Способ, аппарат, система и теплообменник для повышения температуры вещества, которое первоначально находилось в контейнере в, по меньшей мере, частично затвердевшем состоянии
Изобретение относится к способу повышения температуры вещества, находящегося в контейнере в частично затвердевшем состоянии, причем в контейнере установлен, по меньшей мере, один теплообменник. Задачей изобретения является получение возможности относительно быстрого изменения температуры вещества. Это достигается посредством установки перекачивающего устройства для перемешивания вещества, обмена теплом между теплообменником и веществом, перемещения вещества перекачивающим устройством для усиления теплообмена между теплообменником и веществом, а также перемешивания вещества перекачивающим устройством при перемещении вещества внутри контейнера. Когда вещество перемещается, то в контакте с теплообменником для обмена теплом находится не только застоявшееся вещество. Количество вещества в контакте с теплообменником тем самым сильно увеличивается, и теплоперенос меньше зависит от теплопроводности вещества. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл.
Настоящее изобретение относится к способу повышения температуры вещества, которое первоначально находилось в контейнере в по меньшей мере частично затвердевшем состоянии, причем в контейнере установлен по меньшей мере один теплообменник. Кроме того, изобретение относится к аппарату, системе и теплообменнику.
Обычно резервуары для хранения веществ могут быть оборудованы спиральным теплообменником, погруженным в вещество, или геликоидальным теплообменником, обернутым вокруг резервуара, для нагрева такого вещества. Нагрев вещества может производиться для разных целей, например, чтобы сварить вещество, изменить вязкость вещества, ускорить химический процесс между соединениями в веществе и т.д.
Активная поверхность теплообменника нагревается по меньшей мере до такой температуры, как желаемая температура вещества, т.е. имеется разность температур. Чтобы получить желаемую температуру за короткое время, разность температур обычно увеличивают. Однако в случае, если вещество или одна, или более фракций вещества чувствительны к высоким температурам, температура теплообменника должна удерживаться меньше или равной максимально допустимой температуре. Для некоторых веществ максимальная температура может быть достаточно низкой, и если в резервуар поместить большое количество вещества, время для нагревания вещества может быть очень длительным. Та же проблема существует, когда вещество охлаждают. Это явление известно также на примере снеговика. Когда снег утрамбован в большие шары, как это имеет место для снеговика, требуется много времени, чтобы он растаял, по сравнению с тем же количеством снега, лежащего неуплотненным, когда он падает на газон.
Одним примером ситуации, когда изменение температуры происходит довольно долго, является большой объем растительного масла в пластиковом контейнере. Такие пластиковые контейнеры известны, например, как мягкий резервуар, или аналогичные с емкостью от одного до многих сотен литров, как производимые на продажу компаниями Trans Ocean Distribution (www.todbulk.com) или John S Braid & Co Ltd (www.braidco.com). При транспортировке температура окружающей среды может быть ниже точки плавления масла, поэтому масло постепенно затвердевает. Чтобы опорожнить контейнер, затвердевшее масло должно быть растоплено в месте назначения. Поэтому сначала контейнер помещают на обогревающий мат, прежде чем наполнить его маслом. После прибытия в конечную точку назначения обогревающий мат должен быть включен в течение нескольких дней, например, от четырех до пяти дней, в зависимости от размера контейнера, прежде чем масло растопится и может быть разлито. Большой срок вызван в первую очередь большим количеством масла и тем, что температура обогревающего мата должна быть ограниченной. Ограничение обусловлено пластмассой, из которой сделан контейнер, которая может выдержать только определенную температуру, и более важно то, что качество растительного масла совершенно ухудшится, если его нагревать слишком сильно. Также давление нагревающей среды (вода или пар) не может повышаться далее, если трубы в обогревающем мате и арматура не рассчитаны на то, чтобы выдержать повышенные нагрузки из-за повышенного давления.
В другой нагревательной системе, описанной в патенте US 2522948, для охлаждения используется вода или некоторые другие жидкости. Жидкость закачивается в резервуар через теплообменник, состоящий из ряда параллельных труб в кожухе. Пройдя через трубы, охлажденная жидкость вытекает затем из другого, самого дальнего открытого конца кожуха внутри резервуара и смешивается с остальной жидкостью. Жидкость откачивается из выпускного отверстия внизу резервуара и циркулирует, пока не будет достигнута желаемая температура. Хотя теплообменник может, вероятно, использоваться также и для нагрева, насос может работать только на жидкостях, а не на веществе, которое первоначально было частично затвердевшим и не поддающимся перекачиванию насосом. Кроме того, теплообмен между подвергшейся теплообмену жидкостью и остальным веществом не может быть очень эффективным, так как жидкость просто циркулирует вокруг системы, и поэтому смешение имеет место только вблизи внутреннего края теплообменника. Это приводит к большому перепаду температур в разных местах внутри резервуара и к большему полному времени охлаждения. Также, система занимает существенную часть пространства внутри резервуара, так как жидкость и, тем самым, трубы выходят из резервуара с одного конца и входят приблизительно с другого. Таким образом, в резервуаре требуется несколько соединительных элементов и отверстий, а также доступ к основной части наружной поверхности резервуара, что не всегда возможно на практике.
В патенте US 6002838 описан резервуар для хранения и выгрузки жидкостей, нагретых во время выгрузки. Резервуар разделен на два отделения только с относительно малым отверстием посредине и с теплообменником, помещенным в меньшее отделение. Жидкость прокачивается через теплообменник и выкачивается, где часть ее сливается наружу, а остаток снова закачивается в малое отделение. Как и в случае описанного ранее патента, часть жидкости рециркулирует, чтобы обеспечить нагрев оставшейся жидкости. Однако эффекта перемешивания не получается. К тому же, описанный выше способ требует особой конструкции резервуара-хранилища со встроенными отделениями, и, следовательно, этот способ не применим на стандартных резервуарах. Наконец, способ не может разрешить проблему нагрева вещества, которое первоначально находилось в состоянии, не поддающемся перекачиванию насосом.
Немного похожее нагревательное устройство описано в патенте US 3856078. Здесь, теплообменник помещен в отдельную и хорошо изолированную камеру в нижней части резервуара, имеющего всего одно отверстие в остальной части резервуара. Рядом с внутренним краем теплообменника размещен насос, который заставляет жидкость, в частности, тяжелые масла, проходить вдоль паровых труб в теплообменнике и до некоторой степени циркулировать в изолированной камере. Нагрев проводится параллельно с выгрузкой части жидкости, когда часть нагретой жидкости выгружается напрямую, когда нагреется, а другая часть снова входит в резервуар, перемещаясь назад вдоль наружной поверхности теплообменника, но все еще внутри изолированной камеры. Однако это устройство, как и предыдущее, предназначено для нагрева не всего резервуара, заполненного жидкостью, но для нагрева ограниченного количества вместе с его выгрузкой.
Одна задача состоит в том, чтобы получить возможность относительно быстрого повышения температуры всего резервуара, заполненного веществом, которое первоначально находилось в по меньшей мере частично затвердевшем состоянии. Другая задача состоит в том, чтобы получить относительно быстрое повышение температуры, даже когда допустима только ограниченная разность температур или имеется максимально допустимая температура.
Следующие задачи будут понятны из дальнейшего описания. Таким образом, изобретение обеспечивает способ повышения температуры вещества, причем вещество первоначально находилось по меньшей мере в частично затвердевшем состоянии, как указано в пункте 1 формулы изобретения, причем обеспечиваются средства закачивания для перемещения вещества, включающий следующие этапы:
a) обеспечение теплообмена между теплообменником и веществом,
b) перемещение вещества перекачивающим устройством для усиления теплообмена между теплообменником и веществом,
c) перемешивание вещества перекачивающим устройством путем перемещения вещества внутри контейнера с помощью по меньшей мере одного устройства типа сопла для увеличения скорости течения при перемешивании.
Когда вещество, которое первоначально находилось в по меньшей мере частично затвердевшем состоянии, перемещают согласно этапу b), тогда в контакте с теплообменником для теплообмена в соответствии с этапом a) находится не только застоявшееся вещество. Тем самым существенно повышается количество вещества в контакте с теплообменником, и теплоперенос меньше зависит от теплопроводности вещества. Когда вещество перемешивают далее в соответствии с этапом с), получается, что вещество после контакта с теплообменником переносится из теплообменника и смешивается с остальным веществом, в соответствии с чем будет также происходить теплообмен между подвергшимся теплообмену веществом и остальным веществом, что представляет собой большое улучшение по сравнению с теплообменом только с теплообменником. На этапе с) получают также, что вещество, находящееся вдали от теплообменника, переносится к теплообменнику, в соответствии с чем теплообменник может за короткое время обменяться теплом со всем веществом, что опять же уменьшает зависимость от теплопроводности вещества. При увеличении скорости течения улучшается эффект перемешивания, и тем самым также перенос тепла к или от вещества. Имея несколько сопел или устройств типа сопел разного размера и в разных местах, перемешивание можно регулировать так, чтобы смешение нагретого вещества с ненагретым веществом могло было получено во всех частях резервуара, и даже в самых удаленных от теплообменника углах. В простейшем случае сопла могут быть отверстиями.
Способ может предпочтительно включать соединение теплообменника с внешними устройствами питания для передачи тепла к веществу в контейнере, причем устройства питания и перекачивающие устройство координируются устройством управления для регулирования температуры вещества. Таким образом внешние устройства питания для передачи тепла к или от вещества должны быть оборудованы только в местах, где должен проходить перенос тепла. Благодаря координации устройств питания и перекачивающего устройства может быть получена более мягкая транспортировка вещества, например, путем регулирования количества вещества, перекачиваемого в единицу времени, по сравнению с количеством тепла, переданного к или от устройств питания, чтобы, например, предотвратить перегрев и, кроме того, получить полный контроль над температурным диапазоном вещества.
Теплообменник может предпочтительно содержать вытянутую цилиндрическую поверхность и направляющее устройство для проведения вещества вдоль указанной поверхности при осуществлении этапа b), причем указанное направляющее устройство соединено с перекачивающим устройством. Когда вещество проводят вдоль поверхности теплообменника, достигают улучшенный теплоперенос между веществом и теплообменником, так как вещество может взаимодействовать с теплообменником вдоль поверхности, а не ограничено определенной ограниченной частью поверхности.
Направляющее устройство в предпочтительном варианте осуществления может содержать кожух, расположенный по существу концентрически вокруг теплообменника, причем кожух содержит ряд отверстий, расположенных в определенном порядке по длине кожуха, чтобы распределить вещество при проведении этапа с). Тем самым достигают улучшенный теплоперенос между веществом и теплообменником, а также эффект перемешивания вещества, когда его распределяют по отверстиям. По сравнению с переносом тепла к или от вещества, какой имеет место в статическом состоянии, эффект от распределения и полученный в результате эффект смешения существенно улучшают теплоперенос к или от полного количества вещества. В случае, когда способ включает расплавление затвердевшего вещества, благодаря направляющему устройству, содержащему кожух, установленный по существу концентрически вокруг теплообменника, получают, что вещество, содержащееся в направляющем устройстве, может быть сначала расплавлено теплом от теплообменника, после чего расплавленное вещество затем разносят по всей остальной части вещества, которое еще остается затвердевшим, в соответствии с чем получают прямой перенос тепла к этой части.
Внешние устройства питания могут в предпочтительном исполнении содержать устройство для нагрева воды. Устройство для нагрева воды обычно можно купить относительно недорого. Вода нейтральна для окружающей среды, и если какое-то количество воды случайно протечет, не будет сделано никакого вреда.
Способ предпочтительно может применяться тогда, когда вещество первоначально находится в по меньшей мере частично затвердевшем состоянии и когда обмен теплом между теплообменником и веществом происходит в соответствии с этапом a) по меньшей мере до того, как расплавится некоторое количество вещества, прежде чем начнутся этапы b) и c). Способ особенно подходит для расплавления частично затвердевшего вещества.
Применение способа предпочтительно для растапливания затвердевшего съедобного масла или жира. Масло или жир, например, растительного происхождения, часто производят около места произрастания или на технологических установках в местах, весьма удаленных от того, где их используют. Поэтому их транспортируют на кораблях, поэтому они могут находиться в пути дни или недели, что представляет достаточное время, чтобы охладиться температурой окружающей среды до температуры ниже температуры плавления. Чтобы опорожнить контейнеры, в которых хранят такие масло или жир, масло или жир должны быть растоплены, чтобы обеспечить возможность слива или перекачки насосом.
Кроме того, так как теплообменник находится внутри контейнера, аппарат требует минимального объема как при транспортировке контейнера, так и при самом процессе нагрева. Таким образом, способ нагрева может применяться даже там, где свободное пространство ограничено. Далее, теплообменник согласно изобретению вводится и монтируется на контейнере только в одном месте, и поэтому доступ к другим сторонам контейнера не нужен. Это также очень выгодно, когда способ применяют на веществе, как, например, съедобные масла или жир, первоначально налитом в мягкий резервуар, помещенный внутри транспортного контейнера для дополнительной устойчивости и прочности при транспортировке. В этом случае доступ в мягкий резервуар ограничен только одной стороной мягкого резервуара, точно внутри сливного отверстия контейнера, но, если использовать настоящее изобретение, это не вызовет никаких проблем.
Кроме того, изобретение относится к аппарату для повышения температуры вещества, когда вещество первоначально находилось в контейнере в по меньшей мере частично затвердевшем состоянии, причем указанный аппарат содержит по меньшей мере один теплообменник, приспособленный для теплообмена с веществом, когда теплообменник установлен в контейнере, причем аппарат содержит, кроме того, закачивающее и направляющее устройство для перемещения вещества в контейнере, причем закачивающее и направляющее устройство приспособлено для перемешивания вещества посредством перемещения вещества через по меньшей мере одно устройство типа сопла для увеличения скорости течения и увеличения теплообмена между теплообменником и веществом, когда вещество перемещается. Когда происходит теплообмен между веществом и теплообменником в контейнере и вещество перемещается посредством перекачивающего и направляющего устройства для перемешивания вещества, то в контакте с теплообменником для обмена теплом находится не только застоявшееся вещество, в соответствии с чем теплообмен значительно улучшается. Количество вещества в контакте с теплообменником повышается, и теплообмен меньше зависит от теплопроводности вещества.
Предпочтительные варианты осуществления аппарата согласно изобретению являются предметом зависимых пунктов 11-13.
Кроме того, изобретение относится к системе, содержащей контейнер, предназначенный для хранения вещества, теплообменник, выполненный с по меньшей мере одной вытянутой цилиндрической поверхностью внутри контейнера, и направляющее устройство, предназначенное для проведения вещества вдоль поверхности теплообменника, причем направляющее устройство содержит кожух, расположенный по существу концентрически вокруг теплообменника, и способно принимать поток вещества, причем кожух имеет ряд отверстий, расположенных в определенном порядке по длине кожуха для распределения потока вещества, когда он имеется.
Предпочтительные варианты осуществления системы согласно изобретению являются предметом зависимых пунктов 14-17.
Кроме того, изобретение относится к теплообменнику, содержащему вытянутую и по существу цилиндрическую секцию, предназначенному для теплообмена с веществом, причем направляющее устройство, содержащее кожух, расположено по существу концентрически вокруг теплообменника и приспособлено для приема и проведения потока вещества от одного конца кожуха вдоль секции, причем кожух имеет ряд отверстий, расположенных в определенном порядке по длине кожуха для выброса потока вещества, когда он имеется.
Предпочтительные варианты осуществления теплообменника согласно изобретению являются предметом зависимых пунктов 19-23.
Далее изобретение описывается со ссылкой на чертежи, которые иллюстрируют примеры вариантов осуществления изобретения.
На фиг.1a показан вид сбоку теплообменника согласно изобретению,
на фиг.1b показан вид спереди теплообменника, представленного на фиг.1a,
на фиг.2 показано сечение Y-Y с фиг.1b,
на фиг.3 показано сечение Х-Х с фиг.1а,
на фиг.4 показан вид сбоку в разрезе теплообменника, установленного внутри контейнера,
на фиг.5a показан вид сверху теплообменника, установленного в контейнере,
на фиг.5b показана деталь Z на фиг.5a в увеличенном формате,
на фиг.6 показана упрощенная схема рециркуляции теплопередающей среды в теплообменнике,
на фиг.7 показана упрощенная схема рециркуляции вещества,
на фиг.8 показано сечение, соответствующее фиг.2, где указаны направления потока теплопередающей среды и вещества,
на фиг.9 показан один вариант осуществления теплообменника согласно изобретению,
на фиг.10a показан один вариант осуществления теплообменника согласно изобретению на виде сбоку,
на фиг.10b показан теплообменник на фиг.10a в виде сверху,
на фиг.10c показан теплообменник на фиг.10a в виде с торца.
На фигурах показан ряд различных труб, который представлен без сварки и пайки и т.д. для соединения и сборки указанных труб. Однако такие соединения являются обычными для специалиста, и поэтому опущены для упрощения. Относительные размеры теплообменника на фиг.1-3 и 9-10 показаны по существу в масштабе.
На фиг.1a и 1b изображен теплообменник 2, содержащий направляющее устройство, которое включает кожух 6 с отверстиями 7. Теплообменник 2, кроме того, содержит отверстия 18, 19, 20, 21 и 24. Отверстия 19 и 20 приспособлены для соединения с устройствами питания для передачи тепла к или от теплообменника, например, нагретой воды или пара, возвращаемые в теплообменник 2 через отверстия. Чтобы сформировать внутренние пути движения в теплообменнике 2, имеются трубчатые секции 31-33. Кроме того, теплообменник содержит выпускную часть 29, имеющую отверстие 24, которая соединена с отверстием 18. Выпускная часть 29 содержит цилиндрическую секцию 14, приспособленную для приема соединительных деталей.
На фиг.2 и 3 изображен теплообменник 2, содержащий вытянутую цилиндрическую секцию 4, образованную трубой 8, с первым концом 9 и вторым концом 10. Труба 8 соединена с трубой 32 и от нее с отверстием 20. Внутри трубы 8 установлена вторая труба 15, имеющая открытый первый конец 16, расположенный около закрытого первого конца 10. Труба 15 вторым концом 17 соединена с трубой 33, которая проходит вверх в отверстие 19. Труба 8 концентрически окружена направляющим устройством, которое здесь представляет собой кожух 6, образованный трубой, имеющей ряд отверстий 7, причем отверстия предпочтительно обращены вверх и вбок. Кожух 6 соединен с трубой 31 и от нее с отверстием 21. Выпускная часть 29 закреплена вокруг кожуха 6 и имеет отверстие 24. Выпускная часть 29 содержит, кроме того, соединение с отверстием 18.
На фиг.4 показан теплообменник 2, имеющий кожух 6 и вытянутую цилиндрическую поверхность 4, а также выпускную часть 29, содержащую цилиндрическую секцию 14. Теплообменник 2 прикреплен к стенке 25 непоказанного контейнера кожухом 6 и поверхностью 4, проходящей на длину L в контейнер. Длина L предпочтительно по существу соответствует длине/глубине/ширине контейнера, чтобы усилить работу теплообменника, когда он включен. Теплообменник 2 соединен с трубой 23 посредством непоказанного соединительного элемента, например, Straub, который эффективно закрывает любые зазоры между трубой 23 и цилиндрической секцией 14 выпускной части 29. Труба 23 соединена с фланцами 27 и 26, которые прикреплены к стенке 25. Для прикрепления трубы 23 используются болты 28. Таким путем непоказанное отверстие 24 (см., например, фиг.2) может принимать вещество из контейнера по трубе 23. На фиг.5a и 5b теплообменник 2 прикреплен через фланцы 26 и 27 к стенке 25 контейнера 34. Кожух 6 и вытянутая цилиндрическая поверхность 4 проходят внутрь контейнера 34.
На фиг.6 изображен теплообменник 2, размещенный, как показано на фиг.5a и 5b. Контейнер 34, кожух 6 и вытянутая цилиндрическая поверхность 4 для простоты опущены. Теплопередающая среда нагревается в бойлере 44, например, работающем на мазуте, и по соединению 37 переносится к отверстию 20. Отверстия 19 и 20 снабжены запорными вентилями 35 и 36. Теплопередающая среда выходит через отверстие 19 и по соединению 38 передается на перекачивающий насос 42. От перекачивающего насоса теплопередающая среда переносится назад в бойлер 44 по соединению 39. Расширительный бак 43 подсоединен к соединению 38 через соединение 40. Различные соединительные детали, вентили и т.д., которые являются обычными для специалиста, для простоты опущены. Направление движения теплопередающей среды через теплообменник может, конечно, быть противоположным.
На фиг.7 вещество по соединению 50 закачивается центробежным насосом 48 через отверстие 21 в теплообменник 2. Отверстия 18 и 21 снабжены запорными вентилями 45 и 46. Температурный датчик 47 следит за температурой вещества. Вещество выходит из контейнера через отверстие 18 и направляется к центробежному насосу 48 по соединению 49. Различные соединительные детали, вентили и т.д., которые являются обычными для специалиста, также опущены для простоты.
Следует понимать, что внешние объекты, показанные на обеих фиг.6 и 7, должны быть соединены одновременно для работы теплообменника 2. Две отдельные фигуры использованы только для простоты. Устройства для управления бойлером 44, перекачивающим насосом 42 и центробежным насосом 48 не показаны.
В следующем варианте осуществления изобретения для внешней системы может использоваться дополнительный теплообменник, до или после перекачивающего устройства, ускоряя тем самым процесс нагревания.
На фиг.8 показан теплообменник 2, содержащий вытянутую цилиндрическую секцию 4, образованную трубой 8 с первым концом 9 и закрытым вторым концом 10. Труба 8 соединена с трубой 32 и от нее с отверстием 20. Внутри трубы 8 установлена вторая труба 15, имеющая открытый первый конец 16, расположенный около закрытого первого конца 10. Труба 8 вторым концом 17 соединена с трубой 33, которая проходит вверх в отверстие 19. Теплопередающая среда входит через отверстие 20 и проходит в направлении, указанном стрелками A. У закрытого второго конца 10 трубы 8 направление теплопередающей среды меняется на противоположное, чтобы войти во вторую трубу 15 у ее первого открытого конца 16. Теплопередающая среда выходит через отверстие 19 в направлении, указанном стрелкой B. Труба 8 концентрически окружена направляющим устройством, которым здесь является кожух 6, образованный трубой, имеющей ряд отверстий 7, причем отверстия предпочтительно обращены вверх и вбок. Кожух 6 соединен с трубой 31 и от нее с отверстием 21. Вещество входит через отверстие 21 и проходит к отверстию 7 в кожухе 6, откуда вещество вытесняется из теплообменника 2. Направления прохождения указаны стрелками С. Таким образом, вещество сначала получает возможность обмениваться теплом с теплопередающей средой через поверхность 4, после чего оно вытесняется через отверстия 7, чтобы получить эффект перемешивания в веществе, окружающем теплообменник. Выпускная часть 29 закреплена вокруг кожуха 6 и имеет отверстие 24. Кроме того, сливная деталь 29 имеет соединение с отверстием 18. Вещество, окружающее теплообменник, может тем самым быть слито по отверстию 24 из отверстия 18 в выпускной части 29. Отверстия 7 могут быть снабжены соплами, чтобы повысить скорость вещества для усиления эффекта перемешивания.
Обычно теплообменник 2 размещается в контейнере, таком как мягкий резервуар, выполненный по существу из полимерного материала. Запорные вентили установлены в отверстиях 18-21. Затем контейнер заполняется пригодным к перекачиванию веществом, предпочтительно через отверстие 18, или альтернативно через отверстие вверху контейнера. Захваченный воздух в контейнере выпускается, например, с помощью выпускного клапана. После наполнения контейнера выпускная часть 29 и кожух 6 будут заполнены веществом. Затем контейнер может быть отправлен в помещение для хранения или транспортирован в другое место, где вещество со временем может затвердеть до консистенции, не поддающейся перекачиванию насосом. Если это происходит, то по трубам 8 и 15 в течение определенного периода времени циркулирует нагретая среда, например, горячая вода, как описано выше в связи с фиг.8. Это восстанавливает по меньшей мере у вещества в кожухе 6 и сливной детали 29 вязкость, которая поддается перекачиванию, и циркуляция вещества возобновляется. Циркуляция вещества описана выше в связи с фиг.8. Когда вещество выходит из отверстия 7 в кожухе 6, давление в кожухе преобразуется в кинетическую энергию жидкости. Вещество здесь перемещается со скоростью, зависящей от давления, добавленного насосом, и по существу в радиальных направлениях относительно кожуха. Таким образом подвергшееся теплообмену вещество может повлиять на затвердевшее вещество, удаленное от теплообменника 2, и, тем самым, улучшить теплоперенос. Направление, в котором скорость, с которой перемещается вещество, регулируется положением и размерами отверстий 7. Таким образом достигается эффект перемешивания, как если бы было получено, что нагретое вещество смешивается с остальным веществом не только просто вокруг теплообменника, но во всем резервуаре. Это значительно улучшает теплоперенос по сравнению с переносом тепла через застойное вещество. Эффект перемешивания может быть получен путем формирования отверстий 7 как относительно малых по сравнению с размерами трубы отверстий. Отверстие может также быть снабжено насадками для еще большего повышения кинетической энергии перемещаемого вещества. После того, как будет получена надлежащая вязкость части или всего вещества, можно удалить желаемое количество вещества из контейнера, например, перекачиванием или используя силу тяжести, например, путем опрокидывания контейнера.
Как альтернатива циркулированию теплопередающей среды в теплообменнике, теплообменник может быть снабжен встроенным электронагревательным элементом.
На фиг.9 показан вариант осуществления теплообменника 2 согласно настоящему изобретению. Как и в предыдущих вариантах осуществления, теплообменник 2 содержит вытянутую цилиндрическую секцию 4, проходящую внутрь контейнера (не показан), аналогично тому, как показано на фиг.5a, полная длина которой соответствует размерам контейнера. Нагревающая среда проходит внутри вытянутой цилиндрической секции 4, нагревая вещество в кожухе 6, окружающем цилиндрическую секцию 4. Нагревающая среда, например, вода или пар, входит и выходит из теплообменника через отверстия 19, 20. Закаченное вещество входит в кожух 6 через отверстие 21 и выходит из кожуха 6 через ряд отверстий 7, работающих как сопла, превращающие энергию давления вещества внутри кожуха в кинетическую энергию. Сечение кожуха 6 показано на фигуре в увеличении. Здесь положение отверстий 7 можно видеть в деталях. Такие отверстия (которых для ясности показано всего несколько) расположены в нескольких местах по всей длине кожуха 6. Положения и размеры отверстий определяют результирующее направление перемещаемого вещества вместе с его скоростью. Поэтому отверстия располагают так, чтобы получить максимальное перемешивание и смешение вещества по всему контейнеру. Так как теплообменник 2, показанный на фиг.9, выполнен так, чтобы быть установленным около дна контейнера и немного с одного боку, отверстия 7 расположены в верхней стороне кожуха 6. Далее, диаметр отверстия 90 выполнен так, чтобы получить наибольшую скорость перемещаемого вещества там, где расстояние от отверстия до стенки контейнера самое большое. Чтобы еще более усилить эффект насадки от отверстий, края отверстий могут быть вырезаны лазером, благодаря чему предотвращается образование заусенцев.
Как описано выше, вещество извлекается из контейнера через отверстие 24 в выпускной части 29 и выходит из теплообменника через отверстие 18. В этом варианте осуществления выпускная часть 29 углублена на некоторое расстояние внутрь контейнера и снабжена многочисленными небольшими отверстиями 91, которые можно видеть на развернутом виде, включенном в фиг.9. Небольшие отверстия предотвращают сворачивание или складывание выпускной части 29 из-за разницы давлений вещества внутри и снаружи выпускной части. Теплообменник 2 устанавливается на контейнер у фланцев 26 и 27 обычными средствами, такими как болты или им подобным.
Подобный вариант осуществления теплообменника 2 показан на фигурах 10a-c на виде сбоку, сверху и с торца, соответственно. Вещество входит и выходит из теплообменника тем же путем, как описано со ссылкой на фиг.9. В этом варианте осуществления нагревающая среда проходит по отверстию 19 через одну трубу 93, соединенную со второй трубой 94 по существу параллельно первой, и выходит через отверстие 20. Это лучше всего видно на фиг.10b. Трубы 93, 94 проходят внутри кожуха 6 по всей его длине. Этот альтернативный вариант осуществления выгоден тем, что он дает высокую эффективность нагрева и является простым и недорогим в изготовлении.
Пример 1 Стальной резервуар размером 1×1×1 м, объемом 1 м3 оборудован теплообменником, имеющим конструкцию, соответствующую фиг.1-3 и 8. Кожух 6 выполнен из стальной трубы 83×80 мм (внутренний диаметр 80 мм и наружный диаметр 83 мм). Труба 8 выполнена из стальной трубы 63×60 мм, а труба 15 выполнена из стальной трубы 32×30 мм. Длина L составляет 0,9 м, и кожух 6 снабжен двумя отверстиями 7, обращенными вверх, и четырьмя отверстиями 7, обращенными вбок (по два на каждой стороне), причем отверстие 7 имеет диаметр 10 мм. Стальной резервуар заполняют 800 кг Confao™35 (поставщик: Aarhus United, 8000 Aarhus, Дания). Confao™35 является кондитерским жиром на основе гидрогенизированных растительных масел нелауринового происхождения, со следующими типичными параметрами:
- Промежуточная температура плавления = 37°С (согласно AOCS Сс 3-25)
- Транс-изомеры жирных кислот = 43% (согласно IUPAC 2.304)
Растительные масла обычно имеют следующие, связанные с теплотой параметры:
- Жидкие жиры: удельная теплоемкость = 2,1 кДж/(кг·К)
- Теплота плавления = 185-210 кДж/кг.
После наполнения резервуар находился три дня в помещении для хранения, имеющем температуру 5 градусов Цельсия, в результате чего масло затвердело. Нагретая вода, используемая как теплопередающая среда, циркулирует в теплообменнике, как описано выше со ссылкой на фиг.6. После того как затвердевшее масло в теплообменнике растопилось, начинается перемещение и циркуляция растопленного масла, которая продолжается до тех пор, пока все масло не растопится и не будет получена однородная температура масла.
Было проведено три опыта с температурой теплопередающей среды (вода) 90°С, 75°С и 65°С, соответственно. Скорость потока воды через теплообменник составляла приблизительно 1 литр/секунда. Было проведено четыре опыта с паром в качестве теплопередающей среды, при давлении 1,8 бар и с температурой 131°С. Для всех четырех опытов температура масла в резервуаре записывалась в начале и в конце. Также записывалось время.
| Таблица 1 Результаты испытаний |
|||
| Температура | Конечная | Время для | |
| теплопередающей | Начальн. темп. | темп*. масла | плавления |
| среды | масла [°С] | [°С] | [часы] |
| 90°С вода | 11,9 | 39,5 | 6,33 |
| 75°С вода | 11,9 | 38,1 | 8,33 |
| 65°С вода | 11,9 | 36,4 | 10,50 |
| 1,8 бар пар | 9,7 | 36,4 | 3,33 |
| *Температура масла в момент, когда все масло растопилось, который определяется визуальным наблюдением. |
Пример 2
24000-литровый многослойный мягкий резервуар одноразового пользования от Braid & Со был помещен в 20'-ный сухой контейнер. Мягкий резервуар был оборудован теплообменником, как показано на фиг.5a. Теплообменник (см. фиг.8) имел длину 5,3 метра и диаметр 84 мм. Наружный цилиндрический кожух имел двадцать 10-миллиметровых отверстий, равномерно распределенных по обеим сторонам и в верхней части для рассредоточения потока материала.
Затем мягкий резервуар наполняли 17,5 метрическими тоннами Shokao™94 (Aarhus United, Дания). Shokao™94 представляет собой заменитель масла какао на основе фракционированного и негидрогенизированного нелауринового масла, с точкой плавления 32°С. Жир является полиморфным и ведет себя как масло какао. Чтобы охладить и кристаллизовать жир, контейнер был помещен на открытый воздух на шесть недель при средней температуре примерно 2°С. Теплообменник был соединен с нагревательным устройством, как показано на фиг.6. Насос, позиция 42, был насосом Grundfoss СР8-40, отрегулированным на циркуляцию воды при расходе 11 м3/ч. Далее, теплообменник был соединен с устройством циркуляции, как показано на фиг.7. Насос, позиция 48, был насосом KSB Etachrom ВС032-125/302, отрегулированным на расход 15 м3/ч. Температурные датчики были установлены в линиях циркуляции воды и испытываемого материала. Аналогично, один датчик был установлен сверху мягкого резервуара. Все температуры записывались одновременно с 10-минутными интервалами.
Испытание началось 24 февраля 2004 и установочная процедура была, как описано в примере 1. Были получены следующие результаты:
| Время, в часах | Температура нагревающей воды, °С | Температура циркулирующего масла, °С | Температура наверху мягкого резервуара, °С |
| 5 | 80,4 | 42,9 | 7,7 |
| 10 | 80,4 | 39,3 | 5,7 |
| 15 | 71,0 | 39,3 | 4.6 |
| 20 | 77,7 | 39,3 | 4,6 |
| 25 | 80,4 | 39,3 | 8,4 |
| 30 | 75,0 | 39,3 | 14,5 |
| 35 | 72,3 | 39,3 | 32,2 |
| 40 | 72,3 | 39,3 | 33,3 |
| 45 | 76,3 | 40,5 | 34,1 |
| 50 | 72,3 | 42,9 | 36,5 |
В период от 10 до 40 часов плавление находилось в стационарном состоянии, на что указывает постоянная температура циркулирующего масла. Кроме того, можно видеть, что объем материала расплавился за период времени от 35 до 40 часов, что указывается температурой, равной или выше точки плавления материала, наверху мягкого резервуара. При рассмотрении было обнаружено, что остался слой всего примерно 1 см твердого материала на удаленном конце мягкого резервуара.
В конце испытания вещество было слито, при этом в мягком резервуаре осталось приблизительно 30 кг вещества.
Пример 3
Этот пример по существу является продолжением примера 2, с тем исключением, что теплообменник и установка перемешивания были оптимизированы и в схему расплавленного вещества был введен внешний теплообменник, чтобы усилить теплоперенос. Кроме того, вещество было перевезено на другой континент, чтобы проверить промышленную применимость идеи изобретения, применяемого на веществе пищевого качества, которое склонно портиться при транспортировке.
24000-литровый многослойный одноразовый мягкий резервуар от Braid & Со помещали в 20'-ный сухой контейнер. Мягкий резервуар был оборудован теплообменником и установкой перемешивания, как показано на фиг.5а. Теплообменник (см. фиг.9 и 10a-c) имел длину 5,3 метра и диаметр 76 мм. Наружный цилиндрический кожух имел тридцать пять отверстий, служащих в качестве простых сопел, равномерно распределенных по длине кожуха по двум сторонам и верхней части, чтобы распределить поток материала. Отверстия в кожухе имели разный диаметр и положение, чтобы обеспечить эффект полного перемешивания вещества (см. фиг.9). Затем мягкий резервуар наполняли 20,5 метрическими тоннами Illexao™30-61 (Aarhus United, Дания). Illexao™30-61 представляет собой эквивалент масла какао на основе фракционированных и негидрогенизированных экзотических масел, с промежуточной температурой плавления 34°С. Жир является полиморфным и ведет себя, как масло какао. После охлаждения контейнер был отправлен как обычная грузовая цистерна в Бразилию. По прибытии контейнер был помещен в помещение под крышу и теплообменник был соединен с нагревательным устройством, как показано на фиг.6, и в схему циркулирующего расплавленного вещества был включен внешний теплообменник (фиг.7).
Нагрев и расплавление вещества проводилось при следующих параметрах:
- Окружающая температура - приблизительно 20°С (ночь) и 35°С (день)
- Расход нагревательной воды - 12 м3/ч.
- Скорость потока циркулирующего расплавленного вещества - 15 м3/ч.
Датчики температуры были встроены в линии для циркулирующей воды и расплавленного вещества. Аналогично, один датчик был установлен наверху мягкого резервуара. Все температуры записывались одновременно с 3-минутными интервалами. Испытание началось 11 января 2005, процедура запуска была описана в примере 1. Были получены следующие результаты:
| Время, в | Температура* | Температура | Температура |
| часах | нагревающей | циркулирующего | наверху мягкого |
| воды, °С | масла, °С | резервуара, °С | |
| 5 | 80 | 30 | 30 |
| 10 | 80 | 53 | 30 |
| 15 | 80 | 51 | 30 |
| 20 | 80 | 53 | 52 |
| 22,5 | 80 | 57 | 57 |
| 25 | 80 | 63 | 65 |
| * Шаг термостата ±10°С. |
В период от 10 до 20 часов плавление находилось в стационарном состоянии, на что указывает постоянная температура циркулирующего масла. Кроме того, можно видеть, что объем материала расплавился через 20 часов, что указывается почти одинаковой температурой циркулирующего вещества и температурой наверху мягкого резервуара. После выгрузки расплавленного вещества было обнаружено, что в мягком резервуаре осталось менее 25 кг.
Результаты анализа, проведенного перед загрузкой и после расплавления, доказали, что в результате всех загрузочно-разгрузочных работ качество вещества не пострадало. Была отмечена только незначительная окислительная или термическая деструкция.
Пример 4 (сравнительный)
Этот пример является сравнительным примером, основанным на способе согласно уровню техники, широко применяющимся одновременно с настоящим изобретением.
Итак, 24000-литровый многослойный одноразовый мягкий резервуар был помещен в 20'-ный сухой контейнер поверх обогревающего мата, известного так же, как нагревательная подушка. Затем мягкий резервуар был наполнен Cebes™30-86 (Aarhus United, Дания). Cebes™30-86 представляет собой заменитель масла какао на основе фракционированного и гидрогенизированного косточкового пальмового масла, с промежуточной температурой плавления 35°С. После охлаждения контейнер был отправлен как обычная грузовая цистерна в Австралию.
По прибытии трубы нагревательной подушки были соединены с контуром циркуляции нагревательной воды. Нагрев и расплавление вещества проводились при следующих параметрах:
- Расход нагревательной воды - 2,5 м3/ч при перепаде давления 2,3 бара.
- Входная температура нагревательной воды - 85°С.
- Выходная температура нагревательной воды - 60°С.
Нагрев продолжался до тех пор, пока весь материал не перешел в жидкое состояние и не стал готовым для выгрузки. Следующие результаты являются средними показаниями на основе примерно 240 поставок, как описано выше.
| Параметр | Лето | Зима |
| Дневная температура окружающей среды | 28°С | 15°С |
| Ночная температура окружающей среды | 15°С | 3°С |
| Время расплавления, в часах | 70 | 90 |
Из результатов видно, что этот способ обращения с жидкими продуктами большого объема, являющимися твердыми при температуре окружающей среды, является и неэффективным, и соответственно дорогим.
Определение
Когда бы в настоящем контексте ни упоминалось вещество, его следует понимать в широком смысле, как включающее любой материал или комбинацию материалов, которые по меньшей мере при одном условии имеют такую вязкость/консистенцию, что вещество может перемещаться известными перекачивающими устройствами.
Неисчерпывающий список таких веществ включает:
- растительные масла или жиры;
- съедобные масла или жиры;
- жирные спирты;
- полигликоли;
- вазелин;
- твердый парафин;
- натуральный или синтетический каучук;
- смолы.
Следует понимать, что изобретение, как оно раскрыто в описании и фигурах, может быть модифицировано и изменено, но будет оставаться в пределах объема изобретения, как указывается ниже в формуле изобретения.
1. Способ повышения температуры вещества в контейнере, где вещество первоначально находилось в, по меньшей мере, частично затвердевшем состоянии, причем в контейнере установлен, по меньшей мере, один теплообменник и перекачивающее устройство для перемещения вещества, включающий следующие этапы:
a) обеспечение теплообмена между теплообменником и веществом,
b) перемещение вещества перекачивающим устройством для повышения теплообмена между теплообменником и веществом,
c) перемешивание вещества перекачивающим устройством путем перемещения вещества внутри контейнера через, по меньшей мере, одно устройство типа сопла для повышения скорости прохождения при перемешивании.
2. Способ по п.1, в котором теплообменник соединен с внешними устройствами питания для передачи тепла веществу в контейнере, при этом устройства питания и перекачивающее устройство координируются устройством управления для регулирования температуры вещества.
3. Способ по п.1 или 2, в котором теплообменник содержит вытянутую цилиндрическую поверхность и направляющее устройство для прохождения вещества вдоль поверхности при осуществлении этапа b), причем направляющее устройство соединено с перекачивающим устройством.
4. Способ по п.3, в котором направляющее устройство содержит кожух, расположенный по существу концентрически вокруг теплообменника, причем кожух содержит ряд отверстий, расположенных в определенном порядке по длине кожуха для распределения вещества при проведении этапа с).
5. Способ по п.2, в котором внешние устройства питания содержат устройство для нагрева воды.
6. Способ по п.1, в котором вещество первоначально находится в, по меньшей мере, частично затвердевшем состоянии, причем теплообмен между теплообменником и веществом в соответствии с этапом а) происходит по меньшей мере до тех пор, пока часть вещества не расплавится, прежде чем начнутся этапы b) и c).
7. Способ по п.1, который применяется для растапливания затвердевшего съедобного масла или жира.
8. Аппарат для повышения температуры вещества в контейнере, в котором вещество первоначально находилось в, по меньшей мере, частично затвердевшем состоянии, причем аппарат содержит по меньшей мере один теплообменник, приспособленный для обмена теплом с веществом, когда теплообменник находится в контейнере, причем аппарат, кроме того, содержит устройство перекачивания и направляющее устройство для перемещения вещества в контейнере, причем перекачивающее и направляющее устройства приспособлены для перемешивания вещества посредством по меньшей мере одного устройства типа сопла для повышения скорости течения и усиления теплообмена между теплообменником и веществом, когда вещество перемещается.
9. Аппарат по п.8, в котором теплообменник приспособлен для соединения с внешними устройствами питания для переноса тепла к веществу в контейнере.
10. Аппарат по п.8 или 9, который содержит устройство управления для регулирования потока теплопередающей среды между внешними устройствами питания и теплообменником.
11. Аппарат по п.8, в котором контейнер приспособлен для транспортировки по меньшей мере одного вещества большого объема, включая по меньшей мере одну жидкость в текучем и/или затвердевшем состоянии.
12. Аппарат по п.8, который объединен в одно целое с контейнером на технологической установке.
13. Система, содержащая контейнер, приспособленный для хранения вещества, теплообменник, выполненный с по меньшей мере одной вытянутой цилиндрической поверхностью внутри контейнера, и направляющее устройство, предназначенное для проведения вещества вдоль поверхности теплообменника, причем направляющее устройство содержит кожух, установленный, по существу, концентрически вокруг теплообменника, и приспособлено для приема потока вещества, причем кожух имеет ряд отверстий, расположенных в определенном порядке по длине кожуха, для распределения потока вещества, когда он имеется.
14. Система по п.13, в которой теплообменник установлен на нижней стороне контейнера.
15. Система по п.13 или 14, в которой теплообменник соединен с соединительным устройством для связи с перекачивающим устройством для подачи потока вещества.
16. Система по п.13, в которой контейнер приспособлен для транспортировки по меньшей мере одного вещества большого объема, в том числе по меньшей мере одной жидкости в текучем и/или затвердевшем состоянии.
17. Система по п.13, в которой контейнер является контейнером, выполненным в основном из полимерного материала.
18. Теплообменник, содержащий вытянутую и, по существу, цилиндрическую секцию, приспособленную для теплообмена с веществом, причем вокруг теплообменника, по существу, концентрически установлено направляющее устройство, содержащее кожух, предназначенное для приема и проведения потока вещества вдоль секции, причем кожух имеет ряд отверстий, расположенных в определенном порядке по длине указанного кожуха, для распределения потока вещества, когда он имеется.
19. Теплообменник по п.18, который включает соединительное устройство, приспособленное для соединения теплообменника с фланцем или концом трубы.
20. Теплообменник по п.18 или 19, в котором цилиндрическая секция является первой трубой, имеющей первый и второй концы, причем второй конец закрыт и вторая труба расположена, по существу, концентрически внутри цилиндрической секции, причем первый конец второй трубы находится рядом со вторым концом цилиндрической секции, а второй конец - рядом с первым концом цилиндрической секции, причем теплопередающая среда проходит от второго к первому концу второй трубы и далее от второго к первому концу цилиндрической секции.
21. Теплообменник по п.20, в котором второй конец второй трубы соединен с устройством для приема теплопередающей среды, и первый конец цилиндрической секции соединен с устройством для возвращения теплопередающей среды.
22. Теплообменник по п.18 или 19, в котором цилиндрическая секция содержит две, по существу, параллельные трубы, соединенные на своих внутренних концах, при этом теплопередающая среда проходит через соединенные трубы.
23. Теплообменник по п.18, который содержит по меньшей мере одно отверстие, приспособленное для выпуска вещества из части теплообменника наружу через отверстие, причем часть теплообменника имеет отверстие, приспособленное для приема вещества, когда теплообменник установлен в контейнере, содержащем это вещество.
