Спосіб збереження реологічних властивостей в’язкої нафти і нафтопродуктів при транспортуванні в залізничних цистернах

Реферат: Спосіб збереження реологічних властивостей в'язкої нафти та нафтопродуктів при транспортуванні в залізничних цистернах включає перетворення кінетичної енергії потяга в періоди гальмування у теплову і гідромеханічну енергію, нагрівання, інтенсивне перемішування і кавітаційну обробку нафтопродукту в робочій порожнині гідродинамічного пристрою, подавання його під тиском в порожнину цистерни та примусовий конвективний теплообмін нафтопродукту в цистерні за допомогою змішувача. Кінетична енергія потяга при гальмуванні попередньо перетворюється у електричну енергію в генераторі трифазного струму. Як гідродинамічний пристрій використовують електричний резонансний насос-теплогенератор, в якому додатково на нафтопродукт вчинюється вплив поляризації, магнітного поля та ультразвукових хвиль. В середніх і верхніх частинах цистерни додатково здійснюється нагрів і перемішування нафтопродукту за рахунок механічної і дисипативних складових енергії заглибних електромеханічних перетворювачів. UA 91596 U (12) UA 91596 U UA 91596 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до залізничного транспорту, а саме до способів збереження реологічних властивостей нафтопродуктів при транспортуванні в цистернах, а також у стаціонарних умовах безпосередньо в пунктах призначення. Відомий спосіб нагрівання олії, нафти, нафтопродуктів для забезпечення їх текучості при транспортуванні по локальних магістралях з використанням фланцевих заглибних електричних нагрівачів (www.neveng.ru/ten.html). Недоліком відомого способу є низький коефіцієнт теплообміну при високій питомій поверхневій потужності, що призводить до втрат легких фракцій нафтопродукту. Найбільш близьким способом того ж призначення до заявленого способу по сукупності ознак є спосіб транспортування в'язкої нафти і нафтопродуктів залізничними цистернами, який включає порційне нагрівання, інтенсивне перемішування і кавітаційну обробку нафтопродукту в робочій камері гідрогальмівного пристрою, подавання його під тиском в порожнину цистерн та примусовий конвективний теплообмін нафтопродукту за допомогою змішувача за рахунок перетворення кінетичної енергії потяга в періоди гальмування у теплову і гідромеханічну енергію (Патент 21455 РК, МПК B65D88/74, опубл. 15.07.2009, бюл. № 7). До недоліків відомого способу відносять значну вірогідність повної втрати текучості продукту при тривалих зупинках в проміжних пунктах, низьку ефективність теплової обробки в гідродинамічному гальмівному пристрої і конвективного теплообміну в середніх і верхніх частинах об'єму цистерни, що може привести до відмови роботи системи, а також підвищення небезпеки утворення пристінного структурованого шару нафти і зниження ступеня звільненні цистерни при зливі нафтопродукту. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу збереження реологічних властивостей в'язкої нафти і нафтопродуктів при транспортуванні в залізничних цистернах за рахунок створення умов впливу ультразвукових хвиль, магнітного поля і поляризації, а також умов розігріву нафтопродукту в електричному резонансному насосітеплогенераторі і цистерні при втраті його текучості в період тривалих простоїв на проміжних пунктах. Поставлена задача вирішується запропонованим способом збереження реологічних властивостей в'язкої нафти і нафтопродуктів при транспортуванні в залізничних цистернах, що включає перетворення кінетичної енергії потяга в періоди гальмування у теплову і гідромеханічну енергію, нагрівання, інтенсивне перемішування і кавітаційну обробку нафтопродукту в робочій порожнині гідродинамічного пристрою, подавання його під тиском в порожнину цистерни та примусовий конвективний теплообмін нафтопродукту в цистерні за допомогою змішувача, в якому, згідно з корисною моделлю, кінетична енергія потяга при гальмуванні попередньо перетворюється у електричну енергію в генераторі трифазного струму, а як гідродинамічний пристрій використано електричний резонансний насос-теплогенератор, в якому на нафтопродукт додатково здійснюється вплив поляризації, магнітного поля та ультразвукових хвиль, в середніх і верхніх частинах порожнини цистерни додатково здійснюється нагрів і перемішування нафтопродукту за рахунок механічної і дисипативних складових енергії заглибних електромеханічних перетворювачів. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показано компоновку обладнання залізничної цистерни, на фіг. 2 - повздовжній розріз електричного резонансного насоса-теплогенератора, на фіг. 3 - поперечний розріз електричного резонансного насосатеплогенератора, на фіг. 4 - повздовжній розріз заглибного електромеханічного перетворювача. Конструкція цистерни 1 містить такі пристрої: генератор трифазного струму 2 з приводом 3 від колісної пари 4; електричний резонансний насос-теплогенератор 5; заглибні електротепломеханічні перетворювачі 6. Робочою рідиною у електричному резонансному насосі-теплогенераторі 5 є нафтопродукт, що транспортується. Регулювання інтенсивності циркуляції рідини між цистерною і резонансним насосом-теплогенератором забезпечується впускним краном 7 і випускним краном 8. Спосіб здійснюється таким чином. При гальмуванні потяга попередньо відкривається впускний кран 7 з приводом від тяг гальмівної системи цистерни для заповнення резонансного насоса-теплогенератора 5 нафтопродуктом. Одночасно в період службового гальмування на уклонах і при примусових зупинках на проміжних станціях від повітряної гальмівної магістралі потяга за допомогою шинопневматичних муфт відбувається механічне підключення приводу генератора трифазного струму 2 до колісної пари. Кінетична енергія при гальмуванні перетворюється в електричну енергію для живлення електричного резонансного насоса-теплогенератора 5, а також заглибних електротепломеханічних перетворювачів 6. 1 UA 91596 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Обмотка 10 статора 9 резонансного насоса-теплогенератора підключається до джерела змінного струму і створює обертове магнітне поле. Вихрові струми, що виникають у масивній стінці порожнистого феромагнітного циліндра 12 ротора 11, розігрівають його. Одночасно при взаємодії обертового магнітного поля та вихрових струмів створюється електромагнітний момент, що діє на ротор 11, який в процесі обертання засмоктує нафтопродукт через впускний кран 7 із цистерни 1. Нафтопродукт поділяється потрійним патрубком 13 на два рівних потоки і заповнює дві камери 14, що віднесені до складу зон зниженого тиску. Величина розрідження 5 залежить від температури нафтопродукту, що підігрівається, і знаходиться у межах (0,8-0,3)·10 Па. При зниженні величини тиску нижче вказаного діапазону в нафтопродукті утворюються кавітаційні бульбашки. Завдяки зниженому тиску, що виникає за лопатями 15 ротора 11, суміш рідини і кавітаційних бульбашок, проходячи через всмоктувальні отвори 17 резонансних дисків 16, поділяється на безліч струменів. При збіганні торців лопатей 15 ротора 11 з всмоктувальними отворами 17 виникають гідравлічні удари, які викликають коливання в ультразвуковому діапазоні резонансних дисків 16 в осьовому напрямку. Кожна лопать ротора, проходячи повз всмоктувальні отвори 17, послідовно відсікає від струменів нафтопродукту частки, які під дією відцентрової сили відкидаються до зони підвищеного тиску. Величина підвищення тиску достатня для подолання опору обертових лопатей ротора і нафтопродукт починає витискатись крізь нагнітальні отвори 18 резонансних дисків в камери нагнітання 19. В зоні підвищеного тиску відбувається виділення теплової енергії при схлопуванні (конденсації) кавітаційних бульбашок. Сумарні коливання рідини у зоні підвищеного тиску, що створені кавітацією, гідравлічними ударами при відсіканні лопатями 15 ротора 11 струменів нафтопродукту і кавітаційних бульбашок у зоні зниженого тиску, зводяться до резонансного режиму, при якому також відбувається виділення теплової енергії. В камерах нагнітання 19 концентрично встановлені електроди 20 і 21 у вигляді гофрованих півциліндрів, підключених до однієї з фаз статора обмотки 10, між якими відбувається безперервна поляризація високов'язкої нафти, що додатково знижує її в'язкість. Частина рідини з зони підвищеного тиску через крізні отвори 22 ротора 11 потрапляє в радіальні канали 23 і аксіальні канали 24 корпусу 25 резонансного насоса-теплогенератора, які виконані у вигляді труб Вентурі і в яких відбувається додаткова кавітаційна обробка нафтопродукту. Потоки нафтопродукту на виході з аксіальних каналів 24 об'єднуються і надходять в основний нагнітаючий патрубок 26, в який також з камер нагнітання 19 прямує основний нагрітий потік нафтопродукту. Через випускний кран 8 останній потрапляє в цистерну, де під тиском виходить через отвори змішувача 27, що забезпечує інтенсивний примусовий конвективний теплообмін у нижній частині цистерни з вирівнюванням градієнтів температур та в'язкості. Резонансний насос-теплогенератор має поліфункціональні властивості: електричного двигуна; насоса; нагрівача і теплогенератора. Нафтопродукт за цикл проходження через резонансний насос-теплогенератор підігрівається також за рахунок охолодження ротора і статора, оскільки основні електричні і магнітні втрати в роторі і статорі перетворюються в тепло, яке відбирається нафтопродуктом. Нарешті, знакозмінне магнітне поле, збуджене статором 9 і ротором 11 резонансного насоса-теплогенератора також суттєво впливає на розміри колоїднодисперсної фази нафтопродукту і, відповідно, на його реологічні властивості. Для нафти, яка характеризується підвищеним вмістом полярних кислих смол, після магнітної обробки спостерігається зниження розмірів нафтових асоціатів, зменшення в'язкості, статичної напруги зсуву і енергії активації течії. Статор 28 заглибного електротепломеханічного перетворювача 6 при підключенні до генератора змінного струму 2 створює обертове магнітне поле і збуджує в масивних стінках ротора 29 вихрові струми, які розігрівають зовнішній циліндр 30 і внутрішній циліндр 31 ротора. Одночасно при взаємодії обертових магнітних полів та вихрових струмів створюється електромагнітний момент, що приводить до обертання ротор 29. Завдяки лопатям 32 ротора 29 здійснюється перемішування нафтопродукту, а тепловиділення в масиві ротору забезпечують його нагрівання в середній частині цистерни. Лопаті 32, 33 створюють нагнітаючий ефект і подають рідкий нафтопродукт уздовж центральної порожнини внутрішнього циліндра 31 у патрубок 34, вихід з якого розташований над поверхневим шаром нафтопродукту, що забезпечує його нагрів і перемішування у верхній частині цистерни. Оскільки електричним навантаженням на генератор змінного струму 2 є резонансний насостеплогенератор 5 та заглибні електротепломеханічні перетворювачі 6, то в самому генераторі створюється гальмівний електромагнітний момент, який діє проти напрямку обертання колісних пар 4. Отже, весь потяг, оснащений запропонованою системою, створює достатньо велику потужність гальмування. При недостатній потужності гальмування усіх генераторів потяга для 2 UA 91596 U 5 10 15 20 25 30 35 підтримання швидкісного режиму в роботу включається штатна система гальмування, але при цьому витрати гальмівних колодок з дорого вартісних композиційних матеріалів, зношення бандажів колісних пар візка цистерн зменшується у рази. Запропонований спосіб виключає випадки відмови у роботі системи при тривалих зупинках в зимових умовах, оскільки при навіть суттєвій втраті текучості нафтопродукту, він може бути розігрітий при поновленні руху потяга. Електрична енергія від генератора змінного струму на ділянках гальмування йде в цьому разі на нагрівання активних частин резонансного насосатеплогенератора і заглибних електротепломеханічних перетворювачів навіть при нерухомому стані їх роторів. Приклад Циліндричний металевий резервуар діаметром 0,35 м та довжиною 1 м заповнений в'язкою нафтою з Північно-Кримського басейну у кількості 100 кг. Нафта має такі властивості: вміст парафіну - 16 % мас; вміст смол - 9,8 % мас; вміст асфальтенів - 2,5 % мас; температура застигання - плюс 8 °C; коефіцієнт теплопровідності 0,1…0,15 Вт/м·K; теплоємність 2 кДж/кг·K. Зовні резервуар вкритий шаром теплоізоляції і корпусом. В проміжок між корпусом і резервуаром подається охолоджуюче повітря вентилятором, при цьому забір повітря ведеться з навколишнього середовища у зимовий період з температурою мінус 15 °C. Коефіцієнт тепловіддачі з поверхні резервуара при таких 2 умовах складає 30 Вт/м ·K, що відповідає таким умовам: середня швидкість пересування потяга 55 км/год.; температура внутрішньої стінки цистерни плюс 60 °C. В порожнині резервуара розміщено заглибний електротепломеханічний перетворювач (ЕТМП) потужністю 1,2 кВт, ТЕН-овий нагрівач для попереднього розігріву нафти до 55-60 °C, а зовні розміщено систему циркуляції нафти через резонансний насос-теплогенератор (РНТГ) потужністю 1,5 кВт. При проведенні випробувань нафту було попередньо нагріто до температури 55 °C за допомогою ЕТМП та ТЕН-го нагрівача, які далі було відключено, а охолоджувальна система резервуара приведена у дію. При цьому проводилась реєстрація температури нафти, внутрішньої стінки цистерни у період охолодження до температури 35 °C. Після цього ЕТМП та РНТГ були підключені до джерела регульованої напруги, при цьому з шагом 0,03 Uном напруга змінювалась від Umax=Uном до 0,03 Uном, чим імітувалось гальмування потяга впродовж 30 хв. Частота обертання роторів РНТГ та ЕТМП також змінювалась від 2000 об./хв. до 250 об./хв. Кількість повних циркуляцій всього об'єму нафти в резервуарі - 4. За цей час температуру нафти в резервуарі було доведено до 55 °C. Періодично брались проби нафти та вимірювання її реологічних властивостей за допомогою реометра RHEOLAB.MC1 та віскозиметра "Реотест 2.1". В таблиці зведені дані вимірювань. Таблиця Проба нафти Реологічні властивості нафти Динамічна в'язкість, Па·с Кінематична в'язкість, Па·с Енергія активації в'язкої течії, кДж/моль 40 45 при Т=55 °C, попередній підігрів ТЕН-ами та ЕТМП 0,775 7,06 14,1 2,1 24,5 при Т-55 °C, підігрів запропонованим способом 0,68 6,85 12,0 після охолодження до Т=35 °C Механоактивація нафти дозволяє знизити в'язкість нафти майже в 3 рази та знизити температури текучості на 8-9 °C. Нагрів і механоактивація у знакозмінному магнітному полі та під впливом поляризації знижує не тальки в'язкість, але й енергію активації в'язкої течії на 12 %. Таким чином, задачу удосконалення способу збереження реологічних властивостей нафти і нафтопродуктів при транспортуванні в залізничних цистернах за рахунок створення умов впливу ультразвукових хвиль, магнітного поля і поляризації, а також умов розігріву нафтопродукту в електричному резонансному насосі-теплогенераторі і цистерні при втраті його текучості в період тривалих простоїв на проміжних пунктах, слід вважати виконаною. 3 UA 91596 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Спосіб збереження реологічних властивостей в'язкої нафти та нафтопродуктів при транспортуванні в залізничних цистернах, що включає перетворення кінетичної енергії потяга в періоди гальмування у теплову і гідромеханічну енергію, нагрівання, інтенсивне перемішування і кавітаційну обробку нафтопродукту в робочій порожнині гідродинамічного пристрою, подавання його під тиском в порожнину цистерни та примусовий конвективний теплообмін нафтопродукту в цистерні за допомогою змішувача, який відрізняється тим, що кінетична енергія потяга при гальмуванні попередньо перетворюється у електричну енергію в генераторі трифазного струму, а як гідродинамічний пристрій використовують електричний резонансний насос-теплогенератор, в якому додатково на нафтопродукт вчинюється вплив поляризації, магнітного поля та ультразвукових хвиль, в середніх і верхніх частинах цистерни додатково здійснюється нагрів і перемішування нафтопродукту за рахунок механічної і дисипативних складових енергії заглибних електромеханічних перетворювачів. 4 UA 91596 U 5 UA 91596 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6