транспортный обогреваемый трубопровод

Формула изобретения

Транспортный обогреваемый трубопровод, содержащий секции, запорную арматуру, наружный изоляционный слой и нагревательный элемент, составленный из отдельных участков и подключаемый концами к электросети, отличающийся тем, что каждый участок электронагревательного элемента расположен на входе каждой секции, образован теплоэлектронагревателем в виде змеевика с витками, плотно прилегающими друг к другу и к наружной поверхности трубопровода, и выполнен обеспечивающим температуру на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе для образования пленки пара на внутренней поверхности трубопровода.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление при перекачивании жидкостей по трубопроводу, и может найти применение при транспортировке жидкостей по магистральным, межзаводским и внутризаводским трубопроводам в нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности, связанных с гидротранспортом вязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, суспензий и растворов.

Известен электронагреватель текучих сред, содержащий корпус с изолированной внутренней поверхностью и равномерно размещенными по винтовой линии электродами (Авт. св. СССР № 434626, М. кл. Н 05 В 3/60, В 65 G 53/32, 1974, бюл. № 24).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность использования известного устройства для нагрева неэлектропроводных жидкостей и опасность эксплуатации, связанная с возможностью короткого замыкания при контакте неизолированных электродов с электропроводной жидкостью. Кроме того, известная конструкция не позволяет создать устойчивый паровой маловязкий слой между внутренней поверхностью трубы и перекачиваемой жидкостью.

Известен трубопровод для транспортировки материала, преимущественно бетонной смеси, содержащий две одинакового диаметра трубы, соединенные между собой патрубком из диэлектрика с установленными внутри него и на нем соответственно патрубками из ферромагнитного материала и катушками индуктивности, подключенными к каждой из фаз источника переменного трехфазного тока (Авт. св. СССР № 1127824, В 65 G 53/22, 1984, бюл.№ 45).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции и ограниченность ее использования для перекачивания бетонов и растворов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является транспортный обогреваемый трубопровод, содержащий секции, соединенные муфтами, запорную арматуру, сопла и нагревательный элемент, составленный из отдельных участков, подключаемый концами к электросети и расположенный между концентричными друг другу наружным и внутренним изоляционными слоями, при этом нагревательный элемент выполнен из сетчатой трубы, охватывающей запорную арматуру и сопла, участки нагревательного элемента электрически соединены между собой посредством соединительных муфт секций трубопровода (Описание изобретения к патенту СССР № 502599, В 65 G 53/54 1976, бюл. № 5).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции нагревательного элемента и невозможность создания устойчивого парового маловязкого пограничного слоя между внутренней стенкой трубы и основным потоком перекачиваемой жидкости.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устойчивого пристенного парового маловязкого слоя при пленочном кипении перекачиваемой по трубопроводу жидкости.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение гидравлических потерь в трубопроводе и упрощение конструкции нагревательного элемента.

Поставленный технический результат достигается в транспортном обогреваемом трубопроводе, содержащем секции, запорную арматуру, наружный изоляционный слой и нагревательный элемент, составленный из отдельных участков подключаемый концами к электросети, при этом каждый участок электронагревательного элемента расположен на входе каждой секции и образован теплоэлектронагревателем (ТЭНом), выполненным в виде змеевика с витками, плотно примыкающими друг к другу и к наружной поверхности трубопровода, и обеспечивает температуру на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе для образования пленки пара на внутренней поверхности трубопровода.

Установка участка нагревательного элемента на входе каждой секции позволяет восстанавливать устойчивый пограничный паровой слой, который исчезает на поворотах, запорной арматуре, температурных компенсаторах, расширениях или сужениях сечения или других местных сопротивлениях из-за перемешивания парового слоя и жидкостного потока и конденсации в последнем пара.

Выполнение нагревательного элемента в виде теплоэлектронагревателя (ТЭНа), превращающего электрический ток в тепловую энергию за счет высокого омического сопротивления, и установка его в виде змеевика на наружной поверхности трубопровода позволяет равномерно и быстро передавать тепловую энергию ТЭНа через стенку трубопровода пограничному слою перекачиваемой жидкости.

Установка витков змеевика плотно примыкающих друг к другу и к наружной поверхности трубопровода позволяет интенсифицировать передачу тепловой мощности на небольшом отрезке трубопровода и без потерь передавать ее непосредственно от наружной поверхности трубопровода к внутренней его поверхности и самой жидкости.

Создание в нагревательном элементе температуры на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе позволяет вести режим устойчивого пленочного кипения жидкости вблизи внутренней стенки трубопровода с образованием устойчивого парового маловязкого пограничного слоя, перевести режим течения из однослойного в двухслойное, когда вблизи стенки образуется кольцевой пограничный слой пара, обладающий пониженным гидравлическим сопротивлением и снижающий общее давление, его потери и необходимую толщину стенки трубопровода.

Уменьшение нижнего предела заявляемого температурного диапазона менее 8 градусов по сравнению с критической температурой пленочного кипения перекачиваемой жидкости при заданном давлении в каждой секции трубопровода может привести к пузырьковому кипению, срыву устойчивого парового пограничного слоя, его перемешиванию с основным потоком жидкости и возрастанию гидравлического сопротивления.

Увеличение верхнего предела заявляемого температурного диапазона более 15 градусов по сравнению с критической температурой пленочного кипения перекачиваемой жидкости при заданном давлении в каждой секции трубопровода приводит к повышенным затратам энергии, образованию слишком большого объема пара, увеличению толщины его пограничного слоя и, соответственно, уменьшению сечения, в котором течет основной поток жидкости и возрастанию гидравлического сопротивления.

На чертеже представлен общий вид транспортного обогреваемого трубопровода.

Транспортный обогреваемый трубопровод содержит 3 секции. Секции 1 и 2 соединены между собой коленом 3, а секции 2 и 4 линзовым температурным компенсатором 5. На входе в секцию 1 установлен запорный пробковый кран 6. Все секции трубопровода покрыты наружным изоляционным слоем 7. На входе в каждую секцию установлен участок нагревательного элемента 8 в виде теплоэлектронагревателя (ТЭНа), образующего змеевик на наружной стенке трубопровода, обеспечивающий температуру на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе.

При течении жидкости в трубопроводе включаются в сеть все участки нагревательного элемента 8. Так как участки нагревательного элемента выполнены в виде ТЭНов, образующих змеевик на наружной поверхности трубопровода, а витки змеевика плотно примыкают друг к другу и к наружной поверхности трубопровода, то стенка трубопровода нагревается практически до температуры ТЭНов. Эта температура на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе. Таким образом, жидкость вблизи стенки кипит с образованием кольцевой пленки пара 9, снижающего общее гидравлическое сопротивление при перекачивании жидкости по трубопроводу. Трубопровод на всей длине покрыт изоляционным слоем 7, препятствующим потерям тепла в окружающий воздух и сохраняющим устойчивый пленочный паровой режим течения у внутренней стенки трубопровода без конденсации пленки пара 9. Однако на поворотах - коленах 3 трубопровода или на температурных компенсаторах 5 и на других местных сопротивлениях (сужениях, расширениях, вентилях, кранах) происходит потеря устойчивости парового пограничного слоя 9, он смешивается с основным потоком жидкости и конденсируется. Поэтому после колена 3, компенсатора 5 или пробкового крана 6 на входе в каждую секцию 1, 2, 4 трубопровода необходимо устанавливать участки нагревательного элемента 8 для повторного пленочного кипения жидкости с образованием устойчивого пристенного парового слоя 9 в секциях 1, 2, 4 трубопровода.

Выполнение теплоэлектронагревателя в виде змеевика на наружной стенке трубопровода позволяет интенсивно обогревать стенку, а через нее пограничный слой жидкости в режиме пленочного кипения.

Уменьшение температуры теплоэлектронагревателей нагревательного элемента 8 ниже заявленного предела 8 градусов, по сравнению с критической температурой пленочного кипения жидкости, может привести к пузырьковому кипению с перемешиванием пузырьками пара потока жидкости и повышению сопротивления, а значит увеличению потерь давления при перекачивании жидкости.

Увеличение температуры теплоэлектронагревателей нагревательного элемента 8 выше заявленного предела 15 градусов, по сравнению с критической температурой пленочного кипения жидкости, приводит к возрастанию тепловых потерь через наружный изоляционный слой и образованию парового пограничного слоя большой толщины, что уменьшает проходное сечение для основного потока жидкости в трубопроводе и увеличивает потери давления на ее прокачивание через трубопровод.

Установка витков змеевика плотно примыкающими друг к другу и к наружной поверхности трубопровода позволяет на небольшом по длине участке трубопровода передавать большую тепловую мощность от теплоэлектронагревателя непосредственно через стенку трубы к перекачиваемой жидкости, быстро разогревать ее до температуры на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе для образования пленки пара на внутренней поверхности трубопровода.

Например, при давлении 2 атм на входе в секцию 1 после пробкового крана 6 при перекачивании воды, имеющей температуру кипения 119,6°С, а критическую температуру пленочного кипения на 30 градусов больше (Физическая энциклопедия. Т.2. М.: Советская энциклопедия, 1990, с.364) то есть 150°С, необходимо установить теплоэлектронагреватель нагревательного элемента 8, обеспечивающего температуру наружной стенки трубопровода 158-165°С. При перекачивании органических жидкостей (бензола, этанола) критическая температура пленочного кипения примерно на 90-100 градусов больше их температуры кипения, поэтому теплоэлектронагреватели нагревательного элемента 8 должны обеспечивать температуру наружной стенки трубопровода на 100-115 градусов большую, чем температура кипения перекачиваемой жидкости при давлении в каждой секции трубопровода.

Таким образом, транспортный обогреватель жидкости предлагаемой конструкции позволяет создавать устойчивую кольцевую пограничную пленку пара при пленочном кипении перекачиваемой жидкости по трубопроводу, восстанавливать эту пленку пара после любого местного сопротивления (пробкового крана или другой запорной арматуры, колена, температурного компенсатора и т.д.), легко монтировать обогреватель на действующие трубопроводы, автоматизировать и управлять процессом, регулируя температуру в теплоэлектронагревателях в зависимости от давления, температуры кипения и критической температуры пленочного кипения перекачиваемой жидкости.