CN1273567A - 用于减小管道中的流动阻力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减小管道中的流动阻力的方法和设备,一流体或粉末在所述管道中流动。在该方法中,通过在管道壁上施加电场来减小流动阻力。另外,根据对使流体或粉末经受电场的部分之前和之后的流动区域的测量来调节场强。该流体可以是纯流体、腐蚀流体或包含颗粒形式的杂质。

Description

用于减小管道中的流动阻力的方法和设备
本发明涉及一种用于减小管道中的流动阻力的方法和设备，流体或粉末在所述管道中以单或多相流动。在该方法中，通过在管道壁上施加电场来减小流动阻力。另外，根据对使流体或粉末经受电场的部分之前或之后的流动区域的测量来调节场强。所述流体可以是纯流体、胶态流体或包含颗粒形式的杂质。
背景
许多重要的工业过程和民用工程涉及在管道中传输流体。例如，向水电站、自来水厂、水净化厂、污水处理及净化厂或分区供暖厂的分配网供水，在管道和工艺化学、食品工业和石油化学工业的流水线中传输油和气体。
在管道中的所有形式的流体传输所共有的问题是由流动阻力造成的流体压力损失。这种压力损失引起包括流体的管道传输的所有过程的能量损失。对于较大的传输距离，这可能成为一个重要的经济因素，因为该压力损失必须由一个或几个泵站通过再生流体压力来补偿。因而，减小流动阻力无论从环境角度还是经济角度来讲都是需要考虑的问题。
现有技术状态
从十九世纪人们就已经知道，通过向在管道中流动的水施加磁场可以减小和/或避免在管道内壁上形成钙质沉积物。这一效果在1985年9月出版的美国石油学会刊物960期中被充分地描述。虽然这一效果和本发明有相似之处，但目的和手段极为不同，所以它与本发明只有有限的相似性。
流经一管道的流体的流速沿着管道的横截面变化。在管道中央的流速最高，在流体和管道壁之间的交界处流速最低。图1中给出了管道[1]中的层流和紊流的典型流速分布。
流速分布的形状是由雷诺数和该流体流动的摩擦系数决定的。雷诺数是由流体密度、动态粘度、平均流速和管道的直径决定的。如果雷诺数小于2300为层流(抛物线形的流速分布)，如果雷诺数大于2300则为紊流。摩擦系数是由管道的粗糙度和雷诺数决定的。粗糙度是一个复合的量，取决于诸如管道壁的形状、表面的尺寸和物理特性、以及电状态[2]。所有这些参数倾向于减小流速。粗糙度通常由流体压力损失的测量确定。图2中的Moody图示出了对于多种材料的粗糙度作为雷诺数和摩擦系数的函数的关系。
众所周知，当将一片金属没入水中，一部分金属将被溶解为正金属离子，而该金属片带有负电荷。由于电磁吸引，将形成一个正金属离子、氢离子(取决于pH值)、水中其他正离子和极化分子的层，该层具有面向金属片的正端。图3中示出了该层。于是穿越该层形成了一个可以相对于标准参考单元(例如标准甘汞电极，SCE)测量的电压，并命名为腐蚀电势[4]。该层，其被称为双电层，厚度约为10-9m。虽然穿越该层的电势约为1V，但其电场是很大的，约为109V/m[3]。
为了保持腐蚀电势，必须产生一个从溶液至电极的小离子电流，从而建立一个浓度梯度。该浓度梯度被称为扩散层，厚度为约0.1mm。该厚度取决于搅动率或流速。搅动率或流速越高，扩散层越薄。扩散层越薄，流向电极的离子电流越大，从而腐蚀电势越大[3]。
本发明基于的概念是，由腐蚀电势造成的在流体一管道壁边界处的离子和极化分子的聚集会提高摩擦系数从而会降低流速。
本发明目的
本发明的一个总的目的是提供一种防止由流动的流体和管道壁之间的腐蚀电势引起摩擦系数增加，从而减小在管道中流动的流体的压力损失。
本发明的另一个目的是提供一种实施上述方法的设备。
本发明概述
本发明的基本概念是可以通过在管道壁上施加一个DC电势来抵消流体-固体边界处的离子的积累。该电势的值应该能够正好抵消管道壁上的电荷的积累。这样吸引离子和极化分子的电磁力将会消失，离子和极化分子可以自由地跟随流体流动。换句话说，电对摩擦系数的影响变为零。
如果施加的电势比电荷的积累所产生的电势还要大，则发生逆转情况。这种情况下将会在管道壁上积累具有相反值的电荷，离子(具有相反电荷)和极化分子(具有面向管道壁的相对端)将附着在管道壁上从而提高摩擦系数。因此重要的是找到抵消电荷积累的施加电势的值。
本发明的目的是通过例如在图4中示出的实施例实现的。该图示出了一个管道，其中一流体在箭头所示方向流动。管道壁的一个短的部分与管道壁两端的其余部分电绝缘。管道的内径与管道的绝缘部分应该相等以便不扰动流体并且不在流体中引入不必要的压力损失。一个DC电势发生器的一个极连接至绝缘管道部分，另一极连接至该绝缘部分的管道下游，或连接至处于该第一绝缘部分的下游的另一管道绝缘部分。该绝缘部分类似于第一绝缘部分。DC电势发生器由一调节单元连续调节，该调节单元响应于对经受电势作用的管道部分的上游的任何地方的流体量的测量。这确保系统能够施加正确的电势值，无论采用何种流体，也不管流中的最终变化。
流体量是指诸如流体流速、管道的腐蚀电势、pH值、特定离子浓度、电导率和流体温度。调节单元在计算施加电势的正确值时可以采用这些测量的量中的一部分或全部。调节单元可以是一个标准的计算机单元，它能够接收测量的数据并能够控制DC电势发生器。
附图的简要说明
图1是管道中层流和紊流的典型流速分布图。
图2是Moody图，示出了多种材料的相对粗糙度作为摩擦系数和雷诺数的函数的关系。
图3示出了双电层。
图4是根据本发明的一个优选实施例的示意图。
图5是为了测量使在钢管中流动的淡水经受电势作用的效果所设立的实验的图。
图6是对在钢管中流动、经受/不经受电势作用的淡水测量出来的流速分布图。雷诺数为50000。
优选实施例的详细说明
在图4中示出的优选实施例中，参考数字1为带有一个集成DC发生器的调节单元，2为传送电势的导电体，3是将测量的数据传送给调节单元的导电体，4是管道的绝缘部分，5是管道的其余部分，6是电绝缘体。箭头表示流动方向。用于测量流动量的传感器放置在管道4的绝缘部分上(未示出)。
绝缘管道部分可以为50cm长，并安装了用来测量流体流速、腐蚀电势、pH值、离子浓度、电导率和水温的传感器。绝缘管道部分应该位于管道入口后面一点，但其距离应该足以使流稳定。调节单元、导电体、DC电势发生器和用于测量流体量的传感器均可以为标准型的并且不再详细描述。但应该明白，传感器的形状及其放置应该不严重扰动流体的流动。
如前面提到的，本发明的目的是通过在管道壁上施加抵消管道壁上的电荷积累的电势来消除电对摩擦系数的影响。在优选实施例中，这是通过将DC发生器的一个极连接至该部分下游的管道壁上而将另一极连接至绝缘管道部分来实现的。正电场相应于将发生器的正极连接至管道壁5而将负极连接至绝缘管道部分4。
施加的电势接近于但不等于腐蚀电势。表1[4]中给出了海水中不同材料的多种不同腐蚀电势。从该表可以看出，腐蚀电势的范围是0至-1V。本发明人进行的实验表明了腐蚀电势与雷诺数的相关性，但没有表示出管道壁上的电荷积累的确切性质。但该实验指明施加电势应约为±1.5V。对于在水电站中采用的钢管中流动的淡水，电势范围应为550-650mV，而对于在相同钢管中流动的油，电势范围应为100-150mV。所有的电势均是相对于一标准的甘汞电极，SCE。本发明可以用于雷诺数范围为1-5000000的流，并可用于各种流体如淡水、海水、油、气体、粉末，以及它们中的一种或多种的单或多相混合物。
实验验证
为了验证施加电势的效果，采用了如图5中所示的实验装置。淡水从保持箱经过50mm直径的不锈钢管道流进收集箱。绝缘部分后面的钢管长度为17.5m，落差为8m。绝缘的管道位于入口(保持箱出口)后面约1.5m处。收集箱中的水通过一分开的管道抽回保持箱，从而该流构成了一闭合回路。
在绝缘管道部分通过测量平均流速、水温、pH值和电导率监视水流。另外，测量管道出口前约1m处的管道较低部分处的流速分布和沿管道的水流压降。还通过声学测量来监视水流。在流速分布测量中采用一激光多普勒风速仪。采用多变量校正来分析测量的值。
这些测量显示，对于具有雷诺数50000的流来说，施加的电势为50至100mV(SCE)时对流动阻力有效果。所有其他电压均没有显著效果。腐蚀电势被测量出为55mV(SCE)。图6中给出了该效果的一个实例，其中示出了在经受+75mV(SCE)施加电势和不经受施加电势作用的情况下测量的流速分布。该分布是从管道壁至管道的中央。不经受施加电势作用的分布用数字7标明，经受施加电势作用的分布用数字8标明。如可从图中看到的，在管道壁处流速增加而在管道中央处流速减小，但在该情况中的总的效果是平均流速增加了2.3％。在其他实例中观察到平均流速增加5％以上。
应注意，在该系统中存在时间相关性，也许要经过一段时间才能看见效果。对于该实验装置，要经过20分钟才能开始看见效果，而要经过1.5小时才能达到最大效果。
虽然将本发明描述为在不锈钢管道中流动的淡水的实例，但应该理解，本发明包括一种用于消除电对所有流的摩擦系数的影响的通用方法。另外，本发明不限于特定的应用场合，而可以用于管道中的流体压力损失成为一个问题的所有应用场合。
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          表I  [4]流速为13ft/sec的海水中的
               各种合金的电势序(74至80F)
                                             电势
       材料                 测试天数       -V-SCE(1)锌                                5.7            1.032％Ni铸铁                         16             0.68铸铁                              16             0.61碳钢                              16             0.61型号430不锈钢(活性)               15             0.57耐蚀高镍铸铁型号2                 16             0.54型号304不锈钢(活性)               15             0.53型号410不锈钢(活性)               15             0.52型号3耐蚀高镍铸铁                 16             0.49型号4耐蚀高镍铸铁                 16             0.48型号1耐蚀高镍铸铁                 16             0.46海军青铜                          14.5           0.40铜                                31             0.36红铜                              14.5           0.33铝黄铜                            14.5           0.32“G”青铜                        14.5           0.31海军黄铜                          19.9           0.2990-10 Cu-Ni+0.8 Fe                15             0.2870-30 Cu-Ni+0.45 Fe               15             0.25型号430不锈钢(活性)               15             0.22型号316不锈钢(活性)               15             0.18铬镍铁合金                        15             0.17型号410不锈钢(钝性)               15             0.15钛                                41             0.15型号304不锈钢(钝性)               15             0.084哈斯特洛伊合金“C”                                15             0.079蒙乃尔镍铜合金                    6              0.075型号316不锈钢(钝性)               15             0.05
(1)SCE＝饱和甘汞电极

Claims (10)

1、一种用于通过消除电对摩擦系数的影响来减小管道中的流动阻力的方法，其特征在于，管道壁经受一DC电势作用，该DC电势适合用来抵消由流动的流体和管道壁材料之间的相互作用引起的管道壁上的电荷的积累。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，DC电势由一个调节单元连续调节，测量出来的经受DC电场作用的管道部分上游的流体特性的信息被提供给调节单元，其中测量的流体特性可以是平均流速、腐蚀电势、pH值、包含在流体中的特定离子的浓度、电导率、压力和温度中的一个或多个特性。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，DC电势的范围是-1.5至+1.5V(SCE)，最好为0至+1.2V(SCE)。
4、根据权利要求1-3的方法，其特征在于，在使用水电站中所采用的类型的钢管和淡水的情况下，DC电势的范围应为550至650mV(SCE)，而对于在相同管道中流动的油，DC电势的范围应为100至150mV(SCE)。
5、根据权利要求1-3的方法，其特征在于，对于在不锈钢管道中流动的淡水，DC电势的范围为50至100mV(SCE)，最好为75mV(SCE)。
6、根据权利要求1-5的方法，其特征在于，所述流为气态或液态的纯流体，胶态流体，包含颗粒形式的杂质的流体，几种流体的单或多相混合物，或它们中一种或多种的混合物。
7、根据权利要求1-5的方法，其特征在于，该流为颗粒流。
8、根据权利要求1-6的方法，其特征在于，该流的雷诺数范围为1至5000000。
9、一种用于通过消除电对摩擦系数的影响来减小管道中的流动阻力的设备，其特征在于，DC电势发生器的一个极与管道壁的一个电绝缘部分相连接，另一极与该绝缘部分下游的管道部分相连接，DC电势发生器由一调节单元控制，经受DC电势作用的管道部分的上游的流体特性的测量数据被提供给该调节单元。
10、根据权利要求8的设备，其特征在于，包括平均流速、腐蚀电势、pH值、包含在流体中的特定离子的浓度、电导率、压力和温度的流体特性组中的一个或多个流体特性被提供给调节单元。
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