УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗОГРЕВА И СЛИВА ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРН

Полезная модель относится к транспортировке грузов в железнодорожных цистернах, а конкретнее к устройствам для разогрева и ускорения слива остатков вязких нефтепродуктов из цистерны.
6
Известно устройство для ускорения слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн, содержащее смонтированные с возможностью возвратно-поступательного вертикального перемещения и связанные соединительным средством горизонтальный и вертикальный параподводящие трубопроводы, установленные на последнем в диаметрально противоположных направлениях вдоль образующей цистерны струйные насосы и сальниковые компенсаторы перемещения горизонтального паропроводящего трубопровода, круговые наклонные паровые сопла для обогрева нижнего сливного прибора цистерны, размещенные на конце вертикального пароподводящего трубопровода, причем, диаметр прямых участков камер смешивания струйных насосов превышает на 10 15% соответственно расчетный диаметр оптимального струйного пароводяного насоса, а выходное отверстие сопла меньше, чем выходное отверстие оптимального сопла на воде, при этом кольцевой зазор камеры смешения на входе не менее чем на 20% превышает кольцевой зазор, рассчитанный по теплоперепаду на воде. [Патент РФ №2039694, МПК B65D 88/74. Опубл. 20.07.1995. БИ №20. В.Л.Дехтярев и др. Устройство для ускорения слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн]
Недостатком данного устройства является малая дальнобойность струй пара, истекающих в направлении нижнего сливного прибора цистерны, так как процесс истечения осуществляется из несколько сопел малого диаметра.
6
Известно также устройство для разогрева вязких продуктов в емкости, содержащее полую штангу, верхний торец которой подключен к генератору пара. На боковой поверхности штанги размещены две пары насадок: прямых и Г-образных, разнесенных по высоте. Насадки каждой из пар закреплены на боковой поверхности штанги друг против друга. Прямые насадки закреплены на штанге под углом к осевой линии штанги порядка 20°, а Г-образные насадки повернуты относительно горизонтальной плоскости (перпендикулярной осевой линии) на угол порядка 20-30°, причем те и другие наклонены относительно нижнего торца штанги, на котором закреплена торцевая насадка, соосная штанге. Конструктивно насадки состоят из парового сопла, врезаемого в корпус штанги и камеры смешения с конфузором на входе, закрепленной на корпусе парового сопла с помощью ребер. Камера смешения сообщается с паровым соплом и полостью емкости через кольцевое сопло, выполненное в виде зазора между выходным срезом парового сопла и входом конфузора камеры смешения. В прямых насадках камера смешения выполнена в виде полого цилиндра. В торцевой насадке, камера смешения выполнена в виде полого цилиндра, выходной конец которого представляет собой диффузор, в котором размещен обтекатель в форме цилиндра со скругленными конусами на обоих торца. [Патент РФ №2100262, МПК B65D 88/74, B65D 5/62, В67С 9/00. Опубл. 27.12.1997. БИ №36 (II ч.). О.М.Кувшинов, А.Ф.Цыцаркин. Устройство для ускорения слива вязких жидкостей из емкостей]
Недостатком данного устройства является возможность забивания проходных сечений насадок кусками затвердевшей жидкости, при этом подача пара прекращается на время разогрева этих кусков и теплоотдача к вязкой жидкости понижается. Кроме того, расположение прямых насадок на штанге под углом к осевой линии штанги порядка 20° не может обеспечить разогрев вязкой жидкости вблизи торцов цистерны в нижней ее части.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом устройства для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн является повышение теплоотдачи к вязкой жидкости вблизи нижнего сливного прибора, а также повышение теплоотдачи струи теплоносителя к остаткам вязкой жидкости вблизи торцов цистерны в нижней ее части.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн, содержащем полый шток для подачи водяного пара в цистерну, струйные аппараты, которые направлены в сторону торцов цистерны, и сопло Лаваля, которое совмещено с полым штоком и направлено в сторону нижнего сливного прибора цистерны, в конце нижней части полого штока установлен противоточный вихревой эжектор с радиально-щелевым диффузором и входным патрубком пассивного сопла, который направлен в сторону нижнего сливного прибора, сопло Лаваля расположено по оси противоточного вихревого эжектора, направлено в сторону нижнего сливного прибора и расположено своим срезом ниже среза входного патрубка пассивного сопла, на выходе из радиально-щелевого диффузора установлены два или более выходных патрубка, которые выполнены в виде суживающихся сопел и направлены в сторону нижнего сливного прибора, струйные аппараты расположены в нижней части штока на расстоянии 10-15 см от противоточного вихревого эжектора и направлены в сторону торцов цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту.
Предложенное техническое решение отличается от аналогов наличием противоточного вихревого эжектора с расположенным на его оси входным патрубком пассивного сопла и сопла Лаваля, расположенного по оси противоточного вихревого эжектора и входного патрубка пассивного сопла, направленного в сторону нижнего сливного прибора и выходящего своим срезом ниже среза входного патрубка пассивного сопла, кроме того, на выходе из диффузора противоточного вихревого эжектора установлены два или более выходных патрубка, выполненных в виде суживающихся сопел и направленных в сторону нижнего сливного прибора.
Технический результат от применения новых элементов заключается в следующем. Водяной пар, истекая со сверхзвуковой скоростью из сопла Лаваля в область нижнего сливного прибора, разогревает вязкую жидкость, например, застывший нефтепродукт и, сообщая ему теплоту, повышает его текучесть. Нагретая до состояния текучести жидкость подсасывается (эжектируется) в кольцевую область, образованную входным патрубком пассивного сопла и соплом Лаваля, поступает в камеру смешения противоточного вихревого эжектора, где смешивается с водяным паром, еще более нагреваясь, и выходить вместе с ним через выходные патрубки в область нижнего сливного прибора цистерны. Сужение проходного сечения выходных патрубков приводит к увеличению скорости истечения смеси жидкости и пара, которая интенсивно перемешивает вязкую жидкость вблизи сливного прибора, чем ускоряет процесс ее слива из цистерны. Забивание камеры смешения вихревого эжектора кусками затвердевшей жидкости не может привести к забиванию сопла Лаваля, что гарантирует высокую теплоотдачу к вязкой жидкости вблизи нижнего сливного прибора.
Другими отличительными признаками предложенного технического решения являются: направление двух струйных насосов в сторону торцов цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту.
Технический результат от применения этих элементов заключается в следующем. Водяной пар, истекая из струйных насосов, расположенных в нижней части штока, эжектирует жидкость, разогревает ее и направляет к торцам цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту. Средняя высота застывшего мазута в цистерне составляет 0,25 м, поэтому при длине котла 9 м струя смеси жидкости и пара, направленная из средней части цистерны с высоты 0,25 м над дном под углом 2,5°…3,5° к горизонту способна достичь дна цистерны вблизи ее торца, так как арктангенс величины 0,25/4.5 составляет 3,2°.
Коэффициент теплоотдачи теплоносителя при вынужденной конвекции в значительной степени зависит от скорости движения теплоносителя относительно поверхности разогреваемого объекта [Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1973. - 320 с.], поэтому повышение дальнобойности струй теплоносителя увеличивает скорость теплоносителя и его коэффициент теплоотдачи. Отличительные признаки предложенного технического решения увеличивают скорость смеси пара и жидкости, истекающей из выходных суживающихся патрубков противоточного вихревого эжектора, вблизи нижнего сливного прибора, увеличивают скорость смеси пара и жидкости, истекающей из струйных насосов у дна цистерны вблизи ее торцов.
Отличительные признаки в своей совокупности не были использованы по предложенному назначению в других технических решениях в данной области техники, они являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата, то есть повышения коэффициента теплоотдачи теплоносителя к остаткам вязкой жидкости.
На фиг.1 - продольный разрез устройства для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн.
На фиг.2 - сечение А-А продольного разреза устройства для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн.
Устройство для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн содержит полый шток 1 для подачи водяного пара, струйные аппараты 2, которые расположены в нижней части штока и направлены в сторону торцов цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту, вихревой эжектор 3 с тангенциальным сопловым вводом 4, противоточное кольцевое сопло 5 для эжектирования вязкой жидкости, радиально-щелевой диффузор 6 с суживающимися соплами 7, которые симметрично расположены по его периферии и направлены в сторону нижнего сливного прибора цистерны, и сопло Лаваля 8, которое совмещено с полым штоком и направлено в сторону нижнего сливного прибора цистерны.
Устройство для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн работает следующим образом. Полый шток 1 опускается через верхний люк цистерны так, чтобы расположенный на его конце вихревой эжектор 3 был ориентирован в сторону нижнего сливного прибора и погружен в вязкую жидкость. Через полый шток 1 в вихревой эжектор 3 и осевое сопло Лаваля 8 подается водяной пар. Пар, истекающий из осевого сверхзвукового сопла 8, разжижает вязкую жидкость путем ее нагрева и газодинамического воздействия. Вязкость разогретой жидкости снижается, она поднимается к эжектору за счет силы Архимеда и подсасывается через противоточное кольцевое сопло 5 внутрь вихревого эжектора 3, так как внутри вихревого эжектора 3 создается разрежение из-за вращательного движения пара, истекающего из тангенциального соплового ввода 4. Смешиваясь в вихревом эжекторе 3 с паром, жидкость еще больше подогревается, приобретает вращательное движение и поступает в радиально-щелевой диффузор 6, где ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию давления. Из радиально-щелевого диффузора 6 смесь жидкости и пара истекает через суживающиеся сопла 7 в сторону нижнего сливного прибора. Количество суживающихся сопел 7, симметрично расположенных по периферии радиально-щелевого диффузора 6, большее двух, способствует более равномерному размыванию загустевшей жидкости вокруг клапана нижнего сливного прибора цистерны. Струйные аппараты 2, расположенные на полом штоке 1 несколько выше (на 10-15 см) вихревого эжектора 3, также могут быть погружены в жидкость (если ее высота от пола цистерны более 10-15 см). Пар, истекая из струйных аппаратов 2, эжектирует разогретую при помощи сопла Лаваля 8 и вихревого эжектора 3 жидкость и с большой скоростью направляет ее в сторону торцов цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту. При длине цистерны 9 м и расположении струйных аппаратов 2 на высоте 10-15 см от пола цистерны (вихревой эжектор 3 при этом располагается на границе пола) направление струй смеси из водяного пара и жидкости в сторону торцов цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту гарантирует перемешивание жидкости вблизи торцов цистерны в самой нижней их части.
Величину теплоотдачи от струи теплоносителя к вязкой жидкости можно оценить по величине коэффициента теплоотдачи. Если струя пара направлена вертикально вниз, то коэффициент теплоотдачи от струи теплоносителя к жидкости находится, как для случая натекания струи на плоскую преграду [Клиентов, Н.В. К методике расчета гидродинамического сопротивления и теплообмена при струйном обтекании неограниченной преграды [Текст] / Н.В.Клиентов // Тепло- и массоперенос: Сборник. - Минск, 1963. - С.273-280.]
,
п
0
f
0
n
n
где λ - коэффициент теплопроводности пара; d - диаметр струи при истечении из сопла; c - коэффициент трения струи о преграду;  - средняя скорость пара вблизи преграды на радиусе r от оси струи; V - скорость пара при истечении из сопла;  - критерий подобия Рейнольдса пара при истечении из сопла; ρ - плотность пара; µ - коэффициент динамической вязкости пара.
f
Коэффициент трения c находится, из трансцендентного уравнения
.
0
где r - радиус струи при истечении из сопла; r - расстояние от оси струи.
2
2
Расчеты по приведенным формулам для случая истечения сверхзвуковой струи пара дают значение коэффициента теплоотдачи вблизи сопла порядка 3000 Вт/(м К), для случая истечения разогретого мазута дают значение коэффициента теплоотдачи вблизи такого же сопла порядка 30 Вт/(м К).
Однако, известно, что дальнобойность струи жидкости значительно больше дальнобойности струи пара, поэтому для увеличения конвекции на значительном расстоянии от среза сопла, например, вблизи торцов цистерны возможно при использовании струи разогретой жидкости. Кроме того, организация струй смеси водяного пара и разогретой жидкости в направлении нижнего сливного прибора цистерны повышает перемешиваемость разогреваемой жидкости, чего нельзя достичь струей только одного водяного пара.
Таким образом, использование в устройстве для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн организации струй в направлении нижнего сливного прибора из одного водяного пара и из смеси пара и разогретой жидкости повышает и коэффициент теплоотдачи от теплоносителя (пара) к жидкости вблизи сопла Лаваля, и перемешиваемость разогреваемой жидкости за счет струй смеси пара и разогретой жидкости. Использование струй смеси пара и разогретой жидкости, направленных в сторону торцов цистерны под углом 2,5°…3,5° к горизонту повышает теплоотдачу к вязкой жидкости вблизи торцов цистерны в самой нижней их части за счет увеличения дальнобойности струй и более точного их направления.
Увеличение теплоотдачи от теплоносителей к вязкой жидкости сокращает время разогрева и слива вязкой жидкости из железнодорожной цистерны и уменьшает потребное количество (массу) водяного пара.