Управление теплофизическими процессами в нефтепродуктах при их перевозках в теплоизолированном вагоне Жебанов Александр Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы обусловлена требованиями своевременной и бесперебойной доставки ВГ и ДТ в район потребления. При этом большинство нефтеперерабатывающих предприятий РФ находятся в регионах Севера и Сибири, что приводит к необходимости длительной (7-15 суток) транспортировки их в условиях низких температур.

Актуальность тематики подтверждается решениями правительства РФ о приоритетном направлении развития энергосберегающих технологий во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства и транспорта.

Работа посвящена разработке новых способов сохранения высокой температуры нефтепродуктов при их перевозке и перегрузке. Задача решена как за счет применения дешевой и ремонтопригодной теплоизоляции вагонов-цистерн и полевых магистральных трубопроводов (ПМТ), выполненных по временным технологическим схемам, так и за счет рационального использования свойств самих нефтепродуктов.

Предметами исследования являются: процессы, определяющие динамику охлаждения жидких нефтепродуктов при перевозках в железнодорожных вагонах-цистернах и их передаче по ПМТ, с разработкой нового способа использования тепловой изоляции.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является снижение себестоимости перевозок ВГ и ДТ железнодорожными вагонами-цистернами, обусловленное сокращением затрат тепловой энергии и времени на их выгрузку, сохранением эксплуатационных

характеристик, и обеспечением рационального оборота вагонов-цистерн. Эффект получен регулированием тепловых процессов в нефтепродуктах. В ходе работы решены следующие задачи:

1. Проведен анализ разработок по сохранению и восстановлению текучести перевозимых ВГ с оценкой затрат теплоты при выгрузке;

2. Построена нестационарная модель процесса охлаждения ВГ в вагоне-цистерне при наличии на его верхней части теплоизолирующей оболочки, обеспечивающей подавление термогравитационной конвекции (ТГК) горячего жидкого нефтепродукта;

3. Построена нестационарная модель процесса охлаждения ДТ в теплоизолированном вагоне-цистерне с тепловыми аккумуляторами, обеспечивающими подогрев с одновременным стимулированием ТГК и получены численные решения тепловых задач;

4. Изготовлены экспериментальные модели котла вагона-цистерны и проведены стендовые испытания по определению эффективности тепловой изоляции с учетом её физических и эксплуатационных характеристик, ремонтопригодности, а также себестоимости;

5. Определен экономический эффект, получаемый от сокращения времени простоя вагона-цистерны и количества эксплуатируемых единиц.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Получена оценка влияния эффекта подавления ТГК горячих
жидких нефтепродуктов в вагоне-цистерне на скорость их охлаждения.
Подавление данного процесса обеспечивается разностью температур между
верхними и нижними слоями нефтегруза в котле вагона-цистерны, создавая
условия для перехода в гидродинамически устойчивое
(стратифицированное) состояние;

2. Разработана математическая модель процесса застывания ВГ в
стратифицированном состоянии с образованием внутри на стенках котла
застывшего слоя нефтепродукта, создающего дополнительную тепловую

изоляцию. При этом основная масса нефтегруза в центре котла вагона-цистерны сохраняет высокую температуру и текучесть;

4. Подтверждено влияние установки на вагон-цистерну наружной тепловой изоляции и теплового аккумулятора во внутрь котла на снижение темпа охлаждения ДТ, позволяющее перевозить их в зимнее время.

Практическая значимость работы:

- предложенные экспериментально подтвержденные методы
перевозки ВГ в зимних условиях позволяют снизить себестоимость на 80-90
тыс. рублей в расчете на один вагон в год при дальности перевозок 2000 км;

- разработаны имитационные математические модели тепловых
процессов охлаждения нефтепродуктов в стратифицированном состоянии,
получаемом за счет использования тепловой изоляции на верхней половине
котла вагона-цистерны;

показана возможность передачи застывающих нефтепродуктов по ПМТ с теплоизолированными стенками в холодное время года;

результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Вагоны» СамГУПС в дипломном проектировании и на практических занятиях.

Методами исследований являлись: теоретические исследования процессов охлаждения застывающих жидких нефтепродуктов с учетом как подавления, так и искусственного стимулирования ТГК; построение математических моделей процессов и их исследование с помощью компьютерных технологий; стендовый эксперимент.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований совпадают в пределах допустимой 15%-ной погрешности, что подтверждает их достоверность.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика управления теплофизическими процессами в
нефтепродуктах, при их перевозках в вагонах-цистернах с учетом низких
температур окружающей среды;

2. Выбор оптимального материала и толщины теплоизоляционного
слоя, а также обоснованность применения тепловых аккумуляторов;

3. Оценка влияния установки тепловых аккумуляторов на
надежность конструкции котла вагона-цистерны.

Апробация работы: результаты работы докладывались на VI, VIII и XI Международных научно-технических конференциях «Подвижной соcтав ХХI века»: ПГУПС, НВЦ «Вагоны», 2011, 2013, 2016 г.; VI Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (СамГУПС, 2010 г.); обсуждались на трех научно-технических семинарах кафедры «Вагоны» СамГУПС (2012-2015).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, из них 6 – в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 129 страниц, из них 33 рисунка, 28 таблиц и списка литературы из 118 наименований.