ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ВЯЗКИХ И ЗАСТЫВАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
HORIZONTAL RESERVOIR FOR VISCOUS AND THICKENING LIQUIDS

Изобретение относится к устройствам для хранения и выдачи вязких и застывающих жидкостей и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленности, в сфере нефтепродуктообеспечения и в других отраслях, связанных с подогревом вязких и застывающих жидкостей в горизонтальных цилиндрических емкостях.
Известны горизонтальные резервуары для вязких нефтепродуктов, оборудованные общими паровыми нагревателями секционного, трубчатого или змеевикового типа, расположенными в нижней части резервуара (Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Обеспечение температурного режима нефтепродуктов при их транспортировании и хранении. М., ЦНИИТЭНефтехим, 1989, с.33-34).
Недостатками таких конструкций являются значительная продолжительность процесса нагрева продукта, большие энергозатраты на нагрев всего его объема и неравномерность нагрева из-за нерационального направления тепловых потоков в резервуаре.
Известны резервуары с местным подогревом, в которых осуществляется локальный нагрев ограниченного объема продукта. Наиболее распространенными из них являются шахтные подогреватели, устанавливаемые главным образом в вертикальных резервуарах и состоящие из кожуха, защищенного тепловой изоляцией, внутрь которого входит конец расходной трубы с расположенным вокруг нее одно- или двухрядным змеевиковым нагревателем. При выдаче нефтепродукт поступает в кожух сквозь окна в его нижней части, нагревается до необходимой температуры и через расходную трубу выдается из резервуара (Черникин В.И. Сооружение и эксплуатация нефтебаз. М., Гостоптехиздат, 1955, с.429).
Недостатками этой конструкции являются невысокая эксплуатационная надежность, присущая змеевиковым нагревателям, и возможность затруднений с поступлением в шахтный подогреватель нефтепродукта, имеющего высокую вязкость при низких температурах, через окна кожуха.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является горизонтальный резервуар для вязких нефтепродуктов, включающий цилиндрическую обечайку, днища, горловину со сливноналивной трубой, трубчатые нагреватели и экран-отражатель из материала с высокой теплопроводностью (например, из листового алюминия) в виде половины круглого цилиндра, установленный с продольными зазорами относительно обечайки резервуара и отделяющий зону интенсивного нагрева от общей массы нефтепродукта. Разогретая жидкость через сливноналивную трубу выдается из подэкранного пространства резервуара, а образовавшийся на наружной поверхности экрана слой маловязкой жидкости через продольные зазоры поступает в подэкранное пространство (Коваленко В.П., Кладов А.В., Макушев Ф.С. Обеспечение температурного режима котельного топлива при выдаче со складов сельскохозяйственных предприятий. Вестник МГАУ, сер. «Технический сервис в АПК», вып.1 (6), 2004, с.102-107). Недостатком этой конструкции является низкая эффективность, обусловленная неравномерностью распределения температуры на поверхности экрана и большим термическим сопротивлением сплошного экрана, что замедляет образование на его наружной поверхности маловязкого слоя жидкости и затрудняет ее поступление через продольные зазоры в подэкранное пространство.
Технический результат изобретения - повышение эффективности эксплуатации резервуара для вязких и застывающих жидкостей за счет интенсификации процесса теплопередачи через экран и оптимизации теплового потока в подэкранном пространстве.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном горизонтальном резервуаре для вязких и застывающих жидкостей, содержащем цилиндрическую обечайку с днищами, размещенную на ее верхней образующей горловину с герметично закрепленной в ней сливноналивной трубой заданного диаметра, нижний торец которой находится на минимально допустимом расстоянии от нижней образующей обечайки, трубчатые нагреватели, размещенные внутри резервуара в его нижней части под экраном-отражателем, выполненным из материала с высокой теплопроводностью и установленным с двухсторонними продольными зазорами относительно обечайки резервуара. Согласно изобретению экран выполнен из пористого материала, имеет в поперечном сечении форму половины эллипсообразного овала Кассини, с фиксированными фокусами которого совмещены центральные продольные оси двух трубчатых нагревателей, при этом ширина продольного зазора между обечайкой резервуара и экраном определяется соотношением
где δ - ширина продольного зазора, м;
тp
d - заданный диаметр сливноналивной трубы, м;
Э
L - длина экрана, равная длине обечайки резервуара, м.
На фиг.1 представлен горизонтальный резервуар для вязких и застывающих жидкостей в продольном разрезе, а на фиг.2 - вид резервуара по А-А.
Горизонтальный резервуар для вязких и застывающих жидкостей состоит из цилиндрической обечайки 1, двух днищ 2 и имеет горловину 3 с установленной в ней сливноналивной трубой 4, нижний конец которой находится в подэкранном пространстве на минимально допустимом расстоянии от нижней образующей обечайки 1. В резервуаре размещен проницаемый экран 5, включающий каркас из опорных дуг 6, профиль которых соответствует половине эллипсообразного овала Кассини, соединяющих дуги 6 продольных балок 7 и размещенное на каркасе покрытие 8 из пористого материала с высокой теплопроводностью (более 50 Вт/м·град). Экран 5 установлен относительно обечайки 1 с двухсторонними продольными зазорами 9. Под экраном 5 размещены два трубчатых паровых нагревателя 10, каждый из которых выполнен в виде двух коаксиальных труб. Внутренние трубы 11 одним концом соединены с внешним источником пара, а вторым концом - с внутренним пространством наружных труб 12, один конец которых выполнен глухим, а второй снабжен краном 13 для слива конденсата.
В качестве пористого материала с высокой теплопроводностью могут применяться, например, металлические сетки квадратного переплетения по ГОСТ 6613-73 №004 или №0071 с величиной ячейки соответственно 40×40 и 70×70 мкм.
1
2
Поперечное сечение экрана в форме половины эллипсовидного овала Кассини выбрано для обеспечения одинаковой температуры на всем экране в процессе нагрева, так как произведение расстояний от фиксированных фокусов F и F этой фигуры до любой точки М ее поверхности является постоянной величиной и, следовательно, суммарный тепловой поток к каждой из этих точек будет одинаковым.
Ширина продольных зазоров 9 выбрана из условия равенства объемов жидкости - поступающей в подэкранное пространство через эти зазоры и выдаваемой из указанного пространства через сливноналивную трубу 4.
Резервуар для вязких и застывающих жидкостей функционирует следующим образом.
После подачи острого пара от внешнего источника в трубчатые паровые нагреватели 10 пар проходит по всей длине внутренней трубы 11 и поступает в наружную трубу 12, где конденсируется, а образовавшийся конденсат сливается через кран 13. Такая конструкция обеспечивает постоянную температуру поверхности подогревателя и предотвращает перегрев разогреваемой жидкости свыше 100°С. Поскольку в первый, начальный период нагрева жидкость обладает малой подвижностью, теплопередача в ограниченном пространстве под экраном 5 осуществляется за счет кондукции. Изотермический характер теплового потока при этом обеспечивается геометрической формой экрана 5.
По мере нагревания жидкости она приобретает подвижность и наступает второй период нагрева, который характеризуется возникновением в подэкранном пространстве конвекционных токов, интенсифицирующих процесс теплопередачи от трубчатых нагревателей 10 к экрану 5, который осуществляется путем одновременного действия кондукции и свободной конвекции.
При достижении конвекционными потоками экрана 5 начинается третий период нагрева, при котором происходит теплопередача через экран 5 как путем кондукции, благодаря высокой теплопроводности покрытия 8, так и путем свободной конвекции в его порах. В результате этого процесса на наружной поверхности экрана 5 образуется маловязкий слой жидкости, ограниченный снизу этой поверхностью, а сверху - высоковязкой или застывшей жидкостью в резервуаре.
После подогрева жидкости в подэкранном пространстве до температуры, обеспечивающей ее откачку из резервуара, начинается четвертый период нагрева, сопровождающийся вынужденной конвекцией, которая возникает при откачке жидкости из подэкранного пространства через сливноналивную трубу 4. После создания в подэкранном пространстве разрежения маловязкий слой жидкости начинает перемещаться по наружной поверхности экрана 5 к зазорам 9, поступает через эти зазоры в подэкранное пространство и далее в сливноналивную трубу 4. Освободившееся пространство на поверхности экрана 5 будет заполняться жидкостью из расположенных выше слоев, где эта жидкость нагревается, перемещается к нижней кромке экрана 5 и через зазоры 9 поступает в подэкранное пространство. Этот процесс продолжается до опорожнения резервуара или до остановки перекачки.
Заявленная конструкция резервуара для вязких и застывающих жидкостей подтвердила свою эффективность при различных вариантах разогрева рапсового масла, используемого в качестве рабочей жидкости. Экспериментальная проверка проводилась в модельном резервуаре и включала нагрев жидкости без экрана, при сплошном экране в форме кругового полуцилиндра и при проницаемом экране с образующей в форме половины эллипсовидного овала Кассини. Результаты приведены в таблице.
Таблица
Эффективность нагрева вязких и застывающих жидкостей различными способами
Способ нагрева
Продолжительность опорожнения резервуара, с
Относительная продолжительность опорожнения, %
Без экрана
1780
100
Со сплошным экраном
593
33,3
С проницаемым экраном
354
19,9
Таким образом, использование заявленной конструкции обеспечивает снижение затрат времени в 1,7 раза по сравнению с прототипом.