УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЦИСТЕРН Российский патент 1995 года по МПК B65D88/74 

Изобретение относится к транспортировке и хранению материалов и может быть использовано для очистки больших емкостей, в частности цистерн, от вязких нефтепродуктов.

Известно устройство (авт. св. СССР N 1594092, кл. B 65 D 88/74, 1990), содержащее полую подъемно-опускную штангу с закрепленным в ее нижней части распределителем потока теплоносителя с горизонтальным и вертикальным соплами.

Распределитель потока теплоносителя состоит из цилиндра, разделенного горизонтальным диском с обратными клапанами и полостью, запорного элемента и расположенных в верхней части цилиндра и полости горизонтального диска подпружиненных поршней, при этом поршень в верхней части цилиндра выполнен с возможностью перекрытия горизонтальных сопл и имеет седло для запорного элемента, последний посредством штока соединен с поршнем, расположенным в полости диска, а упомянутая полость сообщена с нижней частью цилиндра через впускной клапан и регулируемые дроссельные отверстия.

Недостатком данного устройства является низкая интенсивность разогрева нефтепродуктов в цистерне и его малая надежность в работе.

Низкая интенсивность разогрева нефтепродуктов обусловлена тем, что истечение из сопл происходит в виде узких струй, а это приводит к малой площади их контакта с нагреваемым веществом.

В отверстиях, создаваемых в зоне контакта узких струй пара с нагреваемым веществом, происходит конденсация пара за счет его охлаждения. Частицы жидкости заполняют отверстия, что существенно затрудняет отвод нагретого вещества из них. В результате снижается температура нагретого вещества, соответственно увеличивается общее время его разогрева.

Малая надежность устройства обусловлена большой сложностью конструкции распределителя, быстрым износом его элементов ввиду цикличности их работы. Кроме того, требуется значительное время для подготовки устройства к работе из-за замерзания нефтепродукта в зоне клапанов и полостей, особенно в условиях низких температур.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство (авт. св. СССР N 996286, кл. B 65 D 88/74, 1983), содержащее подъемно-опускную стойку, на конце которой жестко укреплена горизонтальная цилиндрическая труба. Внутри этой трубы на подшипниках установлена вращающаяся полая труба с закрытой внешней торцовой частью. На вращающейся трубе по периферии цилиндрической части в зоне закрытого торца через радиальные расходные патрубки и угольники установлены сопла Лаваля, при этом из оси составляют острый угол с осью вращения трубы. Для предотвращения утечки теплоносителя из вращающейся трубы установлены лабиринтные уплотнители.

Для погружения стойки в основании горизонтальной трубы установлено дополнительное сопло Лаваля с осью, параллельной оси подъемно-опускной штанги.

Выходя из сопл Лаваля в виде расходящихся струй, пар внедряется в толщу вязкого нефтепродукта, прорезая в нем ряд щелей в форме конических поверхностей.

К недостаткам данного устройства относятся низкая интенсивность разогрева продукта и малая надежность.

Низкая интенсивность разогрева обуславливается тем, что струи пара плохо прогревают нефтепродукт в зоне вне щелей, а также и в объеме, образованном конической поверхностью струй и поверхностью продукта. Кроме того, при вращении струй, вытекающих из сопл, происходит их взаимодействие между собой, что приводит к увеличению общего гидродинамического сопротивления при истечении пара и соответственно потерям кинетической энергии истекающего пара.

Малая надежность обусловлена наличием подвижных частей и воздействием перепадов температур на работу подшипников.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения: подъемно-опускная штанга; распределитель теплоносителя, закрепленный на нижнем конце штанги; насадки, установленные на выходе распределителя потока теплоносителя; патрубки.

Причиной, препятствующей получению в прототипе требуемого технического результата, является малая площадь контакта истекающей из насадка струи пара с поверхностью нефтепродукта, ограниченная щелями в форме конических поверхностей, что обуславливает низкий теплообмен между паром и нефтепродуктом и соответственно низкую интенсивность слива нефтепродукта и пропарки емкостей.

Наличие подвижных частей снижает надежность устройства в работе.

Цель изобретения повышение интенсивности теплообмена между паром и нефтепродуктом и повышение надежности устройства.

Технический результат, который может быть получен, заключается в увеличении площади взаимодействия теплоносителя с поверхностью нефтепродукта и создании нестационарного процесса теплообмена между паром и нефтепродуктом, исключении в устройстве подвижных элементов.

Ограничительные признаки: полая подъемно-опускная штанга; распределитель потока теплоносителя, закрепленный на нижнем конце штанги; насадки, установленные на выходе распределителя потока теплоносителя; патрубки, соединяющие штангу с распределителем потока теплоносителя.

Отличительные признаки: патрубки присоединяются к цилиндрическим камерам распределителя потока теплоносителя тангенциально, насадки выполнены со скошенным срезом на выходе и соединяются с цилиндрическими камерами при помощи резьбы с направлением нарезки, совпадающей с направлением вращения теплоносителя в камерах.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что подача пара в цилиндрические камеры осуществляется тангенциально с образованием закрученного потока в них. В результате, на выходе из насадков закрученный поток пара формирует приосевую тороидальную зону обратных токов (рециркуляционную зону) с колебаниями скоростей и давлений.

Создание приосевой тороидальной зоны обратных токов на выходе из насадков способствует более интенсивному взаимодействию паровой фазы с нефтепродуктом путем вовлечения частиц нефтепродукта в рециркуляционную зону как из конических щелей, прорезаемых паром в продукте, так и с поверхности продукта, заключенной внутри конуса истечения пара из насадка.

За счет значительного увеличения площади контакта между паром и частицами нефтепродукта, их взаимного перемешивания существенно интенсифицируется теплообменный процесс, нефтепродукт быстрее прогревается, разжижается и удаляется из цистерн.

Рециркуляционная зона в своем объеме генерирует периодические колебания, пульсации скорости и давления. Эти пульсации существенно интенсифицируют теплообменные процессы во всем объеме взаимодействия пара с нефтепродуктом за счет локальных быстрых относительных перемещений пара и нефтепродукта.

Наличие среза насадка (сопла) за счет асимметрии выхода теплоносителя из насадка усиливает пульсации давления и скорости, чем дополнительно интенсифицируются теплообменные процессы, а тем самым и процессы слива, пропарки и промывки цистерн.

Закрутка увеличивает дальнобойность струи пара по сравнению с не закрученной при одинаковых расходах и одинаковых поперечных сечениях за счет увеличения ее кинетической энергии при истечении. Это обусловлено тем, что с ростом интенсивности закрутки основной расход пара осуществляется не через все выходное сечение насадка, как в незакрученном потоке, а через узкое кольцевое сечение по периферии поперечного сечения насадка. В результате увеличивается скорость истечения пара. Рост скорости истечения обусловлен также и тем, что ее результирующая складывается как из расходной части скорости, так и из окружной. Последняя тем выше, чем выше интенсивность закрутки. Рост кинетической энергии истекающего пара интенсифицирует теплообменные процессы за счет динамического воздействия паровой фазы на обрабатываемый продукт.

За счет закрутки в приосевой зоне создается пониженное давление. В соответствии с законами газовой динамики в приосевой зоне снижается также и температура. В результате, если пар перегретый и снижение температуры и давления не приводит к образованию конденсата в приосевой зоне, то за счет эффекта энергоперераспределения (эффект Ранка), характеризующегося тем, что приосевые слои газа при закрутке охлаждаются, а периферийные нагреваются, происходит увеличение внутренней энергии и, как следствие, дополнительное увеличение кинетической энергии периферийных слоев пара.

Если пар насыщенный или ненасыщенный, то часть пара в приосевой зоне за счет снижения температуры конденсируется с выделением энергии, которая также передается периферийным слоям пара. В результате также увеличивается внутренняя и соответственно кинетическая энергия периферийных слоев истекающего закрученного потока пара, который взаимодействует с нефтепродуктом, быстрей его нагревает и отводит.

Полученный конденсат под действием центробежных сил, будучи по плотности намного выше пара, отбрасывается к периферии и отводится через резьбовое соединение наружу. В результате предотвращаются дополнительные затраты энергии на нагрев конденсата периферийными слоями пара и обратного превращения его в пар.

Совпадение направления нарезки с направлением вращения потока способствует более интенсивному удалению конденсата из вихревой камеры. Выполнение резьбы противоположного направления препятствует удалению конденсата или полностью его предотвращает.

Рост дальнобойности струи пара позволяет быстрее и качественнее обрабатывать торцовые стенки цистерны, которые наиболее удалены от насадка. Оси насадков, как правило, параллельны продольной оси цистерны.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство для промывки цистерны, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. Сплошной спиральной линией условно показана зона закрутки паровой фазы; штриховой рециркуляционная зона (условно).

Устройство содержит подъемно-опускную штангу 1, патрубок 2, цилиндрическую вихревую камеру 3, насадок со скошенным срезом 4. Насадок 4 соединяется с камерой при помощи резьбы 5.

Устройство работает следующим образом.

Поток теплоносителя пара подается под давлением из магистрали в полость подъемно-опускной штанги 1, далее из полости штанги через патрубок 2 поток пара тангенциально вводится в цилиндрическую камеру 3, закручивается и через насадок 4 отводится в зону взаимодействия с нефтепродуктом.

При закрутке потока в приосевой зоне вихревой камеры давление снижается и становится меньше, чем давлением в окружающей среде. За счет разности давлений поток из окружающей среды устремляется в приосевую зону вихревой камеры и восстанавливает давление. Далее за счет вращения потока в приосевой зоне вновь создается пониженное давление и процесс повторяется. В результате создается рециркуляционная зона со значительными показателями градиентов давления и скорости.

За счет скошенного среза насадка происходит изменение направления движения потока пара. Ось вихревого шнура деформируется из прямолинейного в криволинейное, возникает более интенсивная прецессия вихря, что создает дополнительные пульсации скорости и давления в рециркуляционной зоне.

За счет закрутки с образованием рециркуляционной зоны максимальные осевые скорости формируются в периферийной области насадка и соответственно основной расход осуществляется через периферийную зону.

За счет закрутки обеспечивается большая площадь контакта струи пара с нефтепродуктом в процессе слива из цистерны или в процессе ее пропарки и промывки, чем это имеет место при истечении пара из насадка в отсутствие закрутки из-за увеличения угла конусности при истечении пара.

При расположении распределителя потока теплоносителя ближе к днищу цистерны и повороте среза насадка своей плоскостью в сторону днища интенсифицируется удаление нефтепродукта в процессе промывки и пропарки, так как в этом случае основная масса пара наиболее интенсивно в первую очередь прогревает днище цистерны и торцовые стенки, а далее при общем движении пара против направления действия сил гравитации вверх нагревается и верхняя часть цистерны. В результате формируется более оптимальное распределение паровой фазы внутри объема цистерны и соответственно сокращается время промывки и пропарки. Это обусловлено тем, что при истечении пара через прямой нескошенный насадок пар движется вдоль оси в сторону торцовых стенок и в силу естественной конвекции одновременно в зону верхней части цистерны. В результате резко ухудшается прогрев нижней части цистерны и ее торцовых стенок, время слива и промывки существенно увеличивается.

Таким образом, предлагаемое устройство существенным образом интенсифицирует процессы слива нефтепродукта, промывки и пропарки цистерны.

Отсутствие подвижных частей в устройстве повышает его надежность в работе.

Использование: при транспортировке и хранении материалов, например, для очистки емкостей от вязких нефтепродуктов. Сущность изобретения: поток пара подается под давлением в полость полой штанги 1 и далее тангенциально вводится в цилиндрическую камеру 3, где закручивается и через насадок 4 отводится в зону взаимодействия с нефтепродуктом. За счет разности давлений поток из окружающей среды устремляется в приосевую зону вихревой камеры и восстанавливает давление. Далее за счет вращения потока в приосевой зоне вновь создается пониженное давление и процесс повторяется. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЦИСТЕРН, содержащее подъемно-опускную полую штангу, расположенные в ее нижней части цилиндрические камеры с насадками на выходе для направления струй пара и патрубки для соединения полой штанги с цилиндрическими камерами, отличающееся тем, что патрубки соединены с цилиндрическими камерами тангенциально, а насадки соединены с последними посредством резьбы, направление нарезки которой совпадает с направлением вращения потока пара в цилиндрической камере, при этом выходные концы насадков выполнены скошенными.