Подогреватель вязких и застывающих жидкостей в емкости

Предлагаемая полезная модель относится к области разогрева вязких и застывающих жидкостей в емкостях в различных отраслях народного хозяйства, например нефтепродуктов в железнодорожных цистернах.
Известны подогреватели вязких и застывающих жидкостей в нижней части ёмкости и на сливном патрубке (см. патент РФ № 2307057, кл. В 65 Д 88/74).
Недостаток известного подогревателя состоит в неэффективности работы, в больших потерях и сложности нагревательного оборудования. Неэффективность работы определяется тем, что нагреватели расположены снаружи стенки емкости и подогрев жидкости осуществляется через стенку емкости. Этим объясняются и большие потери в атмосферу, т.к. теплосъем прежде происходит в атмосферу. Оборудование включает несколько индукторов, прикрепляемых к стенке емкости, один индуктор, располагаемый на сливном патрубке, и мощный высокочастотный генератор.
За прототип принят подогреватель вязких и застывающих жидкостей в ёмкостях по авт. св. № 171485, кл. 21h 10/08 (МПК-В 61 Д 5/00), включающий ряд нагревательных спиралей в трубчатых корпусах, включенных по трехфазной схеме питания, и погружаемых в жидкость в составе сложного оборудования, обеспечивающего принудительное перемешивание жидкости. Использование трехфазной схемы питания для подогревателя объясняется использованием трехфазного электродвигателя и тем, что к однофазной сети запрещается подключение нагрузки, больше 4 кВт.
Недостаток известного подогревателя состоит в неэффективности его работы, в сложности работы с ним и малой надежности. Неэффективность работы объясняется тем, что разогрев жидкости в емкости происходит не по всей площади и всему объему емкости равномерно и не снизу, а локально и сверху с участием принудительного перемешивания. В подогревателе по прототипу перемешивание осуществляется двумя пропеллерами, вращающимися от электродвигателя, погружение обогревателя производится на небольшую глубину, только на высоту многослойной клети, которую образуют трубчатые нагреватели, сверху которых располагается электродвигатель. Сложность работы с подогревателем определяется тем, что для работы с ним необходим подъемный механизм, после работы с него (подогревателя) необходимо удалить остатки разогреваемой жидкости. На надежность работы подогревателя сказывается то обстоятельство, что погружение его в жидкость происходит медленно, по мере расплавления подогреваемой жидкости, и все это время трубчатые нагреватели большей частью находятся в воздушной, не предназначенной для них, среде. Кроме этого, надо отметить, что принудительное перемешивание не обеспечивает равное обтекание поверхности трубчатого корпуса по всей высоте, а потому в застойных зонах обязательно будет иметь место перегрев спирали, что отрицательно сказывается на надежности ее работы. Сам подогреватель сложен и конструктивно, и по устройству, и он достаточно дорогой.
Задача предлагаемого технического решения – повысить эффективность работы известного подогревателя, исключить неудобства работы с ним и повысить надежность его работы.
Решение поставленной технической задачи даст большой экономический эффект. Если обеспечить нагрев жидкости снизу, а перемешиваемые жидкости производить естественным конвекционным способом, то уже сразу будем избавлены от расходов на принудительное перемешивание жидкости и на оборудование для перемешивания. Работа с предлагаемым устройством будет состоять только в подсоединении трех проводов от питающей трехфазной сети к трем клеммам подогревателей, ничего дополнительно переносить и поднимать не придется.
Предлагаемый подогреватель находится в емкости постоянно. Для его подключения не нужны никакие дополнительные механизмы, одновременно могут быть подключены несколько объектов для подогрева.
Надежность работы предлагаемого подогревателя очень высока, так как он очень прост и по конструкции и по исполнению, а спираль не перегружена по температуре. Это не переносной, а стационарный подогреватель, встраиваемый в ёмкость, в которой предполагается перевозить подобные жидкости.
Технический результат достигается тем, что в подогревателе вязких и застывающих жидкостей в емкости, включающем ряд нагревательных спиралей, размещенных в трубчатых корпусах и включенных по трехфазной схеме питания, трубчатые корпусы жестко встроены в стенку в нижней части внутри емкости, с конца, удаленного от места ввода, полости трубчатых корпусов заглушены, снабжены установленными направляющими наконечниками, а стенки трубчатых корпусов жестко скреплены со стенкой емкости, при этом нагревательные спирали, электроизолированные изнутри и снаружи диэлектрическим полым теплостойким шнуром, размещены на внутренних трубах, располагаемых внутри трубчатых корпусов, одни из выводов спиралей гальванически соединены со стенками внутренней трубы и емкости, а другие соединены с клеммами, укрепленными в диэлектрических пробках, установленных с концов внутренних труб, обращенных к вводу.
Основными в решении поставленной задачи являются два признака:
− размещение трубчатого корпуса нагревателя по всей длине емкости внутри нее и внизу, жестко сцепив его механически и гальванически со стенкой емкости;
− размещение нагревательной спирали на внутренней трубе, вводимой в полость трубчатого корпуса с минимальным зазором между внутренней поверхностью стенки трубчатого корпуса и нагревательной спиралью.
Если обеспечить размещение внутренней трубы с нагревательной спиралью посадкой с натягом, переходной или даже с зазором относительно внутренней поверхности стенки трубчатого корпуса, то будет обеспечена максимальная теплопередача со спирали на стенку трубчатого корпуса, и большая гарантия, что перегрева спирали не будет. Дополнительно к этому – внутренняя трубка, на которой намотана спираль, является элементом, выравнивающим температуру около витков спирали и между витками спирали, это своего рода демпфер для выравнивания температуры по длине трубчатого корпуса и внутри него. Здесь необходимо отметить еще один конструктивный момент: так как предлагается трубчатый нагреватель выполнять по длине от стенки до стенки емкости в (цистерне это будет выглядеть от торца до торца), то намотку нагревательной спирали можно выполнить на большой длине и с большим шагом и более толстой проволокой, т.е. проволока спирали будет работать с меньшей плотностью тока. А если это расстояние велико, тогда можно, например, в каждом трубчатом корпусе по длине разместить по две спирали. Размещение спирали по всей длине емкости обеспечит более равномерный нагрев жидкости по всему объему емкости. Так как спираль намотана на внутренней трубе, вдвигаемой по посадке в трубчатый корпус, то предлагаемый обогреватель оказывается ремонтноспособным, чего нет в современных трубчатых электронагревателях. Для предлагаемого подогревателя ремонтоспособность имеет важное значение. Трубчатый корпус выйти из строя не может, гальваническая связь его со стенкой емкости надежно обеспечена на обоих концах сваркой, поэтому его можно считать принадлежностью емкости.
Выйти из строя может только нагревательная спираль. Но ее легко можно вынуть из трубчатого корпуса, вынув внутреннюю трубу вместе со спиралью. Целесообразно трубчатые корпусы ставить уже на заводе-изготовителе цистерны.
Выполнение в предлагаемом обогревателе трубчатого корпуса из биметалла, а внутренней трубы из ферромагнитной стали несколько удорожает подогреватель из-за биметаллической трубы, но и дает постоянный дополнительный положительный эффект. Так как по виткам нагревательной спирали протекает большой ток и внутренний слой из металла с малым омическим сопротивлением охватывается мощным магнитным потоком, то в нем возникнут и мощные короткозамкнутые круговые токи, которые дополнительно разогревают этот внутренний слой биметаллической трубы трубчатого корпуса. Заполнение внутренней трубы песком никаких дополнительных преимуществ не дает, а утяжелять ее будет. Чтобы уменьшить теплосъем с внутренней поверхности внутренней трубы в полость внутренней трубы, целесообразнее ее заполнить материалом с малым коэффициентом теплопроводности, например, стекловатой.
На прилагаемом чертеже представлен пример выполнения предлагаемого подогревателя жидкости в цистерне, где на фиг. 1 показан общий вид нагревателя с размещением его в цистерне, на фиг. 2 показана схема подключения трех спиральных нагревателей к трехфазной сети переменного тока.
Устройство для подогрева жидкости в цистерне 1 состоит из трех подогревателей 2, 3, 4, каждый из которых состоит из трубчатого корпуса 5, жестко встроенного в торцевую стенку цистерны 1 в ее нижней части и внутри нее, с конца, удаленного от места ввода, полость трубчатого корпуса 5 заглушена заглушкой 6 с направляющим наконечником 7 и стенка трубчатого корпуса 5 жестко скреплена со второй торцевой стенкой цистерны 1, а нагревательная спираль 8, электроизолированная изнутри и снаружи диэлектрическими полыми кремнеземными шнурами 9 и 10, размещена на внутренней трубе 11, располагаемой внутри трубчатого корпуса 5, один из выводов 12 спирали 8 гальванически соединен со стенкой внутренней трубы 11, а через нее со стенками направляющего наконечника 7, заглушки 6 и цистерны 1, а другой вывод 13 соединен с клеммой 14, укрепленной в диэлектрической пробке 15, установленной с конца внутренней трубы 11, обращенного к вводу. Внутренняя труба 11 выполнена из ферромагнитной стали, а трубчатый корпус 5 выполнен биметаллическим, то есть наружный слой 16 выполнен из ферромагнитной стали, а внутренний слой 17 - из металла с малым удельным электрическим сопротивлением, например, из меди (таковыми являются «трубы биметаллические безшовные», выпускаемые по ГОСТ 22786-77Г с диаметрами от 6 мм до 55 мм). Трехфазное питание спиралей позволяет обойтись минимальным количеством выводных концов, выводимых наружу, так как один из концов спиралей гальванически соединен со стенкой цистерны 1. Выполнение трубчатого корпуса 5 из биметалла не обязательно, но предпочтительно, так как получаемый при этом дополнительный нагрев реализуется автоматически во все время работы цистерны, а первоначальные затраты окупаются очень быстро, сами же биметаллические трубы выполняются без швов и очень качественные. Если взять трубу диаметром d=55мм, намотать спираль окалиностойкой проволокой из стали 12х17 диаметром 2 мм с шагом 30 мм, то при суммарной мощности подогревателя P=3⋅18 кВт = 54 кВт 20 тонн нефти нагреются на 100С приблизительно за 2 часа. Конические направляющие 7, выполненные как единые целые с заглушками 6, позволяют центрировать внутреннюю трубу 11 со спиралью 8 внутри трубчатого корпуса 5, исключить вибрацию и обеспечить гальваническую связь вывода 12 спирали 8 со стенкой цистерны 1. Выполнение спирали 8 высокоомной окалиностойкой проволокой из стали 12 х 7 является предпочтительным. Во-первых, она дешевле, чем нихромовая проволока. Во-вторых, так как она имеет в два раза меньше удельное электрическое сопротивление, чем нихромовая, то при большой длине спирали 8 будем иметь большее количество витков и не слишком большой шаг намотки, больший процент заполнения проволокой пространства между внутренней трубой 11 и трубчатым корпусом 5 и большую поверхность, с которой происходит передача тепла через теплопроводность и теплоизлучение на трубчатый корпус 5. В-третьих, уменьшение омического сопротивления спирали 8 увеличивает реактивную (в нашем случае индуктивную) составляющую комплексного сопротивления спирали 8, что важно для случая, если трубчатый корпус 5 выполнить биметаллическим с внутренним слоем из металла с малым удельным электрическим сопротивлением. Большее количество витков также важно, так как чем больше витков спирали 8, тем больше магнитный поток, тем больше наводимая на внутреннем слое 17 биметаллической трубы ЭДС, тем больше в этом слое короткозамкнутые круговые токи, нагревающие этот внутренний слой 17 и через теплопроводность весь трубчатый корпус 5.
Работает подогреватель следующим способом. При подаче питания на нагревательную спираль 8 по её виткам начинает протекать ток, который разогревает в первую очередь спираль 8, затем внутреннюю трубу 11 и одновременно далее через теплопроводность полого шнура 10 трубу трубчатого корпуса 5, с которого происходит теплосъем через теплопроводность и конвекцию нагреваемой жидкостью. Сначала через теплопроводность нагревается пристеночный слой жидкости и близлежащие слои. Нагретые слои жидкости становятся легче вышележащих, поднимаются вверх и уносят отобранную от трубчатого корпуса 5 теплоту вверх. Передача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от нагретого тела через теплопроводность, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место опускаются более холодные верхние слои. (см., например, книгу «Техническая термодинамика и теплопередача», автор Нащекин В.В., М, Высшая школа, стр. 388), что исключает и перегрев жидкости у стенки трубчатого корпуса 5. Проходящий по виткам спирали 8 ток одновременно с нагревом витков спирали 8 создает магнитный поток, который замыкается по внутренней трубе 11 и по трубчатому корпусу 5, которые будут дополнительно нагреваться за счет потери энергии на перемагничивание стали (гистерезиса). При прохождении магнитного потока по стали внутренней трубы 11 и трубчатого корпуса 5 в них будут наводиться и вихревые токи, которые также будут их подогревать. Подогрев внутренней трубы 11 и трубчатого корпуса 5 от гистерезиса или магнитного трения и вихревых токов небольшой, но он присутствует и является вкладом в общее тепло, генерируемое подогревателем.