Выбор параметров конструкции котла вагона-цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов
Выбор параметров конструкции котла вагона-цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов
При постоянно возрастающем объеме перевозок существующие конструкции вагонов-цистерн для транспортировки вязких нефтепродуктов нуждаются в усовершенствовании, так как для их эксплуатации требуются высокие энергозатраты, большое количество времени на разогрев, что, тем не менее, не обеспечивает полный слив грузов. Все это приводит к сравнительно низкому обороту цистерн за счет их простоя. Условия транспортировки серьезно усложняет характерная для России продолжительность холодного времени года. Таким образом, вопросы совершенствования подвижного состава для перевозки вязких нефтепродуктов являются актуальными и на сегодняшний день.
Для их решения требуется проведение исследования существующих котлов вагонов-цистерн с выбором оптимальных параметров их конструкции. Поставленная задача реализовывалась численным моделированием процессов теплообмена методом конечных элементов для различных конструктивных исполнений с целью расчетного обоснования рационального сочетания системы разогрева и теплоизоляции котла.
В отечественных аналогах эксплуатируемых вагонов-цистерн среди применяемых систем разогрева можно отметить два основных типа [1]:
• «паровая рубашка» (внешняя система разогрева, рис. 1);
• «парообогревательные трубы» (внутренняя система разогрева, рис. 2).
Рис. 1. Вагон-цистерна с системой разогрева «паровая рубашка»
Рис. 1. Вагон-цистерна с системой разогрева «парообогревательные трубы»
«Паровые рубашки» производят наружный разогрев груза через стенки котла цистерны. При использовании парообогревательных труб процесс разогрева происходит внутри котла.
Дополнительно к системам разогрева котлы вагонов-цистерн могут иметь наружную теплоизоляцию.
В работе была выполнена классификация возможных конструктивных исполнений котла при сочетании систем разогрева и теплоизоляции (табл. 1, рис. 3).
Рис.3. Конструктивные исполнения котла (к табл. 1)
Из многообразия приводимых вариантов подробно рассматривались конструкции котла с наружной теплоизоляцией. Таким образом, в качестве базовых исследовались три конструктивных исполнения теплоизолированного котла с системами разогрева: «паровая рубашка», «парообогревательные трубы» и комбинированным их применением.
В процессе работы необходимо было уделить внимание теплофизике транспортируемых вязких нефтепродуктов (табл. 2).
Наибольшему влиянию от температуры подвержена кинематическая вяз¬кость (рис. 4). Этот фактор учитывался при проведении расчета.
Рис.4. Температурная зависимость кинематической вязкости мазута марок М40, М100, М200 и битума
Для исследуемых конструктивных исполнений были разработаны расчет¬ные модели, описывающие теплообмен при разогреве вязкой жидкости в котле.
Конвективный теплоперенос жидкости в ограниченном пространстве в общем случае описывается системой четырех дифференциальных уравнений в частных производных: энергии, движения, неразрывности потока и теплообмена. Было принято, что движение вязкого груза при его разогреве происходит путем естественной конвекции. При таком течении вязкой жидкости имеет место перенос теплоты через отдельные ее слои, каждый из которых будет характеризоваться эквивалентным коэффициентом теплопроводности . Это позволяет рассматривать двигающуюся в цистерне жидкость как квазитвердое тело с переменной теплопроводностью.
Эквивалентная теплопроводность вычисляется с использованием формул (1) - (4), и ее значение уточняется на каждом шаге расчета:
Таким образом, задача сводится к решению параболического дифференциального уравнения, описывающего нестационарный процесс теплопроводности.
Расчетная модель представляет собой половину поперечного сечения середины цилиндрической части котла цистерны с диаметром 3000 мм. Испытуемым грузом являлся битум.
Уравнение теплопроводности параболического вида в цилиндрических координатах имеет вид:
Приняты начальные и граничные условия для конструкции котла с системой разогрева «паровая рубашка» (рис. 5а).
Рис. 5. Расчетные схемы котла с системами разогрева: а) «паровая рубашка»; б) «парообогревательные трубы»
Для котла с системой разогрева «парообогревательные трубы» (рис. 46) при постановке краевой задачи теплопроводности в уравнении (5) учитывалась характеристика плотности W тепловыделений.
Конструктивный вариант котла с комбинированной системой разогрева предполагал одновременное действие двух рассматриваемых выше систем.
Численное моделирование нестационарного процесса теплопроводности для представленных расчетных схем проводилось по специально разработанной программе при следующих условиях:
- котел с системой «паровая рубашка»: Т0 = -50°С, Тs = 180°С, φ0 = 0, φs =60°, R = 1,5м;
- котел с системой «парообогревательные трубы»: Т0 = -50°С, rw = 1.3м, φ0 = 0, φw =30°, z = 3, R = 1,5м;
- котел с комбинированной системой разогрева: Т0 = -50°С, Тs = 180°С, rw = 1.3м, φ0 = 0, φw =30°, z = 3, φs =60°, R = 1,5м;
- параметры испытуемого груза: с= 1900 Дж/кг°С, р = 1050 кг/м3, β=0,0008 1/°С, λ =0,55 Вт/м°С, v =3,2x10-3 м2/с (значение v уточнялось в зависимости от Т на каждом шаге расчета);
- Величина плотности тепловыделений W, Вт/м3 во всех случаях принималась из условия, что температура груза в этих точках поддерживается равной 180°С.
Для исследуемых расчетных схем была разработана конечно-элементная модель котла (рис. 6). Для описания элементов конструкции использовались пластинчатые трех- и четырехузловые конечные элементы (рис. 7).
По результатам численного моделирования получено распределение температур при нестационарном процессе теплопроводности для точек центра поперечного сечения середины котла (табл. 3).
Построены температурные поля в конечно-элементной модели после 10- часового процесса разогрева для каждой расчетной схемы (рис. 8).
Рис. 8. Температурное поле после 10-часового разогрева в поперечном сечении котла с системами: а) «паровая рубашка»; б) «парообогревательные трубы»; в) комбинированный вариант
Анализируя рассмотренные конструктивные особенности котла, можно сделать вывод, что система разогрева «парообогревательные трубы» является более совершенной по сравнению с системой «паровая рубашка». Комбинированное сочетание превосходит «парообогревательные трубы», при этом температурное поле в исследуемом сечении котла изменяется незначительно.
В результате работы был выполнен обзор и анализ существующих конструкций котлов вагонов-цистерн действующего парка для перевозки вязких нефтепродуктов. Проведенный комплекс работ позволил обосновать выбор конструктивного исполнения в виде теплоизолированного котла с системой разогрева «парообогревательные трубы» как наиболее рационального.
Основные обозначения, принятые в тексте
Литература
1. Вагоны / под ред. Л.А. Шадура. - М.: Транспорт, 1973. - 440 с.
2. Михеев, М.Л. Основы теплопередачи / М.Л. Михеев, И.М. Михеева. - М. Энергия, 1973. - 320 с.
