Известно, что потери напора (давления) в потоке жидкости вызываются гидравлическим сопротивлением двух видов: местными потерями и сопротивлениями по длине. Местные сопротивления обусловлены изменениями скорости потока по величине или направлению (в данной статье они не актуальны и рассмотрению не подлежат). Сопротивления по длине обусловлены силами трения.
В настоящей статье мы будем рассматривать только сопротивления по длине.
Для увеличения пропускной способности трубопроводов и снижения энергетических затрат на перемещение единицы объема энергоресурса на настоящий момент возможны к применению только следующие способы, а именно: уменьшения вязкости энергоносителя, подогрев, разбавление маловязким растворителем, введение депрессорных присадок, уменьшение скорости распространения потока с турбулентного на ламинарный и замена классического трубопровода на спиральный.
В случае невозможности по каким-либо причинам использовать выше поименованные классические способы увеличения пропускной способности трубопроводов – предлагается принципиально новый способ.
Способ основан на одновременном создании множества бегущих волн давлений/сжатий последовательно в трубопроводе с помощью всем известного эффекта гидравлического удара.
Основная идея
Установить быстродействующие клапаны вдоль трубопровода.
Создавать последовательные гидроудары, формируя бегущую волну давления.
Компенсировать потери напора за счёт периодической подкачки энергии.
Физический принцип
Гидроудар вызывает резкий скачок давления, который распространяется со скоростью звука (1480 м/с в воде).
Если клапаны срабатывают синхронно с приходом волны, потери на трение компенсируются.
Упрощённая формула:
dPкомпенс=ρ⋅c⋅dV
где:
ρ – плотность жидкости,
c – скорость звука,
dV – изменение скорости потока при закрытии клапана.
Пример: Для воды (ρ=1000 кг/м3, c=1480 м/с) и dV=1 м/с:
dPкомпенс = 1.48 МПа (15 атм)
Известно, что бегущая волна, это волновое движение, при котором поверхность равных фаз (фазовые волновые фронты) перемещается с конечной скоростью (постоянной для однородной среды). В отличие от стоячих волн, бегущие волны при распространении переносят энергию в данном случае давления в среднем со скоростью звука. Например, в трубе с водой длиной 15 метров процесс распространения ударной волны займёт примерно 10 миллисекунд.
При этом гидравлический удар представляет собой явление резкого повышения давления жидкости в системе, вызванное крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени благодаря быстрому закрытию или открытию трубопроводной арматуры. Скорость распространения давления гидравлического удара, генерируемая таким способом, может распространяться на очень значительные расстояния практически без затухая.
С учётом выше изложенного рассмотрим классический напорный водопровод, только доработанный в конструктивном плане.
Рис. № 5. Схема реализации пульсации давлений в трубопроводе для целей увеличения пропускной способности.
На равноудалённых расстояниях по всему трубопроводу в зависимости от скорости распространения бегущей волны в конкретной жидкости – расположены быстродействующие клапаны с датчиками давлений, управляемые от общей системой управления. Клапаны открываются/закрываются на основании информации, полученной от
Клапаны при быстром и последовательном открывании/закрывании каждого формируют на своём участке длинны трубопровода волну давления гидравлическим ударом, которая распространяется практически без потерь со скоростью звука от одного клапана до другого и так далее.
Для примера, в трубе с водой длиной 15 метров время распространения ударной волны займёт 10 мкс.
Время срабатывания быстродействующих клапанов должен быть на порядок меньше этой величины, т.е. не более 1 мкс.
В начальный момент времени все клапаны одновременно перекрывают поток жидкости. Датчики давлений отслеживают повышение давления перед клапанами. Как только давление перед клапанами достигает величины гидравлического удара – последние открываются.
Перед каждым последующим клапаном величина давления гидравлического удара увеличивается.
Таким образом значение потерь напора (давления) в потоке жидкости на начальном участке до первого клапана будет соответствовать такому же значению потери напора (давления) на конечном участке трубопровода вне зависимости от физической длинны самого напорного трубопровода.
Аналогия
Представь, что труба – это длинная очередь людей, которым нужно пройти через узкий коридор.
Обычный режим: люди идут медленно, потому что толкаются и мешают друг другу (трение).
эта идея: кто-то сзади периодически кричит “Раз-два-шаг!” – это как гидроудар. Люди синхронно делают шаг, и очередь движется быстрее.
Если кратко:
“Предлагается заставить трубу работать как сердце – качать жидкость импульсами, чтобы она текла быстрее!”
Плюсы идеи
Меньше потерь – жидкость течёт легче, насосы тратят меньше энергии. Работает на больших расстояниях – волны давления почти не затухают.
Не нужны химикаты – не надо разбавлять жидкость или греть её.
Сложности
Нужны супербыстрые клапаны (срабатывают за микросекунды).
Труба должна быть прочной – гидроудары создают нагрузку.
Точная настройка – если клапаны срабатывают невпопад, может стать только хуже.
Применения
Длинные нефтепроводы – чтобы качать нефть с меньшими затратами.
Водоснабжение городов – меньше насосных станций.
Системы охлаждения – где важно быстро гнать жидкость/газ.
Можно ли сделать проще?
Если клапаны – слишком сложно, можно попробовать:
Акустические волны (как динамик в трубе) – чтобы создавать давление без механических деталей.