NO321624B1 - Fremgangsmate for reduksjon av stromningsmotstand i ror- og kanalstromning - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte og apparatur for reduksjon av strømningsmotstand i rør og kanaler hvor et fluid eller pulver strømmer i enkelt-

eller flerfase. I fremgangsmåten blir strømningsmotstanden redusert ved å anvende et elektrisk felt på rør- eller kanalveggen. I tillegg blir feltstyrken regulert i henhold til målinger av strømningsregimet før og etter enheten som eksponerer fluidet eller pulveret for det elektriske feltet. Fluidet kan være et rent fluid,

kolloidalt fluid eller inneholde inneslutninger i form av partikler.

Bakgrunn

Mange viktige industrielle prosesser og sammfunnstjenester inkluderer transport av fluider i rør. Eksempler er blant andre, vannforsyning til hydroelektriske kraftstasjoner, vannverk, vannrenseanlegg, kloakkbehandlings- eller renseanlegg, distribusjonsnett for fjernvarmeanlegg, transport av olje og gass i rør, prosesslinjer i prosesskjemi, matindustri og petrokjemisk industri.

Et vanlig problem forbundet med alle former for transport av fluider i rør og

kanaler er tap av fluidets trykk på grunn av strømningsmotstand. Dette trykktapet forårsaker tap av energi for alle prosesser som inkluderer rørtransport av fluider.

For større transportavstander kan dette bli en viktig økonomisk faktor da trykktapet må kompenseres ved regenerering av fluidtrykket ved hjelp av én eller flere pumpestasjoner. Dermed blir det utfra både et økonomisk og miljømessig synspunkt interessant å redusere strømningsmotstanden.

Kjent teknikk

Siden det nittende århundre har det vært kjent at å påtrykke et magnetisk felt på

vann som strømmer i et rør, kan dannelsen av kalkavsetninger på innerveggene til røret reduseres og/eller unngås. Denne effekten er inngående diskutert i American Petroleum Institute Publication 960 fra september 1985. Selv om det er likheter mellom denne effekten og denne oppfinnelsen, er både målsetningen og midlene tilstrekkelige fjernt fra hverandre til at dette kun har begrenset relevans for denne oppfinnelsen.

Strømningshastigheten til et fluid som strømmer gjennom et rør/kanal vil variere langs tverrsnittet til røret/kanalen. Den høyeste hastigheten oppnås i midten og den laveste ved grenseflaten mellom fluidet og rør/kanalveggen. Typiske hastighetsprofiler for laminær og turbulent strømning i rør [1] er gitt i fig. 1.

Formen til hastighetsprofilen bestemmes av Reynoldstallet og friksjonsfaktoren til fluidstrømningen. Reynoldstallet bestemmes av tettheten til fluidet, dynamisk viskositet, gjennomsnittelig strømningshastighet og diameteren til røret/kanalen. Hvis Reynoldstallet er mindre enn 2300 vil strømningen være laminær (parabolformet hastighetsprofil) og turbulent hvis den er over 2300. Friksjonsfaktoren bestemmes av ruheten til rør/kanalveggen og Reynolds-tallet.

Ruheten er en kompleks størrelse som avhenger av paramtere slik som formen på røret/kanalveggen, størrelse, fysisk karakter til overflaten og elektriske betingelser

[2]. Alle disse parametrene tenderer mot å redusere strømningshastigheten. Ruheten blir normalt bestemt ved målinger av fluidets trykktap. Ruheten som en funksjon av Reynolds-tallet og friksjonsfaktoren for et antall materialer er gitt i form av et Moody-diagram [2] i fig. 2.

Det er også kjent at når et metallstykke senkes i vann, vil noe av metallet oppløses som positive metallioner og metallstykket vil bli negativt ladet. På grunn av elektromagnetisk tiltrekning vil det dannes et lag av positivt ladede metallioner, hydrogenioner (avhengig av pH), andre positivt ladede ioner tilstede i vannet og polare molekyler méd den positive enden rettet mot metallstykket [3]. En illustrasjon av dette laget er gitt i fig. 3. En spenning som kan måles i forhold til en standard referansecelle (f.eks. en standard calomel elektrode, SCE) vil dermed dannes på tvers av dette laget, og er gitt navnet korrosjonspotensialet [4]. Laget som også kalles det elektriske dobbeltlaget har en tykkelse i størrelsesorden på IO"<9 >m. Selv om potensialet på tvers av laget er i størrelsesorden på 1 V, er det elektriske feltet svært stort, i størrelsesorden IO<9> V/m [3].

For at korrosjonspotensialet skal opprettholdes må det oppstå en liten strøm av ioner fra løsningen til elektroden, slik at en konsentrasjonsgradient blir etablert. Denne konsentrasjonsgradienten kalles diffusjonslaget og har en tykkelse i størrelsesorden 0,1 mm. Tykkelsen avhenger av omrøringshastigheten eller strømningshastigheten. Ved høyere omrøringshastighet, eller strømningshastighet, jo tynnere vil diffusjonslaget være. Jo tynnere diffusjonslag jo høyere strømmer av ioner til elektroden og dermed høyeré korrosjonspotensial [3].

EP 0 661 237 Al angir en fremgangsmåte for å forhindre deponering av kalsium-og magnesiumavleiringer på rørvegger ved å påtrykket et likespent elektrisk potensial for ionisering av fluidet. Ionisering av fluidet vil imidlertid forsterke korrosjonspotensialet av denne fremgangsmåten og er derfor ikke relevant for denne oppfinnelsen.

US 5 480 563 angir en fremgangsmåte for å fjerne elektrostatiske ladninger som bygges opp i høyresistivitetsvæsker uten å kontakte væsken i den hensikt å unngå å forurense den. Et eksempel på slik væske er ekstremt rent vann anvendt i produksjonen av halvlederinnretninger og flytende krystallinnretninger. Det er kjent at slikt vann kan lades opp til 1000 V etter passering av et teflonbasert rør, som kan være skadelig for innretningen som produseres. Løsningen er å anvende elektroder dekket med et tynt inertlag som tillater tunnellering av elektroner inn i væsken. Det store potensialet som trengs for å utføre denne operasjonen vil

imidlertid uunngåelig øke korrosjonspotensialet og dermed strømningsmotstanden,

og er derfor ikke relevant for denne oppfinnelsen.

Idéen som denne oppfinnelsen er basert på er at opphopningen av ioner og polare molekyler ved fluidveggens grensesjikt på grunn av korrosjonspotensialet vil øke friksjonsfaktoren og dermed bremse ned fluidstrømmen.

Oppfinnelsens målsetting

En hovedmålsetting med denne oppfinnelsen er å fremskaffe en fremgangsmåte

som forhindrer økningen av friksjonsfaktoren på grunn av korrosjonspotensialet som er tilstede mellom et strømmende fluid og veggen til et rør/kanal, og dermed reduserer trykktapet til fluider som strømmer i røret/kanalen.

En annen målsetting med denne oppfinnelsen er å fremskaffe en apparatur for å utføre fremgangsmåten.

Målsetningene med oppfinnelsen kan oppnås ved en fremgangsmåte og apparater som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av følgende beskrivelse og patentkravene.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Hovedidéen til denne oppfinnelsen er at oppbyggingen av ioner ved grenseflaten mellom fluidet og faststoffet kan motvirkes ved å påføre rør/kanalveggen et likespent elektrisk potensial. Størrelsen på potensialet bør være slik at det nøyaktig balanserer oppbygningen av elektriske ladninger på veggen. Dermed vil de elektromagnetiske kreftene som tiltrekker ionene og polare molekyler forsvinne, og ionene og de polare molekylene kan fritt følge med det strømmende fluidet. Med andre ord, det elektriske bidraget til friksjonsfaktoren blir null.

En motsatt situasjon inntreffer hvis det påførte elektriske potensialet blir større enn oppbygningen av den elektriske ladningen. Da vil det bli en oppbygning av elektriske ladninger med motsatte verdier på rør/kanalveggen, og ioner (med

motsatt ladning) og polare molekyler (med den motsatte enden rettet mot veggen)

vil feste seg til veggen og dermed øke friksjonsfaktoren. Det er derfor viktig å

finne den størrelsen på det påførte elektriske potensialet som balanserer oppbygningen av de elektriske ladningene.

Målsettingen med oppfinnelsen oppnås f.eks. ved et utførelseseksempel som vist skjematisk i fig. 4. Figuren viser et rør hvor et fluid strømmer i retningen til pilen.

En kort del av rørveggen er elektrisk isolert fra resten av rørveggen i begge ender. Den indre diameteren til røret og den isolerte delen av røret bør være lik for ikke å forstyrre eller å introdusere unødvendig trykktap i fluidstrømmen. En likestrøms elektrisk potensialgenerator forbindes med den ene polariteten til den isolerte rørdelen og den andre polariteten til røret nedstrøms for den isolerte delen eller til en annen isolert del av røret nedstrøms for den første isolerte delen. Den elektriske likestrømsgeneratoren blir kontinuerlig regulert ved en kontrollenhet som reagerer på målinger av fluidkvaliteten hvor som helst oppstrøms for den delen av røret som blir utsatt for det elektriske potensialet. Dette sikrer at systemet kan påføre den korrekte verdien til det elektriske potensialet uavhengig av hvilket fluid som anvendes og eventuelle endringer i strømningen.

Med fluidets kvalitet mener vi størrelser slik som fluidets strømningshastighet, korrosjonspotensial for det aktuelle røret, pH, konsentrasjon av spesifikke ioner, elektrisk ledningsevne, trykk og fluidets temperatur. Reguleringsenheten kan anvende noen eller alle av disse målte størrelsene når den beregner den korrekte verdien for det påførte elektriske potensialet. Reguleringsenheten kan være en standard datamaskinenhet som mottar de målte dataene, og som kan regulere den elektriske likestrømsgeneratoren.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er en tegning av en typisk hastighetsprofil for en laminær og turbulent strømning i rør. Fig. 2 er et Moody-diagram som viser den relative ruheten for et antall materialer som funksjon av friksjonsfaktoren og Reynolds-tallet.

Fig. 3 viser det elektriske dobbeltlaget.

Fig. 4 er et skjematisk riss av et foretrukket utførelseseksempel av apparaturen i henhold til oppfinnelsen. Fig. 5 er en tegning av et eksperimentelt oppsett for målinger av effekten å eksponere ferskvann som strømmer i et stålrør. Fig. 6 viser en målt strømningshastighetsprofil for ferskvann som strømmer i stålrør med og uten eksponering til det elektriske potensialet. Reynolds-tallet var 50000.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I det foretrukne utførelseseksemplet gitt skjematisk i fig. 4, er referansetall 1 reguleringsenheten med en integrert likestrømsgenerator, 2 er ledere for overføring av det elektriske potensialet, 3 er ledere for overføring av de målte data til reguleringsenheten, 4 er den isolerte delen av røret, 5 er resten av røret, 6 er elektriske isolatorer. Pilen indikerer strømningsretningen. Sensorene for å måle strømningskvaliteten er plassert på den isolerte delen av røret 4 (ikke vist).

Den isolerte rørdelen kan være opptil 50 cm lang og ha montert sensorer for å måle strømningshastigheten, korrosjonspotensialet, pH, ionekonsentrasjonen, elektrisk ledningsevne, og vanntemperaturen. Den isolerte rørdelen bør plasseres kort etter rørets innløp men tilstrekkelig lang unna for å sikre at strømningen har blitt etablert. Reguleringsenheten, elektriske ledere, likestrømsgeneratoren og sensorene for å måle strømningskvalitéten kan alle være av standard type og vil ikke bli beskrevet i ytterligere detalj. Man bør imidlertid ha i tankene at størrelse og plassering av sensorene bør være slik at de ikke forstyrrer fluidstrømningen vesentlig.

Som nevnt, er målsetningen med denne oppfinnelsen å eliminere det elektriske bidraget til friksjonsfaktoren ved å påføre det elektriske potensial til rørveggen som balanserer oppbygning av de elektriske ladningene i rørveggen. I det foretrukne utførelseseksemplet blir dette utført ved å. forbinde en polaritet fra likestrømsgeneratoren til rørveggen som er nedstrøms for enheten og den andre polariteten til den isolerte rørdelen. Et positivt elektrisk felt tilsvarer å forbinde den positive polariteten fra generatoren til rørveggen 5 og den negative polariteten til den isolerte rørdelen 4.

Det påførte elektriske potensiale er nær men ikke lik korrosjonspotensialene. Et antall forskjellige korrosjonspotensialer for forskjellige materialer i sjøvann er gitt i tabell 1 [4]. Fra tabellen ser man at korrosjonspotensialet er i området 0 til -1 V. Eksperimenter utført av oppfinneren indikerer en avhengighet av Reynolds-tallet, men den eksakte naturen til oppbygning av den elektriske ledningen på rørveggene er i dag ikke kjent. Eksperimenter indikerer imidlertid at det påførte potensialet bør være i størrelsesorden + 1,5 V. For ferskvann som strømmer i stålrør anvendt ved hydroelektriske kraftstasjoner, bør det elektriske potensialet være i området 550-650 mV, og for olje som strømmer i de samme stålrørene i området 100-150 mV. Alle potensialer er relativt til standard calomel elektrode SCE. Oppfinnelsen kan anvendes for strømninger med Reynolds-tall i området 1 til 5000000, og for alle typer fluider slik som ferskvann, sjøvann, olje, gasser, pulvere og en blanding av én eller flere av disse i enkelt- eller flerfase.

Eksperimentell verifikasjon

For å verifisere effekten av det påførte elektriske potensialet, ble det anvendt en eksperimentrigg slik som den gitt i fig. 5. Ferskvann strømmer fira en holdetank, gjennom et rør av rustfritt stål med 50 mm i diameter og ned i en oppsamlingstank. Lengden på stålrøret etter den isolerte delen var 17,5 meter og fallene var 8 meter. Den isolerte rørdelen bir plassert ca. 1,5 meter etter innløpet (utløpet fra holdetanken). Vannet i samletanken ble pumpet gjennom et separat rør tilbake til holdetanken slik at strømmen utgjorde en lukket sløyfe.

Vannstrømmen ble overvåket ved den isolerte rørdelen ved å måle gjennomsnittlig strømningshastighet, vanntemperatur, pH og elektrisk ledningsevne. I tillegg ble strømningens hastighetsprofil ved den nedre delen av røret ca. 1 meter før rørets utløp og trykktapet i strømningen langs røret målt. Strømningen ble også overvåket ved akustiske målinger. Et laser doppler anemometer ble anvendt for målinger av strømningens hastighetsprofil. De målte verdiene ble analysert ved multivariat kalibrering.

Målingene viste at for en strømning med Reynolds-tall 50000, hadde det påførte elektriske potensialet effekt på strømningsmotstanden fra 50-100 mV (SCE). Alle andre spenninger ga ingen signifikant effekt. Korrosjonspotensialet ble målt til 55 mV (SCE). Et eksempel på effekten er vist i fig. 6, som viser den målte strømningshastighetsprofilen med og uten eksponering for et elektrisk potensial på +75 mV (SCE). Profilen er gitt fra rørveggen til midten av røret. Profilen uten eksponering til det elektriske potensialet er markert med referansetall 7 og profilen med eksponering med referansetall 8. Som det kan ses fra figuren, øker strømningshastighetene ved veggen og minker ved midtpartiet, men den overordnede effekten i dette tilfellet er en økning i gjennomsnittlig strømningshastighet på 2,3 %. I andre eksperimenter er økning i gjennomsnittlig strømningshastighet på mer enn 5 % blitt observert.

Det bør bemerkes at det er en tidsavhengighet i dette systemet, og at effekten kan ta noe tid før den blir synlig. For denne riggen tok det 20 min. før effekten begynte å bli synlig og nesten 1,5 time før den nådde sitt maksimum.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet som et eksempel på ferskvann som strømmer i et rustfritt stålrør, skal det forstås at oppfinnelsen omfatter en generell fremgangsmåte for å fjerne det elektriske bidraget til friksjonsfaktoren for alle strømninger, inkludert partikkelstrømninger. Oppfinnelsen er heller ikke begrenset til spesifikke anvendelser men er beregnet for alle applikasjoner hvor tap av fluidtrykk i rør/kanaler utgjør et problem.

Referanser

1) Gerhart, P.M. and Gross, R.J. "Fluid Mechanics", Addison-Wesley, Reading Mass., 1985. 2) Masséy, B.S., "Mechanics of fluids", Van Nostrand Reinhold, London, 1989. 3) Bockris, J.O.M., Bonciocat, N., and Gurmann, F., "An introduction to electrochemical science", Wykeham, London, 1974. 4) Delinder, van L.S., "Corrosion basics", National Association of Corrosion Engineers, Houston, Texas, 1984.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å redusere strømningsmotstanden i rør/kanaler ved å påføre et likespent (DC) elektrisk potensial på røret/kanalveggen for å fjerne det elektriske bidraget til friksjonsfaktoren som kommer fra det elektriske dobbeltlaget, hvor det påførte likestrømspotensialet reguleres ved en reguleringsenhet som mates med informasjon fra målte fluidegenskaper, karakterisert ved at det påførte likestrømspotensialet blir konstant regulert slik at det påførte likestrømspotensialet har eksakt samme styrke men motsatt polaritet som potensialet til dobbeltlaget som skyldes oppbygning av elektriske lader på veggen fra interaksjoner mellom det strømmende fluidet og veggmaterialet.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at reguleringsenheten mates med informasjon av målte fluidegenskaper oppstrøms for den delen av røret/kanalen som er eksponert til likestrømsfeltet, og at de målte fluidegenskapene kan være én eller flere av egenskapene i henhold til gruppen bestående av gjennomsnittlig strømningshastighet, korrosjonspotensial, pH, konsentrasjon av spesifikke ioner i fluidet, elektrisk ledningsevne, trykk og temperatur.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at likestrømspotensialet er i området -1,5 til +1,5 V (mettet kalomel elektrode, SCE).

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1-3, karakterisert ved at når det anvendes stålrør av den type som anvendes i hydroelektriske kraftstasjoner og ferskvann, er likestrømspotensialet i området 550-650 mV (SCE), og for olje som strømmer i samme type rør i området 100-150 mV (SCE).

5. Fremgangsmåte i henholdt il krav 1-3, karakterisert ved at for ferskvann som strømmer i rustfritt stål, er likestrømspotensialet i området 50-100 mV (SCE).

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1-3, karakterisert ved at for ferskvann som strømmer i rustfritt stål, er det elektriske likestrømspotensialet 75 mV (SCE).

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1-6, karakterisert ved at strømningen er et rent fluid i gassform eller flytende tilstand, et kolloidalt fluid, et fluid som inneholder inneslutninger i form av partikler, en blanding av flere fluider i enkelt- eller flerfase, eller en blanding av én eller flere av disse.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 1-6, karakterisert ved at strømningen er en strøm av partikler.

9. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-7, karakterisert ved at strømningen kan ha Reynolds-tall i området 1-5000000.

10. Apparatur for utføring av fremgangsmåten gitt i kravene 1-9, karakterisert ved at en elektrisk likestrømsgenerator forbindes med en polaritet til elektrisk isolert del (4) av røret/kanalveggen og den andre polariteten til den delen (5) av røret som er nedstrøms for den isolerte delen, og at den elektriske likestrømsgeneratoren reguleres av en reguleringsenhet (1) som mates ved målinger av fluidegenskapene oppstrøms for den delen som blir eksponert for det elektriske likestrømspotensialet.

11. Apparatur i henhold til krav 10, karakterisert ved at reguleringsenheten (1) mates med én eller flere av fluidegenskapene inneholdt i gruppen som omfatter gjennomsnittlig strømningshastighet, korrosjonspotensial, pH, konsentrasjon av spesifikke ioner i fluidet, elektrisk ledningsevne, trykk og temperatur.