Способ разогрева в емкости загустевших продуктов и устройство для его осуществления

 

Использование: Изобретение относится к транспортированию и разгрузке загустевших жидкостей, например нефти и нефтепродуктов и может быть использовано для опорожнения железнодорожных цистерн и других транспортных емкостей. Сущность изобретения: Способ разогрева в емкости загустевших продуктов заключается в нагреве их в электромагнитном поле. Нагрев продуктов производят направленным электромагнитным излучением сверхвысокой частоты в диапазоне 400-3000 МГц. Устройство осуществления способа содержит генератор 1 СВЧ колебаний, соединенный посредством передающей линии 2 с излучателем 3. На горловине 4 емкости 5 размещен электромагнитный экран 6, в окне 7 которого установлена передающая линия 2 в виде металлического волновода. Излучатель 3 выполнен в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности продукта 8. 2 с.п. ф-лы 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к транспортированию и разгрузке загустевших продуктов, например нефти и нефтепродуктов, и может быть использовано для опорожнения железнодорожных цистерн и других транспортных емкостей.

Известны способ и устройство для разогрева в емкости загустевших нефтепродуктов. Способ заключается в том, что нефтепродукты нагревают в электромагнитном поле высокой частоты, а устройство содержит электронагреватель выполненный в виде конденсатора, электрически связанного с источником тока высокой частоты, причем одна из пластин конденсатора установлена с возможностью поворота вокруг вертикальной оси и смонтирована в диэлектрическом элементе для установки в горловине емкости, а другая - на внешней поверхности емкости, при этом устройство снабжено патрубком для подвода инертного газа, закрепленным в диэлектрическом элементе. Способ основан на преобразовании энергии переменного электрического поля в тепловую энергию внутри продуктов с низкой электропроводностью (диэлектриков). Под воздействием переменного электрического поля молекулы диэлектрика поляризуются и совершают механические колебания, энергия которых за счет межмолекулярного трения преобразуется в тепловую и диэлектрик нагревается. Нагрев осуществляют электрическим полем высокой частоты в диапазоне 100 кГц - 3 МГц. Для создания электрического поля в продукте используют два электрода, подключенные к генератору тока высокой частоты. Один из электродов соединен с заземленной емкостью, а второй высоковольтный электрод погружен в продукт.

Недостатком известных способа и устройства для его осуществления являются необходимость погружения высоковольтного электрода в нагреваемый продукт, что ограничивает их технологические возможности и не позволяет разогревать очень густые и полностью затвердевшие нефтепродукты при низких температурах окружающей среды. Этот недостаток обусловлен тем, что при указанных частотах длина волны электромагнитных колебаний составляет от 3000 до 100 м, что в десятки и сотни раз больше размеров транспортных емкостей. В следствии этого электрическое поле внутри емкости имеет квазистатический характер и его напряженность максимальна в непосредственной близости от высоковольтного электрода. Поэтому эффективный нагрев продукта происходит только при погружении электрода в его массу.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту является способ разогрева в емкости загустевших продуктов, заключающийся в нагреве их а электромагнитном поле, и устройство для его осуществления, содержащее источник электрической энергии, излучатель и связывающую их передающую линию. Способ основы на использовании переменного электрического поля высокой частоты в диапазоне 100 кГц - 3 МГц.

Высокочастотное электрическое поле в нагреваемом продукте создается двумя электродами, подключенными к генератору тока высокой частоты. Высоковольтный электрод в виде полого цилиндра погружается в продукт, а второй электрод соединяется с заземленным корпусом емкости. При включении генератора в нагреваемом продукте возникает переменное электрическое поле с максимальной напряженностью вблизи высоковольтного электрода, где начинается прогрев продукта, остальная масса продукта прогревается за счет его теплопроводности.

Недостатком этих способа и устройства для его осуществления является необходимость погружения высоковольтного электрода в продукт для эффективного нагрева; при расположении высоковольтного электрода над поверхностью продукта электрическое поле, вследствие квазистатического характера, сосредотачивается между электродом и ближайшим участком внутренней поверхности емкости, а в продукте его напряженность мала. Указанный недостаток обусловлен выбором частоты электромагнитного поля в диапазоне 100 кГц - 3 МГц. Кроме того данный способ эффективен для нагрева продуктов с достаточно высокой теплопроводностью, т.к. вся масса продукта прогревается за счет теплопередачи от области расположения высоковольтного электрода, где напряженность поля максимальна. Кроме того6 при нагреве данным способом различных продуктов высоковольтный электрод необходимо тщательно очищать после каждого погружения.

Целью настоящего изобретения является расширение технологических возможностей путем бесконтактного разогрева густых и затвердевших продуктов.

Цель достигается тем, что в способе разогрева в емкости загустевших продуктов, заключающемся в нагрев их в электромагнитном поле, нагрев нефтепродуктов производят направленным электромагнитным излучением сверхвысокой частоты в диапазоне 400-3000 МГц, а в устройстве для разогрева в емкости загустевших продуктов, содержащем источник электромагнитной энергии, излучатель и связывающую их передающую линию, введен размещенный горловине емкости электромагнитный экран, в окне которого установлена передающая линия в виде металлического волновода, при этом источник электромагнитной энергии выполнен в виде генератора СВЧ колебаний, а излучатель - в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности продукта.

Такое выполнение, при котором нагрев нефтепродуктов производят направленным электромагнитным излучением сверхвысокой частоты в диапазоне 400-3000 МГц, а в устройство введен размещенный на горловине емкости электрмагнитный экран, в окне которого установлена передающая линия в виде металлического волновода, при этом источник электромагнитной энергии выполнен в виде генератора СВЧ колебаний, а излучатель - в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности продукта, позволяет расширить технологические возможности путем бесконтактного разогрева густых и затвердевших продуктов.

Устройство для разогрева в емкости загустевших продуктов представленное на чертеже, содержит генератор 1 СВЧ колебаний6 соединенный посредством передающей линии 2 с излучателем 3. На горловине 4 емкости 5 размещен электромагнитный экран 6, в окне 7 которого установлена передающая линия 2 в виде металлического волновода. Излучатель 3 выполнен в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности продукта 8.

Устройство работает следующим образом. Нагрев загустевших жидкостей производят на сверхвысокой частоте (СВЧ) в диапазоне 400 МГц - 3 ГГц. В этом диапазоне длина волны электромагнитного поля составляет от 65 до 10 см, что во много раз меньше размеров транспортных емкостей. При таком соотношении длины волны и размеров емкости 5 электромагнитное поле внутри емкости 5 имеет волновой характер, что позволяет направлять его энергию в продукт 8 с помощью направленной антенны 3, расположенной над поверхностью продукта 8 и не соприкасающейся с ним. Т.о7 можно разогревать продукт 8 любой вязкости, в том числе полностью застывший. Электромагнитная волна, распространяясь внутри емкости 5, многократно проходит через продукт 8, переотражаясь от стенок емкости. При этом электрическое СВЧ после воздействует на молекулы продукта и его энергия преобразуется в тепловую, нагревая продукт 8. Эффективность преобразования зависит от диэлектрической проницаемости tgδ и коэффициент потерь ε ≃ 2,5 ÷ 4,5 нагреваемого продукта. Экспериментальные исследования различных загустевших продуктов (битум, мазут, лесохимические и каменноугольные смолы, присадки к маслам и т.п.) показали6 что в диапазоне частот 400-3000 МГц они имеют tgδ ≃ 0,015 - 0,03 и ε и tgδ ; такие значения характерны для диэлектриков, эффективно поглощающих СВЧ энергию. Эффективность преобразования СВЧ энергии в тепловую определяется плотностью мощности диэлектрических потерь: E = E_oe^-α^z (2), , где f - частота электромагнитного поля, E - амплитуда электрического поля.

Амплитуда E изменяется внутри диэлектрика по закону: , где E₀ - амплитуда поля на выходе в диэлектрик, λ - постоянная затухания, ε и tgδ - длина волны СВЧ поля,
Z - расстояние от поверхности диэлектрика в направлении распространения СВЧ волны.

Из (1), (2) следует, что в диапазоне частот 400 до 3000 МГц при указанных значениях λ амплитуда электрического поля в продукте убывает в λ раз на глубине Z ≈ 0,5 ^oC 5 м т. е. значительная часть СВЧ мощности достигается стенок емкости 5 и переотражаясь от них многократно проходит через продукт 8, нагревая всю его массу. Волновым характером СВЧ поля определяется и конструкция направленной антенны 3. Для создания направленной волны и согласования генератора с нагрузкой размеры направленной антенны 3 должны быть больше длины волны. На частотах ниже 400 МГц поперечные размеры направленной антенны 3 превосходят поперечные размеры горловин 4 транспортных емкостей 5, в т.ч. железнодорожных цистерн, что не позволяет разместить ее внутри емкости 5, и согласовать с генератором 1 СВЧ. На частотах выше 3000 МГц большая часть СВЧ мощности, поступающей в продукт поглощается в его поверхностном слое, а остальная масса продукта 8 прогревается медленно за счет теплопроводности. Локальный перегрев в поверхностном слое создает опасность воспламенения продукта 8. Таким образом, оптимальным диапазоном частот является диапазон от 400 до 3000 МГц. Устройство для осуществления предложенного способа обеспечивает передачу СВЧ мощности от генератора 1 к нагреваемому продукту 8 без излучения в окружающее пространство и с минимальным отражением обратно к генератору 1. При этом угол падения направленной волны выбирается таким, что обратно в направленную антенну 3 отражается малая часть мощности после многократного прохождения волны через продукт 8.

Испытание предложенного способа и устройства для его осуществления проводились на Горьковской железной дороге. Цистерна с мазутом в количестве 40, при начальной температуре -6^oC прогревалась в течение 5. Нагрев проводился на частоте 915 МГц, при выходной мощности генератора СВЧ ≈ 25 кВт. По истечении указанного времени температура мазута достигла +5^oC и весь мазут был слит через нижний сливной клапан цистерны.

Формула изобретения

1. Способ разогрева в емкости загустевших продуктов, преимущественно нефтепродуктов, заключающийся в нагреве их в электромагнитном поле, отличающийся тем, что электромагнитное поле образовано источником СВЧ колебаний, а нагрев загустевших продуктов производят направленным излучением сверхвысокой частоты в диапазоне 400 3000 МГц.

2. Устройство для разогрева в емкости загустевших продуктов, преимущественно нефтепродуктов, содержащее источник электромагнитной энергии, излучатель и связывающую их передающую линию, отличающееся тем, что оно снабжено электромагнитным экраном, имеющим окно, с возможностью размещения его на горловине емкости, в качестве источника электромагнитной энергии использован генератор СВЧ колебаний, при этом передающая линия выполнена в виде металлического волновода, размещенного в окне электромагнитного экрана, а излучатель в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности загустевшего продукта.

РИСУНКИ

Рисунок 1