CN116212709A - 一种制备高聚物减阻溶液的装置、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明一种制备高聚物减阻溶液的装置、方法及应用，属于水下减阻技术领域；所述装置包括进水管、筒体、过滤模块、减阻块、搅拌辅助模块和出水管；若干减阻块设置于筒体内，经水流溶解得到减阻溶液；过滤模块设置于筒体内，用于对来流的水和流出的减阻溶液进行过滤；搅拌辅助模块设置于筒体内，用于提高减阻块的溶解速度。进水管与筒体的输入端连通，向筒体内通入水流；所述出水管与筒体的输出端连通，将筒体内减阻溶液输出。本发明采用高聚物粉末制备得到的减阻块作为配置减阻溶液的原料，搅拌辅助模块在水流的作用下能够起到搅拌作用，加快溶解速度；该装置及方法能够增加减阻溶液的配置量，同时避免了引入其他杂质，实现余料可回收再利用。
Description
技术领域
本发明属于水下减阻技术领域，具体涉及一种制备高聚物减阻溶液的装置、方法及应用。
背景技术
水下航行器所受阻力中，摩擦阻力占比最大。因而减小摩擦阻力，对于水下航行器提速增程具有重要意义。目前常见的水下减小摩擦阻力技术包括：超疏水减阻、沟槽表面减阻、微气泡减阻和高聚物添加剂减阻。其中，高聚物添加剂减阻只需在湍流流场中溶入微量高分子聚合物，就可以达到明显减阻效果，目前已在石油管道运输、供暖管道等领域有较多应用。此外，通过狭缝喷射以及壁面吹喷等方式向管道内工作流体注入高聚物溶液同样具有减阻效果，甚至比相同浓度下高聚物溶液的减阻效果更优。因此，有学者提出在水下航行器表面喷射高聚物溶液可产生减阻效果。
喷射是一种有效的减阻粘液释放方法，减阻效果受粘液浓度、喷射角度及速率影响。现有技术中公开的粘液减阻装置采用预先配制好的高聚物溶液进行喷射，需要考虑到航行器的功耗及空间限制，不宜携带过多减阻粘液。现有技术中有采用高聚物浓粘液的稀释技术，该技术用到了存储室、混合段、弯管段，其中高聚物浓粘液储存在存储室，通过在混合段混合、弯管段进一步掺混均匀输出高聚物稀溶液，但弯管段会带来较大的局部损失。现有技术中对于溶解高聚物减阻粉末的方法为，所述高聚物固体减阻粉末由柠檬酸粉末、碳酸氢钠粉末和聚氧化乙烯粉末组成，该粉末在水中由柠檬酸、碳酸氢钠和水反应生成二氧化碳气泡从而使聚氧化乙烯粉末在水中快速充分扩散，形成高聚物溶液。该方法在溶液中引入了其他物质，会对高聚物溶液的减阻效果产生影响，而且高聚物粉末直接溶解在水中还会发生絮凝现象，降低其溶解量。
水下航行器因其空间和功耗问题不便携带过多高聚物溶液，而携带高聚物固体颗粒即时配置溶液可提高携带量，但现有的溶解方法溶解时间长、会引入其他物质、反应过程复杂、发生絮凝剧团现象。因此，设计一种制备高聚物减阻溶液的装置，能快速制备高聚物溶液，不引入杂物，能稳定维持一段时间的减阻效果。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种制备高聚物减阻溶液的装置、方法及应用，该制备高聚物减阻溶液的装置采用高聚物粉末制备得到的减阻块作为配置减阻溶液的原料，装置中设置的搅拌辅助模块在水流的作用下能够起到充分搅拌的作用，加快溶液制备速度；采用该装置及方法能够增加减阻溶液的配置量，同时避免了引入其他杂质，实现余料可回收再利用。
本发明的技术方案是：一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：包括进水管、筒体、过滤模块、减阻块、搅拌辅助模块和出水管；
若干所述减阻块设置于筒体内，经水流溶解得到减阻溶液；
所述过滤模块设置于筒体内，用于对来流的水和流出的减阻溶液进行过滤；
所述搅拌辅助模块设置于筒体内，用于提高减阻块的溶解速度。
所述进水管与筒体的输入端连通，向筒体内通入水流；所述出水管与筒体的输出端连通，将筒体内减阻溶液输出。
本发明的进一步技术方案是：所述减阻块由高聚物粉末熔化后，倒入方型模具中冷却制备而成，其边长范围为3-5mm。
本发明的进一步技术方案是：所述筒体由圆筒段、收缩段、扩张段组成；所述圆筒段为两端开口的筒状结构；所述扩张段和收缩段分别同轴安装于圆筒段的两端作为输入端与输出端；
所述扩张段的小径端与进水管连接，大径端与圆筒段的一端连接；所述收缩段的小径端与出水管连接，大径端与圆筒段的另一端连接。
本发明的进一步技术方案是：所述过滤模块包括蜂窝网、过滤纤维板、隔网，所述扩张段沿来流方向依次设置有蜂窝网和过滤纤维板；所述收缩段沿来流方向依次设置有过滤纤维板和蜂窝网；所述隔网设置于圆筒段的中部，用于阻止未溶解完的减阻块往下游堆积。
本发明的进一步技术方案是：所述过滤纤维板为防火棉；所述蜂窝网、隔网的材料为铝合金。
本发明的进一步技术方案是：所述搅拌辅助模块由若干塑料珠构成。
本发明的进一步技术方案是：所述塑料珠粒径范围在2-5mm之间，与减阻块交错分层排布在圆筒段内。
本发明的进一步技术方案是：所述进水管设置有进水阀和流量计，通过进水阀控制开闭，通过流量计监测流量。
一种制备高聚物减阻溶液的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：采用电子天平称取定量的可熔高聚物粉末，加热使其完全熔化，随后将熔化的高聚物倒入方型模具中，冷却凝固后取出制得减阻块；
步骤2：首先，在所述圆筒段内的中部固定隔网后竖直放置，从上端口放入减阻块，将减阻块在隔网上平铺一层，再倒入一层塑料珠，随即放入过滤纤维板、蜂窝网，再将收缩段拧紧并接上出水管；然后，将圆筒段横置，从进水端依次放入减阻块、塑料珠、过滤纤维板、蜂窝网，再将扩张段拧紧并接上进水管；最后，将进水管与流量计、进水阀连接；
步骤3：打开进水阀，水流经过圆筒段内减阻块并将其溶解，随后从出水管流出高聚物的减阻溶液；
步骤4：所述减阻溶液制备完成以后，回收减阻块；所述减阻块回收方法为，将装置拆卸，取出未溶解的减阻块，用水冲刷洗净，并浸泡在酒精溶液中分散，取出晾干后即可继续使用。
一种制备高聚物减阻溶液的装置的应用，其特征在于：将所述制备高聚物减阻溶液的装置安装于水下航行器内，在航行器表面设置入水孔和喷射孔，通过入水孔向进水管引入水流，通过喷射孔将制备得到的减阻溶液喷射于水下航行器表面。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种制备高聚物减阻溶液的装置，由进水阀、流量计、蜂窝网、减阻块、圆筒段、收缩段、进水管、扩张段、过滤纤维板、塑料珠、隔网、出水管组成。由进水阀开闭控制流量；圆筒段入口设置一段扩张段，扩张段后放置蜂窝网，以确保来流均匀。蜂窝网后为过滤纤维板，用于增大水的流动阻力以减缓水流速度同时可以过滤水中的部分杂质。过滤之后水流经圆筒段内减阻块，其中混杂有塑料珠以提高溶解速度；圆筒段中间设置有一片隔网，可以有效阻止较小尺寸的减阻块往下游堆积。圆筒段出口处的过滤纤维板能避免较小尺寸的减阻块进入到管道中，蜂窝网和收缩段能确保从出水管喷出的高聚物减阻溶液均匀。因此，当水流经过圆筒段内的固体混合物时，便可以得到高聚物的减阻溶液。
本发明提出的一种制备高聚物减阻溶液的装置，整体结构简单，易于实现，制作成本低；将高聚物粉末制备成减阻块，相比于高聚物减阻浓溶液，便于携带和储存，且纯度高没有引入其他杂质；同时可以避免高聚物粉末直接搅拌溶解产生的絮凝现象，从而提升高聚物的溶解度。
本发明在装置进出水口加入蜂窝网起到整流的作用，保证流动的平稳，加入过滤纤维板可以过滤水中的杂质，保证水质提升减阻效果。
本发明在减阻块中加入塑料珠，掺混效果好，提高了溶解速度且避免了机械搅拌产生破坏的问题，同时可以避免减阻块颗粒溶解后相互黏附成团的问题，在溶液制备完成后剩余减阻块还可以回收再利用，提高了利用率。
本发明制备的高聚物减阻溶液喷射进入实验管道，随着喷射时间的增长，减阻率逐渐增加，在喷射5min后达到最大减阻率27％，并能够维持这一减阻率持续喷射10min。
附图说明
图1为本发明一种制备高聚物减阻溶液的装置示意图。
图2为蜂窝网结构示意图。
图3为隔网结构示意图。
图4为测试段减阻率随时间变化的规律。
附图标记说明：1.进水阀 2.流量计 3.进水管 4.蜂窝网 5.减阻块 6.圆筒段7.收缩段 8.扩张段 9.过滤纤维板 10.塑料珠 11.隔网 12.出水管。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例提供一种制备高聚物减阻溶液的装置，该装置采用高聚物粉末制备得到的减阻块作为配置减阻溶液的原料，装置中设置的搅拌辅助模块在水流的作用下能够起到充分搅拌的作用，加快溶液制备速度；采用该装置及方法能够增加减阻溶液的配置量，同时避免了引入其他杂质，实现余料可回收再利用。
将所述制备高聚物减阻溶液的装置安装于水下航行器内，在航行器表面设置入水孔和喷射孔，通过入水孔向进水管引入水流，通过喷射孔将制备得到的减阻溶液喷射于水下航行器表面，产生减阻效果。
实施例1：
参照图1所示，本实施例一种制备高聚物减阻溶液的装置包括进水阀1、流量计2、进水管3、筒体、蜂窝网4、减阻块5、过滤纤维板9、塑料珠10、隔网11、出水管12；所述进水管3与筒体的输入端连通，向筒体内通入水流；所述出水管12与筒体的输出端连通，将筒体内减阻溶液输出。
所述筒体包括圆筒段6、收缩段7、扩张段8，圆筒段6为两端开口的筒状结构；扩张段8和收缩段7分别同轴安装于圆筒段6的两端作为输入端与输出端；所述扩张段8的小径端与进水管3连接，大径端与圆筒段6的一端连接；所述收缩段7的小径端与出水管12连接，大径端与圆筒段6的另一端连接。
所述扩张段8沿来流方向依次设置有蜂窝网4和过滤纤维板9，如图2所示，蜂窝网4用以确保来流均匀；过滤纤维板9用以增大水的流动阻力以减缓水流速度，同时可以过滤水中的部分杂质。过滤之后水流经圆筒段6内减阻块4，其中混杂的塑料珠10可以提高溶解速度，圆筒段6中间设置有一片隔网11，如图3所示，可以有效阻止较小尺寸的减阻块往下游堆积。所述收缩段7沿来流方向依次设置有过滤纤维板9和蜂窝网4，过滤纤维板9能避免较小尺寸的减阻块进入到管道中，蜂窝网4和收缩段7能确保从出水管喷出的高聚物减阻溶液均匀。
优选的，所述减阻块由高聚物粉末熔化后，倒入方型模具中冷却制备而成，其边长范围为3-5mm。水流经过装置内减阻块使其溶解，从出水管便可制得高聚物的减阻溶液。
优选的，所述过滤纤维板9为防火棉。
优选的，所述塑料珠10粒径大小为2-5mm，与减阻块4交错分层排布在圆筒段内。
优选的，所述扩张段8、收缩段7与圆筒段6采用螺纹连接。
优选的，所述扩张段8、圆筒段6、收缩段7采用材料为聚氯乙烯。
优选的，所述隔网11用螺钉固定在圆筒段6内壁。
优选的，所述蜂窝网4、隔网11采用材料为铝合金。
实施例2：
本实施例一种制备高聚物减阻溶液的方法具体过程是：
步骤1：采用电子天平称取聚氧化乙烯粉末100g，将所称100g聚氧化乙烯粉末放入烘箱中在100℃下加热3h，使其完全融化，然后将融化的聚氧化乙烯倒入方型模具中，方型模具内有400个紧密排列的5mm×5mm×5mm空腔，冷却凝固10min后取出减阻块5。
步骤2：竖直放置圆筒端6，出水端朝上，放入步骤1制得的减阻块5，倒入300g直径为3mm的塑料珠10，随后放入过滤纤维板9，再放入蜂窝网4，蜂窝网的孔径为1mm，随即将收缩段7拧入，并接上出水管12；然后横置圆筒段6，再依次放入与出水端相同质量的减阻块5、塑料珠10、过滤纤维板9和蜂窝网4，将扩张段8拧入，接上进水管3，将进水管3与流量计2和进水阀1相连。
步骤3：打开进水阀1，读取流量计2的示数使其以100L/h的速度出水，水经过圆筒段6内减阻块5溶解以后从出水管12流出高聚物的减阻溶液。
步骤4：溶液制备完成以后，可拆卸装置，取出未溶解的减阻块5，用水冲刷洗净，并浸泡在酒精溶液中分散，取出晾干以后可以继续使用。
参照图4所示，本实施例制得的高聚物减阻溶液喷射进入实验管道，随着喷射时间的增长，减阻率逐渐增加，在喷射5min后达到最大减阻率27％，并能够维持这一减阻率持续喷射10min，在实验结束以后，可将未溶解的减阻块取出洗净晾干下次使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：包括进水管、筒体、过滤模块、减阻块、搅拌辅助模块和出水管；
若干所述减阻块设置于筒体内，经水流溶解得到减阻溶液；
所述过滤模块设置于筒体内，用于对来流的水和流出的减阻溶液进行过滤；
所述搅拌辅助模块设置于筒体内，用于提高减阻块的溶解速度；
所述进水管与筒体的输入端连通，向筒体内通入水流；所述出水管与筒体的输出端连通，将筒体内减阻溶液输出。
2.根据权利要求1所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述减阻块由高聚物粉末熔化后，倒入方型模具中冷却制备而成，其边长范围为3-5mm。
3.根据权利要求1所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述筒体由圆筒段、收缩段、扩张段组成；所述圆筒段为两端开口的筒状结构；所述扩张段和收缩段分别同轴安装于圆筒段的两端作为输入端与输出端；
所述扩张段的小径端与进水管连接，大径端与圆筒段的一端连接；所述收缩段的小径端与出水管连接，大径端与圆筒段的另一端连接。
4.根据权利要求3所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述过滤模块包括蜂窝网、过滤纤维板、隔网，所述扩张段沿来流方向依次设置有蜂窝网和过滤纤维板；所述收缩段沿来流方向依次设置有过滤纤维板和蜂窝网；所述隔网设置于圆筒段的中部，用于阻止未溶解完的减阻块往下游堆积。
5.根据权利要求4所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述过滤纤维板为防火棉；所述蜂窝网、隔网的材料为铝合金。
6.根据权利要求1所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述搅拌辅助模块由若干塑料珠构成。
7.根据权利要求6所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述塑料珠粒径范围在2-5mm之间，与减阻块交错分层排布在圆筒段内。
8.根据权利要求1所述一种制备高聚物减阻溶液的装置，其特征在于：所述进水管设置有进水阀和流量计，通过进水阀控制开闭，通过流量计监测流量。
9.一种制备高聚物减阻溶液的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：采用电子天平称取定量的可熔高聚物粉末，加热使其完全熔化，随后将熔化的高聚物倒入方型模具中，冷却凝固后取出制得减阻块；
步骤2：首先，所述圆筒段内的中部固定隔网后竖直放置，从上端口放入减阻块，将减阻块在隔网上平铺一层，再倒入一层塑料珠，随即放入过滤纤维板、蜂窝网，再将收缩段拧紧并接上出水管；然后，将圆筒段横置，从进水端依次放入减阻块、塑料珠、过滤纤维板、蜂窝网，再将扩张段拧紧并接上进水管；最后，将进水管与流量计、进水阀连接；
步骤3：打开进水阀，水流经过圆筒段内减阻块并将其溶解，随后从出水管流出高聚物的减阻溶液；
步骤4：所述减阻溶液制备完成以后，回收减阻块；所述减阻块回收方法为，将装置拆卸，取出未溶解的减阻块，用水冲刷洗净，并浸泡在酒精溶液中分散，取出晾干后即可继续使用。
10.一种制备高聚物减阻溶液的装置的应用，其特征在于：将所述制备高聚物减阻溶液的装置安装于水下航行器内，在航行器表面设置入水孔和喷射孔，通过入水孔向进水管引入水流，通过喷射孔将制备得到的减阻溶液喷射于水下航行器表面。
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