一种表面活性剂溶液的减阻特性实验装置

摘要

本发明涉及表面活性剂溶液的减阻特性研究领域，特别涉及了一种表面活性剂溶液的减阻特性实验装置。它包括：储液箱，测试段，连通测试段入口的进液腔室，连通测试段出口的出液腔室，连通出液腔室和储液箱的出液管，连通储液箱和进液腔室的进液管，以及设置在进液管上的循环泵，其特征在于，所述出液管伸入储液箱，并在其伸入段的管壁上开设有孔洞。

说明书

技术领域

本发明涉及表面活性剂溶液的减阻特性研究领域，特别涉及了一种表面活性剂溶液的减阻特性实验装置。

背景技术

流体中添加少量的表面活性剂，可使流体在湍流状态下的摩擦阻力可大大减少，能够达到节能的目的。因此，表面活性剂已经成功应用到船舶运输、石油开采及运输、输水系统等领域内。但是，在世界能源紧缺，大力提倡节能减排的大背景下，表面活性剂的应用领域需要不断扩大。对不同表面活性剂溶液的减阻特性进行实验研究，针对不同应用领域，寻找性能最佳的减阻活性剂，显得尤为重要。

但是，在表面活性剂溶液的减阻特性进行实验过程中，由于表面活性剂溶液的自身特性，在高雷诺数(高流速)或者高温流动情况下就会产生大量的泡沫，不仅影响了实验设备的性能，而且影响实验结果的准确性；尤其是在实验过程中，需要大部分时间去除这些泡沫或者等待泡沫消失以后再进行后续实验，这就对实验的进度产生了很大的负面影响。

目前，有很多学者在对表面活性剂溶液的减阻特性进行实验研究，但是所采用的实验装置中并没有对活性剂溶液的泡沫产生情况进行控制。另外有学者采用开式回路(溶液从测试段出来后不再流回水箱)来避开泡沫问题，但实验不像采用闭式回路那样具有可持续性和可重复利用性以便于进行稳定测量和数据采集(包括流场测量等)。特别是在测试段有加热的情况下，需要溶液在流动一定的时间后，才能达到稳定状态，这是开式回路不具备的。更为不利的情况是，当泡沫进入到测试段时，会对各种参数(流量、压差等)的测量结果产生很大的影响，进而会使整体结果有很大偏差。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种表面活性剂溶液的减阻特性实验装置，能够降低表面活性剂溶液减阻特性实验中产生的泡沫，加快实验进度，获取连续可靠的实验数据。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种表面活性剂溶液的减阻特性实验装置，包括：储液箱，测试段，连通测试段入口的进液腔室，连通测试段出口的出液腔室，连通出液腔室和储液箱的出液管，连通储液箱和进液腔室的进液管，以及设置在进液管上的循环泵，其特征在于，所述出液管伸入储液箱，并在其伸入段的管壁上开设有孔洞。

本发明的进一步改进和特点在于：

所述储液箱内设置有溢流桶，所述出液管伸入溢流桶内。

所述进液管伸入进液腔室，并在其伸入段的管壁上开设有孔洞。

所述进液腔室的上方设置有排沫阀。

所述进液腔室的中间设置有滤网。

所述测试段的入口部分为渐缩流道。

所述测试段的出口部分伸入出液腔室，并且为渐扩流道。

本发明的能够降低表面活性剂溶液减阻特性实验中产生的泡沫，加快实验进度，获取连续可靠的实验数据；其具体措施和效果说明如下。

(1)储液箱降沫

从现有的实验装置可以看出，在表面活性剂溶液流体通过测试段回流到储液箱时，会直接冲击储液箱中的溶液产生大量的泡沫。而本发明是把出液管伸入到储液箱中，并在其伸入段的管壁上开设有孔洞。这样就能使流体从伸入段的各个孔洞中分流出去，并且储液箱中剩余的溶液会对这股流体产生阻力，从而降低出液管中流体的主流速度，进而降低泡沫的产生。

对于还会产生的少量泡沫，通过在储液箱内设置有溢流桶，出液管伸入溢流桶内，使回流溶液先流入小容器溢流桶内，而不是直接进入储液箱的整体溶液中，这样就可以使产生的少量泡沫有时间上浮，从而再次保证储液箱底部溶液中没有泡沫；同时，也防止了在储液箱底部产生少量的泡沫直接被离心式循环泵吸入，不仅使循环泵的性能下降，而且会降低循环泵的使用寿命。从而，在源头上防止了泡沫进入整个测试回路中。

(2)测试段降沫

测试回路设计中，在流体进入到测试段前要先进入一个进液腔室缓冲，使进入测试段的流体不会产生较大的波动。在流体溶液从进液管流入到进液腔室中时，由于流速很大，冲击也很大，并且进液腔室的空间不会很大，这种情况下溶液也很容易产生泡沫。本发明把进液管伸入到进液腔室内部，并在进液管伸入段的管壁上开设有孔洞，使流体从管壁上的各个孔洞中分流出去，从而降低进液管中流出流体的主流速度，并且减小流体对方进液腔室底壁和进液腔室中溶液的冲击，进而降低泡沫的产生。本发明中还在进液腔室的顶部设计了一个排沫阀，当进液腔室中有产生泡沫(不能保证完全没有泡沫)时，可以打开排沫阀把泡沫通过管道排除。这两个措施的功能是为了防止大的泡沫团进入到测试段而影响到所测数据的可靠性，而且可以及时的排除进液腔室中的泡沫，防止进液腔室的压力过大而憋坏进液腔室。

同时，本发明在表面活性剂溶液从进液腔室进入到测试段的入口部分采用渐缩流道，而不是突缩结构；测试段的出口部分伸入出液腔室，并且为渐扩流道。这样可以防止溶液在进出测试段的二维通道时产生大漩涡，从而降低溶液的波动，减少泡沫的产生几率。

本发明用于降沫的技术措施，易于制造和实施，方便安装，切实可行；可以很好的降低在表面活性剂溶液减阻特性实验研究中泡沫的产生率，提高实验进度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为一种具体的表面活性剂溶液的减阻特性实验装置示意图。

图2为储液箱处的降沫部件的连接示意图。

图3为进液腔室处的降沫部件的连接示意图。

具体实施方式

参照图1，一种具体表面活性剂溶液的减阻特性实验装置，其循环回路主要包括：储液箱1，设置在储液箱1中的搅拌器2，测试段3，连通测试段3入口的进液腔室4，连通测试段3出口的出液腔室5，连通出液腔室5和储液箱1的出液管6，连通储液箱6和进液腔室4的进液管7，以及设置在进液管7上的循环泵8；其中，进液腔室4和出液腔室5均为方形腔室；测试段3的入口部分为渐缩流道，测试段3的出口部分伸入出液腔室5，并且为渐扩流道；进液腔室4的中间设置有滤网9，其上方设置有排沫阀10；循环泵8为离心泵。本实验装置的数据处理单元主要包括：设置在测试段上的微差压变送器11、检测进液管流量的电磁流量计12，数采仪13，计算机14；数采仪13采集压力和流量等数据，输入计算机14，进行实验数据的处理。

参照图2，储液箱1设计成圆筒形，底面直径为D，高为H(由实验系统容积的大小决定)。在设计溢流桶15时，也把其做成圆筒形，其底面直径为储液箱1底面直径的30～40％，其高度为储液箱1高度的70％，这样不仅节省材料，而且使流体在溢流桶15出口的速度比较小，同时又有充分的时间供泡沫上浮。出液管6伸入到溢流桶15中的长度为溢流桶15高度的80～90％，并且在此垂直伸入段上均匀开设孔洞，开孔率50％～60％之间，这样可以使流体回流速度得到最大的降低，防止对底壁造成大的冲击产生大量气泡。并且，离心泵的管道接口设计在溢流桶15之外的储液箱1底部，这样泡沫在溢流桶15上升到溶液顶层，而不会直接进入到离心泵和整个测试回路中。

参照图3，在测试段降沫的设计中，把进液管7伸入到进液腔室内部，并且靠近进液腔室4左壁，伸入长度为进液腔室4高度的70～80％，并在进液管7的伸入段上均匀开设孔洞，开孔率在50％～60％之间。在测试回路在运行时，进液腔室4中是充满了溶液，进入进液腔室4中的溶液也可以降低主流速度来减少泡沫的产生。在进液腔室4的顶部设置排沫阀10，排沫阀10的直径为进液管7内径的30～40％。一旦进液腔室4中有泡沫产生，可及时打开排沫阀10快速排除泡沫，不仅可以防止泡沫进入测试段3，还可以降低进液腔室4气压以防憋坏。

本实施例中，测试段3采用二维矩形直通道，其横断面为10mm×125mm，减阻溶液为阳性表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)配同等净质量的水杨酸钠(NaSal)做溶质和水形成溶液，浓度为75ppm，温度为25℃。储液箱1的尺寸为：底面直径800mm，高900mm；出液管6的尺寸为φ78×4mm，伸入到储液箱1内距底部200mm，在距出液管6末端550mm处开始开设孔洞，孔洞直径为φ30mm，开孔率为58％；位于储液箱1底部的溢流桶15的底面直径为300mm，高为650mm。由于这种阳性表面活性剂溶液具有一定的腐蚀性，因此，上述部件均采用2mm厚的OCr17Ni12Mo2不锈钢制造。进液腔室4内部高340mm，进液管7直径为60mm，并且伸入到进液腔室4内235mm，在进液管7的伸入段开设孔洞，孔径为20mm，开孔率为58％；排沫阀10为不锈钢材料制成的DN20阀。

采用本实施例所示的表面活性剂溶液的减阻特性实验装置进行实验。当开始运行时，由于离心泵的转速不高，在进液腔室4处流体开始冲击，产生一些泡沫，但是这些泡沫由排沫阀10排除，不会进入测试段3内。而后，本实验装置稳定运行，在储液箱1中产生的泡沫有效的减少，并且离心泵的运行状况良好，没有产生很大的噪音和振动。实验连续进行，完成一组实验总共用了50min，相比传统的试验装置，节约时间将近3小时以上。