УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗОГРЕВА ЗАГУСТЕВАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
THICKENING FLUID HEATER

Изобретение относится к устройствам для разогрева загустевающей жидкости в емкости, например в железнодорожной цистерне, и может быть использовано при разогреве мазута, нефти, пищевых жиров, масла, синтетического каучука и т.д.
Известно устройство для разогрева загустевающих жидкостей, включающее закрепленное на валу двигателя центробежное колесо, приемную камеру с отверстием, выполненным в ее днище, причем камера установлена с возможностью перемещения вдоль вала, а наружный диаметр колеса соответствует диаметру отверстия днища камеры, которая снабжена вертикально установленным трубопроводом для откачки жидкости. [1. Устройство для разогрева застывающих жидкостей. Авторское свидетельство СССР №1009923, МКИ В65D 88/74 // F04D 13/08; B65G 69/20. Заявлено 27.08.1981. Опубликовано 07.04.1983, бюл №13].
Центробежное колесо насоса, вращаясь, перегоняет через себя большое количество жидкости, выходящей из колеса в виде веерной закрученной струи. Гидравлическая энергия колеса за счет сил вязкостного трения переходит в тепловую. Все потери в колесе также используются для нагрева жидкости, которая по мере увеличения температуры снижает ее вязкость. Нагретая жидкость, двигаясь по замкнутому контуру в полости котла, отдает свое тепло застывающей жидкости, переводя ее в жидкое состояние и увеличивая зону разогрева. Интенсивная циркуляция жидкости, создаваемая колесом, способствует активизации теплообмена и равномерному разогреву. Устройство позволяет совместить две функции: разогрева и откачки застывающих жидкостей, что приводит к сокращению энергозатрат.
Недостатком рассматриваемого устройства является то, что по мере увеличения температуры разогреваемой жидкости снижается мощность устройства, а следовательно, снижается и эффективность разогрева этим устройством, и увеличивается время разогрева загустевающей жидкости. Это объясняется тем, что по мере увеличения температуры жидкости снижается ее вязкость и, как следствие, снижается момент на колесе и на двигателе соответственно, хотя частота вращения колеса не изменяется.
А произведение момента на частоту вращения колеса - это мощность колеса, которая также снижается.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является принятое в качестве прототипа устройство [2. Устройство для разогрева загустевающей жидкости в емкости. Авторское свидетельство СССР №1594077, МКИ В65D 88/74, B65G 69/20. Заявлено 07.05.1988. Опубликовано 23.09.1990. Бюл. №35] для разогрева загустевающей жидкости в емкости, которое содержит неподвижную раму, установленную на горловине емкости, электродвигатель со статором, закрепленное на валу электродвигателя центробежное колесо, помещенное в отвод с выходными отверстиями, по меньшей мере с одним. Согласно изобретению статор электродвигателя установлен на неподвижной раме в подшипниках, а в выходном отверстии отвода размещена с возможностью перемещения или поворота заслонка, связанная со статором посредством передаточного механизма.
В частных случаях устройство имеет следующие отличительные признаки.
Согласно изобретению передаточный механизм выполнен в виде рычажной передачи, включающей двуплечий рычаг, закрепленный посредством поворотной опоры на неподвижной раме, причем одно плечо двуплечего рычага шарнирно связано со статором, а другое соединено с заслонкой посредством подпружиненной тяги.
Согласно изобретению передаточный механизм может быть выполнен в виде зубчатой передачи, одно колесо которой закреплено соосно на статоре электродвигателя, соединенном с неподвижной рамой посредством пружины, а другое связано с заслонкой посредством вала.
Согласно изобретению передаточный механизм может представлять собой гидросистему, включающую гидроцилиндр одностороннего действия, трубопровод и рабочий гидроцилиндр одностороннего действия с подпружиненным штоком, при этом корпус гидроцилиндра одностороннего действия шарнирно соединен с неподвижной рамой, а его шток - со статором электродвигателя, поршневая полость этого цилиндра подсоединена трубопроводом к поршневой полости рабочего гидроцилиндра, причем корпус последнего жестко соединен с отводом, а его подпружиненный шток с заслонкой.
Поскольку статор электродвигателя установлен на неподвижной раме в подшипниках, а в выходном отверстии отвода размещена с возможностью перемещения или поворота заслонка, связанная со статором посредством передаточного механизма, выполненного в том или ином виде, описанном выше, то данная взаимосвязь элементов устройства приводит к снижению энергозатрат за счет стабилизации мощности на колесе. Однако у прототипа есть недостатки. Согласно изобретению в начале разогрева загустевающей жидкости, когда ее вязкость большая, то момент на колесе большой, а следовательно, и реактивный момент на статоре электродвигателя такой же. Этот момент от статора передается через передаточный механизм к заслонке и закрывает ее, делая подачу из выходного отверстия отвода равным нулю. По мере снижения вязкости разогреваемой жидкости (при повышении ее температуры) момент на колесе снижается, а следовательно, и реактивный момент на статоре электродвигателя снижается до такой же величины и через передаточный механизм приоткрывает заслонку, делая подачу из выходного отверстия отвода больше нуля. И чем меньше вязкость жидкости, тем меньше момент на колесе, а заслонка открывается больше, увеличивая подачу из выходного отверстия отвода. Предполагалось, что при снижении момента и одновременно при повышении подачи колеса будет наблюдаться стабилизация мощности, т.е постоянство мощности колеса, что несомненно привело бы к повышению эффективности разогрева и тем самым к снижению времени разогрева. Однако это не наблюдается. Нами было это проверено экспериментально [3. с.88-92]. В жидкости большой вязкости колесо загружалось в основном за счет потерь мощности на трение торцовых и цилиндрических поверхностей дисков колеса о загустевающую высоковязкую жидкость (дисковые потери мощности), которые в конечном итоге превратились в тепло. Причем эти потери существенно превышают гидравлическую мощность колеса (порой в несколько раз). А при снижении вязкости жидкости потери мощности снижаются и тогда преобладает над ними гидравлическая мощность колеса. Поэтому постоянства потребляемой мощности колесом не наблюдается, она снижается по мере уменьшения вязкости жидкости. Это приводит к снижению эффективности разогрева и к увеличению времени разогрева.
3
Такое устройство для разогрева было испытано нами на синтетическом каучуке в цистерне емкостью 25 м [3, с.91-92]. При температуре -2°С синтетического каучука мощность, идущая на его разогрев, составила 51 кВт.
Через 6 часов работы она составила 26,8 кВт при температуре 19°С. При дальнейшем разогреве до температуры 32°С эта мощность упала до 18 кВт.
Таким образом, известное устройство не обладает высокой эффективностью разогрева, так как нет постоянства его мощности, что приводит к повышению времени разогрева загустевающей жидкости.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности разогрева и снижение тем самым времени разогрева. Это выполняется за счет поддержания постоянства мощности устройства независимо от изменяющейся вязкости и температуры разогреваемой загустевающей жидкости.
Для решения поставленной задачи устройство для разогрева загустевающей жидкости в емкости, включающее центробежное колесо, помещенное в отвод по меньшей мере с одним выходным отверстием и одним входным отверстием и размещенное внутри емкости, двигатель, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит гидромотор, регулируемый гидронасос с регулятором мощности, распределитель жидкости, всасывающий, напорный и сливной трубопроводы, предохранительный клапан, фильтр и маслобак, причем центробежное колесо соединено с валом гидромотора, установленного на горловине емкости, напорный канал гидромотора соединен через распределитель жидкости посредством напорного трубопровода с напорным каналом регулируемого гидронасоса с регулятором мощности, а сливной и дренажный каналы гидромотора подключены к сливному трубопроводу, который входит внутрь емкости через ее горловину и размещен у входного отверстия отвода или на его поверхности отвода, а затем выходит из емкости и соединен через распределитель жидкости и фильтр с маслобаком, при этом вал регулируемого гидронасоса с регулятором мощности соединен с валом двигателя, а к напорному каналу регулируемого гидронасоса с регулятором мощности подключен напорный канал предохранительного клапана, а сливной канал последнего соединен с маслобаком.
Поскольку устройство дополнительно содержит гидромотор, регулируемый гидронасос с регулятором мощности, распределитель жидкости, всасывающий, напорный и сливной трубопроводы, предохранительный клапан, фильтр и маслобак, причем центробежное колесо соединено с валом гидромотора, установленного на горловине емкости, напорный канал гидромотора соединен через распределитель жидкости посредством напорного трубопровода с напорным каналом регулируемого гидронасоса с регулятором мощности, а сливной и дренажный каналы гидромотора подключены к сливному трубопроводу, который входит внутрь емкости через ее горловину и размещен у входного отверстия отвода или на поверхности отвода, а затем выходит из емкости и соединен через распределитель жидкости и фильтр с маслобаком, при этом вал регулируемого гидронасоса с регулятором мощности соединен с валом двигателя, а к напорному каналу регулируемого гидронасоса с регулятором мощности подключен напорный канал предохранительного клапана, а сливной канал последнего соединен с маслобаком, то такая связь дополнительных элементов устройства с известными позволяет повысить эффективность разогрева и снизить тем самым время разогрева за счет поддержания постоянства мощности устройства независимо от изменяющейся вязкости и температуры разогреваемой загустевающей жидкости (чего нет в прототипе).
Кроме того, повышение эффективности разогрева наблюдается дополнительно потому, что все потери мощности в гидроприводе также полезно используются на разогрев загустевающей жидкости, т.к. сливной трубопровод после гидромотра расположен внутри емкости в загустевающей жидкости и он отдает тепло от нагретого гидроприводом масла к загустевающей жидкости.
н
н
н
н
н
н
н
Применение регулируемого гидронасоса с регулятором мощности позволяет поддерживать постоянную мощность этого гидронасоса, а следовательно, и мощность двигателя(электродвигателя или дизеля), при этом перегрузки двигателя не будет. Известно, что мощность такого регулируемого гидромотора равна N=Q·Р=const, где Q - подача, а Р - давление гидронасоса. Причем во сколько раз увеличивается давление Р, во столько раз уменьшается подача Q, а мощность остается постоянной (это мощность устройства для разогрева). Подача гидронасоса обеспечивает определенную частоту вращения гидромотора, а следовательно, и частоту вращения центробежного колеса устройства, вал которого соединен с валом гидромотора, а давление гидронасоса преодолевает момент на валу гидромотора, а следовательно, и момент на валу центробежного колеса.
Поэтому при большой вязкости загустевающей жидкости на валу центробежного колеса большой момент, а частота вращения центробежного колеса небольшая. Во сколько раз уменьшается момент на валу центробежного колеса (за счет снижения вязкости загустевающей жидкости при ее нагреве), во столько раз увеличивается частота вращения центробежного колеса, а мощность на валу колеса остается постоянной (чего нет в прототипе). Это и есть мощность нагревателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для разогрева загустевающей жидкости в емкости. На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Устройство для разогрева загустевающей жидкости в емкости содержит центробежное колесо 1, установленное в емкости 2 и помещенное в отвод 3. по меньшей мере с одним выходным 4 отверстием и с одним входным 5. При использовании устройства в железнодорожной цистерне 2 отвод 3 необходимо выполнить с двумя симметрично расположенными выходными отверстиями 4, направленными вдоль продольной оси 6 емкости 2 в противоположные стороны (фиг.2). Устройство дополнительно содержит гидромотор 7, регулируемый гидронасос 8 с регулятором мощности, распределитель 9 жидкости, напорный 10 и сливной 11 трубопроводы, предохранительный клапан 12, фильтр 13 и маслобак 14, при этом вал регулируемого гидронасоса 8 с регулятором мощности соединен с валом двигателя 15, который может быть выполнен в виде дизеля или электродвигателя или иного двигателя. Гидромотор 7 установлен на крышке 17 емкости 2. Там же закреплен и отвод 3. Причем гидромотор 7 и отвод 3 могут быть закреплены на специальной эстакаде, чтобы масса устройства не передавалась конструкции емкости.
Центробежное колесо 1 соединено с валом гидромотора 7. Напорный канал 18 гидромотора 7 соединен через распределитель 9 жидкости посредством напорного 10 трубопровода с напорным каналом 19 регулируемого гидронасоса 8 с регулятором мощности, а сливной 20 и дренажный 21 каналы гидромотора 7 подключены к сливному трубопроводу 11, который входит внутрь емкости 2 через ее горловину 17 и размещен у входного отверстия 5 отвода 3 или на поверхности отвода 3, а затем выходит из емкости 2 и соединен через распределитель 9 жидкости и фильтр 13 с маслобаком 14. К напорному каналу 19 регулируемого гидронасоса 8 с регулятором мощности подключен напорный канал 22 предохранительного клапана 12, а сливной канал 23 предохранительного клапана 12 соединен с маслобаком 14.
Устройство работает следующим образом.
Включают в работу двигатель 15, распределитель 9 жидкости будет в правой позиции и регулируемый гидронасос 8 с регулятором мощности вращается двигателем 15 с постоянной частотой вращения. При этом регулируемый гидронасос 8 всасывает масло из маслобака 14 и сливает его через фильтр 13 вновь в маслобак 14, а гидромотор 7 не вращается.
н
н
н
н
н
н
н
Включают левую позицию распределителя 9 жидкости, регулируемый гидронасос 8 с регулятором мощности нагнетает масло по напорному трубопроводу 10 к гидромотору 7, который вращает центробежное колесо 1 устройства. Поскольку в начале разогрева загустевающая жидкость находится с низкой температурой и с большой вязкостью, то на центробежном колесе 1 будет большой момент сопротивления, который будет преодолеваться моментом гидромотора 7. Момент гидромотора 7 будет формироваться за счет давления Р регулируемого гидронасоса 8 с регулятором мощности. Поскольку в начале разогрева момент сопротивления на центробежном колесе 1 будет большой, то и давление Р регулируемого гидронасоса 8 будет максимально большим. Поэтому регулятор мощности регулируемого гидронасоса 8 срабатывает автоматически, уменьшает подачу Q регулируемого гидронасоса 8 обратно пропорционально увеличению давления Р и поддерживает постоянную мощность регулируемого гидронасоса 8, т.е. N=Q·Р=const.
н
Уменьшение подачи Q регулируемого гидронасоса 8 приведет к пропорциональному уменьшению частоты вращения гидромотора 7, а следовательно, и центробежного колеса 1 (чего нет в прототипе). При этом вся отдаваемая центробежным колесом 1 мощность переводится в тепло, идущее на разогрев загустевающей жидкости. Все потери мощности в центробежном колесе 1 переводятся также в тепло за счет сил вязкого трения. Потоки разогретой жидкости, выходящие из выходных отверстий 4 отвода 3, направлены вдоль оси 6 емкости 2 и отдают свое тепло загустевающей жидкости.
м
н
м
н
н
н
н
м
к
м
к
м
м
м
По мере разогрева жидкости ее вязкость снижается и поэтому момент сопротивления на валу центробежного колеса 1 уменьшается (а следовательно, уменьшается и момент М на валу гидромотора 7), поэтому давление Р регулируемого гидронасоса 8 с регулятором мощности уменьшается пропорционально уменьшению момента М гидромотора 7 и центробежного колеса 1 (их моменты равны). Тогда регулятор мощности регулируемого гидронасоса 8, срабатывая автоматически в обратную сторону, увеличивает подачу Q регулируемого гидронасоса 8, поддерживая вновь постоянную мощность регулируемого гидронасоса 8, т.е. N=Q·Р=const А это приведет к увеличению частоты ω вращения гидромотора 7 и центробежного колеса 1 (чего нет в прототипе). Поэтому потребляемая мощность N (центробежного колеса 1 и гидромотора 7 N будет также постоянной, т.е. N=N=М·ω=const.
При дальнейшем разогреве (вязкость жидкости еще меньше) момент сопротивления на валу центробежного колеса 1 и на валу гидромотора 7 еще уменьшается, а частота их вращения будет пропорционально увеличиваться. При этом во сколько раз уменьшается момент на валу центробежного колеса 1, во столько раз увеличивается частота его вращения, а мощность, потребляемая центробежным колесом 1, остается постоянной (чего нет в прототипе). Это и есть мощность предлагаемого устройства.
Предложенные в нашем техническом решении механическая связь валов центробежного колеса 1 и гидромотора 7, а также гидравлическая связь гидромотора 7 с регулируемым гидронасосом 8 с регулятором мощности позволяют поддерживать постоянной мощность устройства для разогрева загустевающей жидкости за все время разогрева независимо от изменяющейся вязкости разогреваемой жидкости (чего не в прототипе). За счет этого повышается эффективность разогрева и снижается тем самым время разогрева.
Кроме того, повышение эффективности разогрева дополнительно происходит за счет того, что все потери мощности в гидроприводе также полезно используются на разогрев, так как сливной трубопровод 11 после гидромотора 7 входит внутрь емкости 2, размещен у входного отверстия 5 отвода 3 и отдает тепло разогреваемой жидкости.
Устройство для разогрева загустевающей жидкости может не только разогревать, но и откачивать разогретую жидкость из емкости 2. В случае откачки устройство должно быть дополнительно снабжено одним или двумя откачивающими трубопроводами, которые должны быть подключены к отводу 3, а также одной или двумя заслонками, перекрывающими выходные отверстия 4 отвода 3 (не показаны).
Таким образом, как следует из вышеизложенного, реализация предлагаемого технического решения позволит поддерживать постоянной мощность устройства за все время разогрева независимо от изменяющейся вязкости разогреваемой жидкости, что приведет к повышению эффективности разогрева и снижению тем самым времени разогрева.
Источники информации
1. Устройство для разогрева застывающих жидкостей. Авторское свидетельство СССР №1009923, МКИ В65D 88/74 // F04D 13/08; B65G 69/20 / Заявлено 27.08.1981. Опубликовано 07.04.1983, Бюл. №13.
2. Устройство для разогрева загустевающей жидкости в емкости. Авторское свидетельство СССР №1594077, МКИ В65D 88/74, B65G 69/20. Заявлено 07.05.1988. Опубликовано 23.09.1990. Бюл №35.
3. О.В.Чернов. Баланс энергии при работе гидродинамического нагревателя и влияние вязкости разогреваемой загустевающей жидкости на мощность нагревателя. Сборник статей по материалам 7-й Международной научно-технической конференции. (г.Новочеркасск, 15-17 декабря 2004 г.), выпуск 5. Новые технологии управления движением технических объектов. Новочеркасск 2004, с.88-92.