Пути снижения теплопотерь вязких нефтегрузов при транспортировке железнодорожным транспортом

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Гозбенко, В. Е. Математическая модель вагона с двумя степенями свободы, находящегося под действием периодической вынуждающей силы [Текст] / В. Е. Гозбенко, А. И. Карлина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. -№ 3 (27). - С. 23 - 31.

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Gozbenko V. E., Karlina A. I. The mathematical action of the periodic driving force on a system with two degrees of freedom. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 23 - 31. (In Russian).

УДК 629.4.025

А. В. Жебанов

Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС), г. Самара, Российская Федерация

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОПОТЕРЬ ВЯЗКИХ НЕФТЕГРУЗОВ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ТРАНСПОРТОМ

Аннотация. Перевозка застывающих грузов железнодорожным транспортом, а именно вагонами-цистернами, сопровождается рядом трудностей. К их числу относятся понижение температуры перевозимого нефтепродукта, вызывающее повышение его вязкости, невозможность быстрой разгрузки, изменение эксплуатационных характеристик перевозимых нефтепродуктов, увеличение простоя вагонов-цистерн. Приведен анализ скорости охлаждения перевозимых грузов в зависимости от размеров и толщины теплоизолирующего слоя. Введенные формулы показывают, что наличие теплоизолирующей оболочки вызывает отклонение радиуса цилиндрической емкости от оптимального значения. При этом тепловая изоляция существенно снижает коэффициент теплопередачи в окружающее пространство и способствует ускорению процесса выгрузки.

Ключевые слова: перевозка застывающих грузов, вагон-цистерна, сохранение температуры, изменение эксплуатационных характеристик топлива, теплоизоляционные материалы.

Alexander V. Zhebanov

Samara State Transport University (SSTU), Samara, the Russian Federation

WAYS TO REDUCE A HEAT LOSS VISCOUS OIL CARGO DURING RAILWAY TRANSPORTATION

Abstract. Solidifying transportation of goods by rail, namely, tank wagons is accompanied a number of difficulties. These include: lowering the temperature of the transported oil, accompanied by the growth of its viscosity, the inability to quickly discharge, change in performance of transported oil products, an increase in idle tank cars. The analysis of the cooling rate of the goods transported, depending on the size and thickness of the insulating layer. Introduced formulas show that the presence of the heat-insulating sheath is cylindrical vessel radius deviation from the optimum value. When this thermal insulation reduces considerably the heat transfer coefficient in the surrounding area and to accelerate the discharge process.

Keywords: transportation of solidifying cargo, tank-wagon, temperature preservation, change of operational characteristics of the fuel, thermal insulation materials.

Вязкие, застывающие и затвердевающие нефтепродукты (мазуты, масла, парафинистые нефти, битум и др.) при транспортировке железнодорожным транспортом погружают, как правило, в вагоны-цистерны в разогретом состоянии с температурой 60 - 80 °С.

При транспортировке нефтепродукты охлаждаются, переходят в вязкое состояние, затрудняющее, а в некоторых случаях даже делающее невозможным их выгрузку без предварительного разогрева различными способами.

В данной статье рассмотрены вопросы по оценке влияния размеров и толщины теплоизолирующей оболочки транспортной емкости на скорость охлаждения нефтегруза, а также во-

просы по определению его оптимальной температуры, обеспечивающей минимальные затраты тепловой энергии на разогрев, но достаточной для обеспечения его выгрузки самотеком.

Теоретически цистерну заданной вместимости можно изготовить в различных вариантах по диаметру и длине с учетом допустимых габаритов подвижного состава, но оптимальные ее размеры определяются еще при взятии во внимание потери теплоты транспортируемого продукта в процессе перевозки и выгрузки.

Сделаем оценку размеров цилиндрической емкости радиуса Я и длины Ь с горячим нефтепродуктом, имеющим температуру Т, осуществляющим теплопередачу в окружающее пространство, где температура воздуха составляет Тё. Оценим условия, при которых обеспечиваются минимальные потери теплоты.

Обозначим через V объем цистерны, через Г - площадь теплоотдающей поверхности:

V = пЯ2 Ь;

Из равенств (1), (2) следует:

Г 2 2

- = - + -.

V Ь Я

Стенка цистерны может быть однослойной и многослойной. В простейшем случае стенку цистерны образует один слой - обечайка котла. Стенку теплоизолированной цистерны образуют три слоя - стальной корпус котла толщиной Ист, слой тепловой изоляции толщиной Ити и стальной внешний лист толщиной Из, защищающий тепловую изоляцию от повреждений и атмосферных осадков. Обозначим коэффициенты теплопроводности стальных слоев через Л,ст, а слоя тепловой изоляции - через Хти, Вт/м °С.

Каждый слой создает свое термическое сопротивление И^ X . Термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме термических сопротивлений слоев.

Количество теплоты, теряемое нефтепродуктом за время I, можно определить по формуле:

б = кГ

здесь к - коэффициент теплопередачи от горячего нефтепродукта в окружающее пространство через многослойную стенку цистерны,

к =-1-.

1 ^ И 1 —+У—+— а т=1 х а

В равенстве (5) записаны коэффициенты внешней теплоотдачи а1 от стенки в окружающее пространство и внутренней теплоотдачи а2 от жидкого нефтепродукта к стенке емкости, Вт/м2 °С.

Величины 1/а1 и 1/а2 называются соответственно термическими сопротивлениями внешней и внутренней теплоотдачи.

Коэффициент внешней а1 теплоотдачи определяется коэффициентом теплопроводности воздуха Вт/моС, максимальным размером емкости (длиной котла) Ь и критерием Рей-нольдса Яе:

X

а= 0,056—Яе0,8.

1 Ь

Критерий Рейнольдса является безразмерным комплексом, который образуют значения

скорости ветра и, м/с, кинематической вязкости воздуха Vg, м /с, и радиуса емкости Я:

иЯ

Яе =—. У„

Коэффициент внутренней теплоотдачи а2 от жидкости, движущейся за счет естественной конвекции, к стенке определяется по формуле [1]:

а2 = 0,38 ^ Яа°'25 2 Я

Рг,

Рг

К1 'от У

-0,25

1 9 п = — при Яа < 109

4 ж

здесь Яа и Рг - соответственно критерии Релея и Прандтля - безразмерные комплексы, которые кроме перечисленных образуют следующие физические величины: g - ускорение свободного падения, м/с2, а также характеристики жидкого нефтепродукта: в - коэффициент объемного теплового расширения, 1/оС; V - кинематическая вязкость, м2/с; а - температуропроводность, м2/с.

Яа = ЗЯ^-Тт). уа

Рг = У а

Индексы «ж» и «ст» означают, что данные, характеризующие значения критериев Релея и Прандтля, берутся при средней температуре нефтепродукта и стенки емкости.

Численные значения коэффициента а1 и термические сопротивления внешней теплоотдачи при различных скоростях воздушного потока представлены в таблице 1, аналогичные величины для внутренней теплоотдачи стенке цистерны даны в таблице 2.

Таблица 1 - Значения коэффициента и термического сопротивления внешней конвективной теплоотдачи при различных скоростях воздушного потока

Скорость потока а1 1/а1

м/с км/ч Вт/м2оС м2оС/Вт

10 36 25,4 0,0384

15 54 35,5 0,0282

20 72 48,7 0,0205

Таблица 2 - Значения коэффициента и термического сопротивления внутренней теплоотдачи от циркулирующего нефтепродукта стенке котла цистерны

Нефтепродукт Рг

Мазут флотский Мазут М40 Мазут М100 1320 - 60 13500 - 1440 141000 - 3300 109,8 - 40,75 5,75 - 15,70 1,62 - 7,00 6,00 - 9,32 6,00 - 8,56 4,83 - 8,00 0,167 - 0,107 0,166 - 0,112 0,207 - 0,126

Котел изготавливается из стали 09ГС по ГОСТ 5520-79 с коэффициентом теплопроводности Лст = 40 Вт/моС и имеет толщину йст 1 «10-2м, толщина внешнего, защитного листа

йст 3 « 2 10-3 м. При этом термическое сопротивление первого и третьего слоев стенки составляет: ЛстДт = 1,72 10-4 м2 оС / Вт и ЛстДт = 0,34 10-4 м 2оС / Вт соответственно.

Слой тепловой изоляции имеет коэффициент теплопроводности Ати = 0,03 Вт/моС. При толщине слоя йти « 6 10-2м его термическое сопротивление йст/Д.т = 2,0 м2 оС /Вт, т. е. в 10000 раз больше, чем у двух других слоев вместе взятых.

Сравнивая данные таблиц 1 и 2, видим, что термическое сопротивление внешней теплоотдачи тоже существенно меньше термического сопротивления внутренней теплоотдачи, т. е. 1/а2 > 1/а1.

Пренебрегая названными малыми величинами, упростим равенство (5):

*=т-Ьг-

| из а2 Лиз

Определяем радиус емкости Я, при котором потери теплоты в окружающее пространство будут минимальными. В равенстве (3) от этого радиуса зависит лишь произведение кГ. Экстремальное значение этого произведения находим, приравнивая производную к нулю:

д(кГ) дЯ

= 0.

Очевидно, что это равенство можно записать так:

д(кГ) дк дГ, п ——- =—Г +—к = 0. дЯ дЯ дЯ

Используя уравнения (3) - (6) и выполняя дифференцирование, получим:

дкГ= дЯ к2

1 да2

а2 дЯ у

Г;

дГ дЯ да2

к = 2п(2 Я + 1)к.

Для нахождения производной -—- подставим формулу (9) в (8) и выделим радиус Я из

дЯ

получаемого соотношения:

а2 = 0,075^

Л (Рг Л

Я

Рг

У1 'от У

0,25 г- Л -,0 25 о

п8 ЕР(Т - тст р 0,25 3

уа

Я4 = УЯ -

где

У = м>Л-

(Рг ^

1/4

Рг

У 7 'ст У

8яв

уа

при этом

1 да2

^ •у (п -1) Я3п-2 ) =

а22 дЯ У 2Я Подстановка соотношений (3) и (17) в (12) дает:

1 3п -1

У Я3п

дк Г 2п( 3п-1' „ г.

Второе слагаемое в равенстве (12) будет таким:

дЯ

к = 2п(2 Я + Ь)к.

Подставляя равенства (3), (18) и (19) в (12) и приравнивая полученное соотношение к нулю согласно условию (11), после несложных преобразований получим:

2п( 3п—1

УЯ

3п-1

• (Я + Ь) + 2п(2Я + 1)к = 0

или

УП-11 ( я+ь)+(2 я+Ь)к 3=о.

Введенные формулы показывают, что наличие теплоизолирующей оболочки вызывает отклонение радиуса цилиндрической емкости от оптимального значения, обеспечивающего минимальные потери теплоты в окружающее пространство, но это отклонение незначительно. При этом тепловая изоляция существенно снижает коэффициент теплопередачи в окружающее пространство к.

Рассмотрим влияние толщины тепловой изоляции на сокращение потерь теплоты в зависимости от заданного темпа охлаждения.

Пусть в момент времени 11 перепад температур между средней температурой нефтепродукта и окружающей среды равен АГ1, а в момент времени 12 он составляет АГ2.

Темпом охлаждения нефтепродукта называется величина [2]

1п

т

(Алл

V АТ2 У

'1 '2

Темп охлаждения определяется равенством:

т =

к¥

УСр'

где С - удельная теплоемкость охлаждаемой емкости с нефтепродуктом, Дж/кг оС; р - плотность нефтепродукта, кг/м3.

Из выражения (10) следует, что при наличии теплоизолирующего слоя коэффициент теплопередачи

к .

Подставляя соотношения (25) в (24), получаем равенство, устанавливающее связь между толщиной теплоизолирующей оболочки Ииз и темпом охлаждения цистерны с нефтегрузом:

т = 2 ^ Г1 +11.

Ии3 Ср Г Я Ь J

Рассмотрим вариант пенополиуретановой тепловой изоляции, установленной на 60-тонной цистерне, для которой коэффициент теплопроводности Л-из = 0,03 Вт/м оС с нефтепродуктом (удельная теплоемкость С = 2000Дж/кг оС, плотность р = 950 кг/м3).

Предложено нанести на поверхность железнодорожной цистерны слой теплоизоляционного покрытия специального состава пенополиуретана (срок службы - 30 лет), чтобы использовать его для транспортировки груза без застывания (рисунок). При этом стоимость модифицированной цистерны возрастает на 5 - 10 %, а затраты на выгрузку и простой вагонов снижаются в несколько раз

[3].

Способность сохранять тепло -основная функция теплоизоляционного материала - оценивается коэффициентом теплопроводности.

Сравнение коэффициентов теплопроводности - стеклянной ваты 0,033 -0,042; минеральной ваты 0,032 - 0,056; вспененного полиэтилена 0,032 -0,038; вспененного каучука 0,034 - Теплоизоляционный слой на опытном образце

0,038; пенополиуретана 0,028 - 0,040 -

позволяет сделать выбор в пользу пенополиуретана (по данному критерию).

Качество любого утеплителя определяют коэффициент теплопроводности, срок службы и т. д. По таким важным показателям, как теплопроводность, влагопоглощение, срок эксплуатации пенополиуретана (ППУ), превосходит все существующие в настоящее время утеплители [4].

Структурная характеристика пенополиуретана отличается от других теплоизолирующих материалов своей пористостью, выражающейся в создании ячеек, минимального размера, которые в свою очередь заполнены газообразным веществом. Оставшуюся часть материала составляет твердая часть (1 - 2 % от всего объема нанесенного слоя), сформированная тонкими стенками данных ячеек. В качестве основы материала применяются продукты нефтехимической переработки, такие как полиолы и полиизоцианаты. Существует также технологии производства пенополиуретана из масел на основе растительного сырья.

В зависимости от пропорции используемых исходных компонентов при производстве материала есть возможность подбора конкретных качеств пенополиуретана (повышенная жесткость, мягкого типа, вязкоэластичный, высокоэластичный и др.), при этом образовавшиеся ячейки будут иметь различные геометрические параметры и прочностные характеристики [5].

Используя формулу (26), вычислим зависимость между толщиной теплоизолирующей оболочки и темпом охлаждения нефтегруза в цистерне.

При рассмотрении темпа охлаждения примем, что разность температур между горячим нефтепродуктом, нагретым до плюс 90 °С, и окружающей средой с температурой минус 30 °С М = 120 °С.

Данные выполненных расчетов представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Зависимость между толщиной теплоизолирующей оболочки на цистерне и темпом охлаждения нефтегруза, перевозимого в ней

Цистерна Толщина изоляции Нго , см Темп охлаждения m -104, град/ч Охлаждение в сутки

Вместимость, м3 Длина, м Диаметр, м F V 49,00 3,5 на 1 оС

61,2 10,3 3,00 24,10 16,20 9,80 4,80 7,1 10,5 17,5 36,0 на 2оС на 3оС на 4,8оС на 10оС

Из данных таблицы 3 следует, что на железнодорожной цистерне с горячим нефтепродуктом, перевозимым в течение пяти суток, должна быть установлена пенополиуретановая теплоизолирующая оболочка толщиной 5 см.

Нефтепродукт, налитый в цистерну при температуре 80 - 90 оС, будет прибывать в пункт выгрузки с ориентировочной средней температурой 40 - 50 оС. При такой температуре слив нефтегруза самотеком можно производить без дополительного предварительного разогрева.

Список литературы

1. Михеев, М. А. Основы теплопередачи [Текст] / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.

2 Антипов, В. Н. Хранение нефти и нефтепродуктов [Текст] / В. Н. Антипов. - М.: Нефть и газ, 2003. - 556 с.

3. Бахтизин, Р. Н. Транспорт и хранение высоковязких нефтей и нефтепродуктов. Применение электроподогрева [Текст] / Р. Н. Бахтизин. - М.: Химия, 2004. - 193 с.

4. Коршак, А. А. Ресурсосберегающие методы и технологии при транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов [Текст] / А. А. Коршак. - Уфа: Дизайн Полиграф-Сервис, 2006. - 191 с.

5. Жебанов, А. В. Взаимодействие теплоизоляционного слоя цистерны с окружающей средой с точки зрения экологической безопасности и с учетом утилизации отходов [Текст] / А. В. Жебанов // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. -Самара. - 2012. - № 4. - С. 19 - 23.

6. Жебанов, А. В. Исследование и основные критерии выбора теплоизоляционного материала в применении для подвижного состава железных дорог [Текст] / А. В. Жебанов // Материалы региональной науч.-практ. конф. «Образование, наука, транспорт в XXI в.: опыт, перспективы, инновации» / Оренбургский гос. ин-т путей сообщения. - Оренбург, 2010. -С. 17, 18.

7. Жебанов А. В. Полный цикл работы цистерны с теплоизоляцией: от нанесения покрытия, эксплуатации, ремонта до утилизации [Текст] / А. В. Жебанов // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2012. - № 1. - С. 51 - 54.

References

1. Mikheyev M. A., Mikheyeva I. M. Osnovy teploperedachi (Heat transfer bases). Moscow: Energy, 1977, 344 p.

2. Antipov V. H. Khranenie nefti i nefteproduktov (Storage of oil and oil products). Moscow: Oil and Gas, 2003, 556 p.

3. Bakhtizin R. N. Transport i khranenie vysokoviazkikh neftei i nefteproduktov. Primenenie el-ektropodogreva (Transport and storage of high-viscosity oils and petroleum products. The use of electrical heating). Moscow: Chemistry, 2004, 193 p.

4. Korshak A. A. Resursosberegaiushchie metody i tekhnologii pri transportirovke i khranenii nefti i nefteproduktov (Resource-saving techniques and technologies in the transportation and storage of oil and oil products). Ufa: Design Polygraph-Service, 2006, 191 p.

5. Zhebanov A. V. Interaction of a heat-insulation layer of the tank with environment from the point of view of ecological safety and taking into account recycling [Vzaimodeistvie teploizoli-atsionnogo sloia tsisterny s okruzhaiushchei sredoi s tochki zreniia ekologicheskoi bezopasnosti i s uchetom utilizatsii otkhodov]. Vestnik transporta Povolzh'ia - Messenger of transport of the Volga region, 2012, no. 4, pp. 19 - 23.

6. Zhebanov A. V. Research and the main criteria of the choice of heat-insulating material in application for a rolling stock of the railroads. [Issledovanie i osnovnye kriterii vybora teploizoli-atsionnogo materiala v primenenii dlia podvizhnogo sostava zheleznykh dorog]. Materialy region-al'noi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Obrazovanie, nauka, transport v KhKhl v.: opyt per-

spektivy innovatsii» (Education, science, transport in the XXI century: experience of prospect of an innovation: Materials of regional scientific and practical conference). Orenburg, 2010, pp. 17 - 18.

7. Zhebanov A. V. Full cycle of operation of the tank with thermal insulation: from drawing a covering, operation, repair before utilization [Polnyi tsikl raboty tsisterny s teploizoliatsiei: ot naneseniia pokrytiia, ekspluatatsii, remonta do utilizatsii]. Transport Urala - The Transport of the Urals, 2012, pp. 51 - 54.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Жебанов Александр Владимирович

Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС).

1-й Безымянный пер., д. 18, г. Самара, 443066, Российская Федерация.

Старший преподаватель кафедры «Вагоны», СамГУПС.

E-mail: zhebanov @inbox.ru

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Zhebanov Aleksandr Vladimirovich

Samara State Transport University (SSTU). 18, Unnamed 1st st., Samara, 443066, the Russion Federation.

Senior lecturer of the department «Cars», SSTU. E-mail: zhebanov @inbox.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Жебанов, А. В. Пути снижения теплопотерь вязких нефтегрузов при транспортировке железнодорожным транспортом [Текст] / А. В. Жебанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2016. - № 3 (27). - С. 31 - 38.

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Zhebanov A. V. Ways to reduce a heat loss viscous oil cargo during railway transportation. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 31 -38. (In Russian).

УДК 621.316.722.076.12

В. Н. Ли, Н. К. Шурова

Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск,

Российская Федерация

ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПО КРИТЕРИЯМ ОПТИМАЛЬНОСТИ

Аннотация: В работе представлена методика выбора мест установки и мощности компенсирующих устройств в тяговой сети с учетом роста объемов перевозок. Обозначены подходы к нахождению критериев оптимальности управления потоками реактивной энергии установкой компенсации реактивной мощности. Предложены к рассмотрению три критерия для оценки оптимальности установки компенсирующих устройств в тяговой сети: снижение потерь активной энергии, повышение уровня напряжения у потребителя, разгрузка питающих линий электропередач. Приведена методика оценки оптимальности такого выбора.

Ключевые слова: оптимальность, критерии, реактивная энергия, компенсация реактивной мощности.

Valerii N. Li, Natalia K. Shurova

Far Eastern State Transport University (FESTU), Khabarovsk, Russian Federation

FEATURES OF COMPENSATING DEVICES CHOICE IN TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM WITH USING OPTIMALLY CRITERION

Abstract. Method of installation places and power choice of reactive power compensation devises in traction power supply system in condition of increase freight miles are introduced in this article. Approaches to definition of reactive power optimal criteria with reactive power compensation installation are denoted. Three criteria for estimation of reactive power compensation installation are offer to review. There is provided method of optimality assessment of this choice.