ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ВАГОН-ЦИСТЕРНА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ ВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Заявляемая полезная модель относится к области железнодорожной техники, а именно к грузовым вагонам-цистернам для перевозки вязких нефтепродуктов.
Для перевозки вязких нефтепродуктов на железных дорогах большое распространение получили вагоны-цистерны с наружной подогревательной рубашкой, которая обычно расположена в нижней части котла (см. книгу: Вагоны, изд. 3-е, пер. и доп. под ред. Л.А. Шадура. М., «Транспорт», 1980 г., с.349).
Так как такие вагоны-цистерны не оборудованы термоизоляцией котла, в процессе транспортировки груз (вязкие нефтепродукты) под влиянием температуры окружающей среды охлаждается, загустевает и затвердевает. Чтобы обеспечить необходимую для слива текучесть груза, необходимо перед сливом разогреть груз при помощи пара, подаваемого в наружную подогревательную рубашку котла. Для такого разогрева требуется много временных и энергетических затрат. Соответственно, продолжительность и энергоёмкость разогрева груза для достижения необходимой текучести зависит от того, насколько груз загустел и затвердел в процессе транспортировки.
Поэтому основной технической проблемой, присущей таким вагонам-цистернам являются большие энергетические и временные затраты, необходимые для достижения необходимой текучести продукта перед его сливом.
Из уровня техники известна, железнодорожная цистерна для вязких и затвердевающих жидкостей (патент РФ №100506, опубл. 21.12.2010), принятая в качестве прототипа, содержащая котёл, термоизоляцию котла, систему разогрева. Котёл включает в себя цилиндрическую обечайку и эллиптические днища, в верхней части котла расположен люк и предохранительная арматура, в нижней части - сливное устройство. Термоизоляция котла включает кожух, между котлом и кожухом расположен теплоизоляционный материал, в верхней части котла установлен термоизолированный арматурный отсек, закрытый крышкой, к торцевым поясам каркаса кожуха жёстко закреплены его днища, выполненные из стеклопластика, при этом система разогрева котла выполнена в виде парообогревательной рубашки, разделённой на секции, которые соединены с возможностью последовательно-секционного лабиринтного прохождения пара, котёл выполнен с ломанной осью с наклоном к её центру для обеспечения полного слива, причём обогрев паром сливного устройства и корпуса котла выполнен раздельным, в нижней части котла установлен фланец для крепления как съёмного универсального сливного устройства, так и донного клапана с нижним его управлением, с закреплённым на нем обогреваемым тройником и концевыми клапанами, позволяющими производить слив на любую сторону от цистерны, крышка термоизолированного арматурного отсека выполнена с возможностью её сдвига по полозьям, а в нижней средней части по обе стороны котла выполнены отводы для подключения пара и выхода конденсата.
По сравнению с вагонами-цистернами с подогревательной рубашкой и без термоизоляции котла преимуществом такой конструкции является отсутствие необходимости в длительном разогреве продукта перед его сливом.
Однако технической проблемой, присущей прототипу, является недостаточный объём котла, а также избыточная масса тары, что обусловлено большой толщиной слоя термоизоляции, а также наличием массивного каркаса для крепления кожуха термоизоляции. Это неизбежно приводит к увеличению массы тары вагона-цистерны и снижению объёма котла.
Технический результат заявляемой полезной модели - снижение массы тары вагона-цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов и увеличение объёма котла при сохранении термоизоляции.
Заявляемый технический результат достигается за счёт того, что масса тары вагона-цистерны уменьшается вследствие использования более лёгкой и тонкой термоизоляции, а также за счёт применения бескаркасного крепления кожуха термоизоляции, т.к. отсутствие массивного каркаса для крепления кожуха облегчает тару. Увеличение объёма котла достигается за счёт уменьшения толщины слоя термоизоляции, что позволяет увеличить внутренний объём котла при таком же, как у прототипа, габарите вагона-цистерны.
Уменьшение толщины и массы термоизоляции котла достигается за счёт использования термоизоляционного материала на основе аэрогеля и армированной стеклянно-волоконной прокладки, например, материала Pyrogel XT, который имеет коэффициент теплопередачи не более 0,015 Вт/м·°С (см. статью А.В.Бушманова, Н.В.Виденков, Л.В.Доброгорская, К.В.Семенов, В.В.Федотов // журнал AlfaBuild. 2017. № 1(1). с. 89-90, публикация в сети Интернет: http://alfabuild.spbstu.ru/index_2017_1/7_1.pdf).
Применение указанного материала позволяет увеличить объём котла и снизить массу тары вагона-цистерны за счёт уменьшения толщины слоя термоизоляции, а также за счёт отсутствия каркаса для крепления термоизоляции к котлу. При этом, толщина слоя термоизоляции находится в диапазоне от 5 до 30 мм. Термоизоляционный материал с коэффициентом теплопередачи не более 0,015 Вт/м·°С и с диапазоном толщин от 5 до 30 мм позволяет (по результатам расчёта) сохранить перевозимый продукт в жидком состоянии в течение не менее 5-7 суток (при начальной температуре продукта от 160 до 200°С) в зависимости от температуры наружного воздуха.
Расчёты проводились по известной методике, приведённой, например, в книге «Типовые расчёты при проектировании нефтебаз и нефтепродуктов» (Губин В. Е., Новосёлов В. О., Тугунов П. И.  М., «Недра», 1968. 154 с.).
Расчёт тепловых потерь (Вт) с участка цистерны за один час, производился по формуле:
Q = b · l · q, где:
b=1.15 – коэффициент, учитывающий тепловые потери через опоры и соединения.
l – длина цистерны, м;
q – тепловые потери с одного метра за один час, Вт/м:
q = k · 3.14 · (tв - tc), где:
tв – температура продукта в цистерне, °C;
tс – температура окружающей среды, °C;
k – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/м°C, рассчитываемый по формуле:
k = 1 / ((1/2λт)·ln(dнт/dвт) + (1/2λи)·ln(dни/dви) + 1/(αн·dни)), где:
λт – коэффициент теплопроводности материала цистерны, Вт/м²°C;
λи – коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/м² °C;
dвт, dнт – внутренний и наружный диаметры цистерны соответственно, м;
dви, dни – внутренний и наружный диаметры изоляции соответственно, м;
αн - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности тепловой изоляции, Вт/ м² °C.
Результаты расчёта тепловых потерь продукта, перевозимого в котле с термоизоляцией (термоизоляционный материал с коэффициентом теплопередачи не более 0,015 Вт/м °С и с диапазоном толщин от 5 до 30 мм) и в котле без термоизоляции представлены в таблице 1.
Таблица 1
Температура груза в котле, ºС
Тепловые потери Q, ºС
Отношение n=Q<sub>2</sub>/Q<sub>1</sub>
для котла с термоизоляцией, Q<sub>1</sub>
для котла без термоизоляции, Q<sub>2</sub>
200
24980
256809
10,3
190
23599
242545
10,3
180
22206
228269
10,3
170
20824
214005
10,3
160
19432
173688
8,9
150
18050
161285
8,9
140
16657
148871
8,9
130
15265
136468
8,9
120
13883
124065
8,9
110
12490
111651
8,9
По приведённым в Таблице 1 результатам расчётов видно, что применение термоизоляционного материала с коэффициентом теплопередачи не более 0,015 Вт/м °С и с диапазоном толщин от 5 до 30 мм позволяет сократить тепловые потери перевозимого продукта от 8,9 до 10,3 раз по сравнению с котлом без термоизоляции.
Дополнительно термоизоляция также может включать отражатель теплового излучения перевозимого продукта и температурного воздействия наружной среды с внутренним и внешним отражающим металлизированным слоем (например, фольга алюминиевая толщиной 150-200 мкм). Применение указанного отражателя дополнительно снижает тепловые потери (коэффициент теплового отражения до 97%) перевозимого продукта за счёт отражения теплового излучения продукта и за счёт отражения внешнего воздействия температуры окружающей среды, что позволяет дольше сохранить необходимую для слива текучесть перевозимого груза.
Таким образом, заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что:
− термоизоляция котла выполнена из термоизоляционного материала на основе аэрогеля и армированной стеклянно-волоконной прокладки;
− коэффициент теплопередачи термоизоляционного материала составляет не выше 0,015 Вт/м·°С, а его толщина от 5 до 30 мм;
− термоизоляция дополнительно содержит отражатель теплового излучения перевозимого продукта и температурного воздействия наружной среды с внутренним и внешним отражающим металлизированным слоем (например, фольга алюминиевая толщиной 150-200 мкм);
− вагон-цистерна содержит кожух термоизоляции с бескаркасным креплением к котлу.
Тем самым обеспечивается соответствие заявляемой полезной модели критерию «новизна».
Предлагаемая полезная модель поясняется графическим материалом:
На фиг. 1 показан общий вид железнодорожного вагона-цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов.
На фиг. 2 показана в разрезе часть котла железнодорожного вагона-цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов.
Железнодорожный вагон-цистерна (фиг. 1) для перевозки вязких нефтепродуктов содержит котёл 1 с термоизоляцией. Термоизоляция котла (фиг. 2) включает кожух 2 с бескаркасным креплением к цистерне и термоизоляционный материал 3 на основе аэрогеля и армированной стеклянно-волоконной прокладки, расположенный между котлом 1 и кожухом 2.
Термоизоляция дополнительно может содержать отражатель 4 теплового излучения перевозимого продукта и температурного воздействия наружной среды с внутренним и внешним отражающим металлизированным слоем (например, фольга алюминиевая толщиной 150-200 мкм).
Система разогрева котла 1 выполнена в виде пароподогревательной рубашки 5, разделённой на секции 6, которые соединены между собой с возможностью последовательно-секционного лабиринтного прохождения пара.
Таким образом, малая толщина слоя термоизоляционного материала 3, применение отражателя 4 теплового излучения перевозимого продукта и температурного воздействия наружной среды и бескаркасное крепление кожуха 2 к котлу в совокупности позволяют достичь заявленный технический результат: увеличить объём котла и уменьшить массу тары вагона-цистерны.