Условия перевозки скоропортящихся грузов на направлении

2 Теплотехнический расчёт рефрижераторного вагона 
для гружёного рейса со свежими гранатами

 

2.1 Цель и метод расчёта, состав теплопоступлений

 

В данном курсовом проекте цель теплотехнического  расчёта эксплуатационная, поскольку по результатам этого расчёта уточняется способ обслуживания груза в пути и определяется расход дизельного топлива на маршруте. Задача решается аналитическим методом [4, разд. 1] для условий перевозки с однородными климатическими условиями (такие условия заданы).

Состав теплопоступлений в рефрижераторный  вагон при перевозке неохлаждённых гранатов [4, разд. 2] следующий:

– вследствие теплопередачи через ограждения кузова вагона (Q_т);

– за счёт инфильтрации наружного воздуха (Q_и);

– за счёт биохимической теплоты плодоовощей при дыхании (Q_б);

– эквивалентные воздействию солнечной радиации (Q_с);

– эквивалентные работе вентиляторов-циркуляторов (Q_ц);

– от свежего воздуха при вентилировании (Q_в);

– эквивалентные оттаиванию снеговой шубы (Q_ш);

– от охлаждаемого груза, тары и средств пакетирования (Q_г);

– от охлаждаемого (отепляемого) кузова и оборудования вагона (Q_к).

Из этих теплопоступлений складывается суммарная мощность теплового потока (SQ), которая должна быть компенсирована холодильным (SQ > 0) или отопительным (SQ < 0) оборудованием.

 

2.2 Расчётная температура наружного воздуха на маршруте

 

Расчётную температуру наружного воздуха на маршруте следования гранатов определяют, °С, по формуле:

 

,

 

где Х – квантиль надёжности расчёта теплопритоков, Х = 0,84 (при заданном значении Р = 0,80 [4, табл. 3.1],); s – заданное среднеквадратичное отклонение температуры наружного воздуха от её среднего значения, s = 5.

Произведение «X × s» принято со знаком «+», так как перевозка осуществляется в осеннюю часть переходного периода года (сентябрь – октябрь). Следовательно: t_р = 12 + 0,84 ´ 5 = 16,2 (°С).

2.3 Характеристика и основные и параметры теплообменных 
процессов в гружёном рейсе

 

Характеристика  теплообменных процессов в гружёном рейсе

В грузовое помещение вагона поступают  неохлаждённые гранаты при температуре t_г.н = 12 °С (по заданию). Поскольку тип грузового фронта и время погрузки заданием не определены, следует принять расчётную температуру воздуха на фронте погрузки (t^_ф) и расчётную температуру наружного воздуха (t^_р) одинаковыми, т. е. t^_ф = t^_р = 16,2 °С (рисунок 2). По Правилам предварительное охлаждение рефрижераторных вагонов для неохлаждённых грузов не производят. Значит, температура воздуха в вагоне на момент начала погрузки будет такая же: t_в.н.п = 16,2 °С [4, разд. 4].

В процессе погрузки температура воздуха  в вагоне будет понижаться до значения, близкого к температуре гранатов (см. рис. 2). Образуется температурный напор, и появляются теплопритоки через ограждения вагона и открытую дверь. В дневное время действует солнечная радиация. Кроме того, груз выделяет биохимическую теплоту. Температура гранатов будет повышаться, но незначительно. К концу погрузки её значение t_г.п.п условно можно принять равной t_г.н, т. е. t_г.п.п = t_г.н = 12 °С [4, разд. 4].

После погрузки и закрытия дверей рефрижераторного вагона запускают  дизель-генераторы, устанавливают температурный режим (t_в.в = 5 °С, t_в.н = 2 °С) и включают холодильное оборудование. При этом сначала начинают работать вентиляторы-циркуляторы, с помощью которых температурные поля свободного воздуха и груза выравниваются, т. е. t_в.п.п = t_г.п.п = 12 °С. Через 7...10 мин после включения вентиляторов-циркуляторов автоматически включаются холодильные машины.

Из воздухораспределителя в грузовое помещение вагона начинает поступать холодный воздух, нагнетаемый вентиляторами-циркуляторами, и заполнять свободное пространство вокруг и внутри штабеля груза. Нагретый от груза и стен вагона тёплый воздух направляется к испарителям холодильных машин, охлаждается и снова поступает в воздухораспределитель. Так происходит охлаждение воздуха, тары вагона и груза [4, разд. 4].

Первоначальное охлаждение воздуха в вагоне (t_в) будет длиться до тех пор, пока его температура не достигнет нижней границы температурного режима (t_в.н = 2 °С). Холодильные машины отключают. За счёт теплопритоков от груза и окружающей среды воздух в вагоне будет нагреваться. При повышении температуры воздуха до верхней границы температурного режима (t_в.в = 5 °С) вновь включают холодильные машины, и процесс повторяется. По мере охлаждения груза интервалы между выключением и включением холодильных машин заметно увеличиваются. При продолжительности пауз в работе холодильных машин более 9 мин вентиляторы-циркуляторы (на время пауз) автоматически отключаются.

 

НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ – работа холодильных машин; 
Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник теплопоступлений); 
t_ф, t_р – расчётные температуры наружного воздуха на грузовом фронте и в гружёном рейсе, °С,

, – соответственно изменение температуры, груза и воздуха внутри грузового помещения вагона; t_в – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении; t_г – продолжительность охлаждения груза; t _г.р – продолжительность гружёного рейса

Рисунок 1 – Динамика охлаждения воздуха и гранатов в вагоне 
в координатах t° (температура), t (время)

 

Охлаждение груза до верхней  границы температурного режима (см. рис. 1), осуществляется за время t_г, соответствующее длительности теплообменного режима «охлаждение груза», затем наступает режим «теплокомпенсация», который сохраняется до конца перевозки.

Теплотехнические характеристики неохлаждённых гранатов

К таким характеристикам относят условный коэффициент скважности применяемой тары (r_т), условный коэффициент плотности штабеля груза (r_ш), удельные тепловыделения плодоовощей в среднем за время охлаждения (q_бох) и после охлаждения (q_бр), скорость теплоотдачи груза (m_г).

Упаковка гранатов отсутствует, в качестве тары принят (самостоятельно) закрытый ящик из дощатых планок и шпона с просветами между планками до 1 см. Штабель груза в вагоне сформирован плотно-вертикальным способом (см. табл. 2).

В этом случае:

– степень скважности тары r_т = 0,30 [4, прил. Д];

– степень плотности штабеля груза r_ш = 0,95 [4, прил. Е];

– удельные тепловыделения гранатов в среднем за время охлаждения с 12 °С до 3,5 °С q_бох = 64 Вт/т (интерполирование данных применительно к малине [4, табл. Г.2]);

– удельные тепловыделения гранатов в среднем после охлаждения q_бр = 29 Вт/т (данные применительно к малине [2, табл. Г.1]);

Скорость теплоотдачи груза, °С/ч, определяют по формуле:

 

,

 

где числа – эмпирические коэффициенты; k_ш – поправочный эмпирический коэффициент, который учитывает степень плотности штабеля груза, k_ш = 0,74 (при r_ш = 0,95 [4, табл. И.3]); k_т – то же, учитывает степень скважности тары, k_т = 0,96 (при r_т = 0,3 [4, табл. И.3]); G^_бр – количество груза в вагоне по заданию, G^_бр = 45 т брутто (груз + тара).

Тогда  m_г = (4,3 ´ 0,74 ´ 0,96) : (1 + 45) = 0,067 (°С/ч).

Теплотехнические  характеристики грузового вагона рефрижераторной секции постройки БМЗ

К ним относят расчётный температурный напор (Dt_р), максимальный температурный напор (Dt_м) и коэффициент теплопередачи (k_р) через ограждения кузова вагона.

Расчётный температурный напор через ограждения кузова вагона Dt_^р, К, определяют вычитанием среднего значения температурного режима (t_в = 3,5 °С) из расчётной температуры наружного воздуха (t_^р = 16,2 °С).

Тогда  Dt_^р = 16,2 – (5+2) : 2 = 12,7 (К).

Максимальный расчётный температурный напор Dt_м, при котором прекращается полезная работа холодильных машин, является характеристикой вагона, зависит от года его выпуска [4, прил. А]. Год выпуска установлен (условно) вычитанием заданного срока службы вагона из текущего года выполнения курсового проекта. Тогда год выпуска секции БМЗ 2012 – 20 = 1992. Значит, Dt_м = 70 К.

Расчётный коэффициент теплопередачи k_р определяют, Вт/(м²×К), по формуле:

 

,

 

где k_р.п – паспортное значение расчётного коэффициента теплопередачи, k_р.п = 0,32 Вт/(м²∙К) [4, прил. А]; m_о – коэффициент, учитывающий изменение свойств ограждающих конструкций грузового помещения от случайных факторов, m_о = 1,42 (при Р = 0,8 [4, табл. 6.1]).

Тогда k_р = 0,32 ´ 1,42 = 0,45 (Вт/(м²∙К)).

Основные параметры теплообменных процессов

Это скорость охлаждения свободного воздуха в грузовом помещении (b_в), скорость охлаждения груза (b_г), продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении (t_в), продолжительность охлаждения груза (t_г).

Скорость охлаждения воздуха в грузовом помещении рефрижераторного вагона, °С/ч, определяют по формуле:

 

,

 

где числа – эмпирические коэффициенты; k_м – эмпирический коэффициент, который учитывает влияние температурного напора и свойств изоляции вагона на скорость теплообменных процессов в грузовом помещении, k_м = 2,2 (при Dt^_р = 12,7 К, Dt_м = 70 К, k^_р = 0,45 Вт/(м²∙К)) с учётом интерполирования данных [4, табл. И.1] применительно к вагону секции БМЗ выпуска после 1985 г.); k_б – эмпирический коэффициент, учитывающий степень биохимических тепловыделений плодоовощей при охлаждении, k_б = 0,96 (при q_бох = 64 Вт/т [4, табл. И.2]); Р_в – заданная грузоподъёмность вагона, Р_в = = 45 т; G_б^р , k_ш , k_т –определены выше.

Тогда b_в = (19,3 ´ 2,2 ´ 0,96) : {[1 + (45 : 49)]^5,5 ´ 0,75 ´ 0,96} = 1,56 (°С/ч).

Скорость охлаждения гранатов в  грузовом помещении рефрижераторного вагона РС-4-БМЗ, °С/ч, определяют по формуле:

 

,

 

где m_г, k_м, k_б – величины, определённые ранее; ограничение b_г по m_г связано с необходимостью регулирования температурного режима в заданных границах.

Тогда b_г = 0,067 ´ 2,2 ´ 0,96 = 0,142 (°С/ч). С учётом ограничения по m_г принимаем b_г = 0,067 (°С/ч).

Продолжительность охлаждения воздуха  (t_в) и груза (t_г) в гружёном рейсе, ч, определяют:

 

t_в = (t_в.п.п – t_в.н) : b_в = (12 – 2) : 1,56 = 6 (ч);

 

t_г = (t_г.п.п – t_в.в) : b_г = (12 – 5) : 0,067 = 104 (ч).

 

При общей продолжительности рейса t_г.р = 24×t_у = 24 ´ 9 = 216 (ч) груз успевает охладиться в пути и будет следовать в охлаждённом виде 112 ч.

 

2.4 Мощность теплопоступлений в грузовое помещение вагона

 

Сначала определяют мощность каждого теплопритока в отдельности аналитическим методом [4, разд. 7] , а потом их алгебраическую сумму в двух вариантах (таблица 3). Один вариант суммы соответствует набору теплопоступлений при охлаждении груза в пути, другой – в процессе перевозки груза уже в охлаждённом состоянии. Ниже приводится расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторный вагон при перевозке гранатов.

Мощность теплового потока вследствие теплопередачи через ограждения кузова вагона, кВт/ваг.:

 

,

где F_^р – полная расчётная поверхность грузового помещения, F_^р = 234 м² [4, прил. А]; t_^р – расчётная температура наружного воздуха на направлении перевозки, t_^р = 16,2 °С (см. п. 3.2); t_в – среднее значение температурного режима перевозки груза (см. табл. 2), t_в = 2 + 5 = 3,5(°С); F_м – расчётная поверхность машинных отделений, контактирующих с грузовым помещением, F_м = 7,8 м² [4, прил. А]; t_м – температура воздуха в машинном отделении, которая на 4 °С выше расчётной температуры наружного воздуха вследствие теплоотдачи холодильными машинами, t_м = 16,4 + 4 = = 20,4 (°С); k_^р – расчётный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций грузового помещения вагона, k_^р = 0,56 Вт/(м²∙К), определен в п. 3.3.

Тогда Q_т = [234(16,2 – 3,5) + 7,8(20,2 – 3,5)] 0,45 ´ 10^-3 = 1,40 (кВт/ваг.).

Мощность теплового потока от инфильтрации свежего воздуха внутрь грузового помещения вагона, кВт/ваг.:

 

,

 

где r_н – плотность наружного воздуха, r_н = 1,2 кг/м³ (при t_р = 16,4 °С [4, табл. К.1]); m_и – кратность инфильтрации воздуха в ограждениях вагона и в вентиляционной системе, m_и = 0,30 ч^–1 (при средней скорости движения вагона 18 км/ч и сроке службы вагона 20 лет [4, прил. Л]); V_п – полный объём грузового помещения вагона, V_п = 138 м³ [4, прил. А]; i_н – удельное теплосодержание наружного воздуха при температуре 16,4 °С и влажности 60 %, i_н = 34 кДж/кг [4, табл. К.2]); i_в – удельное теплосодержание воздуха внутри вагона в режиме перевозки и влажности 90 %, i_в = 14 кДж/кг [4, табл. К.2].

Тогда Q_и = 1,2 ´ 0,3 ´ 138 ´ 3600^–1 ´ (34 – 14) = 0,28 (кВт/ваг.).

Мощность теплового потока от плодоовощей при дыхании, кВт/ваг., определяют дважды (см. рис. 2) – на участке пути, когда груз охлаждается от начальной температуры до режимных значений (Q_б1), и на участке пути движения груза в охлаждённом состоянии (Q_б2):

 

;

 

,

где q_бох – удельные тепловыделения плодоовощей при их охлаждении, q_бох = 
= 64 Вт/т (см. п. 3.3); q_бр – то же, в режиме «теплокомпенсация», когда груз охладился, q_бр = 29 Вт/т (см. п. 3.3); G_гр – масса перевозимого груза, G_гр = 40 т нетто (по заданию).

Тогда: Q_б1 = 64 ´ 40 ´ 10^–3 = 2,56 (кВт/ваг.); Q_б2 = 29 ´ 40 ´ 10^–3 = 1,16 (кВт/ваг.).

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

 

,

 

где F_б.с – поверхность боковых стен вагона, F_б.с = 61 м² [4, прил. А]; F_к – то же, крыши, F_к = 67 м² (см. там же); t_э.р – эквивалентная температура рассеянной радиации, соответствующая разности температур на поверхности вагона при наличии и отсутствии солнечной радиации на условно заданной широте местности 56 град с. ш. в переходный период, t_э.р = 1 К [4, табл. М.1]; t_э.в – то же, прямой радиации на вертикальные поверхности (см. там же), t_э.в = 4,3 К; t_э.г – то же, прямой радиации на горизонтальные поверхности (см. там же), t_э.г = 10,5 К; m_c – заданная вероятность солнечных дней в году, m_c = 0,25, доли ед.; t_c – продолжительность воздействия солнечной радиации, t_c = 11 ч/сут [4, табл. М.2].