НАЗЕМНОЕ БИТУМОХРАНИЛИЩЕ

Полезная модель относится к области строительства автомобильных дорог, в частности к хранению и нагреву битума.
Хранение битума осуществляется в подземных или наземных битумохранилищах.
Известны битумохранилища ямного типа с различными видами нагревательных элементов (см. Дубровин Ε.Н. Проектирование производственных предприятий дорожного строительства. Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Высшая школа, 1975, 35/с, с.86), в которых догрев и забор битума осуществляется в приямке, заполняемом через донную течку, а обезвоживают его в котлах выпаривания.
Известны наземные битумохранилища (см. ж. Наука и техника в дорожной отрасли. М.: Дороги, №3, 2000, с.36. Низиков В.Н. Стальные битумохранилища), в которых догрев и забор битума осуществляется в скоростном догревателе с мощностью нагревателей до 650-1200 кВт при объеме хранилища 1000 м, то есть большие энергозатраты и энергопотери.
Известно наземное битумохранилище (пат.RU 2198256, У01С 19/08, опубл. 10.02.2003 г.) в котором догрев и забор битума осуществляется в сферическом или усеченном пирамидальном металлическом кожухе, накрывшем нагреватели, размещенные на днище хранилища. Это позволило снизить энергозатраты, но данный забор не исключил забор битума с некоторым количеством влаги. Известно, что процесс обезвоживания весьма длителен и в течение всего этого времени из битума улетучиваются вместе с паром легкие фракции, что приводит к существенному ухудшению качества битума и при этом расходуются дополнительно энергоресурсы.
Наиболее близким техническим решением является наземное битумохранилище (пат.RU 77292, МПК Ε01С 19/08, опубликовано 20.10.2008. Б. №29), содержащее емкость битумохранилища с донными заборными патрубками, донными нагревателями, накрытыми кожухами, устройство вибрационного нагрева битума, содержавшим каркас устройства, на котором установлены в нижней части оребренные неподвижные, а выше их оребренные подвижные секции нагревателей, соединенные с вибратором, и подвешено внутри емкости на подвижной тали с автоматически регулируемой по уровню системой подвеса, битумный насос, измерительные датчики уровня и температуры, битумные краны и СВЧ-установка обезвоживания битума, и в котором применен метод поверхностного нагрева битума с внедрением локального устройства поверхностного нагрева и забора битума и СВЧ-установки обезвоживания битума. Это позволило минимизировать энергозатраты на нагрев битума в устройстве и обеспечить сохранение его качества при обезвоживании.
Однако, в процессе проведения физического моделирования функционирования наземного битумохранилища выяснилось, что ему присущи следующие недостатки:
- слабая подвижность, а иногда и отсутствие перемещения гибкого битумопровода при нахождении его в мало прогретой битумной среде даже при достижении рабочей температуры битумом внутри устройства. В связи с этим для нагрева битума в локальной области расположения гибкого битумопровода необходимо увеличить длительность нагрева битума в устройстве локального нагрева и забора битума, что не только снижает производительность, но и увеличивает энергозатраты;
- при разогреве, заборе битума и снижении его уровня в емкости происходит смещение устройства локального нагрева и забора в сторону расположения и подключения гибкого битумопровода от вертикальной оси емкости и забор становится односторонним;
- конструктивная сложность соединения устройства локального нагрева и забора битума с заборным патрубком емкости, что снижает надежность его функционирования, а также сложность в эксплуатации и при проведении регламентных работ.
в
б
2
2
Первый недостаток объясняется тем, что обеспечивается быстрый нагрев битума внутри устройства за счет вибрации и создания вынужденной конвекции передачи тепла (коэффициент теплоотдачи от вынужденной конвекции равен α=150-250 ккал/м·град·час), а за пределами наружной поверхности тепло передается за счет теплопроводности (теплопроводность битума λ=0,1 ккал/м·град·час) при одинаковом температурном напоре ΔТ=50-60°С и частично за счет свободной конвекции в верхней части поверхностного слоя.
Второй недостаток вызван наличием большой величины силы трения гибкого битумопровода в слабо разогретой битумной среде его нахождения и влиянием его силы тяжести.
Задачей полезной модели является увеличение производительности битумохранилища, повышение надежности и простоты эксплуатации, а также минимизация энергозатрат.
3
4
Сущность полезной модели заключается в том, что наземное битумохранилище, содержащее емкость битумохранилища с донными заборными патрубками, донными нагревателями, накрытыми кожухами, устройство вибрационного нагрева битума, содержавшим каркас устройства, на котором установлены в нижней части оребренные неподвижные, а выше их оребренные подвижные секции нагревателей, соединенные с вибратором, и подвешено внутри емкости на подвижной тали с автоматически регулируемой по уровню системой подвеса, битумный насос, измерительные датчики уровня и температуры, битумные краны и СВЧ-установка обезвоживания битума, при этом вдоль наружной части стенки емкости параллельно днищу и на длину ее полуокружности на определенных уровнях, начиная от донного забора до верхнего уровня заполнения емкости битумом установлены уровневые заборные битумопроводы, причем расстояние по вертикали между ними равны / высоты каркаса устройства вибрационного нагрева битума, а их концевые и средние заборные патрубки вварены в емкость; выходы уровневых битумопроводов через собственные управляемые двухходовые краны и через общий вертикально установленный битумопровод соединены с входом битумного насоса, а внутри емкости над средними заборными патрубками каждого уровневого заборного битумопровода установлены датчики контроля уровня, при этом устройство вибрационного нагрева битума помещено во внутрь емкости без наружного кожуха. Указанная задача достигается:
- быстрым нагревом битума до требуемой температуры всего поверхностного слоя в емкости, равного высоте каркаса устройства вибрационного нагрева, за счет снятия с него ограничивающего кожуха и передачи тепла от вибрирующих нагревателей к битуму вынужденной конвекцией, что позволяет повысить производительность и минимизировать энергозатраты;
- исключением ненадежного и снижающего производительность гибкого заборного битумопровода,
- введением управляемых по уровню уровневых заборных битумопроводов с концевыми и средним заборными патрубками за счет датчиков контроля уровня битума;
- простотой эксплуатации и регламента устройства вибрационного нагрева битума.
Полезная модель поясняется чертежом, где на
фиг.1 изображен вертикальный разрез битумохранилища;
фиг 2 - сечение А-А.
i
i
i
i
j
o
i
i
o
i
o
i
На фиг.1 изображена емкость 1 битумохранилища с донными средним 2 и концевыми 3 заборными патрубками донного заборного битумопровода 4, а также средними 5 и концевыми 6 уровневыми заборными патрубками уровневых заборных битумопроводов 7 (где i=1÷n при n - число заборных уровней битума); донными нагревателями 8, накрытыми кожухами 9 с течками 10, битумом 11, устройством вибрационного нагрева 12, содержащим каркас 13, на котором установлены в нижней части неподвижные секции 14 из герметичных оребренных ТЭНов, а выше их подвижные секции 15 также из герметичных оребренных ТЭНов, соединенных с вибратором 16; датчик температуры 17, расположенный внутри устройства вибрационного нагрева 12, поплавковый датчик температуры 18, измеряющий температуру битума 11 в локальной области расположения средних 5 уровневых заборных патрубков, датчик температуры 19, измеряющий температуру битума 11 в локальной области расположения среднего 2 донного заборного патрубка, измерительного датчика уровня 20 и дискретных датчиков контроля уровня 21 (где j=0÷n, при n - число заборных уровней, а 21 - донный нулевой уровень), расположенные над средними 2 и 5 заборными патрубками; при этом устройство вибрационного нагрева 12 битума 11 подвешено на подвижной тали 22 с автоматически регулируемой по показаниям датчика уровня 20 системой подвеса 23, причем выходы заборных битумопроводов донного 4 и уровневых 7 через собственные 24 и 24 управляемые битумные краны (24 - донного, a 24 - уровневые) и через вертикально установленный общий битумопровод 25 подсоединены к входу битумного насоса 26, выход которого соединен с входом СВЧ - установки 27 обезвоживания битума 11, выход которой через трехходовой кран 28 подсоединен к выходным патрубкам выдачи битума на АБЗ или в автогудронатор. Полезная модель работает следующим образом.
y
Емкость 1 битумохранилища наполняется битумом 11. На поверхность битума 11 на тали 22 опускается устройство вибрационного нагрева 12 без ограничивающего кожуха. Включают неподвижные секции 14 ТЭНов и устройство 12 под собственным весом погружается в разогреваемый битум 11 до рабочей глубины, определяемой измерительным датчиком уровня 20 битума 11 и автоматически регулируемой системой подвеса 23 длину подвижной тали 22. Затем при достижении температуры битума 11 в локальной области расположения устройства вибрационного нагрева 12, измеряемой датчиком температуры 17, t≥70°C включаются секции подвижных 15 оребренных герметичных ТЭНов и вибратор 16. Происходит быстрый нагрев битума 11 за счет вибрации и создания режима вынужденной конвекции передачи тепла не только в локальной области расположения устройства 12, но и быстрое перемещение нагретого битума в поверхностном слое всей емкости.
y
3
i
y
уп
Такое распространение теплового потока в поверхностном слое за счет перемещения массы нагретого битума 11 обеспечивается ввиду отсутствия ограничивающего кожуха на каркасе 13 устройства вибрационного нагрева 12. При этом в процессе функционирования битумохранилища непрерывно измеряется температура t битума 11 датчиком 17 в области расположения устройства вибрационного нагрева 12 и температура забора t поплавковым датчиком температуры 18 в области расположения средних 5 уровневых заборных патрубков. Для исключения перегрева битума 11 при нагреве в области расположения устройства 12 и при температуре t>120-130°C, которая определяется как предельно допустимая температура (t=130°C), нагреватели выключают, а вибратор работает и обеспечивает перемещение более нагретого битума к стенке емкости. Поэтому система автоматического регулирования температуры при нагреве и заборе битума 11 для обеспечения нормального функционирования битумохранилища работает по программе в следующих режимах:
y
пy
3
p
p
- первый режим - режим предварительного нагрева битума (включены нагреватели и вибратор) при t<t и t<t, где t=90-100°C - рабочая температура битума при заборе устанавливается оператором;
- второй режим - режим дискретного догрева битума в области уровневых заборных патрубков:
y
пy
3
p
а) нагреватели выключены, вибратор включен при t>t и t<t;
y
пy
3
p
б) нагреватели включаются и вибратор включен при t<t и t<t.
3
p
Включение и выключение нагревателей периодически повторяется до момента, когда t>t;
3
p
3
ρ
3
p
третий режим - режим стабилизации температуры t при заборе нагретого битума (нагреватели и вибратор периодически включается и выключается в соответствии с алгоритмом управления: (t-Δt)≤t≤(t+Δt), где Δt=1-3°C - допустимая зона отклонения текущего значения t от заданной величины t.
p
i+1
i+1
i+1
i+1
При догреве битума 11 до рабочей температуры t в области расположения уровневых заборных патрубков 5 и 6 ((i+1) - номер уровнего заборного битумопровода 7 в соответствии с фиг.1), система нагрева битума 11 переходит в режим стабилизации температуры и забора нагретого битума 11 (третий режим). При этом все управляемые двухходовые краны закрыты, кроме управляемого двухходового крана 24, расположенного в области поверхностного нагретого слоя битума 11.
i
i
i+2
i+2
i+1
i+2
i+2
i+1
p
Алгоритм управления состоянием двухходовых кранов 24 «Открыт» или «Закрыт» формируется по сигналам с датчиков контроля уровней 21. Если битум 11 на уровнях, где установлены датчики контроля уровня, отсутствует, то соответствующие им управляемые двухходовые краны закрыты, как и закрыты управляемые краны для уровней, заполненных битумом 11, кроме верхнего управляемого двухходового крана, находящегося в поверхностном нагретом слое битума. Это обеспечивается работой алгоритма по логической схеме с преобладанием верхнего закрытого битумом датчика контроля уровня. Так при откачке битума 11 из емкости 1 и снижении уровня битума ниже уровня (i+2) с датчика контроля уровня 21 снимаются сигналы на закрытие управляемого крана 24 и открытие управляемого двухходового крана 24. Если уровень битума поднимается и датчик контроля уровня, например, 21 покрывается битумом, то управляемый двухходовой кран 24 открывается, а управляемый ранее открытый двухходовой кран 24, закрывается. При достижении битумом 11 рабочей температуры t в области расположения уровневых заборных патрубков поверхностного нагретого слоя битума 11, измеряемой поплавковым датчиком температуры 18 и отсутствием откачки битума 11 из емкости 1, система нагрева переходит в третий режим функционирования. При этом энергозатраты очень малы, ибо расходуются только на компенсацию тепловых потерь в атмосферу только от верхней части поверхности емкости 1, определяемой высотой поверхностного нагретого слоя битума 11.
i+1
i+1
i+1
i+1
3
i+1
i
i+1
i+1
Для забора нагретого битума из емкости 1 включается битумный насос 26. Нагретый битум 11 через заборные патрубки 5 и 6 (фиг.1) уровнего заборного битумопровода 7 и открытый управляемый двухходовой кран 24 поступает по общему вертикальному заборному битумопроводу 25 в битумный насос 26 и по лотковой системе СВЧ-установки обезвоживания 27 битума 11 через трехходовой кран 28 на выход или АБЗ, или в автогудронатор. Уровень битума 11 в емкости 1 снижается и с такой же скоростью опускается на подвижной тали 22 работающее устройство вибрационного нагрева 12 битума 11 и поплавковый датчик температуры 18, который измеряет текущее значение температуры битума 11 в области заборных патрубков на уровне расположения подвижных секций 15 оребренных ТЭНов. При этом система вибрационного нагрева битума 11 работает в третьем режиме (режиме стабилизации температуры t при заборе нагретого битума), обеспечивая поддержание рабочей температуры битума в области заборных патрубков поверхностного уровня. При снижении уровня битума 11 ниже, например, датчика контроля уровня 21 с него снимается сигнал на открытие управляемого двухходового крана 24, расположенного ниже, и управляемый двухходовой кран 24 уровневого заборного битумопровода 7 закрывается. При дальнейшей откачки нагретого битума 11 из поверхностного слоя емкости 1 функционирование систем измерения температур и контроля уровней битума 11, а также его нагрева аналогично вышеописанному.
1
При снижении уровня битума 11 в емкости 1 ниже первого уровневого заборного битумопровода 7 разогрев битума 11 осуществляется донными нагревателями 8 в соответствии с текущим значением температуры битума 11, определяемой датчиком температуры 19, а забор нагретого битума 11 производится донным заборным битумопроводом 4 через донные заборные патрубки 2 и 3. Все заборные патрубки снаружи емкости 1, битумопроводы, битумные краны и битумный насос обогреваемы. При наличии влаги в битуме, особенно в весенний и осенний периоды работы битумохранилища за счет резких перепадов температур и конденсации, включается СВЧ-установка обезвоживания 27 битума 11, в которой осуществляется выпаривание влаги из битума 11 при его протекании по лотку СВЧ-установки 27. При этом почти 100% энергии СВЧ-потока поглощается влагой, что обеспечивает сохранение качества битума.
Таким образом, техническим результатом полезной модели следующее:
- повышает производительность при минимизации энергозатрат за счет возможности непрерывного забора нагретого битума и более эффективного использования передачи тепла от вибрирующих нагревателей установки без ограничивающего кожуха к битуму методом вынужденной конвекции по всему объему поверхностного слоя емкости;
- высокая надежность, простота эксплуатации и регламента за счет удаления из технологии откачки битума гибкого заборного битумопровода;
- существенное снижение энергозатрат за счет исключения процесса дополнительного нагрева локального объема битума, в котором происходит перемещение гибкого обогреваемого битумопровода при снижении уровня битума в емкости;
- сохранение качества битума за счет исключения перегрева битума в объеме локального нагревателя и использования СВЧ-установки обезвоживания битума.
Данная полезная модель экономична, надежна, проста в эксплуатации и может быть полностью автоматизирована.