УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СЛИВА И НАЛИВА ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
INTENSIFIER OF THICK FLUID FILLING AND DRAINING

Изобретение относится к области транспортирования и разгрузки вязких реологических жидкостей и может быть использовано, в том числе, для слива и налива вязких нефтепродуктов, например мазута, битума и др.
Известно устройство, использующее индукционный способ нагрева вязких нефтепродуктов и содержащее полупроводниковые преобразователи частоты, индуктор, выполненный в форме полого, незамкнутого цилиндра, размещенного на сливном патрубке и индукторы, повторяющие форму стенок емкости в нижней и средней частях емкости (заявка РФ №2004132317/11 от 04.11.2004 г., МПК B64G 1/00).
Недостатками устройства являются высокие затраты электроэнергии и большое время выгрузки нефтепродуктов, связанное с малой теплопроводностью нефтепродуктов.
Известно устройство для разогрева вязких жидкостей в емкости, содержащее ТЭНы и излучатели ультразвуковых колебаний, которые погружаются внутрь сливной емкости (Патент РФ №2055801 от 08.07.1991 г., МПК B65G 69/20, B65D 88/74). С помощью ТЭНов осуществляют разогрев, а ультразвуковыми излучателями, которые работают в кавитационном режиме, осуществляют перемешивание нефтепродукта, что позволяет ускорить его разогрев.
Недостатками устройства являются большая энергоемкость акустических излучателей, работающих в кавитационном режиме, малый объем нефтепродукта, эффективно обрабатываемый одним излучателем.
Известно устройство для подготовки высокопарафинистых нефтей и нефтепродуктов к перекачке, содержащее вибратор, к которому жестко прикреплен змеевик, снабженный ситом (Н.В.Калашников, В.И.Черникин. Виброподогрев вязких нефтепродуктов. М.: Гостопиздат, 1961 г., с.63, 64). Устройство создает высокую скорость сдвига и эффективно разрушает кристаллическую решетку структурированных жидкостей, например, высокопарафинистых нефтей.
Недостатком устройства является то, что ускорение тепломассообмена происходит только в объеме, соизмеримом с собственным объемом вибратора, и для вовлечения в процесс виброподогрева его необходимо перемещать по всему объему емкости, что делает его непригодным для интенсификации подготовки нефти в цистернах (емкостях) и уменьшения времени их опорожнения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является известное устройство для интенсификации процесса слива и налива вязких жидкостей, включающее вибратор, подключенный к генератору и установленный на заполненной вязкой жидкостью сливной емкости, имеющей расположенный в ее нижней части сливной патрубок, а также переносной вставной секционный подогреватель, который имеет возможность складываться и раскладываться, и с помощью парового поршневого привода заставляет секции совершать колебания в вертикальном направлении, при этом вибратор выполнен пневматического типа и соединен с генератором воздуха (патент РФ №2084755 от 20.07.1994 г., МПК F17D 1/16). Устройство активизирует тепломассообмен и способствует ускорению нагрева высоковязких продуктов.
Недостатком устройства является то, что оно неэффективно возбуждает срезывающие напряжения в жидкости. Другим недостатком устройства является сложность его введения внутрь нефтепродукта, поскольку раскрыть его можно только в том случае, если нефть или нефтепродукт находится в жидком состоянии, т.е. только в летних условиях опорожнения емкостей, и сложность в эксплуатации, поскольку его необходимо перемещать по всему объему емкости.
Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности виброакустического воздействия на вязкую жидкость за счет создания высоких сдвиговых деформаций в жидкости в большом объеме, что приводит к уменьшению времени слива и налива вязкой жидкости.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для интенсификации процесса слива и налива вязких жидкостей, включающее вибратор, подключенный к генератору и установленный на заполненной вязкой жидкостью сливной емкости, имеющей расположенный в ее нижней части сливной патрубок, снабжено акустическим излучателем с подключенным к его входу генератором и двумя опорами, жестко закрепленными к нижней части емкости с внешней стороны, при этом акустический излучатель через соединительную втулку жестко присоединен к сливному патрубку, а вибратор расположен между опорами сливной емкости и жестко прикреплен через упомянутые опоры к нижней части сливной емкости.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит вибратор 1, расположенный между опорами 2 сливной емкости 3 и жестко прикрепленный через упомянутые опоры 2 к нижней части сливной емкости 3. Емкость 3 заполнена вязкой жидкостью 4 и имеет сливной патрубок 5, к которому через соединительную втулку 6 жестко присоединен акустический излучатель 7. Электрическое питание вибратора 1 осуществляется генератором 8, электрическое питание акустического излучателя 7 осуществляется генератором 9. Жесткое соединение акустического излучателя 7 с соединительной втулкой 6 и вибратора 1 с опорами 2 осуществляется посредством сварки или резьбового соединения.
Устройство работает следующим образом.
На нижней или боковой стенке с внешней стороны сливной емкости 3 с жидкостью 4, цилиндрическим сливным патрубком 5, расположенным на стенке емкости, с помощью опор 2 жестко устанавливают низкочастотный излучатель - вибратор 1 и возбуждают в стенке емкости 3 сдвиговые колебания. Направление колебаний совпадает с плоскостью стенки емкости. К стенке сливного патрубка 5 через соединительную втулку 6 жестко присоединяют высокочастотный акустический излучатель 7. При работе низкочастотного вибратора 1 возбуждаются сдвиговые колебания стенок емкости, создающие в слое жидкости, прилегающем к стенке емкости, сдвиговые деформации. Расстояние, на котором амплитуда сдвиговой волны в жидкости убывает в е раз, определяется по формуле:
1/2
Н=(n/(π·f)),
где n - кинематическая вязкость жидкости, f - частота акустических колебаний.
K
Срезывающее напряжение, создаваемое колеблющейся со скоростью V стенкой емкости в прилегающем слое жидкости, определяется соотношением:
срез
K
P=n·d·V/Н.
Здесь d - массовая плотность жидкости.
срез
стр
Разжижение жидкости происходит, если Р превышает предельное срезывающее напряжение Р данной жидкости, при этом происходит частичное разрушение ее внутренней структуры.
В том случае, если диаметр сливного патрубка меньше длины сдвиговой волны, низкочастотный вибратор не эффективен для создания срезывающих напряжений в жидкости внутри сливного патрубка. В этом случае целесообразно применение высокочастотного излучателя 7, однако высокочастотный излучатель эффективен только при обработке малых объемов жидкости. Поэтому его целесообразно устанавливать непосредственно на сливном патрубке 5, при этом излучатель создает деформации в жидкости непосредственно внутри сливного патрубка и внутри емкости вблизи патрубка на расстоянии 0,5-1 длины волны в жидкости.
0
срез
K
Пример. Используется вибратор 1, работающий на частоте 50 Гц и возбуждающий сдвиговые колебания стенки емкости с амплитудой колебательной скорости 0,1 м/с. Характерные значения кинематической вязкости и статического предельного напряжения для нефтепродуктов, при которых осуществляется операция слива и налива, лежат в диапазонах n=10-300 сСт и P=2-300 Па соответственно. Примем для определенности n=100 сСт. Тогда толщина разжиженного слоя равна Н=0,8 мм, величина срезывающих напряжений Р=n·d·V/Н=12 Па. Применение акустического излучателя 7, установленного на сливном патрубке 5 и работающего на частоте 20 кГц при той же амплитуде колебательной скорости патрубка, позволяет достигнуть величины срезывающих напряжений до 100-200 Па. В экспериментах с мазутом M100, описанное виброакустическое воздействие при температуре 35°C позволило уменьшить его вязкость приблизительно в 14 раз - до 250 сСт. В отсутствие виброакустического воздействия мазут из емкости не сливался. Виброакустическое воздействие позволило осуществить слив мазута при температуре 35°C с той же скоростью, что и при 60°C (рекомендованное значение температуры мазута M100 при сливе из железнодорожных цистерн), т.е. уменьшить температуру слива на 25°C.