Теплотехнические расчёты изотермических вагонов и контейнеров презентация

Задачами эксплуатационного характера являются:
● установление предельных сроков и других условий перевозки скоропортящихся грузов в вагонах и контейнерах;
● анализ и прогнозирование возможных причин нарушения условий перевозок грузов;
● определение фактического расхода дизельного топлива на маршруте;
● определение сфер рационального использования вагонов и контейнеров в различных режимах эксплуатации, включая условия перевозок, не предусмотренные нормативными документами.

К проектным задачам относят:
● определение расчётной тепловой нагрузки на проектируемое холодильно-отопительное оборудование рефрижераторных вагонов и контейнеров;
● определение толщины теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях грузовых помещений и т. п.

2

Аналитический метод расчёта теплопритоков применяют также для решения общих эксплуатационных и экономических задач, когда транспортный модуль перемещается в однородной климатической зоне с незначительными колебаниями температуры наружного воздуха на маршруте. В этом случае температуру наружного воздуха принимают усреднено-постоянной на протяжении всей рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью.

При оценке работоспособности холодильно-отопительного оборудования в неординарных условиях, при определении расхода дизельного топлива на маршруте с разными климатическими условиями или при моделировании процессов теплообмена в грузовом помещении вагона или контейнера используют графоаналитические расчёты.

Здесь учитываются суточные колебания температуры наружного воздуха, время суток, скорость движения на маршруте. Это позволяет представить в наглядном виде динамику изменения температурных полей наружного воздуха, воздуха и груза внутри грузового помещения во времени и в условиях максимально приближённых к действительности.

3

Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

Точность графоаналитического определения теплового баланса увеличивается с сокращением величины промежутков (по времени), на которые разбивают маршрут следования груза.

Во всех теплотехнических расчётах учитывают влияние случайных факторов на теплообменные процессы, например, колебание температуры наружного воздуха, направление и силу ветра. Для учёта этих факторов при определении теплопритоков обычно применяют вероятностный подход, обеспечивающий требуемую (в зависимости от поставленной цели) надёжность расчётов. Эта надёжность учитывается соответствующими квантилями.

1

2

3

4

5

6

7

4

Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

Решение эксплуатационных и экономических задач требует выполнения более точных теплотехнических расчётов. Здесь надёжность имеет второстепенный смысл.
Точность расчёта заключается в необходимости учёта и формализации достаточно большой группы факторов, от которых существенно зависят скорость протекания теплообменных процессов в грузовом помещении вагона или контейнера и, соответственно, результаты расчёта мощности тепловых потоков.

5

Этому требованию удовлетворяет рассматриваемая ниже методика теплотехнических расчётов вагонов и контейнеров.

Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

8.2 Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ

К непрерывным относят теплопритоки:
● вследствие теплопередачи через ограждения грузового помещения, возникающей при разности температур наружного воздуха и воздуха внутри вагона (Qт);
●  за счёт инфильтрации воздуха , т.е. при поступлении свежего воздуха внутрь грузового помещения через неплотности дверей, сливных приборов, люков и в местах прохода трубопроводов (Qи);
● от плодоовощей при дыхании, т.е. от выделения ими биохимической теплоты вследствие продолжающихся процессов жизнедеятельности (Qб).
К периодическим относят теплопритоки:
● эквивалентные воздействию солнечной радиации (Qс);
● эквивалентные работе вентиляторов-циркуляторов (Qц);

6

Суммарный тепловой поток получают алгебраическим сложением его компонентов, кроме Qп. Последний используется для определения разности температур груза до и после погрузки.

К одноразовым относят теплопритоки:
● от охлаждаемого груза, тары и средств пакетирования (Qг);
● от охлаждаемого или отепляемого кузова и оборудования транспортного модуля (Qк);
● от окружающей среды и груза при погрузке (Qп).

Состав теплопоступлений зависит от цели и метода расчёта, вида термической подготовки груза, а также условий перевозок (табл.1 и 2).

Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ

7

9

Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ

В аналитических расчётах мощности тепловых потоков расчётную температуру наружного воздуха (tр) определяют как усреднённо-постоянную на протяжении всего маршрута или рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью, °С:

tр.э.д + tр.э.н
tр = —————, 2

tр.э.д (р.э.н) = tс.э.д (с.э.н) ± X⋅σ,

Расчётная температура наружного воздуха на маршруте следования транспортного модуля

10

mx

Значения квантиля Х от надёжности Р

При моделировании теплообменных процессов, когда продолжительность нахождения транспортного модуля на участке менее суток, учитывают суточные колебания температуры окружающей среды.

Определение расчётных температур окружающей среды

11

tр = tс ± X⋅σ.

или

Определение расчётных температур окружающей среды

13

Эту температуру (tф) используют для определения теплопритоков в вагон или контейнер за время их нахождения под грузовыми операциями.
На открытых грузовых фронтах холодильников величину tф принимают равной расчётной температуре наружного воздуха за время погрузки, определяемой в зависимости от метода расчёта теплопоступлений:

Если известны расчётные экстремальные температуры, а также время начала и окончания погрузки, то лучше использовать при любом методе расчёта теплопритоков выше приведённую интегральную формулу.

в графоаналитическом расчёте

в аналитическом расчёте

Определение расчётных температур окружающей среды

14

Расчётная температура наружного воздуха в дебаркадере холодильного склада

Определение расчётных температур окружающей среды

15

Совместное воздействие этих теплопритоков может привести к измене-нию температурных полей воздуха внутри грузового помещения и груза к моменту окончания погрузки (см. рисунок). При поступлении неохлаждённых грузов эти теплопритоки незначительны, их можно не учитывать и принять температуру груза после погрузки (tг.п.п) равной tг.н. Температура охлаждённых грузов к концу погрузки может измениться по отношению к начальной, но не более чем на ±3,0 °С.

16

Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

17

Таким способом бригады механиков контролируют (косвенно) фактическую температуру принятого груза.
Через 7…10 мин автоматически включаются холодильные машины или электропечи в зависимости от способа обслуживания груза в пути.

18

Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ – работа холодильных машин; Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник теплопоступлений); tр, tг, tв – соответственно изменение температуры наружного воздуха, груза и воздуха внутри грузового помещения вагона; τв – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении; τг – продолжительность охлаждения груза; τг.р  –продолжительность гружёного рейса

19

Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ – работа холодильных машин; Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник холодопритока); ЭП – работа электропечей; tр, tг, tв – соответственно изменение температуры наружного воздуха, груза и воздуха внутри вагона; τв – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении; τг – продолжительность охлаждения груза; τоб  – общая продолжительность обслуживания груза в пути

20

Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

21

Поэтому при определении мощности теплового потока от плодоовощей при охлаждении в пути значение τг принимали равным 60 ч согласно инструкциям по эксплуатации 5-вагонных рефрижераторных секций и автономных рефрижераторных вагонов, разработанным полвека назад.

Результаты контрольно-опыт-ных перевозок скоропортящихся грузов, проведённых учёными ПГУПС-ЛИИЖТа в период с 1983 по 1994 гг. на пятивагонных рефрижераторных секциях разных типов, показали, что на самом деле величина τг может при опре-делённых условиях существенно (в несколько раз) отличаться от указанного нормативного значения.

Факторы, влияющие на продолжительность охлаждения грузов в рефрижераторных вагонах и контейнерах

22

Основными характеристиками теплообменных процессов в грузовом помещении транспортного модуля, используемыми в теплотехнических расчётах, являются:
– скорость первоначального охлаждения свободного воздуха в грузовом помещении транспортного модуля (bв), °С/ч;
– скорость теплоотдачи груза (mг), °С/ч;
– скорость охлаждения груза (bг), °С/ч;
– продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении (τв), ч;
– продолжительность охлаждения груза (τг), ч.

Многофакторный анализ и обобщение результатов контрольно-опытных перевозок позволили впервые формализовать рассмотренные в п. 8.5 факторы груза, РТМ и окружающей среды с помощью эмпирических выражений и коэффициентов.

23

где числа – эмпирические коэффициенты; kм –поправочный эмпирический коэффициент, который учитывает влияние температурного напора и теплотехнических свойств ограждений грузового помещения РТМ на скорость протекания теплообменных процессов; kбох – то же, учитывающий влияние биохимической теплоты плодоовощей при охлаждении; kш – то же, учитывающий влияние степени плотности штабеля груза; kт – то же, учитывающий влияние степени скважности тары;  Gбр – количество груза в РТМ, т брутто; Рт.м – грузоподъёмность РТМ.

kм = f (kp, Δtм, Δtр)

qбох = f (q0,χг,tг.н, tг.к,)

kб = f (qбох );
kш = f (ρш);
kт =f (ρт);

kp = f (μо) = kp.п μо;
Δtм = f (Тип ТМ, τэ)

Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях

24

Величина mг, являясь теплотехнической характеристикой груза, используется для ограничения мощности внешнего источника холода. Это связано с необходимостью регулирования температурного режима в заданных границах. Внешний источник холода не должен забирать теплоту от груза со скоростью бóльшей, чем груз может отдать, иначе произойдёт нарушение нижней границы температурного режима и нежелательное переохлаждение внешних слоёв груза. За этим следит бригада механиков или устройства автоматического регулирования этого режима. Таким образом, в формуле (6.8) формализуется процесс регулирования нижней границы температурного режима перевозки груза.

;

.

25

Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях

tв.п.п – tв.н
τв = ————;
bв

tг.п.п – tв.в
τг = ————.
bг

В курсовом проекте величины tв.п.п и tг.п.п следует принимать равными заданной температуре груза (tг.н).

τг.р = 24L / Vм .

Если расчётная продолжительность охлаждения груза (τг) превышает продолжительность гружёного рейса (τг.р), то груз на момент выдачи получателю не успеет охладиться до режимной температуры. При этом величину τг.р можно определить, ч, исходя из расстояния перевозки (L ) и норм суточного пробега (Vм) по формуле:

Для термически подготовленных скоропортящихся грузов характеристики bв, mг, bг, τв, τг определять не требуется.

26

Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях

Расчёт выполняют в киловаттах на одну грузовую единицу (вагон, контейнер).

Мощность теплового потока вследствие теплопередачи через ограждения кузова вагона (контейнера), кВт/ед.:

Qт = [Fр(tр – tв) + Fм(tм – tв)] kр⋅10-3.

27

ρн⋅μи⋅Vп
Qи = ——––— (iн – iв).
3600

ρн= f(tp); μи= f(Vм, Tэ); iн = f(tp); iв = f(tв).

28

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

1-й участок гружёного рейса

2-й участок гружёного рейса

Мощность теплового потока от плодоовощей при дыхании, кВт/ед.:
а) груз успевает охладиться за перевозку (τг < τг.р):

29

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Груз выдан получателю

qб.ох = f (ВГ, tг.п.п , t г.к); qб.р - отсутствует.

30

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Qс = [Fр⋅tэ.р + (Fб.с⋅tэ.в + Fк⋅tэ.г) μc] ×

× kр⋅τc⋅24-1∙10-3.

μc ― задана;

Мощность теплового потока от воздействия солнечной радиации, кВт/ед.:

31

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Qц2 = Nц⋅ξ υц2.

Мощность теплового потока , эквивалентного работе вентиляторов-циркуляторов, кВт/ед.:
а) груз успевает охладиться за перевозку (τг < τг.р):

υц1(2) = f (tр , tв , tг1(2));

tг1 = (tг.н+ tв.в): 2;

tг2 = tв .

32

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Qц2 = нет.

υц1 = f (tр , tв , tг1);

tг1 = (tг.н+ tг.к) : 2);

Мощность теплового потока , эквивалентного работе вентиляторов-циркуляторов, кВт/ед.:
б) груз не успевает охладиться за перевозку (τг > τг.р):

Груз выдан получателю

33

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Мощность теплового потока от свежего воздуха, поступающего в грузовое помещение при вентилировании, кВт/ед.:

34

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

35

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Если температура груза в конце погрузки, соответствует требуемому температурному режиму перевозки (tв.в ≥ tг.п.п ≥ tв.н), то расчёт Qг не выполняют. Это означает, что груз предъявлен термически подготовленным, т. е. Qг = 0. Отрицательное значение Qг означает отепление груза.

36

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

В теплотехнических расчётах, выполняемых для эксплуатационных целей, значения массы и теплоёмкости составных частей кузова и оборудования РТМ, находящихся в эксплуатации, обычно неизвестны, скорее их сложно подсчитать. Поэтому данный теплоприток рекомендуется определять по упрощённому выражению:

где 3,7 – аппроксимированная часть формулы; ϑ – коэффициент, учитывающий неоднородность температурного поля кузова транспортного модуля, ϑ = 0,5; φ – коэффициент конкордации (согласования) скоростей охлаждения кузова транспортного модуля и груза, φ = 1,3

37

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

1-й участок пути

Один участок пути

2-й участок пути

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

39

будет только Qоб1

Коэффициент рабочего времени работы ХМ и ЭП

40

При τг ≥ τг.р последнее слагаемое в квадратных скобках выражения не учитывают.

Рефрижераторные контейнеры в режиме автономного питания дизелей на железных дорогах не используют.

Определение показателей использования дизель-генераторного и холодильно-отопительного оборудования рефрижераторных вагонов и контейнеров

41

Однако это уравнение справедливо при условии, что тепловой поток от внешней среды воспринимается грузом полностью и всегда с одинаковой интенсивностью. На самом деле это — не совсем так.

42

Согласование мощностей внешнего теплового воздействия на груз и теплоотдачи груза реализуется с помощью коэффициента конкордации теплообменных процессов, величину которого можно определить по эмпирическому выражению, доли единицы:

βк = 0,36 + 0,64 (1 – ρш) 0,4

43

Особенности теплотехнического расчёта вагонов-термосов

Для увеличения инертности штабеля внешнему тепловому воздействию рекомендуется в вагонах-термосах и контейнерах-термосах применять плотную укладку грузовых мест.

Qг + Qб
τп = —————————— .
3,6·24 (qт·+ qи+ qс) βк

При ρш = 1, βк = 0,36.

При ρш = 0,9, βк = 0,61.

Особенности теплотехнического расчёта вагонов-термосов

44