Турбулентный реометр

Турбулентный реометр относится к области лабораторного оборудования, используемого для оценки эффективности применения противотурбулентных присадок за счет определения гидродинамических параметров течения жидкости в турбулентном потоке. Турбулентный реометр включает расходную емкость и капилляр, оборудованные рубашкой для циркуляции термостатирующей жидкости, напорную магистраль, термостат, термопару и регистратор для контроля температуры исследуемой жидкости, приемную емкость под расчетным избыточным давлением, емкость для слива испытанной жидкости, шаровые краны для подачи и слива исследуемой жидкости и азота, редукторы для создания необходимого давления в расходной и приемной емкостях, тензометрический датчик для измерения времени истечения жидкости, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер. Технический результат – создание конструкции реометра, которая позволит проводить испытания турбулентных потоков жидкости с высокой точностью измерения в широком интервале чисел Рейнольдса, при температурах выше температуры ее кипения и при перепадах давления до 12 МПа. 4 пр., 1 ил.

 

Турбулентный реометр относится к области лабораторного оборудования, используемого для оценки эффективности применения противотурбулентных присадок (ПТП) за счет определения гидродинамических параметров течения жидкости в турбулентном потоке.

Известен турбулентный реометр и способ определения эффективности ПТП, реализуемый посредством турбулентного реометра [Патент РФ на изобретение №2577797 Турбулентный реометр и способ определения эффективности противотурбулентных присадок, реализуемый посредством турбулентного реометра. Опубл. 20.03.16], включающий расходную емкость с шаровым краном, трубку Мариотта, трубку малого внутреннего диаметра для прохождения маловязкой углеводородной жидкости в турбулентном режиме течения, электромагнитный клапан с реле времени для задания отрезка времени открытия клапана, приемную емкость и технические весы для измерения массы жидкости в приемной емкости. Способ определения эффективности ПТП заключается в том, что в расходную емкость через шаровый кран заливают маловязкую углеводородную жидкость, закрывают шаровый кран для обеспечения поддержания постоянного давления в расходной емкости, задают посредством реле отрезок времени и запускают открытие электромагнитного клапана. После автоматического срабатывания реле времени, закрывается электромагнитный клапан, после чего взвешивают на технических весах наполненную приемную емкость. После этого вводят в жидкость ПТП в определенной концентрации, выполняют вышеперечисленные действия и вычисляют снижение гидродинамического сопротивления после введения ПТП. Вышеперечисленные действия выполняют для ряда значений концентраций ПТП в жидкости и затем оценивают эффективность ПТП, получая зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления от значения концентрации ПТП.

Недостатком данного изобретения является отсутствие термостатированной рубашки, в результате чего нет возможности проводить испытания при фиксированной температуре, колебания температуры окружающего воздуха будут оказывать влияние на результаты измерений, также отсутствует возможность проводить испытания при повышенных температурах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату решением, взятым за прототип, является способ измерения величины снижения гидродинамического сопротивления и турбулентный реометр [Манжай В.Н. Турбулентное течение разбавленных растворов полимеров в цилиндрическом канале: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора хим. наук: 02.00.06 / Томский гос. ун-т. - Томск, 2009. - 44 с.]. Рабочим участком реометра является стеклянный капилляр длиной около 1 м и диаметром от 2 до 5 мм. Жидкость вытекает через капилляр при постоянном давлении, создаваемом в ресивере с помощью баллона со сжатым газом. Верхний открытый конец трубки сообщается с рабочей камерой реометра, куда заливается исследуемая жидкость. Через другой конец, снабженный краном, жидкость имеет выход во внешнюю среду и далее попадает в приемник. В приемнике имеется емкость фиксированного объема. Мениск жидкости, двигаясь по мере заполнения приемника, включает и выключает электронный секундомер с помощью датчиков с фотодиодами. На турбулентном реометре замеряют время истечения фиксированного объема чистого растворителя и растворов полимера с различной концентрацией при одинаковых заданных перепадах давления ΔP_s=ΔP_p=const. Значение снижения гидродинамического сопротивления рассчитывают по формуле (1):

где t_s - время истечения фиксированного объема растворителя (без ПТП), t_p - время истечения того же объема раствора полимера при том же давлении.

Недостатком такой конструкции реометра является невозможность проведения испытания турбулентных потоков при температуре жидкости выше температуры ее кипения, так как в таком случае при открытии электромагнитного клапана в капилляр вместо жидкости попадает газообразная фаза, и турбулентный поток жидкости не формируется.

Высокие испытательные температуры необходимы при испытании растворов ПТП, предназначенных для закачки в скважины глубиной более 1500 м с высокой скоростью течения.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции турбулентного реометра, позволяющей проводить измерения в условиях температуры испытуемой среды выше температуры ее кипения.

Для решения поставленной задачи предлагается:

Турбулентный реометр, включающий расходную емкость и капилляр, оборудованные рубашкой для циркуляции термостатирующей жидкости, напорную магистраль, термостат, термопару и регистратор для контроля температуры исследуемой жидкости, приемную емкость под расчетным избыточным давлением, емкость для слива испытанной жидкости, шаровые краны для подачи и слива исследуемой жидкости и азота, редукторы для создания необходимого давления в расходной и приемной емкостях, тензометрический датчик для измерения времени истечения жидкости, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер.

Технический результат достигается за счет того, что при истечении жидкости с температурой выше температуры ее кипения через капилляр в приемную емкость, находящуюся под расчетным избыточным давлением, не происходит образования газообразной фазы, в отличие от истечения жидкости в атмосферу, когда жидкость переходит в газообразное состояние и турбулентный поток жидкости не формируется. Экспериментально определено, что при избыточном начальном давлении в капилляре и приемной емкости жидкость при высокой температуре не переходит в газообразное состояние и способна перемещаться в турбулентном потоке по капилляру. При этом во время проведения испытания давление в расходной емкости корректируется на величину давления в приемной емкости, в результате чего перепад давления АР остается величиной постоянной.

На фиг. представлена схема турбулентного реометра.

Турбулентный реометр, включает в себя баллон с азотом (1), ресивер (2), напорную магистраль (3), расходную емкость (4) и капилляр (5), оборудованные рубашкой, термостат (6), термопару (7), тензометрический датчик (8), аналого-цифровой преобразователь (9), персональный компьютер (10), приемную емкость (11), емкость для слива испытанной жидкости (12), редукторы Р1 и Р2, шаровые краны К1-К7.

Определение гидродинамической эффективности ПТП с использованием заявляемого реометра осуществляется следующим образом.

За основу реометра для испытания взят капилляр диаметром 1,2 мм длиной 850 мм. Течение жидкости в капилляре осуществляется при постоянном перепаде давления (ΔР=8 МПа). Капилляр и расходная емкость для исследуемой жидкости оборудованы рубашкой, через которую из термостата циркулирует полиметилсилоксановая термостатирующая жидкость (ПМС-100). Контроль температуры исследуемой жидкости осуществляется термопарой и вторичным прибором Термодат-12К5 (регистратором).

Порядок проведения исследования.

При закрытом кране К1 открывают кран К2, заливают через воронку исследуемую жидкость объемом 200-250 мл и закрывают кран К2.

Запускают циркуляцию термостатирующей жидкости через рубашку расходной емкости и капилляра, исследуемая жидкость и капилляр термостатируют в течение 30 минут.

При закрытом кране Кб открывают краны К4 и К3, через редуктор Р1 из баллона с азотом в ресивер и напорную магистраль подают азот, создавая необходимое давление.

При закрытых кранах К5 и К7 открывают кран К6 и с помощью редуктора Р2 создают необходимое давление в приемной емкости. Открывают кран К1 и создают необходимое давление в расходной емкости с испытуемой жидкостью. Включают аналого-цифровой преобразователь и системы записи, открывают кран К8 и производят слив исследуемого образца жидкости через капилляр в приемную емкость для отработанного раствора с заданным перепадом давления. Измерение времени истечения жидкости производят с помощью тензометрического датчика, опрашиваемого аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с частотой 0,5-1 кГц. Полученный цифровой сигнал регистрируют на персональном компьютере, где его обрабатывают с помощью программного обеспечения и выводят результат в виде таблицы данных или графика на монитор.

Гидродинамическая эффективность ПТП оценивается по относительной величине снижения гидродинамического сопротивления DR. Величина DR является отношением разности коэффициентов сопротивления чистого растворителя и полимерного раствора (Δλ=λ_s-λ_p) к значению коэффициента сопротивления растворителя (Δs) и рассчитывается по формуле (2):

На реометре замеряется время истечения чистого растворителя -дистиллированной воды и раствора ПТП при одинаковых заданных перепадах давления между концами капиллярной трубки ΔP_s=ΔР_p=const.

С учетом последнего условия формула (2) для расчета DR уплощается до вида (3):

где t_s и t_p - время истечения фиксированного объема чистого растворителя и раствора полимера, соответственно, через капилляр в турбулентном режиме течения, t=τ2-τ1.

Пример 1. Проведение испытания при температуре 25°C.

Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 8 МПа, в приемную емкость, находящуюся под атмосферным давлением. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения воды составило 9551 мс.

Измеряли время истечения 230 мл 0,05% водного раствора ПТП из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 8 МПа, в приемную емкость, находящуюся под атмосферным давлением. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения образца составило 4842 мс.

Эффект снижения гидродинамического сопротивления (DR) от применения ПТП, рассчитанный по приведенной формуле (2), составил 74,6%.

Пример 2. Проведение испытания при температуре 25°C.

Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений ΔР между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения воды составило 9595 мс.

Разница во времени истечения дистиллированной воды в примерах 1 и 2 составила менее 0,5%.

Измеряли время истечения 230 мл 0,05% водного раствора ПТП из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения образца составило 4887 мс.

Эффект снижения гидродинамического сопротивления (DR) от применения ПТП, рассчитанный по приведенной формуле (2), составил 74,1%.

Разница в эффекте снижения гидродинамического сопротивления (DR) в примерах 1 и 2 составила менее 0,7%.

Пример 3. Проведение испытания при температуре 140°C.

Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 8 МПа, в приемную емкость, находящуюся под атмосферным давлением. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа измерение времени истечения невозможно в связи с фазовым переходом воды в капилляре в парогазовую фазу. Эффект снижения гидродинамического сопротивления противотурбулентными присадками в данных условиях экспериментально не реализуем.

Пример 4. Проведение испытания при температуре 140°C.

Измеряли время истечения 230 мл дистиллированной воды из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений ΔР между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения воды составило 9679 мс.

Измеряли время истечения 230 мл 0,05% водного раствора ПТП из расходной емкости, находящейся под избыточным давлением 9 МПа, в приемную емкость, находящуюся под избыточным давлением 1 МПа. При созданном таким образом перепаде давлений между концами капиллярной трубки 8 МПа время истечения образца составило 5147 мс.

Эффект снижения гидродинамического сопротивления (DR) от применения ПТП, рассчитанный по приведенной формуле (2), составил 71,7%.

Результаты экспериментов свидетельствуют о возможности применения реометра для количественной оценки эффективности снижения гидродинамического сопротивления растворами ПТП в турбулентном потоке жидкости при температуре выше температуры ее кипения.

Описания устройства турбулентного реометра, характеризующегося признаками, идентичными всем признакам заявляемого решения, в источниках информации не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию изобретения "новизна".

Достижение заявляемого технического эффекта возможно только при использовании всех существенных признаков предлагаемого решения в совокупности, что обеспечивает соответствие его критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предлагаемое решение имеет следующие преимущества.

1. Возможность проводить испытания ПТП в турбулентных потоках жидкости в широком интервале чисел Рейнольдса, с высокой точностью измерения времени истечения, при температурах выше температуры ее кипения и при перепадах давления в капилляре до 12 МПа.

2. Применение АЦП позволяет получать данные с точностью измерения до 1000 раз/сек.

3. Возможность обработки полученных данных с помощью программного обеспечения ПК.

Турбулентный реометр, включающий расходную емкость и капилляр, оборудованные рубашкой для циркуляции термостатирующей жидкости, напорную магистраль, термостат, термопару и регистратор для контроля температуры исследуемой жидкости, приемную емкость под расчетным избыточным давлением, емкость для слива испытанной жидкости, шаровые краны для подачи и слива исследуемой жидкости и азота, редукторы для создания необходимого давления в расходной и приемной емкостях, тензометрический датчик для измерения времени истечения жидкости, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер.