способ осушки полости оборудования и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ осушки полости оборудования, основанный на первоначальном вакуумировании и последующей продувке полости, находящейся под вакуумом, наружным атмосферным воздухом, который вводят непосредственно из окружающего пространства, дросселируют и осушают, отличающийся тем, что наружный атмосферный воздух дросселируют при вводе в полость и осушают непосредственно в полости, находящейся под вакуумом, путем его расширения, при этом воздух вводят в количестве, обеспечивающем стационарный режим вакуумной продувки и в течение времени вплоть до достижения остаточной влажности в осушаемой полости заданной величины.

2. Способ осушки по п.1, отличающийся тем, что режим вакуумной продувки ведут при остаточном давлении в осушаемой полости, равном 10-100 мм рт. ст.

3. Способ осушки по п.1 или 2, отличающийся тем, что наружный атмосферный воздух дополнительно вводят непосредственно в застойные зоны осушаемой полости.

4. Способ осушки по п.3, отличающийся тем, что наружный атмосферный воздух вводят или во все застойные зоны одновременно или поочередно, в том числе в несколько сразу, начиная с самой удаленной.

5. Устройство для осушки полости оборудования, включающее систему вакуумирования, сообщенный с ней трубопровод для подстыковки к осушаемой полости, в котором установлены пускоотсечной клапан - пускоотсечной кран, средство контроля давления и остаточной влажности, и другой пускоотсечной клапан - пускоотсечной кран, образующий канал продувки, сообщающий осушаемую полость непосредственно с окружающим пространством, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено регулируемым дросселем, установленным в канале продувки на входе в осушаемую полость.

6. Устройство для осушки полости оборудования по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено несколькими каналами продувки с регулируемыми дросселями для размещения в застойных зонах осушаемой полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии осушки полостей различного оборудования и может быть использовано в энергетическом машиностроении, химической, нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Общеизвестно, что любое технологическое оборудование, работающее под давлением, подвергается гидравлическим испытаниям на прочность и герметичность. После вытеснения воды из полости оборудования на его внутренней поверхности остается водяная пленка толщиной 0,1...0,2 мм. Если учесть, что поверхность оборудования может быть весьма большой, то остаточное количество воды в полости оборудования достигает значимых величин.

Взаимодействие этой воды с воздухом, углеводородами и другими рабочими средами приводит к возникновению различного вида коррозии технологического оборудования, снижению пропускной способности и чистоты конечного продукта и, в конечном счете, к полному выходу из строя технологического оборудования. Поэтому перед процессом осушки полости технологического оборудования ставится задача как можно более полного удаления остаточной влаги при минимизации производственных затрат.

Общеизвестны следующие основные виды осушки полостей: термическая, химическая, газовая и вакуумная, при этом в чистом виде ни один из этих способов осушки не применяется, так как любая комбинация из них значительно эффективнее.

Термические способы осушки характеризуются большой длительностью и значительными энергетическими затратами, они не применимы для крупных и/или длинномерных объектов осушки.

В процессе химической осушки в качестве осушающей среды используются химические вещества, например гликоль или метанол, которые характеризуются высоким уровнем водопоглощения. Данный способ применительно к крупноразмерному технологическому оборудованию является дорогостоящим, так как для его осуществления требуются в больших количествах дорогие реактивы. Кроме того, утилизация отходов связана со значительными затратами из-за высоких экологических требований к процессу.

Газовая осушка полостей нашла самое широкое применение благодаря простоте, использованию распространенных рабочих сред (азот, воздух, природный газ) и надежного оборудования (компрессоров, вентиляторов, теплообменников и арматуры), высокой эффективности осушки. В частности, для удаления влаги и конденсата из магистральных газопроводов проводят их продувку транспортируемым природным газом. Для этого во входном участке газопровода образуют пенную пробку, которую проталкивают давлением газа по всей длине газопровода. При этом для образования пены применяют пенообразующий раствор, реагирующий с транспортируемым газом (например, а.с. СССР 441046, М.кл. В 08 В 9/02, 1971) или с удаляемой жидкостью (например, а.с. СССР 1077669, М.кл. В 08 В 9/02, 1982).

Аналогичного результата по повышению гидравлической эффективности газопровода и увеличению объема транспорта газа по газопроводу достигают созданием в нем импульсного режима рабочего потока газа согласно а.с. СССР 1224023, М. кл. В 08 В 9/06, 1984. Осушка полостей может быть проведена продувкой сжатым газом и созданием быстронарастающих импульсов давления, как это организовано, например по а.с. СССР 902876, М.кл. В 08 В 5/00, 1979, либо продувкой сжатым газом при резком сбросе давления в осушаемой полости - а. с. СССР 514650, М.кл. В 08 В 5/02, 1971, либо продувкой сжатым газом и приданием газовому потоку вращательного движения вдоль очищаемой поверхности - а.с. СССР 1806028, М.кл. В 08 В 5/00, 9/00, 1990, а.с. СССР 950453, М.кл. В 08 В 9/00, 1981, либо продувкой сжатым воздухом, который подогревается, например, в компрессорной установке - а.с. СССР 1544510, М.кл. В 08 В 5/02, 9/04, 1988, или в вихревой трубе - а.с. СССР 728948, М.кл. В 08 В 9/02, 1978, а.с. СССР 865437, М.кл. В 08 В 9/02, 1978.

При использовании продувки атмосферным воздухом последний часто предварительно осушают каким-либо способом, после чего нагнетают его в осушаемую полость, продувают ее и выбрасывают воздух в атмосферу. Качество осушки контролируют по влажности выходящего воздуха. Недостатком газовой осушки является малая эффективность продувки разветвленных трубопроводных сетей и полостей сложной пространственной геометрии из-за того, что в тупиковых зонах, щелях, в которых отсутствует прямой контакт с газовой средой, остается достаточно много влаги. Кроме того, в зависимости от протяженности и объема осушаемых полостей, этот способ осушки может оказаться дорогостоящим в связи с тем, что набор необходимого оборудования и энергопотребление в этом случае будут существенными.

При вакуумной осушке оборудования с помощью вакуумной системы из внутренней полости объекта осушки откачивают воздух. Далее по мере снижения давления начинается фаза активного кипения воды при почти постоянном давлении с последующим удалением паров после вскипания воды путем откачивания. Процесс завершается при давлении в полости 10^-1...10^-2 мм рт.ст., что соответствует по остаточной влаге температуре точки росы - (-20...-30)^oС.

Преимуществами вакуумного способа осушки являются: максимально возможная степень осушки даже пористых элементов конструкции и тупиковых зон и щелей, высокие экологические показатели, возможность применения без ограничений для любых видов технологического оборудования и простота организации процесса осушки, поскольку необходимо подключиться к объекту осушки лишь в одной точке, относительно небольшие масса необходимого оборудования и энергопотребление. Кроме того, после откачки воздуха оборудование освобождается и от кислорода, что имеет важное значение для многих производств при запуске оборудования в эксплуатацию. Из недостатков вакуумного способа осушки следует отметить следующие: высокие требования к герметичности системы, так как даже при небольших негерметичностях не удается достичь необходимого вакуума, длительность процесса осушки, а также снижение производительности, вызванное падением давления насыщенного пара воды с уменьшением температуры окружающей среды.

Эффективность процесса осушки может быть повышена использованием комбинации описанных выше способов, вследствие того, что недостатки одного компенсируются преимуществами другого. Однако следует иметь в виду, что набор необходимого для реализации процесса оборудования и энергопотребление при этом значительно увеличиваются. Так, например, устройства по а.с. СССР 1000128, М. кл. В 08 В 5/04, 1981 и патенту США 3479679, Н.кл. 15-302, 1967, содержат как средства для вакуумирования, так и средства для продувки сжатым газом. Этот недостаток может быть устранен использованием известных способа и устройства по патенту Великобритании 1342469, Н.кл. F 2N, 1974. Согласно этому изобретению способ очистки трубопроводов включает перекрытие одного конца трубы, установку на другом конце трубы средств обеспечения вакуума внутри трубы, создание вакуума внутри трубы с последующим доступом атмосферного воздуха с помощью открытия закрытого конца трубы, вследствие чего сила воздуха, вынужденного проходить по трубе, удаляет вещества, налипшие на внутренней поверхности трубы, при этом создаваемый вакуум равен 178...305 мм рт. ст.

Устройство очистки для осуществления этого способа включает всасывающий насос, средства для установки насоса на одном конце трубы, средства, включающие клапан для перекрытия другого конца трубы, средства пылезадержания перед всасывающим насосом для очистки воздуха, проходящего по трубе.

Недостатком этой технологии осушки является снижение эффективности и производительности вследствие использования для продувки полости, находящейся под вакуумом, наружного атмосферного воздуха, имеющего собственную влажность, имеющего собственную влажность, в результате чего в осушаемую полость привносится дополнительная влага, на удаление которой потребуется затратить дополнительное время и энергию.

В известном решении по а.с. СССР 909505, М.кл. F 26 B 21/06, 1976, принятом за прототип, атмосферный воздух предварительно осушают в специальном осушителе и потом просасывают через объект осушки. Реализация способа осушки по а. с. СССР 909505 потребует иметь в составе оборудования, помимо вакуумного устройства, осушитель атмосферного воздуха и средство для нагревания осушаемого объекта. Это последнее известное решение характеризуется тем, что осушка труб производится просасыванием по нагретой трубе через дроссель атмосферного воздуха, осушенного предварительно в специально предусмотренном для этого осушителе. Достоинством этого способа осушки является то, что для продувки используется атмосферный воздух и не требуется компрессорное оборудование. Недостатком этого способа являются увеличенное количество необходимого оборудования и большое энергопотребление из-за наличия не только средства для вакуумирования, но и средств для осушки воздуха и нагрева осушаемого объекта, а также ограниченная область применения - для осушки производственного оборудования малых и простых пространственных форм.

Изобретение направлено на достижение нового технического результата - создание такой технологии осушки, которая полностью сохраняет достоинства прототипа и не имеет его недостатков, а именно: при минимальном наборе необходимого оборудования исключить попадание в осушаемую полость дополнительной влаги вместе с наружным атмосферным воздухом продувки.

Этот результат достигается тем, что в заявляемом способе осушки полости оборудования, основанном, как в прототипе на первоначальном вакуумировании и последующей продувке полости, находящейся под вакуумом, наружным атмосферным воздухом, который вводят непосредственно из окружающего пространства, осушают и дросселируют, в отличие от прототипа этот наружный атмосферный воздух дросселируют при вводе в полость и осушают непосредственно в полости, находящейся под вакуумом, путем резкого его расширения, при этом воздух вводят в количестве, обеспечивающем стационарный режим вакуумной продувки и в течение времени вплоть до достижения заданной величины остаточной влажности в осушаемой полости.

Требуемое количество вводимого воздуха определяется многими факторами: давлением, влажностью и температурой окружающей среды, объемом осушаемой полости, остаточным давлением в ней, производительностью системы вакуумирования и обеспечивается площадью поперечного сечения дросселирующего канала, через который просасывается наружный атмосферный воздух при сообщении осушаемой полости с окружающим пространством посредством открытия канала продувки. Оптимальным по энергозатратам и скорости осушки является остаточное давление в полости, при котором осуществляют режим вакуумной продувки, равное 10...100 мм рт. ст. При этом, чем выше температура и влажность наружного атмосферного воздуха, тем ниже должен быть уровень остаточного давления в осушаемой полости, обеспечиваемый системой вакуумирования. При таком уровне остаточного давления в полости наружный атмосферный воздух, проходя через дросселирующий канал, быстро расширяется в десятки раз, в результате чего абсолютная и относительная влажность воздуха уменьшается пропорционально увеличивающемуся объему воздуха, достигая температуры точки росы на уровне - (-20...-30)^oС, и воздух осушается.

Осушенный таким образом воздух поглощает остаточную влагу в полости: вначале продувки - вблизи места ввода воздуха, а затем, поступательно по мере продвижения фронта насыщения к вакуумной системе, - во всей осушаемой полости. Контроль степени осушки ведут по влажности выходящего из полости воздуха известными средствами. При достижении на выходе из осушаемой полости остаточной влажности, равной заданной величине, подачу наружного атмосферного воздуха в осушаемую полость прекращают.

При дополнительном введении наружного атмосферного воздуха непосредственно в застойные зоны осушаемой полости процесс осушки ускоряется, так как испарение остаточной влаги, находящейся в застойных зонах, интенсифицируется под динамическим воздействием воздуха.

При осушке очень разветвленной полости возможна вакуумная продувка как одновременная всех застойных зон, так и поочередная, в том числе в несколько сразу, начиная с самой удаленной от места подключения вакуумной системы, для реализации наиболее оптимального по энергозатратам режима осушки. При этом общая площадь дросселирующих сечений в открытых каналах продувки должна быть такой, чтобы обеспечить условия осушки того количества наружного атмосферного воздуха, которое вводится для продувки полости, находящейся под вакуумом, и обеспечить стационарный режим вакуумной продувки при остаточном давлении в полости, определенном из анализа конкретных условий применения.

Следует отметить принципиальную разницу в физической картине процесса осушки по патентуемому способу и способу осушки по прототипу. В патентуемом способе воздух для продувки осушается путем быстрого расширения и осушка полости происходит путем поглощения остаточной влаги и отсасыванием системой вакуумирования насыщенного воздуха. В прототипе атмосферный воздух предварительно осушают в специальном осушителе и только потом просасывают через объект осушки.

Устройство для осуществления заявляемого способа осушки, помимо известного набора средств, включающего систему вакуумирования, сообщенный с ней трубопровод для подстыковки к осушаемой полости, в котором установлены пускоотсечной клапан - пускоотсечной кран, средство контроля давления и фильтрующее средство, и другой пускоотсечной клапан - пускоотсечной кран, образующий канал продувки для сообщения осушаемой полости непосредственно с окружающим пространством, дополнительно содержит регулируемый дроссель, установленный в канале продувки на входе в осушаемую полость для обеспечения дросселирования впускаемого воздуха, требуемого остаточного давления в полости и стационарного режима вакуумной продувки, а также средство контроля остаточной влажности на выходе из осушаемой полости.

Таким образом, усложнение набора оборудования, необходимого для осушки, совсем незначительное - всего лишь дополнительное средство контроля остаточной влажности и дроссель с определенным проходным сечением, который вместе с имеющейся системой вакуумирования и определенным режимом ее работы обеспечивает осушку атмосферного воздуха и этим устраняет недостаток известного по прототипу решения. Фактически, в патентуемом решении функцию осушителя наружного атмосферного воздуха выполняет регулируемый дроссель, установленный в канале продувки, соединяющем осушаемую полость с окружающим пространством, площадь проходного сечения которого выбрана из условия обеспечения остаточного давления в осушаемой полости, необходимого для стационарного режима вакуумной продувки, преимущественно из диапазона значений 10...100 мм рт.ст.

Для обеспечения вакуумной продувки застойных зон устройство снабжено дополнительными каналами продувки с регулируемыми дросселями для размещения в застойных зонах осушаемой полости.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для осуществления патентуемого способа осушки, на фиг. 2 - пример разветвленной осушаемой полости с несколькими тупиковыми застойными зонами.

На фигурах позициями обозначены: 1 - система вакуумирования, 2 - трубопровод для подстыковки к осушаемой полости системы вакуумирования, 3 - пускоотсечной клапан, 4 - средство контроля давления, 5 - средство контроля температуры, 6 - фильтрующее средство, 7 - другой пускоотсечной клапан для продувки осушаемой полости, 8 - канал продувки, 9 - регулируемый дроссель, 10 - средство контроля остаточной влажности, 11 - осушаемая полость, 12 - застойная зона, 13 - магистральные задвижки.

Осушка по патентуемому способу на примере газопровода осуществляется следующим образом. Осушаемый участок газопровода отсекают магистральными задвижками 13. К одному концу выделенного участка подстыковывают трубопровод 2 системы вакуумирования, на другом конце участка трубопровода устанавливают пускоотсечной клапан 7, сообщающий каналом продувки 8 осушаемую полость 11 с окружающим пространством. В канале продувки 8 установлен регулируемый дроссель 9. Исходное положение: клапан 3 открыт, клапан 7 закрыт, на регулируемом дросселе 9 установлена такая площадь дросселирующего сечения, задающая расход воздуха на продувку, которая определена по конкретным параметрам внешней среды, объему и конфигурации осушаемой полости, производительности системы вакуумирования для обеспечения остаточного давления в осушаемой полости, при котором осуществляется как осушка воздуха, так и стационарный режим вакуумной продувки (при работающей системе вакуумирования).

Ниже приводятся примеры расчета определения пропускной площади регулируемых дросселей.

Типичными климатическими условиями при проведении операции осушки оборудования является температурный диапазон +5...+40^oС и максимальная относительная влажность воздуха 90%.

Определим степень расширения воздуха, обеспечивающую его температуру точки росы минус 20^oС для границ указанного температурного диапазона и влажности 90%.

Расчет для температуры +40^oС:

По справочнику С.Н. Богданов, О.П. Иванов, А.В. Куприянова "Холодильная техника. Свойства веществ". Москва, Агропромиздат, 1985 г. определяем предельное содержание паров воды в воздухе при атмосферном давлении: оно равно d^//= 49,5 г/кг. Для 90% влажности эта величина составляет 44,6 г/кг. На стр. 14 справочника определяем аналогичный параметр для температуры минус 20^oС, который равен 0,64 г/кг.

Определяем отношение влагосодержания 44,6/0,64=69,6, которое равно требуемой степени расширения воздуха. Остаточное давление в осушаемой полости составляет: 760 мм рт.ст./69,6=10,9 мм рт.ст.

Аналогичные расчеты для температуры воздуха +5^oС дают степень расширения 7,7 и остаточное давление 98,7 мм рт.ст.

Определенный выше диапазон остаточных давлений обеспечивается, например, вакуумными насосами типа АВЗ.

Дальнейший расчет проводим для насоса АВЗ-500 производительностью 0,500 м³/с во всем диапазоне необходимых давлений. Весовой расход воздуха, проходящий через вакуумную систему при давлении 10,9 мм рт.ст. при температуре +40^oС, составляет

G=109,90,5001,117/760=8,0110^-3 кг/с,

где 1,117 - плотность воздуха при t=+40^oC и давлении 760 мм рт.ст., кг/м³.

Следует отметить, что на всех рассматриваемых режимах реализуются критические перепады давления воздуха на дросселях.

Расход воздуха при критическом перепаде рассчитывается по зависимости (Г.Н. Абрамович "Прикладная газовая динамика", 3-е издание, М.: Наука, 1969, стр.142, уравнение 8а:



где Р_о - полное давление перед дросселем; Ро=1 кгс/см²;

F - площадь проходного сечения, м²;

Т_о - абсолютная температура, К.

Отсюда нетрудно определить F, которая является суммарной площадью проходных сечений всех дросселей, установленных в системе. В зависимости от необходимости может быть задействован один дроссель либо несколько, или все с одинаковыми, или разными площадями сечений, что определяется конкретными характеристиками объекта осушки при условии, что для любого варианта суммарная площадь проходных сечений дросселей равна F=0,33810^-4 м² (0,338 см²) для температуры +40^oС и F=3,3910^-4 м² (3,39 см²) для температуры +5^o С.

Таким образом, дроссели должны иметь возможность десятикратного регулирования площади проходного сечения.

После установки на регулируемом дросселе 9 дросселирующего сечения, соответствующего конкретным условиям реализации и определенного по приведенной выше методике, включают систему 1 и через фильтрующее устройство 6 откачивают газовую среду из полости 11, обеспечивая первоначальное вакуумирование. В процессе первоначального вакуумирования давление в полости 11 уменьшается в несколько стадий. Сначала, на первой стадии эвакуации давление уменьшается от начального давления в полости 11 (как правило, давления окружающей среды) до давления насыщенного водяного пара. Далее начинается стадия испарения влаги, находящейся в полости 11. Водяной пар отсасывается системой вакуумирования 1. В течение стадии испарения влаги давление в полости 11 остается почти неизменным вплоть до полного испарения влаги. После испарения влаги идет стадия отсасывания остаточной влаги, сопровождаемая падением давления в полости 11, вплоть до достижения остаточного давления, рассчитанного для обеспечения режима вакуумной продувки с учетом внешних и внутренних факторов. После достижения расчетного остаточного давления, не выключая систему вакуумирования 1, открывают кран 7 и сообщают осушаемую полость 11с окружающим пространством.

Наружный атмосферный воздух под действием перепада давления вводят через дросселирующее сечение дросселя 9 в полость 11, где его осушают путем быстрого расширения, так как при расширении воздуха абсолютная и относительная его влажность уменьшается пропорционально степени расширения и достигается заданная температура точки росы. Осушенные порции воздуха поглощают остаточную влагу сначала вблизи места ввода воздуха и далее, по мере продвижения фронта насыщения внутри полости 11, вплоть до конца осушаемого участка газопровода вследствие работы системы вакуумирования 1 и непрерывного всасывания из атмосферы воздуха, осушаемого при дросселировании.

На этой стадии идет вакуумная продувка полости 11 осушенным атмосферным воздухом. Количество вводимого воздуха, требуемого, с одной стороны, для реализации необходимой степени расширения для его осушки, с другой стороны - для обеспечения стационарного режима вакуумной продувки, обеспечивают дросселирующим сечением регулируемого дросселя 9. Эту стадию продолжают в течение времени, необходимого для достижения заданной величины остаточной влажности в осушаемой полости 11. После этого вакуумную продувку прекращают путем перекрытия канала продувки 8 клапаном 7. Система вакуумирования 1 продолжает работать, и благодаря этому проводят стадию окончательного вакуумирования до достижения остаточного давления в полости 11 значения 10^-1.. .10^-2 мм рт.ст. После этого процесс осушки считается завершенным.

Процесс осушки контролируется с помощью средств контроля давления 4, температуры 5 и влажности 10. Благодаря вакууму в осушаемой полости можно легко убедиться в качестве осушки, если отключить осушаемую полость 11 от системы вакуумирования 1, закрыв клапан 3. В этом случае в течение относительно короткого времени остаточная влага переходит в парообразное состояние. Любой поддающийся измерению подъем давления и точки росы является прямым указанием на наличие остаточной влаги в полости 11.

После осушки полость оборудования может быть заполнена нейтральным газом, чтобы исключить проникновение влаги наружного воздуха в полость под действием атмосферного давления до момента ввода этого оборудования в эксплуатацию.

Аналогичные действия производят и при осуществлении способа осушки сильно разветвленных полостей оборудования. Особенность его состоит в том, что наружный атмосферный воздух вводят непосредственно в застойные тупиковые зоны 12 осушаемой полости 11, в результате чего интенсифицируется процесс испарения влаги, задержавшейся в застойных зонах 12, и осуществляют их вакуумную продувку. Схема продувки (количество и последовательность включения каналов продувки) выбирают, исходя из анализа конкретных пространственных форм осушаемого оборудования. В принципе, способ позволяет легко осуществить подачу воздуха для продувки или во все застойные зоны 12 одновременно, или поочередно, в том числе в несколько зон сразу, начиная с самой удаленной от системы вакуумирования. Количество одновременно продуваемых зон 12 может быть ограничено производительностью располагаемой системы вакуумирования.

Устройство для осуществления патентуемого способа осушки, принципиальная схема которого представлена на фиг.1, полностью состоит из стандартных, серийно изготавливаемых агрегатов, приборов и арматуры. Главной его частью является система вакуумирования. Для промышленных целей она, как правило, состоит из нескольких вакуумных насосов разного типа для того, чтобы обеспечить разные режимы вакуумирования на разных стадиях этого процесса. Режим первоначального вакуумирования и режим вакуумной продувки осуществляют, например, вакуумным насосом водокольцевого типа. Окончательное вакуумирование осушаемой полости ведут системой из золотникового вакуумного насоса в паре с двухроторным, выполненным по схеме машины Рутса. Работа устройства подробно изложена выше.