ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ЦИСТЕРНА С ЭЛЕКТРООБОГРЕВОМ

Область техники. Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к вагонам-цистернам для транспортировки вязких жидкостей, например, вязких нефтепродуктов, таких как мазут.
Уровень техники. Известны цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов с устройствами разогрева транспортируемой жидкости, обеспечивающие восстановление или сохранение ее текучести (Губенко В.К., Никодимов А.П., Жилин Г.К. Цистерны устройство, эксплуатация, ремонт.- М.: Транспорт, 1990 г, стр 39-44). В некоторых цистернах применяется паровая "рубашка", охватывающая нижнюю часть котла цистерны и сливной прибор (Таблицы калибровки железнодорожных цистерн Москва, Транспорт, Трансинфо, 1997). Основным недостатком такой конструкции является необходимость в котельной и возможность замерзания конденсата в рубашке цистерны, недостаточная эффективность действия теплового аккумулятора в торцевых областях котла обуславливающая возможность образования в них значительных количеств загустевшего нефтепродукта. Имеются конструкции, применяющие систему трубопроводов внутри цистерны, по которым прокачивается теплоноситель или теплоаккумулирующий материал (патент RU №2195420, RU №2053177). Недостатком этих цистерн является усложнение их конструкции, введение в цикл разогрева дополнительного промежуточного элемента - теплоносителя, ограниченность использования теплоносителей для разогрева теплоаккумулирующего материала на сливных площадках; значительные трудозатраты при подключении патрубков подачи и ввода теплоносителей на сливных площадках. В патенте GB742251 от 1955 г., в конструкции, преимущественно для пищеприготовления и бытовых целей, применен плоский нагреватель из фольги, погруженный в промежуточный теплоноситель, который, в свою очередь, через металлическую стенку передает тепло нагреваемой субстанции.
Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является цистерна, описанная в патенте RU №55751. Цистерна для вязких нефтепродуктов включает установленную на тележки раму с котлом, укрепленным в нем горизонтально тепловым аккумулятором в виде системы труб, установленных вдоль внутреннего периметра котла параллельно боковым и торцевым его стенкам и снабжена устройством его электронагрева. Выводы электронагревательного элемента смонтированы на наружной поверхности котла для подключения к источнику питания.
Прототип имеет основной недостаток в том, что усложняется конструкция цистерны (внутреннее пространство цистерны загромождается трубопроводами теплового аккумулятора), и в цикл разогрева продукта вводится промежуточный элемент - теплоноситель.
Задачей полезной модели является создание цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов, обеспечивающей быстрый слив вязких продуктов за счет эффективного нагрева, минимизации количества тепловых контактов между тепловыделяющими элементами и продуктом.
Сущность полезной модели. Поставленная задача решается тем, что в цистерне для транспортировки и нагрева продуктов происходит электронагрев продукта, с возможностью присоединения к электросети как во время транспортировки, так и на месте слива. При этом тонкий резистивный нагреватель, повторяющий кривизну внутренней поверхности цистерны, расположен на днище цистерны, при необходимости также (частично) на ее боковых стенках и торцах. Разъем нагревателя смонтирован на наружной поверхности котла цистерны для подключения к источнику питания. Нагреватель включает в себя тонкий резистивный элемент, (имеющий толщину порядка нескольких миллиметров и эффективную теплоотдающую поверхность порядка 10... 20 кв. м для цистерны с длиной бочки порядка 10 м), который с обеих сторон защищен электроизоляционными слоями.
Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого устройства, заключается в следующем:
- упрощение конструкции внутреннего объема бочки цистерны;
- ускорение и удешевление процесса слива продуктов вследствие отказа от строительства эстакад, оборудованных специальными устройствами нагрева цистерн и (или) использования дорогостоящих теплообменников;
- подготовка к сливу продуктов может производиться в процессе транспортировки цистерн заблаговременно перед разгрузкой, если в составе цистерн имеется собственный источник электроэнергии соответствующей мощности.
Преимущества отличительного признака - использования специального тонкого резистивного нагревателя, расположенного на днище внутри цистерны, при необходимости также (частично) на ее боковых стенках и торцах:
- улучшаются условия для прогрева всего объема продукта, в том числе - вблизи стенок и торцов, а, следовательно, улучшается качество слива продукта и уменьшается время прогрева;
- тонкий нагреватель имеет максимальную поверхность теплоотдачи при фиксированной мощности нагревателя и, следовательно, эффективность нагрева при минимизации градиентов температуры;
- упрощается конфигурация оборудования внутреннего объема цистерны, и, следовательно, улучшаются условия для операций осмотра и обслуживания цистерны.
1
2
Оценим технические возможности реализации предлагаемого технического решения. Общее количество тепла, потребное для разогрева 4-хосной цистерны с мазутом на перепад температур ΔT=50°С (Т=-20°С, Т=30°С) составляет:
1
2
1
1
2
2
Q=Q+Q=cGΔT+cGΔT,
1
2
где: Q и Q - количества тепла, необходимые для разогрева мазута и котла цистерны, соответственно;
1
2
с=2 кДж/кг град и с=0,4 кДж/кг град - теплоемкости мазута и стали,;
1
2
1
2
G=60 т и G=12 т, - вес мазута и вес котла цистерны, соответственно. Окончательно получим: Q=1800 кВт час; Q=72 кВт час, и ориентировочно для полного разогрева одной цистерны с мазутом на 50°С требуется около 1870 кВтч энергии.
1
Имея в виду длину внутренней части цистерны порядка 10 м, ширину нагревателя, расположенного на днище цистерны, частично на ее боковых стенках и торцах около 2 м, удельную мощность нагревателя в качестве вполне реальной величины примем порядка 10 кВт/кв.м, общая мощность нагревателя составит около 200 кВт. Таким образом, разогрев и слив цистерны с мазутом, имеющей температуру T=-20°С, возможно осуществить за 9,5 часов, что вполне соответствует нормативам.
Устройство работает следующим образом. В месте погрузки в цистерну заливается горячий продукт. Возможны различные сценарии использования цистерны.
Первый сценарий - в процессе транспортировки при необходимости поддержания жидкотекучего состояния продукта и наличии технических возможностей нагреватель цистерны подключается к источнику электрической энергии, имеющемуся в железнодорожном составе или на промежуточной железнодорожной станции.
Второй сценарий использования цистерны заключается в обычной транспортировке, а электрообогрев цистерны происходит непосредственно на площадке слива продукта в месте его применения. Цистерна присоединяется к общепромышленной электросети, температура продукта доводится до жидкотекучего состояния, после чего нагреватель отключается и продукт сливают.