Совершенствование условий перевозок опасных грузов класса З тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.08, кандидат технических наук в форме научного доклада Христолюбов, Александр Васильевич

• Христолюбов, Александр Васильевич
• кандидат технических наук в форме научного доклада
• 1996

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме научного доклада Христолюбов, Александр Васильевич

1.1. Актуальность проблемы. Круг вопросов, решаемых в настоящей работе, связан с весьма актуальной проблемой для железнодорожного транспорта: совершенсвованием условий перевозки легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), относящихся согласно ГОСТ 19433-88 "Грузы опасные. Классификация и маркировка" к 3 классу опасности, в том числе разработкой научно обоснованных нормативов по условиям их перевозки.

На сети железных дорог России и большинстве железных дорог СНГ в настоящее время при отгрузке ЛВЖ используются две нормы налива - летняя и зимняя. Указанные нормативы, принятые более 40 лет назад без достаточного научного обоснования, без учета физико-химических свойств перевозимых жидкостей и температурных режимов перевозки, приводят к потере грузов из-за их теплового расширения и созданию аварийных ситуаций, а в других случаях к значительному недоиспользованию грузоподъемности и вместимости подвижного состава.

Максимальные потери автомобильного и авиационного бензина в переходный и теплый период года за счет теплового расширения достигают на одну четырехосную цистерну 62 типа калибровки 1986 кг, максимальные потери статической нагрузки при перевозке дизельного топлива в холодный период года - 740 кг.

Чтобы изменить сложившееся положение, необходимо проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований и внедрение научно обоснованных нормативов по условиям перевозок рассматриваемых грузов.

1.2. Целью работы является создание методики и инженерных методов расчета параметров, относящихся к специальным условиям перевозки опасных грузов класса 3, направленных на обеспечение безопасности перевозок. оптимальное использование технических средств транспорта и промышленных предприятий при безусловном обеспечении сохранности перевозимых грузов.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: изучение физико-химических и опасных свойств легковоспламеняющихся жидкостей; исследование существующих условий перевозок опасных грузов класса 3 железнодорожным транспортом; исследование технического состояния подвижного состава, предоставляемого под погрузку; установление теоретических закономерностей нагрева и охлаждения жидких грузов в вагонах-цистернах и опытная проверка полученных результатов в производственных условиях; установление причины и размеров потерь перевозимых грузов; разработка, утверждение и внедрение научно обоснованных нормативов в производство.

1.3. Методика исследования. Работа основана на теоретических и экспериментальных исследованиях, анализе и обобщении отечественного и международного опыта перевозки опасных грузов.

Методической основой моделирования процессов перевозки опасных грузов стало использование аппарата теории вероятностей и математической статистики, теплофизики.

Достоверность полученных результатов оценивалась сравнением расчетных данных с фактическими, полученными в ходе опытных перевозок, экспериментов и массового обследования.

1.4. Научная новизна. Разработана универсальная методика расчета параметров, относящихся к специальным условиям перевозки опасных грузов класса 3 исходя из конкретных условий - физико-химических свойств грузов, типа подвижного состава, температурных условий налива, транспортирования и слива, климатических условий.

Найдены Методы оптимизации технологических процессов отгрузки, получены аналитические зависимости, позволяющие оценить потери грузов от типа используемых технических средств и технологии отгрузки.

1.5. Практическая ценность работы. Даны обоснования ряда технологических приемов, позволяющих снизить потери рассматриваемых грузов при железнодорожных перевозках и потери погрузочных ресурсов железных дорог, а также приведены рекомендации по оптимальным температурным режимам погрузки.

Разработаны технические требования к подвижному составу, используемому при перевозке указанных грузов.

Впервые разработаны дифференцированные нормы загрузки рассматриваемых грузов при отправке их в южные районы Российской Федерации и СНГ.

1.6. Реализация результатов работы. По результатам исследований утверждены указанием МПС № ЦМКУ-18/52 от 11.09.89 "Дифференцированные нормы налива светлых нефтепродуктов" и дополнения к ним № ЦМКУ 18/12 от 27.06.91, № ЦМКУ 12/47 от 10.03.92. Указанием МПС № 460у от 26.04.85 утверждены ограничения температур ЛВЖ, отгружаемых в горячем состоянии

1.7. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на Российской научно-технической конференции "Проблемы безопасности труда, экологии и чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте" -Новосибирск, 1995 г, международном симпозиуме "Безопасность перевозочных процессов" - Москва, 1995 г, на научно-технических конферециях Сибирской государственной академии путей сообщения (1985, 1991, 1995 г.)

1.8. Публикации. Основные результаты работы содержатся в 25 отчетах о НИР, 27 статьях и 2 авторских свидетельствах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 2.1. Современное состояние условий перевозок опасных грузов класса 3.

В соответствии с ГОСТ 19433-88 "Грузы опасные. Классификация и маркировка", Рекомендациями ООН по перевозке опасных грузов к опасным грузам класса 3 - (Легковоспламеняющиеся жидкости) относятся жидкости, температура вспышки которых в закрытом тигле не превышает 61 °С.

В соответствии с

§15 действующих Правил перевозок жидких грузов наливом в вагонах-цистернах и бункерных полувагонах в вагоны-цистерны грузоподъемностью 60 т и более продукты наливают до уровня верхнего сегмента, грузоподъемностью менее 60 т - до половины высоты колпака, а при наливе ЛВЖ в теплый период года (с 1 апреля по 1 октября) - до нижнего основания колпака.

Анализ заполнения котлов вагонов-цистерн 34 калибровочных типов, находящихся в эксплуатационном парке сети Российских железных дорог, показал, что летний уровень соответствует заполнению котла на 97.5.98.75%, зимний - от 98,7 до 99,4%. При этом следует отметить, что уровень установки верхнего сегмента в котле вагона-цистерны не определен Правилами перевозок, а проведенные натурные обследования выявили, что у вагонов-цистерн одного типа высота уровня верхнего сегмента относительно нижней образующей котла по внутреннему диаметру имеет разброс ± 30 мм. Расчеты показывают, что установленные Правилами перевозок грузов уровни налива ЛВЖ в зависимости от физико-химических свойств перевозимых грузов позволяют в среднем иметь температурный запас на тепловое расширение грузов, приведенный в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Зависимость температурного запаса на тепловое расширение опасных грузов класса 3 от периода года

Наименование опасного груза Температурный запас на тепловое расширение (°С) в периоды года с 1.04 по 1.10 с 1.10 по 1.

Бензин автомобильный и авиационный 15.

Керосин авиационный

Топливо дизельное

Масла минеральные 29

Спирт этиловый

2.2. Физико-химические свойства грузов.

К легковоспламеняющимся жидкостям в основном относятся углеводороды предельного ряда с развлетвленной и неразвлетвленной углеродной цепью. Их физико-химические свойства приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2.

Интервал кипения, плотность, коэффициент теплового расширения, температура вспышки легковоспламеняющихся жидкостей.

Наименование вещества Число атомов углерода Интервал (температура) кипения, "С Плотность при 20° С, кг/м3 Коэффициент теплового расширения -Ю-3, К-' Температура вспышки. °С

Бензин Cj-Ch 30-205 690-760 1.373-1.112

Лигроин CVCu 150-230 850-860 0.843-0.

Керосин Ci:-Cu 180-300 755-810 1,138-0.955 4

Топливо дизельное Ci:-Cis 190-250 830-860 0.897-0.817 37

Газойль С|й-С:И 270-360 800-870 0.984-0.792 23

Масла минеральные » светлые Ci:-C:4 270-380 850-950 0.843-0,608 23

Спирт метиловый С, 64,5 792 1.237 1 8 !

Спирт этиловый С: 78.39 789-790 1.000-1.

Значения физико-химических свойств существенно зависят от температуры. Величина теплового расширения жидкостей может быть рассчитана либо по коэффициенту теплового расширения р, либо по гиперболической зависимости объема жидкости V от температуры Т:

1 У(Т)-У

V ДТ V т-т„ ' V(T) = Vofl+aT+bT+cT3),

2.1) (2.2) где V, - объем при температуре Т0;

Д V - изменение объема при изменении температуры на Д Т = Т - Т0; а,Ь.с - апроксимирующие коэффициенты при линейной, квадратичной и кубической составляющей температуры. Значения ß для основных фракций приведены в табл. 2.2. Величина ß коррелирует с плотностью жидкости.

Характер изменения плотности от температуры для предельных углеводородов и фракций в интервале температур 0-100°С практически линейный р(Т) = р:о - а(Т - 20) (2.3) где р(Т) - плотность жидкости при температуре Т, кг/м3; а - температурная поправка на 1°С, кг/м3.

Зависимости У(Т) и р(Т) необходимы для расчета основных параметров при заполнении вагонов-цистерн легковоспламеняющимися жидкостями.

Изучение физико-химических свойств позволяет отметить, что бензины автомобильные марок А-76, А-80, АИ-93, АИ-95, АИ-98 и авиационные марок Б-100 обладают наибольшими среди перевозимых ЛВЖ значениями коэффициента теплового разширения, давления насыщенных паров, самой низкой температурой начала кипения и вспышки в закрытом тигле, что влечет за собой наибольшее путевые потери как от испарения через неплотности котла и при срабатывании предохранительного клапана, так и от течи груза через неплотности, в случае теплового расширения груза и переполнения котла.

2.3. Исследование температурных режимов налива, транспортирования и слива ЛВЖ.

Результаты обследования. В период с 1982 по 1995 г под руководством автора проведены опытные перевозки сырой нефти, дизельного топлива, автомобильного бензина и нефтяного топлива на направлениях ЗападноСибирская - Южно-Уральская - Целинная - Узбекская - Таджикская -Туркменская - Северо-кавказская ж.д. Изучены температурные режимы налива и слива, в том числе по данным нефтебаз, систематизирован материал по физико-химическим свойствам ЛВЖ. Установлено, что температуры отгрузки продуктов нефтеперерабатывающими предприятиями достаточно стабильны в течение года и в основном находятся в пределах от 20 до 30°С (рис. 2.1.). Температуры ЛВЖ при отгрузке с нефтебаз и наливных пунктов, примыкающих к магистральным продуктопроводам, более низкие по сравнению с отгрузкой с перерабатывающих предприятий и имеют ярко выраженную сезонность. Так, минимальная температура дизельного топлива и бензина минус 18 - минус 20 °С приходится на период с декабря по февраль, максимальная (14-18°С) на июнь - август.

Анализ данных о температуре ЛВЖ, поступающих на пункты слива, расположенные в районах Средней Азии и Северного Кавказа, а также результаты опытных перевозок показывают, что максимальная температура груза приходится на период с июня по август, минимальная - с ноября по февраль.

Таким образом, можно сделать вывод, что максимальная разность между температурами груза в пунктах слива и налива достигает 35-40°С - в районах Средней Азии и 25 - 30°С в районах Северного Кавказа в холодный, переходный и теплый периоды года. В то же время в холодный период при отгрузке продуктов с перерабатывающих предприятий температура груза при наливе, как правило, выше температуры груза при сливе.

Определение максимально возможной температуры нагрева ЛВЖ в вагоне-цистерне. Известно, что налив продуктов должен производиться с таким расчетом, чтобы при максимальном тепловом расширении груза не

Температурные режимы налива и слива ЛВЖ при отгрузке в южные районы РФ и СНГ

-о- - температруры налива бензина и дизтоплива при отгрузке с нефтепродуктопровода; -х--о- -температуры налива бензина и дизтоплива при отгрузке с нефтеперерабатывающего завода; -л— максимальные температуры бензина и дизтоплива при выгрузке в Душанбе; максимальные температуры бензина и дизельного топлива при выгрузке в Краснодаре.

Рис. 2. происходило бы переполнения котла. В связи с этим в данном разделе работы поставлена задача определить расчетную максимальную температуру груза на примере автомобильного бензина, которую он может достичь в самом неблагоприятном случае с учетом нагрева вагона-цистерны воздухом и солнечным излучением.

Расчеты проводились для вагона-цистерны 25 типа калибровки с котлом диаметром О = 2,8 м, длиной Ь = 10,3 м, поверхностью цилиндрической части Рц = 90,56 м2, площадью одного днища Ид = 6,15 м2, общей поверхностью Ров = 102, 86 м2 и с площадью миделева сечения вдоль продольной оси котла Рм = 28,84 м2. Общая теплоемкость металла котла См = 3726 кДж/К.

Принято, что масса бензина в котле равна Мж = 46000 кг, чему при температуре жидкости и = 40°С соответсвует высота уровня бензина Н = 2,7 м.

В качестве самых неблагоприятных условий выбраны следующие.

Одиночный вагон находится на длительной стоянке в пункте, расположенном на 38° северной широты в середине июля при безоблачном небе и отсутствии ветра, продольная ось вагона-цистерны ориентирована с востока на запад.

Физическая модель процесса теплоотдачи представляется следующим образом. Поверхность котла днем нагревается за счет прямого и рассеянного солнечного излучения, а, кроме того, в течение суток либо также нагревается, либо охлаждается в результате теплообмена с окружающим воздухом в силу естественной и вынужденной конвекции. Тепловые потоки, идущие внутрь котла, считаются положительными.

Суммарный тепловой поток, равный алгебраической сумме составляющих, преодолевает термическое сопротивление стенки котла (толщина 5 = 0,01 м, коэффициент теплопроводности Хл = 45,3 Вт/(м-К) и отдается жидкости путем естественной (свободной) конвекции.

Предполагается, что по объему жидкости температура распределяется равномерно и все сообщаемое тепло идет на изменение некоторой усредненной по объему среднекалориметрической температуры жидкости и.

Конвективный теплообмен котла с окружающим воздухом. Теплообмен в силу естественной конвекции между котлом и окружающим воздухом, а также между стенкой котла и жидкостью может быть определен по критериальному уравнению для свободной конвекции:

N11 = с(Сг + Рг)" (2.4.)

В частности, для теплообмена между стенкой котла и спокойным воздухом критерии, входящие в уравнение (2.4), относятся к воздуху при его температуре и и имеют следующие значения

N11 = а,кО/Х.в - критерий Нуссельта, вг = gPl!D3Дtll / у; - критерий Грасгофа, где Рг - критерий Прандтля для воздуха; сек - коэффициент конвективной теплоотдачи от воздуха к стенке, Вт/(м2-К);

Э - диаметр котла, м:

Я, - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К); о = 9.81 - ускорение свободного падения, м/с2; \!{и+ПЪ) - коэффициент объемного расширения воздуха, К-'; д^ - абсолютное значение разности между температурами воздуха и наружной поверхности стенки, К;

V, - кинематическая вязкость воздуха, м2/с.

Коэффициенты с и п в уравнении (2.4) принимают следующие значения при вгРг< 519.9 с =1,18; п = 0, при 519,9 <СгРг< 17936-103 с = 0,54; п = 0, при вгРг > 17936 • 103 с = 0,135; п = 0,

Таким образом, определив по (2.4) значение Ки. можно вычислить коэффициент теплоотдачи а„к = N11, • (2.5) и мощность конвективного теплового потока я„х на единицу общей поверхности котла. Вт/м

Я«=а, (и-Р*сг) (2.6)

Здесь под ц и 1нст понимаются средние в течение данного часа температуры воздуха и стенки. График изменения 1в по часам суток приведен на рис. 2.2. Он построен путем усреднения соответствующих температур наружного воздуха, измеренных в течении 3 суток июля. Замеры проводились во время стоянки вагона-цистерны с бензином на станции Душанбе в период проведения опытных перевозок. В качестве расчетного часа суток на рис. 2.2 и в дальнейшем принято истинное солнечное время -с с, которое с

Изменение температуры воздуха в течение расчетных суток. рис. 2. декретным летним временем тл связано соотношением

4(Xr -15N)

Хс = Тл +2 + ■ где Тл - поясное летнее время, ч;

2=1 + 1- поправка на декретное и летнее время, ч;

Хг - географическая долгота:

N - номер часового пояса, считая от меридиана с Хг = 0.

Расчеты показывают, что для рассматриваемого района истинное солнечное время Тс больше местного летнего на 2,6 часа и больше московского летнего времени на 5,6 часа.

Следует отметить, что амплитуда колебаний температуры в течение суток на рис. 2.2 мало отличается от средней нормативной для июля 17,9° С. что свидетельствует о хорошей представительности полученных опытных данных.

Чтобы учесть изменение теплофизических .характеристик воздуха в зависимости от его температуры, была проведена обработка соответствующих табличных данных. В частности, для интервала температур от 0 до 60° С получены следующие зависимости

V, = 10"6( 13,28 + 0,095и), (2.8)

А., = I О-2 (2.44 + 0,0077 Г»), (2.9)

Рг. = 0,707-0,000183 и. (2.10)

Нагрев котла солнечным излучением. Для расчета теплопритока от прямого и рассеянного солнечного излучения были использованы нормативные методы и исходные данные, приведенные в строительных нормах и правилах (СНиП). применяемых при расчетах теплопотерь зданий.

На рис. 2.3 приведена схема воздействия прямого солнечного излучения на котел, продольная ось которого ориентирована с востока на запад.

Схема воздействия прямого солнечного излучения на котел вагона-цистерны /.N, . 7Х рис. 2.

Здесь 1 - горизонтальная плоскость, проходящая через продольную ось котла, 2 - вертикальная плоскость, перепендикулярн^я продольной оси котла цистерны, 3 - миделево сечение котла, проходящее через его продольную ось и перпендикулярное вектору qnu (направлению ас ), od- направление на юг, о а - направление солнечного луча, Ас - азимут солнечного луча, отсчи-тываемй от направления на юг, h - угол между горизонтальной плоскостью I и направлением на солнце, <р - угол мевду направлением на солнце и продольной осью котла.

Из рис. 2.3 следует, что модуль вектора интенсивности прямого солнечного излучения, падающего перпендикулярно плоскости 3, т.е. на цилиндрическую часть котла, qnu равен qnc=Vq!T+qT, (2.1 о где qneio - интенсивность прямого облучения вертикальной поверхности. обращенной к югу, ккал/м2-ч; qnr - интенсивность прямого излучения на горизонтальную поверхность, ккал/мг-ч.

Интенсивность прямого солнечного излучения qnc вдоль направления солнечного луча о а равна qn== (2.! 2) stncp

Вместе с тем из рис. 2.3 видно, что: ос о a- cos h • sinlAcj costp = = =--==—1—- = cos h • sinlAcj, (2.13) о а о a где ¡Acj - абсолютное значение азимута.

Следовательно qn - q" ==, (2.14) yjl — cos" h • sin "¡Acj а интенсивность прямого облучения днища цистерны (на рис. 2.3 левого) равна qaa-cos h-sinlAci дпд = gnc • cos ф = -== ^ ' ■ (2.15) д/1 -cos: h • sin: |Acj

Величины qnBio, qnr, h и Ac для каждого часа суток приведены в соответствующих СНиП. При этом азимут Ас до полудня отсчитывается от южного направления против часовой стрелки, а после полудня - по часовой стрелке. В период от 5 до 8 часов и от 16 до 19 часов истинного времени азимут Солнца превышает 90°, т.е. освещается не южная, а северная сторона цистерны. Поэтому для рассматриваемых интервалов времени указаны азимуты Солнца, считая от северного направления (до полудня по часовой стрелке, после полудня - против часовой стрелки), а вместо интенсивности прямого солнечного облучения вертикальной поверхности, обращенной к югу Япвю, приведены соответствующие величины для вертикальной поверхности, обращенной к северу

Таким образом, секундное количество тепла, получаемое всем котлом за счет прямого солнечного излучения составляет

С=1^(РМ'Ч" + РД'°' (2Л6) а средняя мощность теплового потока от прямого излучения для котла в целом равна

Чл=С>пЛ:об, (2.17)

Здесь е = 0,74 - коэффициент поглощения солнечного излучения окисленной шероховатой стенкой цистерны.

Для рассеяного солнечного излучения в СНиП даются интенсивности такого излучения на горизонтальную поверхность ккал/м2ч, а также на вертикальные поверхности, обращенные на юг -с^ вю, на север - ([рве, на восток -Цр,, и на запад - с^вэ. Через эти величины секундное количество тепла, поступающего на все поверхности цистерны, в пересчете с ккал/ч на Вт выражается следующим образом

4 Л. Вт (2.18) а усредненная по всей поверхности мощность теплового потока от рассеянного излучения Вт/м2 равна

2.19)

Общая мощность теплового потока на 1 м: поверхности котла, передаваемого от воздуха за счет естественной конвекции, прямого и рассеянного солнечного излучения, составляет

Я» = Ял = (2.20)

Конвективная теплоотдача от стенки цистерны к жидкости. Процесс обусловлен естественной конвекцией, поэтому должен рассчитываться по уравнению (2.4) с определением критериев и теплофизических характеристик для жидкости. В критериях Нуссельта и Грасгофа в качестве определяющего размера необходимо использовать вместо диаметра кот.та О высоту слоя жидкости Н, а разность температур брать между внутренней поверхностью котла и жидкостью вдали от стенки.

Значения соответствующих теплофизических характеристик в зависимости от температуры жидкости определялись по следующим зависимостям. полученным обработкой табличных данных для автомобильного бензина

Уж= Ю-6 (0,92 - 0,008671ж), (2. 21)

Хж = 0,1204 - 0,000192 ^ (2.22)

Ргж= 12,4-0,123 и-, (2.23)

Рж = 1,05- Ю-', (2.24) сж = 1970 +4,5 и. (2.25)

Здесь с ж - теплоемкость автомобильного бензина. Дж/(кг.К).

Определив по уравнению (2.4) значение N11 для бензина и коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости а = N11* • \Х/Н, (2.26) можно найти удельный поток тепла от стенки к жидкости в Вт на 1 м2 поверхности с учетом термического сопротивления стенки котла

2.27) от а,

При этом я» и Яж могут быть как положительными (внутрь цистерны), так и отрицательными (наружу).

Последовательность расчетов с помощью ЭВМ и результаты расчетов. Изменение средней температуры автомобильного бензина I* по времени расчитывалось методом последовательных приближений с использованием способа деления пополам интервала возможных значений температуры наружно^поверхности котла I'.

Для первого приближения задавалась предполагаемая начальная температура автомобильного бензина (например, 28°С) и границы интервала возможных температур стенки 1ст.т« = и + 6°С и ^.тт = I* - 5°С. В качестве расчетной температуры стенки I" принималась средняя между максимальной и минимальной.

Начиная с момента времени х = 0,5 часа при соответствующих внешних условиях по описанным ранее методикам определялись суммарный тепловой поток от воздуха к стенке цистерны я» (формула 2.20) и поток тепла я-* от стенки к жидкости (формула 2.27).

Если разность между ними Дя = я» - Я» составляла более 1% от Яж, то проводилось уточнение величины I". С этой целью определялсязнак Дя и в случае Дя £ 0 для следующего приближения температура г' использовалась в качестве ^.шш находилось - новое среднее значение между ^.тм и 1сг.тш и все расчеты повторялись для этого нового значения ^ . Если же оказывалось, что А я > 0, то прежнее значение I" принималось за 1ст.тм и все расчеты повторялись для нового значения ^ = (1ст.тах -Кст.тт)/2. Итерации продолжались до тех пор, пока Д я не становилось менее 1% от я*

Повышение (понижение) средней температуры автомобильного бензина за один рассчитываемый час с учетом расхода тепла на нагрев металла котла (См = 3726 кДж/К) определялось по формуле

ЗбООИ-я*

А1Ж=——(2.28) МЖСЖ + С„

Соответственно, новая температура бензина в конце часа равна 1ж(к+1) = г«(К) + Д^, (2.29) где К порядковый номер рассчитываемого часа суток. Для следующего часа снова задавались возможные значения максимальной и минимальной температуры стенки, определялось среднее значение ее и проводились такие же расчеты, как и для первого часа.

Таким же образом проводились расчеты для всех 24 часов первых, вторых и последующих суток. Далее выявлялась максимальная температура жидкости в течение расчетных суток и проводилось сравнение ее с максимальной за предыдущие сутки.

Расчеты заканчивались, когда разница между этими температурами становилась меньше заданной погрешности 0,2° С, что считалось признаком стабилизации температур жидкости. По результатам расчета на печать выдавалась информация об изменении в течение каждых суток не только С" и и, но также ял, освк и ах.

В процессе отладки программы было учтено то, что:

1. Имеет место теплообмен цистерны с воздухом, обусловленный ветром, так как абсолютный штиль практически имеет вероятность, равную нулю. Средняя скорость ветра для июля выбрана W = 0,2 м/с.

Соответствующее значение критерия Нуссельта определялось для поперечного обтекания цилиндра

N11 = сЛе" Ргт, (2.30) где Ке =--критерии Реинольдса;

Рг - критерий Прандтля для воздуха.

Параметры уравнения (3.30) для Яе < 151600 выбирались равными с = 0,25; п = 0,6; ш = 0,38, а при Яе > 151600 - с = 0,023; п = 0,8; ш = 0,37.

Коэффициент теплоотдачи от вынужденной конвекции а, находился по значению N11 так же как для естественной конвекции и в расчет вводилась сумма обоих коэффициентов теплоотдачи.

2. Имеет место потеря тепла котлом вагона-цистерны в ночные часы за счет излучения в окружающее пространство, которой ранее приобреталось. Эта потеря, отнесенная к единице общей поверхности котла, определялась по формуле

С 8рМТ г +273У (Тмп

100 ) \

2.31)

ГДС Ол * потеря тепла, Вт/м2;

Се = 5,67 - коэффициент излучения абсолютного черного тела. Вт/м2К4; = 0,74 - степень черноты поверхности цистерны; Рм - излучающая поверхность, принятая равной площади горизонтального миделева сечения цистерны, м2; г) - коэффициент использования излучающей поверхности; Тмп - абсолютная температура окружающего пространства, при нятая равной 220 К. Потеря Ял рассчитывалась только для ночных часов (от захода до восхода солнца).

3. В верхней части котла вагона -цистерны всегда имеется слой воздуха или паров, которые имеют очень низкую теплопроводность. Поэтому соответствующий участок поверхности котла практически выключается из всех видов как лучистого, так и конвективного теплообмена. Чтобы учесть это, введен коэффициент использования поверхности миделева сечения г| , который показывает, какая доля миделева сечения действительно участвует в теплообмене.

При высоте воздушной прослойки 0,1 м в самой верхней части котла из геометрических соотношений вытекает, что величина этого коэффициента составляет 0,63. Однако, учитывая, что солнце не бывает в зените, величина коэффициента использования поверхности принята л = 0,75. Этот коэффициент применялся во всех случаях теплообмена, в котором участвует горизонтальное миделево сечение котла вагона-цистерны.

Решение задачи показало, что максимальная температура автомобильного бензина устанавливается в конце третьих суток стоянки и составляет « 40°С. Эта величина хорошо согласуется с данными опытных перевозок и использована в дальнейшем для разработки норм налива. »

Сравнение кривых изменения температур автомобильного бензина по часам суток, полученных расчетом и по результатам опытных перевозок, показывает их одинаковый качественный характер.

Опытные перевозки сырой нефти, нефтяного топлива, автомобильного бензина и дизельного топлива в сопровождении вагона-лаборатории ЦМ МПС проводились на направлениях Сибирь - Казахстан - Средняя Азия; Сибирь - Северный Кавказ. Отгрузка производилась с наливных пунктов, примыкающих к магистральному продуктопроводу Уфа-Новосибирск. Перед наливом в опытные вагоны-цистерны устанавливались термодатчикн типа ТвЬ -0-43760 по схеме, приведенной на рис. 2.4.

2.4. Методика и результаты опытных перевозок

Схема расстановки термодатчиков

Рис. 2.

Налив продуктов в опытные вагоны-цистерны производился согласно проекту дифференцированных норм. В пути следования через 2-х часовые интервалы выполнялись замеры температуры груза и наружного воздуха, регистрировалось состояние погоды, велось визуальное наблюдение за состоянием поверхности котлов опытных вагонов-цистерн, на 5 станциях проводились перевески. В пункте выгрузки производилось 2-4 суточное отстаивание опытных вагонов-цистерн.

Было установленно, что в опытном маршруте у шести вагонов-цистерн пришли в нерабочее положение по одному откидному болту люка-лаза, у трех вагонов-цистерн по два откидных болта. На пункте слива, при открывании крышки-колпака у 10 вагонов-цистерн 66 типа калибровки котла новой постройки и 6 вагонов-цистерн 62 типа, оборудованных крышкой люка-лаза ригельного типа и без износа уплотнительной прокладки, наблюдался интенсивный выход газовой фазы бензина, что свидетельствует о хорошей герметизации люка-лаза и исправности предохранительного клапана вагона-цистерны.

В результате опытных перевозок, проводившихся в теплый, переходный и холодный периоды года, было установленно следующее. При наливе ЛВЖ до уровней согласно разработанным дифференцированным нормам, переполнения котла вагона-цистерны продуктами и течи через крышку люка-лаза (колпака) и предохранительный клапан в пути следования и на станциях выгрузки, в том числе при 3-4 суточном отстое, обнаружено не было. При проведении опытных перевозок автомобильного бензина в июле-августе в момент открывания крышки люка-лаза (колпака) наблюдалось интенсивное кипение автомобильного бензина, однако оно также не приводило к выплеску продукта. В пунктах выгрузки наблюдалось повышение уровня продукта в котле: в апреле - мае на 6-13 см, в июле - августе на 2-7 см. При этом было установленно, что в вагонах-цистернах, оборудованных исправным уплотнительным кольцом крышки люка-лаза (колпака), без перекосов крышки, либо имеющих крышку ригельного типа, недостача перевозимого продукта отсутствовала, или не превышала нормы естественной убыли и нормы точности определения массы груза. В вагонах-цистернах, имеющих неполный комплект откидных болтов люка-лаза (колпака), либо неисправную уплотнительную прокладку люка-газа (порезы, некачественный стык, износ) или ее полное или частичное отсутствие, а также перекосы крышки люка-лаза, размеры недостачи перевозимого груза составляли от 321 до 442 кг при перевозках в апреле-мае, и от 359 до 883 кг в июле августе.

В результате опытных перевозок светлых нефтепродуктов, проведенных в июле-августе при температурах наружного воздуха в тени в южных районах Средней Азии 42-46° С, было установлено, что максимальная среднеобъемная температура груза в цистерне поднимется до 35-37°С, при этом только верхний слой (5 см) прогревается до 43-45°С.

2.5. Разработка дифференцированных норм налива вагонов-цистерн при отгрузке ЛВЖ в южные районы РФ и СНГ.

В результате анализа действующих норм налива, анализа температурных условий налива, транспортирования и слива, изучения физико-химических и теплофизических свойств ЛВЖ установлено, что действующими правилами перевозок грузов предусмотрено два строго фиксированных уровня налива, которые приняты без достаточного научного обоснования, без учета физико-химических и теплофизических свойств перевозимых продуктов, дальности перевозок, температурных условий налива, так как в одних случаях действующие нормативы приводят к потере грузов из-за их теплового расширения (см. рис. 2.5, АР) и созданию аварийных ситуаций, а в других случаях к значительному недоиспользованию грузоподъемности и вместимости вагонов-цистерн (Ар).

Максимальные потери бензина за счет теплового расширения могут достигать на одну четырехосную цистерну 62 типа калибровки 1986 кг, а максимальные потери статической нагрузки при перевозке дизельного топлива, имеющего плотность 890 кг/м3 при 20 ° С - 739 кг.

Попытки создать дифференцированные нормы налива предпринимались Уральским управлением магистральных нефтепродуктопроводов (УУМНП), (письмо № 14-42-35 от 28.06.84). Однако они обладали рядом существенных недостатков. Возможная температура нефтепродукта в пути следования и в пунктах назначения, расположенных в районах Средней Азии принята на 5°С больше, чем максимальная температура воздуха. Данное положение не получило подтверждения при обработке результатов опытных перевозок, а также фактическими данными баз выгрузки. Возможная температура груза в пунктах назначения в нормах УУМНП завышена в среднем на 10.30° С. К недостатку данной разработки следует также отнести и то, что она содержит ряд серьезных погрешностей, включает в себя рекомендации только для 20 из 34 типов вагонов-цистерн, используемых под перевозки; может быть использована при наливе двух продуктов - автомобильного бензина и дизельного топлива; отсутствуют рекомендации по наливу при отрицательной разнице температур груза в пунктах выгрузки и погрузки.

К сожалению, подобные неточности содержатся в правилах перевозок опасных грузов RID, действующих на железных дорогах Европы, а также в Рекомендациях ООН по перевозке опасных грузов. В указанных международных регламентах за конечную температуру груза в вагонах-цистернах (контейнерах-цистернах) принята температура +50°С, круглогодично, без привязки к какой-либо климатической зоне земного шара. Указанные недостатки и погрешности устранены в Дифференцированных нормах налива ЛВЖ в вагоны-цистерны при отгрузке в южные районы Российской Федерации и СНГ, разработанные под руководством автора. Максимально возможные температуры продукта в пункте назначения установлены исходя из результатов опытных перевозок, теоретических расчетов и фактических данных баз выгрузки, обработанных с использованием вероят

Оценка путевых потерь ЛВЖ при отгрузке и южные районы Российской Федерации

Рис. 2. носгно-статистических методов. Разработанные нормы можно использовать для всего перечня (34 типа) вагонов-цистерн, имеющихся в эксплуатационном парке сети железных дорог, при наливе широкой номенклатуры ЛВЖ, имеющих плотность от 690 до 890 кг/м3. Даны рекомендации по наливу ЛВЖ при отрицательной разнице температур продукта при выгрузке и погрузке, а также по наливу ЛВЖ в вагоны-цистерны, имеющие увеличенный удельный объем котла (31, 53А, 53, 62, 64, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72 тип).

2.6. Порядок налива ЛВЖ согласно дифференцированным нормам

2.6.1.Перед наливом ЛВЖ в вагоны-цистерны определяется ее температура при наливе-Тн и плотность при 20 "С. Значения плотности округляются в большую сторону до 0.01 т/м3.

2.6.2. По таблице 2.3 "Максимально возможные температуры ЛВЖ в пункте назначения" с учетом срока доставки груза, исчисляемого в соответствии с разделом 14 Правил перевозок грузов и температуры ЛВЖ в пути (при транзитном следовании через территории с более жарким климатом, например территории Средней Азии и Южного Казахстана), устанавливается максимальная температура ЛВЖ в пункте назначения или в пути следования - Тк.

В случае, если отгрузка ЛВЖ производится в одном месяце, а выгрузка (с учетом срока доставки) в следующем, то за максимальную температуру ЛВЖ в пункте назначения или в пути следования - Тк принимается большее значение температуры ЛВЖ Тк этих двух месяцев.

2.6.3. Определяется разница между конечной температурой ЛВЖ и температурой ее при наливе (Тк - Тн), которая округляется в большую сторону до 5°С.

2.6.4. В случае превышения температуры ЛВЖ при наливе - Тн над конечной температурой ЛВЖ Тк, т.е. когда (Тк - Тн) < 0, предельные нормы загрузки вагонов-цистерн устанавливаются по таблице 2.4 исходя из типа калибровки вагона-цистерны.

2.6.5. В случае превышения конечной температуры Тк над температурой ЛВЖ при наливе, т.е. когда (Тк - Тн) > 0, предельные нормы загрузки вагонов-цистерн устанавливаются по таблице 2.6, исходя из плотности ЛВЖ при 20°С, типа калибровки вагона-цистерны, разницы между конечной температурой ЛВЖ и температурой ЛВЖ при наливе (Тк - Тн).

2.6.6. При отгрузке ЛВЖ, имеющей плотность при температуре налива больше, чем указано в таблице 2.5, налив вагонов-цистерн типов 31. 53А(53), 61, 62, 63, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72 следует производить в пределах трафаретной грузоподъемности вагонов-цистерн:

- по таблице 2.7 исходя из плотности ЛВЖ при температуре налива и типа калибровки вагона-цистерны, определяют предельные нормы загрузки вагонов-цистерн по условиям их трафаретной грузоподъемности;

- согласно требованиям пунктов 2.6.4 или 2.6.5. определяют предельные нормы загрузки вагонов-цистерн по условиям теплового расширения ЛВЖ:

- за предельную норму загрузки вагонов-цистерн принимают наименьшее из значений, полученных по таблицам 2.7, 2.4 (или 2.6).

2.6.7. При определении объема жидкости в вагонах-цистернах, имеющих типы калибровки 53 и 53А, следует использовать таблицы калибровки вагонов-цистерн типа 53А.

Таблица 2.

Максимально возможные температуры ЛВЖ в пунктах назначения

Месяц года Температура в пунктах назначения. С

Астрахань Краснодар Страврополь Алма-Ата Бишкек Ташкент Душанбе Ашхабад январь 9 -3 5 8 12 1Э апрель май 2в декабрь 3

Таблица 2.

Предельные нормы загрузки вагонов-цистерн для случая превышения начальной темпе :ратуры ЛВЖ над конечной

Тип Грузоподьемность, т Предельная норма налива высота, см | объем, куо.дм

23 50 289 50830 |

24 50 288 50685 !

25 60 275 60910 !

25А 60 278 60939 :

31* I 120 297 136260 I

53. 53А 60 297 72320 !

61* 120 297 139340 |

62* |

63* 1 125 333 158625 !

66* ! 67* | 58 280 69903 ;

I 68* 1 66. 6в* | 72 316 | 91446 ;

1 Й9* ! 66 294 75191 '.;

1 70* I

71* I

72* 1 60 296 72035 |

72* ! см.также п.2.6.6. Таблица 2.5 Плотность ЛВЖ при температуре налива в случае превышения которой загрузку следует производить в пределах трафаретной грузоподьемности вагонов-цистерн

1 Тип калибровки вагонов-цистерн 31 53А(53) 61 62 63 66 |

Грузоподьемность (т)

Плотность ЛВЖ при температуре налива, т/м- 0,880 0,829 0,861 0,823 0,788 0,798 0.

Тип калибровки вагонов-цистерн

Грузоподьемность 66.8 72 66 66 125 60 66 |

Плотность ЛВЖ при температуре налива, т/м-' 0,730 0,787 0,877 0,901 0,777 0.832 1 0.916 |

Предельные нормы ,;1гру„ива1Ч11101 Л ВЖ с учетом „* тепловоГО расширения в пути ел!«2'

Плотность при 20° С=0,69 т/м

Тип цистерны

277-50160 268

Предельная высота (см) и объем налива (дм3) ЛВЖ при в пунктах слива и налива

259-49810 255

257-49770 254

Таблица 2.

Предельные нормы загрузки вагонов-цистерн по условиям их грузоподъемности в зависимости от плотности ЛВЖ при температуре налива

Тип калибровки р, т/м3 Н,см V, дм3 р, т/м3 Н,см V, дм

0,830 279 69825 0,

0,831 278 69739 0,

0,832 277 69665 0,

0,833 276 69560 0,

0,834 275 69390 0,

0,835 275 69390 0,

0,836 275 69390 0,

0,837 273 69240 0,

0,838 272 69120 0,

0,839 272 69120 0,

0,841 271 68969 0,

2.7. Рекомендации по условиям перевозок ЛВЖ, отгружаемых в горячем состоянии

Комплексные исследования процессов налива, перевозки и слива широкой номенклатуры ЛВЖ, отгружаемых в горячем состоянии, показали, что при их транспортировке грузоподъемность вагонов-цистерн и бункерных полувагонов используется на 78,4-95,9%. Основные причины неполного использования грузоподъемности вагонов - отсутствие технических норм загрузки сырья, наличие в эксплуатационном парке большого количества цистерн с удельным объемом котла 1,0 м3/т, что не соответствует физико-химическим свойствам и существующим температурным режимам налива подавляющего большинства перевозимых продуктов.

Анализ действующих Правил перевозок грузов показал, что в цистерны, оборудованные универсальным сливным прибором, допускается налив продуктов с температурой до 100°С, в бункерные полувагоны - до 150°С. Для цистерн, оборудованных паровыми рубашками, температурные режимы при наливе грузов не установлены.

Известно, что для ЛВЖ характерно резкое изменение плотности и объема с изменением температуры. С повышением температуры плотность их уменьшается (рис. 2.6), а удельный объем возрастает. Для большинства продуктов с достаточной степенью точности можно считать, что изменение плотности в зависимотси от температуры происходит по линейному закону.

Наиболее характерным представителем из группы ЛВЖ, отгружаемых в горячем состоянии, является нефтяное топливо.

Зависимость плотности ЛВЖ от температуры я я та да т от с -с

Рис. 2.

Приведенные на рис. 2.6 зависимости плотности ЛВЖ от температуры также характеризуют зависимость коэффициента использования грузоподъемности от температуры труза для вагонов-цистерн с удельным ооъемом котла 1 0 м¥т. В результате графического расчета коэффициента использования грузоподъемности, приведенного на рис. 2.6, установлено, что при возможности по условиям налива снижения температуры продукта со 150°С до 40°С использование грузоподъемности вагонов-цистерн может быть улучшено на 7,3%.

Существующее положение усугубляется узаконенным Правилами перевозок порядком налива - до уровня верхнего сегмента котла или половины колпака цистерны, а также отсутствием на эстакадах автоматических устройств осуществляющих контроль за степенью заполнения вагонов-цистерн при наливе и температурой ЛВЖ в резервуарных парках промыш-"енных предприятий. Отсутствие научно обоснованных температурных ре-™0в приводит к наливу продуктов с неоправданно высокими температурами, достигающими в отдельных случаях 150-180°С. Недогруз каждого вагона по этим причинам может достигать от 0,7 до 4,36 т

В ходе исследования оценивались возможные спосооы улучшения использования грузоподъемности и вместимости специального подвижного состава при перевозках наливных грузов в горячем состоянии. Решить эту проблему можно на основе разработки научно обоснованных температурных режимов налива и установления технических норм загрузки.

Сущность предлагаемого метода заключайся в том, что на основании изучения физико-химических свойств (вязкости, плотности, температурь, застывания) продуктов и технических характеристик перекачивающих наосов устанавливается верхняя граница температур выше которых отправителю запрещается производить налив. На рис. 2.7 представлены вязкостно-температурные характеристики нефтяного топлива и графически« расчет температурных режимов налива продуктов, отгружаемых в горячем состоянии В результате графического расчета находим, что для

Графический расчет температурных режимов при наливе ЛВЖ в горячем состоянии

Цифрами обозначены значения вязкости, при которых обеспечивается эффективная работа насосов: 1 - винтовых, шестеренчатых; 2 - поршневых; 3- центробежных Рис. 2. нефтяного топлива марки Ф12 при использовании центробежных насосов температура налива не должна превышать +40°С, М100-+75°С. Расчет температурных режимов для остальных типов насосов аналогичен (см. табл. 2.8).

Таблица 2.

Ограничение температур налива ЛВЖ

Тип перекачивающего насоса Температура налива, °С (не более)

Марка нефтяного топлива

Ф 5 Ф 12 М 40 М

Центробежный средней производительности

Поршневой 10*

Винтовой, шестеренчатый 0* 15* Только в зимний период года.

Использование предлагаемой методики нормирования температуры налива позволит, в расчете на 1 млн. т перевозимого груза, улучшить использование грузоподъемности вагонов и высвободить для дополнительной погрузки от 200 до 1750 четырехосных вагонов-цистерн, а также сберечь для утилизации до 50000 Гкал вторичного тепла.

Физико-химические характеристики топлива, вырабатываемого различными предприятиями, отличаются от стандартных значений. Вязкость конкретных продуктов, как правило, ниже стандартных, поэтому при разработке и установлении технических норм загрузки вагонов-цистерн необходимо откорректировать значения температур налива в соответствии с имеющимися характеристиками сырья и технологического оборудования.

Следует отметить, что, как показали результаты экспериментов и опытных перевозок, понижение температуры налива не окажет существенного влияния на температуру груза в пункте выгрузки и на продолжительность простоя вагонов-цистерн под наливом. Установлено , что наиболее интенсивное охлаждение перевозимого груза происходит в начальный период транспортирования - 24-40 ч, в дальнейшем температура стабилизируется и не зависит от расстояния перевозки.

Для полного использования грузоподъемности подвижного состава автором разработана "Методика расчета технических норм загрузки вагонов-цистерн", в которой впервые дано понятие "техническая норма загрузки" при перевозке жидких грузов как оптимальное количество груза, которое можно загрузить в подвижной состав, эффективно используя наливное оборудование и рациональные способы подготовки отгружаемого продукта к перевозке. Техническая норма загрузки определяется графическим способом в зависимости от типа калибровки вагонов-цистерн.

На рис. 2.8 представлена номограмма для расчета технических норм

Номограмма для определения технической нормы загрузки цистерн типа 10

Рис. 2. загрузки вагонов-цистерн типа 10-24 калибровки и показан порядок расчета. В верхней части номограммы в координатах "вязкость - температура" строится вязкостно-температурная характеристика наливаемого продукта (линия Н-р), нанесены границы эффективной работы перекачивающих насосов, используемых при наливе: центробежных (Ц), поршневых (П), винтовых и шестеренчатых (ВШ). В нижней части номограммы, справа, помещены графики изменения плотности продуктов от температуры, слева -шкалы технических норм загрузки с точностью 0,1 т в зависимости от типа вагона-цистерны.

Для расчета нормативов необходимо знать физико-химические свойства наливаемого продукта (вязкостно-температурную характеристику или значение вязкости при двух температурах в м2/с или °ВУ), точки Н и Р. плотность продукта при стандартной температуре 20°С, точка Ь, температуру застывания, тип перекачивающего насоса, используемого при наливе, калибровочный тип цистерны.