Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности перевозки и разогрева вязких и загустевающих грузов в вагонах-цистернах с электроподогревом 10
1.1 Специфика перевозки вязких и загустевающих грузов в вагонах-цистернах с электроподогревом 10
1.2 Обзор подвижного состава для перевозки вязких и загустевающих грузов 20
1.3 Особенности существующей электрической системы разогрева вагона-цистерны 25
1.4 Методы расчета процесса разогрева 27
1.5 Постановка задач исследования 36
2. Методика расчета процессов теплообмена при разогреве и сливе вязких и загустевающих грузов в вагонах-цистернах с электроподогревом 37
2.1 Теплообмен при разогреве груза в вагоне-цистерне с электроподогревом 37
2.2 Постановка задачи. Математическая модель 40
2.3 Метод решения задачи 48
2.4 Разработка алгоритма решения. Информационная модель процесса теплообмена 50
2.5 Выводы 51
3. Теоретическое исследование процесса разогрева вязких и загустевающих грузов в вагонах-цистернах с электроподогревом 52
3.1 Теплофизические характеристики материалов, перевозимых в вагонах цистернах с электроподогревом 52
3.2 Теплообмен при разогреве электроподогревателями 57
3.3 Оценка погрешности 64
3.4 Выводы 67
4 Экспериментальное исследование процесса разогрева груза в вагоне-цистерне с электроподогревателями 68
4.1 Натурные испытания вагона-цистерны для расплавленной серы 68
4.1.1 Объект натурных испытаний 68
4.1.2 Средства измерений при проведении натурных испытаний 73
4.1.3 Оценка погрешности измерений при проведении натурных испытаний 75
4.1.4 Результаты натурных испытаний 79
4.2 Лабораторный эксперимент 82
4.2.1 Объект исследования при проведении лабораторного эксперимента 83
4.2.2 Экспериментальная установка 87
4.2.3 Оценка погрешности измерений при проведении лабораторных исследований 89
4.2.4 Проведение эксперимента. Обработка и анализ результатов измерений 91
4.3 Выводы 95
5. Сравнение результатов исследований. Экономический эффект от внедрения полученных решений 96
5.1 Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований 96
5.2 Расчет экономического эффекта от внедрения полученных решений 102
5.3 Выводы 106
Заключение 107
Список сокращений и условных обозначений 109
Список литературы 111
Приложение А 122
Приложение Б 128
- Обзор подвижного состава для перевозки вязких и загустевающих грузов
- Теплообмен при разогреве электроподогревателями
- Оценка погрешности измерений при проведении натурных испытаний
- Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время существует
устойчивый спрос на перевозку загустевающих грузов – жидкой серы и
пека – железнодорожным транспортом. Жидкая сера используется при
производстве удобрений, красителей, светящихся составов, в резиновой,
целлюлозно-бумажной, нефтедобывающей, нефтехимической
промышленности, сельском хозяйстве, медицине; пек – на алюминиевых предприятиях, при производстве электродов, пластмасс, ленточной массы для доменных печей и строительных материалов.
Анализ потребления указанных вязких грузов подтвердил
устойчивый объем их перевозок. Транспортировка жидкой серы и пека усложняется тем, что при снижении температуры до температуры окружающего воздуха, грузы загустевают, и их выгрузка без предварительного разогрева невозможна.
Температура размягчения пека в зависимости от сорта колеблется в пределах 70-90 С, серы – около 110 С. Дальность перевозки наряду со сложными природными условиями России приводят к полному застыванию продукта, а высокая продолжительность разогрева, в свою очередь, увеличивает время простоя вагонов-цистерн.
Конструкцией подвижного состава для перевозки этих грузов
предусмотрен разогрев электрическими нагревателями. Это
обстоятельство служит причиной для возникновения перегрева нижней
части котла цистерны, что приводит к преждевременному выходу
подвижного состава из строя. Вышесказанное указывает на
несовершенство существующих вагонов-цистерн.
Постоянный спрос на грузы, широкая география перевозок, наличие
большого количества производителей и потребителей приводит к
необходимости научных исследований, направленных на
совершенствование существующей системы разогрева, предложения
новых технических решений для ускорения выгрузки продукта, сохранения работоспособности подвижного состава.
Степень разработанности темы исследования. В области развития вагонов-цистерн, разогрева перевозимых вязких грузов известны работы С.В. Беспалько, А.А. Битюцкого, Г.И. Богомаза, Ю.П. Бороненко, В.М. Бубнова, М.Б. Кельриха, В.Н. Котуранова, В.И. Моисеева, В.Г. Мышкова, И.Г. Морчиладзе, М.Н. Овечникова, А.В. Смольяникова, А.В. Третьякова, С.А. Федорова, Л.А. Шадура.
Совершенствованием конструкции вагонов-цистерн занимаются АО «НПК «Уралвагонзавод», ООО «ВНИЦТТ», ПАО «Азовмаш», ОАО «НИИ вагоностроения», АО «НВЦ «Вагоны», МИИТ, ПГУПС, ВНИИЖТ.
Анализ системы электроразогрева вязких и загустевающих грузов в
существующих вагонах-цистернах указал на несовершенство конструкции
данного вида подвижного состава и недостаточную степень
разработанности темы исследования.
Цель работы заключается в научном обосновании необходимости
совершенствования систем электроразогрева вязких и загустевающих
грузов, предложении технических устройств для уменьшения
продолжительности разогрева, снижения температурного напряжения на нижнюю часть котла вагонов-цистерн.
Для достижения поставленной цели работы решены следующие задачи:
1. Проанализирована проблема перевозки вязких и загустевающих
грузов в подвижном составе с электроподогревателями;
2. Выявлены особенности транспортировки, разогрева и слива
жидкой серы и жидкого пека на основании обзора используемого
подвижного состава;
3. Разработана методика расчета процессов теплообмена при
разогреве загустевающего груза электроподогревателями с определением
значения температур в характерных областях котла вагона-цистерны;
-
Выполнено теоретическое исследование температурного поля с обоснованием необходимости интенсификации конвективного теплообмена на боковой части котла вагона-цистерны;
-
Проведена проверка теоретического исследования натурными и лабораторными экспериментальными исследованиями.
6. Предложено использование воздушных вентиляторов для
совершенствования способов разогрева для ускорения выгрузки вязких и
загустевающих грузов из железнодорожных цистерн с электроподогревом;
7. Сделана оценка предположительного экономического эффекта от
внедрения предлагаемых технических устройств на перспективном
подвижном составе.
Научная новизна работы:
-
Предложена методика расчета процесса теплообмена при разогреве вязких и загустевающих грузов в специализированных вагонах-цистернах с электрическими нагревателями;
-
Получены температурные поля разогреваемого груза, указывающие на способность интенсификации конвективного теплообмена положительно влиять на ускорение выгрузки продукта.
Теоретическая значимость работы:
1. С помощью предложенной методики разработана программа,
позволяющая получать температурные поля груза в вагоне-цистерне с
электрическими нагревателями при изменении входных параметров:
мощности нагревателей, интенсивности движения воздуха вокруг котла
вагона-цистерны, начальной температуры и физических свойств груза;
2. Разработанная методика расчета процесса теплообмена при
разогреве вязких и загустевающих грузов в специализированных вагонах-
3
цистернах с электрическими нагревателями позволяет оценить
целесообразность перевозки других грузов в данном подвижном составе. Практическая значимость работы:
-
Предложенное использование воздушных вентиляторов при разогреве ускорит выгрузку продукта, снизит температурное напряжение на нижнюю часть котла, и, как следствие, увеличит срок службы вагона-цистерны;
-
Внедрение предложенных технических решений позволяет получить экономический эффект;
-
Отдельные материалы диссертационной работы использованы при написании методических указаний «Расчет процессов разогрева вязких грузов в железнодорожных цистернах с применением электронагревателей» (СПб, ПГУПС, 2016), которые применяются в учебном процессе на кафедре «Теплотехника и теплосиловые установки» ФГБОУ ВО ПГУПС;
-
Результаты работы использованы в структурных подразделениях ОАО «РЖД», АО «Вагонная ремонтная компания-3» при эксплуатации и ремонте подвижного состава.
Методология и методы исследования. При исследовании разогрева груза электрическими нагревателями для решения задачи теплообмена использовался метод конечных элементов. Для численных исследований использовался программный комплекс ELCUT.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика расчета процессов теплообмена при разогреве загустевающего груза электроподогревателями с определением значения температур в характерных областях котла вагона-цистерны;
-
Обоснование целесообразности использования воздушных вентиляторов для совершенствования существующей системы разогрева.
Достоверность полученных результатов подтверждается значением расхождения данных, полученных при экспериментальном исследовании, с расчетными данными в 4,8%, а также коэффициентом вариации, не превышающим 0,7%, при различном шаге дискретизации сетки конечных элементов при решении задачи.
Апробация результатов исследования. Результаты проведенных
исследований описаны в докладах на международных научно-технических
конференциях: «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты»
(Санкт-Петербург, 2013, 2016), «Транспорт-2013» (Ростов-на-Дону,
РГУПС, 2013); всероссийской научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя Науки» (Санкт-
Петербург, ПГУПС, 2014, 2015); международном симпозиуме
«Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и
электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного
железнодорожного транспорта (Эльтранс-2015)» (Санкт-Петербург,
ПГУПС, 2015).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Изложена на 129 страницах машинописного текста. Содержит 45 иллюстраций, 7 таблиц. Библиографический список состоит из 114 источников.
Обзор подвижного состава для перевозки вязких и загустевающих грузов
Особенность расположения производителей жидкой серы и каменноугольного пека (см. рисунок 1.1.4) оказывает влияние на способ перевозки указанных грузов. Наиболее распространенным видом транспорта для перевозки в нашей стране является железнодорожный транспорт.
Для перевозки жидкой серы используются четырехосные вагоны-цистерны моделей 15-1480 (рисунок 1.2.1) и 15-1482, для пека - 15-1532 (рисунок 1.2.2), 15-1257.
Вагоны-цистерны для перевозки серы и пека в схожи в конструкции (рисунок 1.2.3) и имеют общие элементы.
Котел состоит из цилиндрической обечайки и двух эллиптических днищ и выполнен из низколегированной стали. Для более полного слива продукта нижний лист котла имеет с двух сторон уклон к поддону, в котором опущена сливная труба.
Налив и слив груза – верхние.
Время разгрузки вышеуказанных вагонов-цистерн, как и время нежелательного контакта персонала с ядовитым грузом, зависит от интенсивности разогрева до температуры, при которой возможен их слив. С другой стороны, превышение допустимых пределов температуры приводит к потере устойчивости оболочки котла и выходу из строя вагонов-цистерн.
За границей Российской Федерации для перевозки пека и серы используется морской, автомобильный и железнодорожный транспорт.
По железной дороге грузы перевозят в цистернах без электрического подогрева (рисунок 1.2.4, 1.2.5), оборудованных термоизоляцией.
Разогрев производится за счет паровых обогревательных труб (рисунок 1.2.6). Такое техническое решение обусловлено меньшим перепадом температур воздуха, меньшим времени в пути.
Наиболее крупными производителями цистерн в Европе являются: Bombardier Transportation (Канада), The Voith GmbH (Германия), Electroputere VFU (Румыния). В США ниаиболее известны следующие фирмы: The Budd Company, American Car and Foundry, PACCAR Inc., The Greenbrier Companies.
Обзор существующего подвижного состава для перевозки жидкой серы и каменноугольного пека указывает на несовершенство существующей конструкции цистерн. Климатические условия нашей страны заставляют задуматься о совершенствовании системы разогрева вязких грузов в вагонах-цистернах.
Теплообмен при разогреве электроподогревателями
В настоящее время перевозка жидкой серы и пека производится в специализированных железнодорожных вагонах-цистернах с электрическими нагревателями. В процессе загрузки и выгрузки продукта из данного вида подвижного состава была обнаружена проблема перегрева нижней части котла вагона-цистерны. Повышенные температурные нагрузки снижают прочностные характеристики стали: с ростом температуры металл котла вагона-цистерны переходит в пластичное состояние и снижается сопротивление пластической деформации.
Пластичное состояние метала, наряду с влиянием массы груза и температурных нагрузок приводят к появлению остаточных деформаций (прогибов) в нижней части котла вагона-цистерны [59, 101].
Современные методики позволяют судить о возможности эксплуатации вагонов-цистерн с электрическими нагревателями по величине остаточных деформаций.
С целью формулировки предложений по решению вышеуказанной проблемы и для ускорения разгрузки продукта были выполнены следующие этапы численного моделирования процесса теплообмена:
1. Заданы геометрические размеры котла вагона-цистерны, используемой для перевозки жидкой серы и пека (ср = ж рад, R = 1,3M);
2. Заданы начальные условия (2.2.2), характерные для перевозки груза в наименее благоприятных условиях для расчета разогрева продукта (Тгрт=0(г,(р,0) = 0С).
3. Заданы граничные условия (2.2.3 - 2.2.4):
3.1. Граничные условия для нижней части котла: введены значения теплового потока через единицу площади котла вагона-цистерны от электрических нагревателей 4000 Вт/м2;
3.2. Граничные условия для остальной части котла: заданы значения коэффициентов теплоотдачи между воздухом и поверхностью котла вагона-цистерны, характерные для естественной и вынужденной конвекции;
Для задания граничных условий необходимо ввести температуру воздуха, двигающегося вдоль котла вагона цистерны. Значение температуры воздуха задано как функция по времени
Изменением теплоемкости воздуха по температуре пренебрегаем, ввиду ее незначительного изменения на исследуемом промежутке.
Для нахождения температуры в каждый момент времени использовалось уравнение
Принимая во внимание, что начальная температура воздуха равна начальной температуре груза (1Н = 1 0 =0 С), а также подставив значения теплоемкости воздуха с, объема воздуха V, плотности воздуха р получим линейную функцию значения температуры воздуха в пространстве между котлом и наружным кожухом цистерны
При этом, температура воздуха между котлом вагона-цистерны и кожухом увеличивается с начала разогрева до достижения температуры в 350 С.
4. Заданы теплофизические характеристики груза.
Исследования температурного поля груза вагона-цистерны заключались в определении закономерности между увеличением коэффициента теплоотдачи между воздухом и поверхностью котла. Повышение указанного коэффициента подразумевает увеличение скорости движения воздуха в зазоре размером 30 мм, образованного между котлом и кожухом электронагревателей.
Критерием оценки была температура в нижней и верхней частях исследуемого распределения.
Результатом решения задачи для существующего вагона-цистерны стало температурное поле (рисунок 3.2.1), характеризующееся перегревом нижней части котла при недостаточном нагреве верхних слоев груза.
При этом температурное поле характеризуется большой разницей температур между верхней и нижней частью котла, что говорит о неравномерном разогреве груза.
Отмечается минимальная роль конвективного теплообмена в зоне боковой части котла вагона-цистерны, преобладает лучистый теплообмен от электрических нагревателей в нижней части продольного среза вагона-цистерны.
На рисунке наряду со значением температур в каждой точке поперечного среза котла вагона-цистерны также представлены векторы, указывающие направление теплового потока, сетка конечных элементов.
В качестве решения выявленной проблемы было предложено создание технических устройств, увеличивающих скорость движения воздуха вокруг котла цистерны, что приводит к плавному распределению температур по поверхности котла и создает отток излишней теплоты с днища котла цистерны (рисунок 3.2.2). Данный метод уже используется в промышленности и служит в основном для предотвращения перегрева отдельных участков конструкции из-за неоднородности тепловой изоляции, местных подводов теплоты по металлическим деталям у газотурбинных установок [38].
Стоит отметить, что в качестве исследуемого груза выбрана жидкая сера ввиду более широкого распространения подвижного состава для данного груза, а также ввиду больших по сравнению с жидким пеком объемов перевозки.
С ростом температуры уменьшается значение предельных напряжений, под воздействием которых наблюдается переход упругого состояния металла в пластичное (предел текучести), т.е. происходит снижение сопротивления пластической деформации [48, 59].
На основании полученных распределений температур было спрогнозировано поведение стенки котла вагона-цистерны в части появления остаточных деформаций расчетного элемента в случае отсутствия принудительного конвективного теплообмена на поверхности котла вагона-цистерны (рисунок 3.2.3) согласно поставленной задаче (рисунок 2.2.6).
К граничным и начальным условиям этой задачи, в целом дублирующих условия задачи по расчету температурного поля груза, было добавлены граничные условия III рода (2.2.8), с помощью которых задана температура груза над исследуемым элементом котла и закон теплообмена между оболочкой котла и грузом. Коэффициент теплоотдачи а соответствует условиям естественной конвекции груза при разогреве. Температуры поверхности исследуемого элемента Тэл и груза Т были получены при решении задачи для груза с естественной конвекцией (рисунок 3.2.1).
Картина температурного поля, величина прогиба в расчете согласно существующим методикам требует списания вагона-цистерны по состоянию котла [59].
Для увеличения срока службы вагонов-цистерн требуется перераспределение существующих электроподогревателей, что повлечет за собой равномерный нагрев вязкого груза и снижение температурных напряжений в оболочке котла.
Оценка погрешности измерений при проведении натурных испытаний
Проведение натурных испытаний предполагало измерение температуры в единицу времени. В таком случае за общую погрешность измерений принимается предел результирующей погрешности всех используемых средств измерений температуры, применяемых при проведении натурных испытаний. Таким образом значение температуры в каждой точке исследуемого вагона-цистерны tpe3 , С, можно описать выражением: где tpe3 - результирующее значение температуры, С; t - температура по показаниям прибора, С; орез - значение предела результирующей погрешности, С.
В таком случае относительная погрешность ktpe3 вычисляется по формуле:
Для вычисления результирующей погрешности использован метод, основанный на оценке результирующих погрешностей средств измерений, использованных при проведении натурных испытаний.
Указанный метод подразумевает предел результирующей погрешности рез, С, как сумму пределов допускаемых значений погрешности для всех приборов, измеряемых температуру (см. таблицу 4.1.2.1): где п - число использованных средств измерений; St - предел допускаемой погрешности z-го средства измерения, С.
Следует отметить, что нахождение температуры при проведении натурных испытаний протекали в двух независимых экспериментальных процессах: при нахождении коэффициента теплопередачи стенки и при исследовании охлаждения и разогрева груза в вагоне-цистерне. В каждом из приведенных процессов был использован индивидуальный комплект измерительных приборов, что говорит об различных значениях погрешностей.
Значение результирующей погрешности орезк , С, при измерении температур для оценки коэффициента теплопередачи описывается выражением: где отц - предел допускаемой погрешности на цифровом термометре, С; 8ик - предел допускаемой погрешности на измерителе комбинированном, С.
Согласно паспортным данным предел допускаемой погрешности на цифровом термометре составляет 0,55%. Средняя температура на внутренней поверхности вагона при исследовании коэффициента теплопередачи изоляции котла вагона-цистерны составила tB = 63,13 С (см. таблицу 4.1.4.2).
Таким образом, применительно к значениям исследуемых температур в численном выражении предел допускаемой погрешности отц , С, будет вычисляться по формуле (4.1.3.5).
Согласно паспортным данным предел допускаемой погрешности на комбинированном измерителе составляет 1,66%. Средняя температура на наружной поверхности вагона при исследовании коэффициента теплопередачи изоляции котла вагона-цистерны составила В=18,10С (см. таблицу 4.1.4.1).
Применительно к значениям исследуемых температур в численном выражении предел допускаемой погрешности SUK, С, равен
Таким образом значение результирующей погрешности орезк , С, при измерении температур для оценки коэффициента теплопроводности будет равно: дрезк - тЧ +дик = 0,35 + 0,30 = 0,65 С, (4.1.3.7) что в процентном соотношении к измеряемым температурам составит 1,44%.
Охлаждение груза в вагоне является нестационарным процессом теплообмена, что заставляет учитывать кроме статической погрешности 8стат динамическую погрешность SduH , обусловленную динамическими свойствами использованных приборов и особенностями теплообмена.
Значение результирующей погрешности орезо , С, при измерении температур при охлаждении и разогреве груза в вагоне-цистерне описывается выражением: где Sn - предел допускаемой погрешности на пирометре, С; где 8т - предел допускаемой погрешности на тепловизоре, С.
Согласно паспортным данным предел допускаемой погрешности на пирометре составляет 2,0%. Температура слива tcn принималась равной 140 С. Применительно к значениям исследуемых температур в численном выражении предел допускаемой погрешности с учетом динамической погрешности SduH , С, будет равен:
Согласно паспортным данным предел допускаемой погрешности на тепловизоре также составляет 2,0%. Применительно к значениям исследуемых температур в численном выражении предел допускаемой погрешности Sm , С, с учетом динамической погрешности SduH , будет аналогично 8п равен:
Таким образом значение результирующей погрешности орезо , С, при исследовании охлаждения груза в цистерне будет равно: йрезо =дп+ т =2,8 + 2,8 = 5,6 С, (4.1.3.11) что в процентном соотношении к измеряемым температурам составит 4,0%.
Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований
Экспериментальное подтверждение результатов, полученных при решении задачи, позволит подтвердить правильность краевых и начальных условий, адекватность математической модели, описывающей процесс нагрева груза в железнодорожной цистерне с электрическими нагревателями.
Проверка результатов натурных испытаний сводится к сравнению исследуемых величин с их расчетными значениями.
Для оценки результатов измерения коэффициента теплопередачи к используется его сравнение с расчётным значением. Методика получения значения расчетного коэффициента теплопроводности подробно приведена в I главе диссертации.
Отклонение при получении экспериментального значения коэффициента теплопередачи , %, оценивается по формуле
Время охлаждения серы в вагоне состоит из времени остывания расплавленной серы ленной серы тохл1 от температуры груза в котле вагона после завершения загрузки tzp1 до температуры затвердевания серы tm , времени затвердевания серы Тзст при температуре затвердевания (плавления) серы tm и времени частичного остывания твердых слоев серы ТОХЛ2 от температуры затвердевания серы tm до ігр2 . В качестве температуры ігр2 принято среднее арифметическое значение температур твердого слоя серы tzp2 и температуры затвердевания серы tm . Общее расчетное значение времени охлаждения серы ТРасч, с, вычисляется по формуле
Расчетное время охлаждения груза до температуры застывания серы тохл1 с, вычисляется по формуле: где tпл - температура затвердевания серы, С; tcp - температура окружающей среды, С; tap1 - температуры груза в котле вагона после завершения загрузки, С; Вт к - коэффициент теплопередачи изоляции котла вагона-цистерны,; м-К F - теплопередающая поверхность вагона, м2; Дж с - удельная теплоемкость серы, , кг- К Gnp - приведенная масса котла с грузом, кг.
Расчетное время застывания груза при температуре застывания серы Тзст , с, определяется выражением
Расчетное время частичного охлаждения твердых слоев груза груза ох,2 , с, рассчитывается по формуле
При исследовании скорости разогрева груза в вагоне-цистерне используют сравнение с расчетным значением УраСч, С/с, вычисляемым по формуле
Разница между скоростью разогрева серы, полученной по результатам
Проверка результатов лабораторного исследования и сопоставления данных, полученных экспериментально и при решении задачи теплопроводности, возможно выполнить в безразмерном виде.
По результатам сопоставления построены графики зависимости в логарифмических координатах lg Re – lg Nu для естественной (рисунок 5.1.1) и вынужденной (рисунок 5.1.2) конвекции.
Отклонения значений для естественной конвекции не превысили 0,9%, для принудительной конвекции – 1,1%.
Как видно из графиков (рисунок 5.1.1, 5.1.2), критериальные оценки тепловых процессов совпадают, полученные значения чисел подобия расчетной модели вагона-цистерны и экспериментальной установки близки и говорят о возможности применения опытных данных в изучении процессов разогрева серы на натурных образцах вагонов-цистерн.
Полученные данные свидетельствуют об успешном проведении экспериментальных работ, необходимости апробации предложенных технических решений на натурном образце.
Совокупность данных, полученных в теоретическом и экспериментальном исследовании, говорит о рациональности использования технических средств для увеличения скорости движения воздуха и интенсификации теплоотдачи вокруг котла вагона-цистерны.
Совершенствование вагонов-цистерн для перевозки вязких и загустевающих грузов с электрическими нагревателями должно быть направлено на создание новых способов интенсификации теплообмена в системе нагреватели - воздух - котел.