以及温度，根据介质、温度查找物性(密度，粘性)，计算待测系统雷诺数Rep。

(2)设定减阻剂筛选与评价装置的工况参数：介质、流速以及温度，计算推出减阻剂筛选与评价装置的雷诺数Ret。

(3)开始测量：未加入减阻剂时，通过压差变送器测得未加入减阻剂时筛选与评价装置的压差ΔPt0、计算得到未加入减阻剂时筛选与评价装置的阻力系数λt0，由HOTY提出的尺寸放大方法(参见文献：Hoyt J W,Sellin R H J.Scale effects in polymersolution pipe flow[J].Experiments in Fluids,1993,15(1):70-74.)，推得未加入减阻剂待测系统阻力系数λp0。

(4)加入一定浓度减阻剂，通过压差变送器测量得到加入减阻剂时筛选与评价装置的压差ΔPt1、计算得到加入减阻剂时筛选与评价装置的阻力系数λt1，由尺寸放大方法推得加入减阻剂时待测系统阻力系数λp1，根据未加入减阻剂时待测系统阻力系数λp0与加入减阻剂时待测系统阻力系数λp1计算待测系统的减阻率。

(5)改变减阻剂种类、浓度，重复步骤(4)，筛选得到减阻效果最好(减阻效果最好即减阻率最大)的减阻剂及相应浓度，完成减阻剂的筛选与评价。

本发明装置操作过程简单方便，同时不同于原有的湍流阻力测量仪器，具有自动化程度高，便携性好、操作简便、测量时间短、控制效果好、流体流动基本不含气泡、测量用水及能耗小、能实现实时实地测量等优点，解决了不同特定场所难以快速选择减阻剂的难题。

Claims (10)

1.一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，包括离心泵(1)、压差变送器(5)、待测管段(6)、轴流式旋流分离器(8)、水箱(9)以及PLC测控系统(11)，离心泵(1)的出口与待测管段(6)的入口相连，待测管段(6)的出口与轴流式旋流分离器(8)的入口相连，轴流式旋流分离器(8)出口经水箱(9)与离心泵(1)的入口相连；待测管段(6)的入口还与压差变送器(5)高压端相连，待测管段(6)的出口还与压差变送器(5)低压端相连；压差变送器(5)与PLC测控系统(11)相连；

其中，轴流式旋流分离器(8)包括管道，管道内设置有两个镜像对称的旋流发生器，旋流发生器包括导流罩(801)，导流罩(801)包括圆柱体，圆柱体的前端设置有分流罩，分流罩冲向来流方向，圆柱体的中心沿轴线开设有第一通道(803)，圆柱体的前端面上沿径向设置有第二通道(804)，第一通道(803)的一端与第二通道(804)的一端相连通，第一通道(803)与第二通道(804)组成导气通道；管道的末端与箱体相连通；圆柱体的侧壁上沿周向均匀设置有若干旋流叶片(802)，旋流叶片入口角为0°，旋流叶片出口角为30-60°，旋流叶片工作面半径为5-10毫米。

2.根据权利要求1所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，待测管段(6)公称直径为10毫米到15毫米。

3.根据权利要求1所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，离心泵(1)的出口与待测管段(6)的入口之间设置有电动调节阀(2)与流量计(4)；电动调节阀(2)和流量计(4)均与PLC测控系统(11)相连。

4.根据权利要求1所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，水箱(9)包括箱体，箱体位于来流方向的侧壁上开设有进口孔(901)，进口孔(901)的中心轴线沿来流方向为流体流动方向，箱体内沿流体流动方向依次设置有导流墩(902)、堰口(903)以及消能孔板(905)，与进口孔(901)所在侧壁相对的侧壁上开设有出口孔(906)，进口孔(901)与出口孔(906)的中心轴不在同一条直线上；工作时，流体经过进口孔(901)进入到箱体内，经导流墩(902)、堰口(903)以及消能孔板(905)后，从出口孔(906)排出箱体。

5.根据权利要求4所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，轴流式旋流分离器(8)出口与进口孔(901)过盈连接；进口孔(901)与出水口(906)轴线错开；堰口(903)为坡型堰口，坡度70°到85°；消能孔板(905)由两个孔板组成，一个孔板与另一个孔板的开孔位置在空间上错开；消能孔板(905)高度高于堰口(903)高度；堰口(903)的前方设置有导流栅(904)。

6.根据权利要求4所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，箱体底面上设置有排水斜坡(907)，排水斜坡(907)的倾斜方向与流体流动方向相垂直；排水斜坡(811)的倾角为2°到10°；排水斜坡(907)的底部设置有排水三角槽(908)，排水三角槽(908)的一端设置有排水口(909)；工作结束时，流体经排水斜坡(907)流入排水三角槽(908)，然后经排水口(909)排出水箱。

7.根据权利要求1所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，水箱(9)内部设置有加热棒(10)，并且加热棒(10)正对出水口(906)；待测管段(6)的入口处设置有第一热电偶(12)，待测管段(6)的出口处设置有第二热电偶(13)，水箱(9)的进口孔(901)处设置有第三热电偶(14)，水箱(9)的出口孔(906)处设置有第四热电偶(15)，离心泵(1)连接有电机，电机、加热棒(9)、第一热电偶(12)、第二热电偶(13)、第三热电偶(14)以及第四热电偶(15)均与PLC测控系统(11)相连。

8.根据权利要求1所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，水箱沿流体来流方向的侧壁上还开设有两个排气孔(910)；并且排气孔(910)距离水箱底面的高度高于消能孔板(905)的高度；一个排气孔与一个旋流发生器的第二通道(804)相连通，另一个排气孔与另一个旋流发生器的第二通道(804)相连通。

9.根据权利要求8所述的一种减阻剂筛选与评价装置，其特征在于，分流罩为半球形导流装置，半球形导流装置的圆顶冲向来流方向，圆顶半径与圆柱体半径一致；或者分流罩为锥形导流装置，锥形导流装置的锥顶冲向来流方向，锥底半径与圆柱体半径一致；

第一通道(803)与第二通道(814)的直径均为1.0毫米到1.5毫米；第一通道(803)与圆柱体的长度相同。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的减阻剂筛选与评价装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取待测系统的参数：管径、介质、流速以及温度，根据介质、温度查找物性，计算待测系统雷诺数Rep；

(2)设定减阻剂筛选与评价装置的工况参数：介质、流速以及温度，计算推出减阻剂筛选与评价装置的雷诺数Ret；

(3)开始测量：未加入减阻剂时，通过压差变送器测得筛选与评价装置的压差ΔPt 0、计算得到筛选与评价装置的阻力系数λt 0，由尺寸放大方法推得未加入减阻剂时待测系统阻力系数λp 0；

(4)加入一定浓度减阻剂，通过压差变送器测量得到筛选与评价装置的压差ΔPt 1、计算得到筛选与评价装置的阻力系数λt 1，由尺寸放大方法推得加入减阻剂时待测系统阻力系数λp1；根据未加入减阻剂时待测系统阻力系数λp 0与加入减阻剂时待测系统阻力系数λp1计算待测系统的减阻率；

(5)改变减阻剂种类、浓度，重复步骤(4)，筛选得到减阻率最大的减阻剂，完成筛选与评价。

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