ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ЦИСТЕРНА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а более конкретно к вагонам - цистернам для транспортировки жидких нефтепродуктов, изменяющих при охлаждении свои свойства.
Известны специализированные цистерны, например модель 15-1566, не имеющие тепловой изоляции стенок котла, но снабженные средствами разогрева загустевающих жидких нефтепродуктов, например, мазутов, для восстановления их текучести перед выгрузкой, проводимой самотеком (Губенко В.К., Никодимов А.П., Жилин Г.К. Цистерны (устройство, эксплуатация, ремонт). М.; Транспорт, 1990 г., 151 с.).
Недостатком названных цистерн является то, что разогрев нефтепродуктов требует больших затрат тепловой энергии и длительного простоя вагонов под выгрузкой, а включение системы разогрева в конструкцию вагона, значительно увеличивает массу его тары.
Известны специализированные цистерны - термосы, имеющие тепловую изоляцию котла, обеспечивающую снижение скорости охлаждения перевозимого нефтепродукта (Казубов А.И. Применение цистерн-термосов для перевозки застывающих нефтепродуктов. М.; «ЦНИИТЭИМОС», вып. 11, 1987, 32 с.).
Недостатком цистерн-термосов является невозможность широкого их использования для доставки жидких нефтепродуктов, объемы перевозок которых составляют десятки миллионов тонн в год. Это обусловлено необходимостью частого проведения ремонтных работ, связанных с восстановлением теплоизолирующей оболочки котла и значительным увеличением массы тары вагона-цистерны при использовании тепловой изоляции, отвечающей требованиям пожаробезопасности.
Цистерны-термосы используются лишь в небольших количествах и имеют строгую специализацию на данный тип затвердевающего при охлаждении наливного груза, следствием которой является большой, до 50% времени оборота вагона, порожний пробег.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является цистерна для транспортировки загустевающих жидкостей, включающая горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной патрубок, снабженный нагревательным элементом и тепловую изоляцию, укрепленную на наружной поверхности котла, в нем обеспечивается сохранение начальной температуры основной массы нефтепродукта при его перевозках в условиях низких температур окружающей среды, снижение расхода тепловой энергии на их разогрев перед сливом и обеспечение высокой температуры сливаемого нефтепродукта, достигаемые за счет подавления его естественной конвекции (RU №2195420, B65D 88/74, B61D 5/02, 27.12.2002).
Недостатками данной цистерны являются: значительные вес, объем и сложность использования устройства подавления естественной конвекции горячего жидкого нефтепродукта, выполненного в виде блока тепловых аккумуляторов, заполненных теплоаккумулирующим составом.
Задачей полезной модели является создание на базе нефтебензиновых цистерн для светлых нефтепродуктов, находящихся в обороте, новой цистерны, позволяющей перевозить в холодный осенне-зимний период темные и светлые жидкие нефтепродукты, проявляющие при охлаждении низкотемпературные свойства, такие как резкое увеличение вязкости, возникновение фазовых расслоений и др.
Технический результат полезной модели - упрощение конструкции цистерны, уменьшение массы ее тары и увеличение вместимости котла.
Для решения поставленной задачи предлагается железнодорожная цистерна для транспортировки жидких нефтепродуктов, включающая горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, с верхним наливным люком и нижним сливным патрубком, снабженным системой его обогрева, причем на наружной поверхности котла нанесено токопроводящее покрытие, на котором жестко укреплены две металлические сетки с электрическими разъемами для подключения к источнику питания, покрывающие верхнюю и нижнюю половины котла, а поверх них на котел нанесено теплоизолирующее покрытие, причем число его слоев на верхней половине котла в 3-5 раз больше, чем на нижней половине котла.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана железнодорожная цистерна для транспортировки жидких нефтепродуктов в продольном сечении, а на фиг. 2 - цистерна в поперечном сечении.
На наружную поверхность котла 1 цистерны, имеющего верхний наливной люк 2 и нижний сливной патрубок 3 с системой его обогрева, нанесено токопроводящее покрытие 4, на наружной поверхности которого жестко укреплены металлические сетки 5 и 6, покрывающие верхнюю и нижнюю половины котла 1 соответственно.
На верхней сетке 5 установлен электрический разъем 7, а на нижней сетке 6 -электрический разъем 8, которые обеспечивают соединение сеток 5, 6 с внешним источником питания 9. На наружной поверхности котла 1 поверх металлических сеток 5, 6 нанесен слой 10 теплоизоляционного покрытия, причем на верхней половине котла 1 его толщина в 3-5 раз больше, чем на нижней половине котла 1, результаты получены на основании компьютерных расчетов и стендовых экспериментов.
Теплоизоляционными покрытиями могут быть покрытия «Астратек», «Термоплэкс», «Корунд» и «Изоллат» по ГОСТ (ISO 9001-2011 (ISO 9001-2008)), имеющие низкий коэффициент теплопроводности λ≈0,001 Вт/м·град, и высокие эксплуатационные характеристики в интервале температур от минус 60°C до плюс 200°C.
Позицией 11 отмечен перевозимый нефтепродукт, находящийся в жидком состоянии, позицией 12 - находящийся в загустевшем состоянии.
Источники питания 9 должны быть установлены как в пункте налива нефтепродукта в цистерну, так и на станции его выгрузки.
Принцип работы заявляемого объекта основан на сочетании физических свойств нефтепродуктов и технологии их железнодорожных перевозок в цистернах, он заключается в следующем.
-3
Для нефтепродуктов характерны значительное уменьшение плотности с ростом температуры и низкая теплопроводность, что выражается значениями коэффициентов объемного теплового расширения β≈10 1/град и теплопроводности λ=0,16 Вт/м°C.
Технология перевозок загустевающих жидких нефтепродуктов включает их разогрев, проводимый как перед наливом в цистерну, так и перед выгрузкой из нее. Разогрев проводится для снижения вязкости нефтепродукта и обеспечивает ускорение операции налива и делает возможной операцию выгрузки, проводимую в виде слива самотеком.
В заявляемом объекте предполагается, что после налива нефтепродукта в котел 1 цистерны он дополнительно еще разогревается в верхней части котла 1. Для этого верхнюю сетку 5 через разъем 7 соединяют с внешним источником питания 9, установленным в пункте налива нефтепродукта.
Электрическую цепь образуют: верхняя сетка 5, слой токопроводящего покрытия 4, металлический корпус цистерны и железнодорожные рельсы. Наибольшим электрическим сопротивлением в этой цепи обладает слой токопроводящего покрытия 4, расположенный под верхней сеткой 5, и вся выделяющаяся теплота расходуется на разогрев нефтепродукта в верхней половине котла 1 цистерны.
В качестве примера токопроводящих покрытий с необходимыми характеристиками, выпускаемыми в промышленных объемах могут быть названы Resistpait и Данбарсилвер - 005 (ГОСТ 9001:2000).
2
В условиях депо токопроводящее покрытие 4, обеспечивающее удельный тепловой поток до q=2 кВт/м может также быть выполнено введением в эпоксидную эмаль токопроводящего наполнителя (сажи, алюминиевой пудры и др.), пластификатора и отвердителя.
2
По истечении 30-40 минут нагревания при создании удельного теплового потока q=2 кВт/м плотность жидкого нефтепродукта 11 в верхней части котла 1 цистерны снижается на 5-7% от начального значения, и он переходит в устойчивое, так называемое «стратифицированное», состояние, при котором его естественная конвекция становится невозможной. Охлаждение жидкого нефтепродукта, находящегося в стратифицированном состоянии, будет очень медленным, т.к. вызывается только его молекулярной теплопроводностью, а она у всех нефтепродуктов мала.
Длительному сохранению стратифицированного состояния жидкого нефтепродукта 11 способствует то, что слой теплоизоляционного покрытия 10 на верхней половине котла 1 цистерны имеет толщину в 3-5 раз большую, чем на нижней его половине, за счет чего соответственно снижается и удельный тепловой поток в окружающее пространство.
В рассматриваемом режиме охлаждения основная масса загустевающего темного нефтепродукта 11 в котле 1 цистерны в течение всего времени транспортирования сохраняет высокую температуру и текучесть, достаточную для проведения его выгрузки самотеком через сливной патрубок 3.
На внутренних стенках котла 1 цистерны остается только тонкий слой нефтепродукта 12, охлажденного до перехода в вязкое состояние. Толщина слоя нефтепродукта 12 не превосходит 10 см, его общая масса составляет 6-7 тонн. Слой нефтепродукта 12 сам обеспечивает теплоизоляцию содержимого цистерны и принудительно разжижается перед ее выгрузкой.
Для разжижения слоя нефтепродукта 12 выходы внешнего источника питания 9, находящегося на станции выгрузки, соединяются с электрическими разъемами 7 и 8, чем обеспечивается прохождение тока через слой токопроводящего покрытия 4 под сетками 5 и 6, т.е. по всей поверхности котла 1 цистерны, включая его днища.
Быстрому разогреву и разжижению застывшего слоя нефтепродукта 12 на внутренних поверхностях стенок котла 1 способствует слой 10 теплоизоляционного покрытия, например, «КОРУНД», который даже при малой своей толщине снижает тепловые потоки в окружающее пространство.
Аналогичным образом можно осуществлять подготовку к зимним перевозкам таких светлых нефтепродуктов как дизельные топлива летних сортов, охлаждение которых до температуры ниже минус 5°C может сопровождаться их фазовым расслоением. Фазовое расслоение способно изменить баланс между входящими в топливо присадками и резко ухудшить его эксплуатационные характеристики. Предварительное приведение топлива в стратифицированное состояние нагревом верхней половины котла 1 цистерны при пропускании электрического тока через токопроводящее покрытие 4 под сеткой 5 позволяет в течение 10 суток сохранять положительную температуру топлива при температурах воздуха минус 20°C. При необходимости можно подогревать и всю массу нефтепродукта в цистерне при задержках ее в пути или же при выгрузке.
Низкотемпературные свойства таких светлых нефтепродуктов, как авиационные керосины, связаны с их способностью растворять в себе небольшие количества воды. Авиационные керосины эксплуатируются на большой высоте при температурах воздуха до минус 45°C. При таких температурах вода, попавшая в топливо, замерзает, превращаясь в кристаллики льда, которые забивают топливные фильтры двигателя самолета, провоцируя возникновение аварийных ситуаций.
Вода может попасть в нефтепродукт при его выгрузке из цистерны, конденсируясь как на его свободной поверхности, так и на внутренней поверхности стенок котла 1 цистерны. Электроразогрев стенок котла 1 с помощью токопроводящего покрытия 4 производится до выгрузки керосинов при закрытом верхнем наливном люке 2 цистерны. Нагрев возбуждает свободную конвекцию нефтепродукта, достаточно интенсивную из-за его малой вязкости и продолжается очень недолго.
Восходящие потоки нагретого керосина собирают его на свободной поверхности содержимого цистерны, образуя слой нефтепродукта 11, имеющий температуру, превышающую температуру окружающей среды, что достаточно для предотвращения конденсации водяного пара. На внутренней поверхности нагретых стенок котла 1 конденсация водяных паров также становится невозможной. Таким образом, блокируется и попадание воды в нефтепродукт при его выгрузке из цистерны.
Доказательствами достижения технического результата являются:
1. Возможность перевозок в осенне-зимний период, как темных, так и светлых нефтепродуктов, проявляющих низкотемпературные свойства различные по своей физической природе, например, мазутов, дизельных топлив, авиационных керосинов и др.
2. Подавление естественной конвекции перечисленных темных и светлых нефтепродуктов, обеспечивающее сохранение их эксплуатационных характеристик, сокращение времени разогрева и слива из цистерны и снижение затрат тепловой энергии на разогрев достигается без установки внутри цистерны тепловых аккумуляторов, имеющих значительный вес и объем.