ИСПАРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к газоснабжению, в частности, к испарению сжиженного углеводородного газа (СУГ) и может быть использована в составе наружных испарительных установок малой мощности, применяемых в холодных климатических районах, для газоснабжения зданий, промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных потребителей. Использование предлагаемых испарительных устройств позволит существенно уменьшить материалоемкость промежуточного теплоносителя выполненного из отвердевшей металлической заливки с высоким коэффициентом теплопроводности, а также существенно повысить промышленную безопасность испарительных установок малой мощности.
Известно испарительное устройство СУГ малой мощности, содержащее сосуд, заполненный жидким незамерзающим, до минус 40°С, промежуточным теплоносителем (ПТ), на основе смеси воды и диэтиленгликоля, с находящимися в нем трубчатым электронагревателем (ТЭН) и испарительным трубопроводным змеевиком (ИТЗ) [см. Курицын Б.Н., Усачев А.П., Семенов В.Г. Электрический испаритель сжиженного газа с промежуточным теплоносителем / Использование газа в народном хозяйстве. Выпуск 14. Сб. научн. трудов - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 1979, С.129-135].
Недостатком известного испарительного устройства СУГ является высокая материалоемкость жидкого промежуточного теплоносителя из смеси воды и диэтиленгликоля. обусловленная необходимостью его ежегодной замены в течение всего срока службы равного 25 лет. Согласно [см. стр.397-398. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Л.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. - Л.: Недра, 1986, 542 с.] промежуточный теплоноситель на основе воды и диэтиленгликоля в испарительных устройствах СУГ через 7500-8000 часов непрерывной работы теряет свои полезные свойства и подлежит ежегодной замене: температура замерзания повышается свыше минус 40°С, распадается ингибитор, предотвращающий коррозию ИТЗ и ТЭН.
Известно другое испарительное устройство СУГ малой мощности, содержащее сосуд, заполненный незамерзающим до минус 40°С жидким промежуточным теплоносителем из смеси воды и диэтиленгликоля с находящимися в нем испарительным трубопроводным змеевиком и расположенными под ним трубчатыми электронагревателями [см. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.Ю., Лурье Т.А. Выбор метода регазификации сжиженных углеводородных газов в системах централизованного газоснабжения / Научно-технические
проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения. Сб. научн. трудов. -Саратов. 2004, С.118-119].
Недостатком известного испарительного устройства СУГ также являются высокие материалоем кость и капитальные вложения в жидкий промежуточный теплоноситель из смеси воды и диэтиленгликоля, обусловленные необходимостью его ежегодной замены в течение всего срока службы равного 25 лет. Согласно [см. стр.397-398. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Л.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. - Л.: Недра, 1986.-542 с.] промежуточный теплоноситель в на основе воды и диэтиленгликоля в испарительных устройствах СУГ через 7500-8000 часов непрерывной работы теряет свои полезные свойства и подлежит ежегодной замене: температура замерзания повышается свыше минус 40°С, распадается ингибитор, предотвращающий коррозию ИТЗ и ТЭН.
Другим недостатком известного испарительного устройства СУГ является низкий уровень промышленной безопасности вследствие возможности утечки СУГ в окружающую среду через слой жидкого промежуточного теплоносителя при понижении в нем содержания диэтиленгликоля за счет частичного его испарения в окружающий воздух и разложения в конце срока его годности. В этом случае возможно замерзание промежуточного теплоносителя в холодный период года и, как следствие, разгерметизация и разрушение испарительного трубопроводного змеевика с дальнейшей утечкой СУГ. Кроме того, при использовании несоответствующих техническим условиям антифризов имеет место коррозия трубчатого электронагревателя и испарительного трубопроводного змеевика с возможной его разгерметизацией.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является испарительное устройство СУГ малой мощности, содержащее сосуд, заполненный твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия с заплавленными в него испарительным трубопроводным змеевиком СУГ и трубчатыми электронагревателями. [Патент на полезную модель №59773. Испарительное устройство сжиженного углеводородного газа / Усачев А.П., Фролов А.Ю., Рулев А.В., Усачева Т.А., Феоктистов А.А. Опубликовано: 27.12.2006. Бюл. №36].
Применение известного испарительного устройства СУГ позволяет не производить замену промежуточного теплоносителя из алюминия в течение всего срока службы, в то время как жидкий промежуточный теплоноситель на основе смеси воды и диэтиленгликоля в испарительных устройствах СУГ теряет полезные свойства через 7500-8000 часов непрерывной работы и подлежит замене не реже одного раза в год [см. стр.397-398. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Л.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. - Л.: Недра, 1986, 542 с.].
пт
2
2
Другим преимуществом известного испарительного устройства СУГ является повышение интенсивности теплоотдачи за счет использования промежуточного теплоносителя из алюминия с высоким коэффициентом теплопроводности, а также за счет равномерного расположения ТЭН по окружности, находящейся на расстоянии δ=8 мм до испарительного трубопроводного змеевика [Патент на полезную модель №59773. Испарительное устройство сжиженного углеводородного газа / Усачев А.П., Фролов А.Ю., Рулев А.В., Усачева Т.А., Феоктистов А.А. Опубликовано: 27.12.2006. Бюл. №36]. Так значение величины интенсивности теплоотдачи от ТЭН к ИТЗ через слой твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминия составляет 4750 Вт/м·К) [см. Усачев А.П., Рулев А.В., Фролов А.Ю., Трущ А.С., Усачева Т.А. Разработка предложений по повышению интенсивности теплообмена в испарителях и подогревателях природного газа при использовании промежуточного теплоносителя / Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения. Сб. научн. трудов. - Саратов, 2007, С.107-112], в то время как между от ТЭН к ИТЗ через слой жидкого промежуточного теплоносителя составляет 380÷430 Bт/(м·K) [см. стр. 87-93. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973,320 с.].
Кроме этого, нагревательные и испарительное устройства, залитые в алюминий, в отличие от антифриза, не требуют очистки наружных поверхностей в течение всего срока службы вследствие отсутствия на них загрязнений, в то время как ИТЗ и ТЭН при использовании жидкого промежуточного теплоносителя из смеси воды и диэтиленгликоля [см. стр.397-398. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Л.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. - Л.: Недра, 1986.-542 с.] требуют очистки их наружных поверхностей от загрязнений не реже одного раза в год.
Задачей настоящей полезной модели является снижение материалоемкости и капитальных вложений в твердотельный промежуточный теплоноситель из алюминия в наружных испарительных устройствах СУГ.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является уменьшение объема твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминия в наружных испарительных установках СУГ.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном испарительном устройстве СУГ, содержащим сосуд, заполненный промежуточным теплоносителем из отвердевшего алюминия с заплавленными в него испарительным трубопроводным змеевиком СУГ и трубчатыми электронагревателями, равномерно расположенными вдоль боковой поверхности испарительного трубопроводного змеевика, согласно полезной модели, в центральной части промежуточного теплоносителя из отвердевшего алюминия
имеется воздушная цилиндрическая полость для уменьшения его объема и металлоемкости, а боковая поверхность цилиндрической полости отстоит по нормали от боковой поверхности трубчатых электронагревателей на расстоянии δ=12 мм, при котором не происходит повышение температуры на поверхности трубчатых электронагревателей, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости, сверх требуемой для этого типа трубчатых электронагревателей и. как следствие, при их эксплуатации обеспечивается отсутствие трещин, расслоений в месте теплового контакта, требуемая прочность и срок службы трубчатых электронагревателей и алюминиевой заливки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена схема испарительного устройства СУГ. Позиции на чертеже обозначают следующее:
1 - цилиндрический сосуд; 2 - промежуточный теплоноситель из отвердевшего алюминия; 3 - трубчатые электронагреватели; 4 - испарительный трубопроводный змеевик; 5 - воздушная цилиндрическая полость; δ - расстояние по нормали от боковой поверхности цилиндрической полости 5 до боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3, равномерно расположенных вдоль боковой поверхности испарительного трубопроводного змеевика 4.
Испарительное устройство СУГ содержит: цилиндрический сосуд 1; промежуточный теплоноситель 2 из отвердевшего алюминия; трубчатые электронагреватели 3, равномерно расположенные вдоль боковой поверхности испарительного трубопроводного змеевика 4;
испарительный трубопроводный змеевик 4; воздушная цилиндрическая полость 5 с боковой поверхностью, отстоящей по нормали на расстоянии δ=12 мм от боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3, равномерно расположенных вдоль боковой поверхности испарительного трубопроводного змеевика 4. При этом отвердевшая алюминиевая заливка 2 обеспечивает хороший тепловой контакт с наружными поверхностями, заплавленных в нее трубчатых электронагревателей 3 и испарительного трубопроводного змеевика 4.
Испарительное устройство СУГ работает следующим образом.
Трубчатые электронагреватели 3, передают тепловую энергию через слой промежуточного теплоносителя из отвердевшего алюминия 2 к испарительному трубопроводному змеевику 4, находящемуся в периферийной части промежуточного теплоносителя. Тепловая энергия, переданная испарительному трубопроводному змеевику 4, расходуется в нем на регазификацию сжиженного углеводородного газа. Поскольку в центральной части промежуточного теплоносителя из отвердевшего алюминия не имеется никаких тепловоспринимающих элементов, введение здесь воздушной цилиндрической полости 5 для уменьшения его объема и металлоемкости, не окажет негативного влияния на количество тепловой энергии, переданной испарительному трубопроводному змеевику 4.
Хороший тепловой контакт отвердевшей алюминиевой заливки 2 с наружными поверхностями, заплавленных в нее трубчатых электронагревателей 3 и испарительного трубопроводного змеевика 4, обеспечивают между ними интенсивный теплообмен. Здесь тепловой поток, согласно [см. стр.8-10. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973, 320 с.], передается по нормали (под прямым углом) от боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3 и также по нормали поступает к боковой поверхности испарительного трубопроводного змеевика 4. как это показано пунктирными линиями на фрагменте А фиг.1.
2
2
При этом от каждой единицы площади поверхности трубчатых электронагревателей 3, согласно принципу их действия, передается одинаковое количество тепла Q=const независимо от того: 1) на каком удалении от испарительного трубопроводного змеевика 4 находятся точки «В» и «С», расположенные на поверхности ТЭНов (см. фрагмент А фиг.1); 2) с какой средой соприкасаются ТЭНы, например, высокотеплопроводной как алюминий или низкотеплопроводной как воздух; 3) от толщины слоя алюминиевой заливки δ. Так от ТЭНов, предназначенных для нагрева алюминиевых заливок, согласно [см. стр.3-4. ГОСТ 19108-73. Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых электроприборов. Изд-во стандартов. 1973.-11 с.] от каждого квадратного сантиметра поверхности их оболочки передается одинаковое количество тепла Q=const=13,0 Вт/см при требуемой температуре на ней в размере 250°С. В тоже время, ТЭНы, предназначенные для нагрева неподвижного воздуха, например в цилиндрической полости 5, могут нормально эксплуатироваться без повышения температуры сверх требуемой только при Q=const=2,2 Вт/см [см. стр.3-4. ГОСТ. 19108-73. Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых электроприборов. Изд-во стандартов, 1973.-11 с.].
Уменьшение толщины слоя алюминиевой заливки δ ниже определенной величины обуславливает увеличение термического сопротивления при передаче теплового потока Q от поверхности оболочки ТЭНов, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости 5 к испарительному трубопроводному змеевику 4 (см. фрагмент А фиг.1) и, как следствие, увеличение температуры на поверхности оболочки ТЭНов, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости 5 выше требуемой, т.е. выше 250°С.
При уменьшении расстояния по нормали от боковой поверхности воздушной цилиндрической полости 5 до боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3 ниже 12 мм, т.е. δ<12 мм, происходит повышение температуры на боковой поверхности оболочки трубчатых электронагревателей 3, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости сверх номинальных значений, т.е. выше 250°С и, как
следствие, создаются условия для образования трещин, расслоений в месте теплового контакта ТЭН и ВЦП и, снижаются прочность и срок службы трубчатых электронагревателей и алюминиевой заливки.
2
2
Уменьшение расстояния 5 до нулевого значения, т.е. δ=0,0 мм, приведет к соприкосновению боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3, предназначенных для нагрева только алюминиевых заливок при Q=const=13,0 Вт/см, с воздухом цилиндрической полости 5. повышению температуры в точке соприкосновения с воздухом ВЦП, т.е. в точке «Б» до температуры плавления стальной оболочки ТЭН и его перегоранию. Это обусловлено тем, что согласно [см. стр.3-4. ГОСТ 19108-73. Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых электроприборов. Изд-во стандартов, 1973.-11 с.] трубчатые электронагреватели при нагреве неподвижного воздуха могут нормально эксплуатироваться без повышения температуры сверх требуемой для данного типа ТЭНов только при значениях Q=const=2,2 Вт/см.
Выход из строя ТЭНа, учитывая его неремонтопригодность и невозможность замены в условиях алюминиевой отливки, может привести к выходу из строя всего-испарительного устройства СУГ. Кроме того, появление сквозных трещин в окружающей ТЭНы алюминиевой отливке, исключает использование ее в качестве дополнительной оболочки, обеспечивающей герметичность испарительного трубного змеевика СУГ, что снижает уровень промышленной безопасности при эксплуатации испарительного устройства.
При увеличении расстояния по нормали от боковой поверхности воздушной цилиндрической полости 5 до боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3 выше 12 мм, т.е. δ>12 мм, происходит уменьшение объема цилиндрической полости 5. Уменьшение объема воздушной цилиндрической полости 5 приводит к увеличению объема, металлоемкости и капвложений в промежуточный теплоноситель из алюминиевой заливки 2, т.е. к уменьшению заявленного технического результата.
Использование предлагаемых испарительных устройств СУГ в составе испарительных установок малой мощности, применяемых в холодных климатических районах, для газоснабжения зданий, промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных потребителей газоснабжения зданий позволит значительно уменьшить металлоемкость и капвложения в промежуточный теплоноситель из отвердевшей алюминиевой заливки, а также повысить уровень их промышленной безопасности.